第7期 2017年7月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)07006004
D0I : 10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 07. 014
直角坐标机器人悬臂结构优化设计与分析
朱福康'，刘毅'董航"，孟凡杰”，丛明
No.7 Jul.2017
（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024;2.营口金辰机械股份有限公司电气技术部，辽宁营口115000）
摘要：提出了一种针对工程实际问题的拓扑优化设计方法，对直角坐标机器人悬臂结构进行了拓护优化设计和力学性能分析。先对整机进行了有限元分析，找出了影响整机精度的关键结构即Y轴悬臂梁。后采用变密度法对悬臂梁横截面进行了拓扑优化，重构筋肋分布，根据优化后的截面形状重建三维模型并进行了力学性能有限元分析。优化前后对比分析结采表明：优化后的悬臂结构的变形减小，最大应力明显降低，结构的盾量也显著减轻。该方法对以后机械结构分析和拓扑优化设计具有一定的指导意义
关键词：直角坐标机器人；悬臂梁；有限元分析；拓扑优化
中图分类号：TH166;TG659
文献标识码：A
Design and Analysis for Cartesian Robot Cantilever Structure ZHU Fu-kang,LIU Yi',DONG Hang',MENG Fan-jie,CONG Ming
(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China ;2. Electrical Technology Department, Yingkou Jinchen Machinery Co. , Lid. Yingkou Liaoning 115OOO, China) Abstract : It presents a topology optimization method for practical engineering matters, and using this meth od improves the cantilever structure of Cartesian robot with some mechanical properties analysis. Finite ele-ment analysis was done on the whole machine to find out the key part that influenced the machine's accura-cy. Then, the topology optimization was made on the cross section of Y-axis cantilever, the key part, by u-sing variable density approach. After reconstructing ribs arrangement under the optimization, a finite element analysis was made on the new model. The results show the maximum deformation of the cantilever structure reduces a lot after the optimization, that the max stress has obvious decrease, and that the weight reduces significantly. This approach can provide some helpful instructions for the mechanical structure analysis and topology optimization design.
Key words: cartesian robot; cantilever structure ; finite element analysis; topology optimization
0引言
随着现代制造业对生产效率和自动化程度要求的提高，工业机器人的大量应用已经成为了不可逆转的趋势。直角坐标机器人(3)因结构简单，运动精度高，性能稳定，价格便宜等原因被广泛应用于焊接、搬运喷涂、装配等工作中。臂件作为起臂式直角坐标机器人的关键结构部件，在整机的静、动态性能方面起着至关重要的作用。采用传统的设计方法[3]虽然能借鉴已有的结构设计出符合要求的悬臂件，但面对缩短设计周期，减少开发成本，便于更新换代等现代机械的设计要求，传统设计手段已无法满足。因此，寻求更高效、精确的现代设计方法成为了解决这一问题的关键利用现代设计手段可以在计算机环境下实现悬臂结构
收稿日期：20161026；修回日期：20161124*基金项目：辽宁省科技创新重大专项(2015106011）
的建模、仿真等操作，快速地设计出高刚度、轻量化的悬臂结构(4)
20世纪初期，国外学者Michell[5]在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念，用解析分析的方法得出了最优的桁架结构，被认为是拓扑优化理论研究的里程碑。随后人们将数值分析法应用于拓扑优化设计中，使得连续体拓扑优化理论迅猛发展，形成了均勾化方法、变密度法、结构渐进优化法以及水平集方法等主要优化设计方法。
变密度法"不需要引入真实的材料微结构和附加均匀化求解，程序实现简单，优化效率高，因此得到了广泛的应用。利用Hyperworks和ANSYS两款有限元分析软件基于变密度法对直角坐标机器人悬臂结构进行拓扑优化，重构筋助分布，并对优化前后的结构进行
作者简介：朱福康（1994—），男，山东济宁人，大连理工大学预土研究生，研究方向为工业机器人技术与应用，（E-mail)xhufukang@mail.dlut.edu
；通讯作者：丛明(1963一)，男，辽宁大连人，大连理工大学数授，博士，研究方向为机器人机构学、服务机器人、工业机器人技术与应用，仿生机器人与智能控制，（Email)congm@dlut.edu.cn
万方数据