CN110837682A - 一种基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，包括（1）选取工业机器人大臂为优化对象；（2）确定正交试验设计的三个因素；（3）每个因素选取5个水平参数；（4）生成有25个试验方案的正交试验表；（5）对（1）中的工业机器人大臂模型进行修改；（6）对修改完成后的工业机器人大臂模型进行拓扑优化；（7）确定结构的最大应力；（8）生成最大应力的均值主效应图；（9）分析（8）的试验结果；（10）对比优化前后的分析数据，确认优化成果。本发明的优点在于：本发明能够最大限度的实现和保留大臂最优的材料分布，得到最优的大臂结构参数，使大臂在减轻质量的同时，强度、刚度等性能提高显著。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，特别涉及一种基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法。
背景技术
工业机器人经过多年的发展，高精度和高速度的发展方向是其必然的发展趋势。这种发展趋势不但要求工业机器人的控制方面需要不断提高，也对机器人的机械结构提出了更高的要求——不仅要轻量化而且要具有足够的强度、刚度和较好的动态特性。
拓扑优化不会受到结构原来的形状以及工程师优化经验的限制，可以得到意料之外的创新结构。然而，拓扑优化得到的结构方案，传统的制造技术加工困难甚至无法加工；设计人员要根据制造工艺和经验对拓扑优化后的结果再次进行优化设计。这种优化设计的方法会破坏拓扑优化的成果，优化后的结构性能甚至无法与现有的结构相比。
增材制造技术的出现解决了产品研发中普遍存在的“制造决定设计”的问题。在此基础上，设计过程中只需要考虑如何得到产品的最优结构，不再考虑产品的制造问题，但是仍存在一定的缺点：需要大量全面试验，才能有效保证大臂在减轻质量的同时，强度、刚度等性能有所提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够最大限度的实现和保留大臂最优的材料分布，得到最优的大臂结构参数，使大臂在减轻质量的同时，强度、刚度等性能提高显著的基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，其创新点在于：所述优化方法包括如下步骤：
步骤1：选取工业机器人大臂为优化对象；
步骤2：将大臂的壁厚、大臂末端螺栓孔的孔深以及拓扑优化过程中需保留设计空间的总体积三个对大臂结构性能影响较大的因素确定为正交试验设计的三个因素；
步骤3：每个因素范围由大到小确定合适的水平，每次试验过程中，每个因素选取5个水平参数；
步骤4：在minitab软件中进行正交表的选择，将确认的因素以及选取的水平参数输入到minitab软件中，生成有25个试验方案的正交试验表；
步骤5：按照正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对步骤1中的工业机器人大臂模型进行修改，生成对应的工业机器人大臂模型；在SOLIDWORKS软件中修改大臂的壁厚；在Inspire软件中修改大臂末端螺栓孔的孔深；；
步骤6：对修改完成后的工业机器人大臂模型进行拓扑优化；
步骤7：对拓扑优化后的结构进行静力学分析，确定结构的最大应力；
步骤8：试验结束后将得到的最大应力结果输入到正交试验表中，汇总以后在minitab软件中进行数据分析，生成最大应力的均值主效应图；
步骤9：分析步骤8的试验结果，判断是否得到最优的大臂结构参数，若结果为是，则试验结束，继续步骤10；若结果为否，则根据分析结果缩小水平的选取范围，回至步骤3开始重复试验；
步骤10：对优化后的工业机器人大臂模型进行模态分析，对比优化前后的分析数据，确认优化成果。
进一步地，所述步骤7中静力学分析具体为将工业机器人大臂模型导入solidTingking Inspire后，设置材料属性，然后施加约束和载荷条件，得出静力学分析结果。
进一步地，所述步骤10中模态分析具体为将工业机器大臂的CAD模型从SoildWorks中直接导入Workbench中进行模态分析，首先在workbench中设定好材料属性，然后选择适当的参数进行网格划分，接着设定约束条件——将大臂末端的所有螺栓孔设为固定约束；最后在结果后处理阶段设定好前六阶模态的总变形，进行模态分析求解。
本发明的优点在于：本发明基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，优化后大臂的结构更加合理，优化过程中考虑多种影响因素，利用正交试验设计可以极大减少试验次数的特点，最大限度实现和保留了大臂最优的结构参数；其刚度、强度性能明显增强，最小安全系数提高显著，轻量化效果明显。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的优化流程图。
图2为本发明的工业机器人大臂原模型三维图。
图3为本发明的工业机器人大臂优化前模型分割图。
图4为本发明的第一次试验方案拓扑优化后的结构图。
图5为本发明的第一次正交试验最大应力的均值主效应图。
图6为本发明的第二次正交试验最大应力的均值主效应图。
图7为本发明的第三次正交试验最大应力的均值主效应图。
图8为本发明的第四次正交试验最大应力的均值主效应图。
图9为本发明的优化后大臂模型的后视图。
图10为本发明的优化后大臂模型的前视图。
图11为本发明的优化后大臂模型的三维图。
图12为本发明的优化后大臂模型的前端孔洞放大图。
图13为本发明的优化后大臂模型的中部孔洞放大图。
图14为本发明的优化后大臂模型的末端孔洞放大图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，，如图1所示，优化方法包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，选取工业机器人大臂为优化对象，选取工业机器人大臂如图2所示，包括中空结构的臂体1，在臂体1的前端装配面有一个定位销孔2和18个通孔3，且臂体1的前端装配面侧面有一个圆柱形定位凸台4，凸台4中心有一个通孔5；臂体的末端装配面有2个大小不同的定位销孔6和21个通孔7，在臂体1的正面有2个凸台8，每个凸台8上面有两个通孔9，用于工业机器人线路和管道的固定；在臂体1的背面靠近前端装配面的部分，有一个圆弧形的凸台10，用于电机的保护；臂体1的背面靠近末端装配面的部分，有一个近似方形的定位凸台11，四边倒圆角，凸台上有1个孔12；
步骤2：将大臂的壁厚、大臂末端螺栓孔的孔深以及拓扑优化过程中需要保留设计空间的总体积三个对大臂结构性能影响较大的因素确定为正交试验设计的三个因素；
步骤3：每个因素范围由大到小确定合适的水平，每次试验过程中，每个因素选取5个水平参数；
步骤4：在minitab软件中进行正交表的选择，将确认的因素以及选取的水平的参数输入到软件中，生成有25个试验方案的正交试验表；实施例中共进行了四次正交试验，第一次正交试验选取较大的水平进行，每个因素选取的5个水平如下：壁厚分别为：8，15，20，25，30mm；末端孔深分别为：22，29,34,39,44mm，末端孔深的参数具体表现为大臂末端装配面的高度不同；保留体积分别为：30%，40%，50%，60%，70%。正交试验选择3因子5水平的正交表，第一次正交试验的试验方案和分析结果汇总如表1所示。
表1 第一次正交试验的试验方案和分析结果汇总
步骤5：按照正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对大臂模型进行修改，生成对应的工业机器人大臂模型；以序号1的试验方案为例：首先将大臂的壁厚在SOLIDWORKS软件中由原来的10mm改为8mm；然后将修改完成后的模型导入Inspire软件中进行其他参数的修改以及拓扑优化。
步骤6：在Inspire软件中对大臂模型进行拓扑优化；其中，拓扑优化具体为：
（1）设置材料属性，大臂的材料为可锻铸铁，密度7.3kg/cm3，弹性模量190GPa，泊松比0.3；
（2）确认设计空间，将大臂的前端和末端的两个装配面、大臂的前面和后面的四个凸台以及靠近前端装配面的圆柱形凸台和其附近的梯形部分从大臂原模型中独立出来，将大臂末端装配面的高度由原来的24mm改为22mm，（修改高度时，以装配面的下表面为基准）大臂原模型中的其他部分全部为设计空间，如图3所示；
（3）施加约束和载荷，工业机器人的大臂与小臂同时到达水平位姿时，此时工业机器人处于最危险工况，以该姿态为拓扑优化的条件，对大臂施加固定约束和载荷，对设计空间施加形状控制——对称和拔模方向；
（4）以最大化刚度为优化目标对大臂进行拓扑优化，保留设计空间总体积的参数设为30%；
拓扑优化完成后得到的大臂模型如图4所示（由于拓扑优化采用有限元的方法，优化之前首先要进行网格的划分，优化完成后，设计空间所形成的模型表面由数万个三角形的面构成）；由图可知，由于大臂壁厚较薄以及设计空间保留的体积较少，优化后的大臂前面的凸台部分已经脱离模型主体，因此本次试验的结果不具备参考价值，此种参数方案应舍去，本实施例中将试验中唯一出现的这种现象仅以案例的形式做详细介绍；
步骤7：对拓扑优化后的结构进行静力学分析，确定结构的最大应力；将拓扑优化后的大臂在Inspire中打开，选中形状探索器中的分析命令，直接进行静力学分析。
其余24个试验方案，重复步骤5至步骤7的过程；
步骤8：试验结束后将得到的最大应力结果输入到正交表中，汇总以后如表1所示，在软件中进行数据分析，生成第一次正交试验最大应力的均值主效应图如图5；
步骤9：分析试验结果，判断是否得到最优的大臂结构参数，若结果为是，则试验结束，继续步骤10；若结果为否，则根据分析结果缩小水平的选取范围，从步骤3开始重复试验；
分析第一次正交试验结果可知，三个因素中，壁厚越大、设计空间保留的体积越多，最大应力越小；末端孔深在29mm附近最大应力的均值最小。
由于水平选取的范围较大，无法准确得到最优的结构，根据分析所得的结果进行第二次正交试验设计。每个因素选取的5个水平如下：壁厚：16,18,20,22,24mm；末端孔深：27,28,29,30,31mm；保留体积：50%，55%，60%，65%，70%。重复步骤4至步骤8的过程，第二次正交试验最大应力的均值主效应图如图6。
分析结果可知，在本次试验中，壁厚22mm时，最大应力的均值最小，但是从数据的趋势可以看出，壁厚小于16mm时，最大应力可能存在更小的值；末端孔深为30mm时，最大应力的值最小；设计空间保留体积越大，最大应力的值越小。
综合考虑大臂结构的应力与质量，壁厚11mm至15mm之间。保留体积65%至75%之间，仍然可能存在更优的结构。同时为了验证末端孔深的结果是否可靠，进行第三次正交试验设计。每个因素选取的5个水平如下：末端孔深：28,29,30,31,32mm；壁厚：11,12,13,14,15mm；保留体积：65%，68%，70%，72%，75%。重复步骤4至步骤8的过程，第三次正交试验最大应力的均值主效应图如图7。
分析试验结果可知，末端孔深30mm，保留体积为72%时结构的最大应力的均值最小，壁厚在15mm时最大应力出现最小值。末端孔深确认为30mm，准备进行第四次正交试验，确认最优的大臂结构，其中壁厚：12,13,14,15,16mm；保留体积：70%，71%，72%，73%，74%。重复步骤4至步骤8的过程，第四次正交试验最大应力的均值主效应图如图8。
分析结果可知，壁厚为14mm、保留体积73%时最大应力的均值最小。试验的数据中，壁厚15mm，设计空间保留74%的体积时，最大应力的值最小，为10.60MPa,质量为32.445kg；但是这种情况是由于质量大造成大臂结构的强度更好。当壁厚13mm,设计空间保留72%的体积时，最大应力的值为11.06MPa,质量为28.410kg；综合考虑最大应力与质量，大臂的末端孔深30mm，壁厚13mm，设计空间保留72%的体积时拓扑优化得到的结构最优。
如图9至图14所示，优化后的大臂结构与原有结构相比，具有以下特征：1）大臂前端与末端装配部位附近的材料被去除；2）大臂末端装配面高度变为30mm；3）大臂的前面与后面存在多个不规则的孔洞结构；4）大臂的后面前端部分部位材料变薄；5）大臂的壁厚变为13mm。
步骤10：对优化后的模型进行模态分析，对比优化前后的分析数据，确认优化成果。
将拓扑优化后的大臂模型导入到ANSA中画网格，完成后，导入到Workbench中进行模态分析，网格不用再次划分，设置好各类参数以后，对优化后大臂的前六阶模态进行求解，求解后优化前后大臂的模态分析对比见表2。
表 2 优化前后大臂的模态分析对比表
正交试验的过程中已经对每一个拓扑优化的模型进行了静力学分析，优化前后大臂的静态特性对比见表3。
表 3 优化前后大臂的静态特性对比表
综合表2和表3，结果表明，优化后工业机器人大臂的新型结构更加合理，其刚度、强度性能极大增强，最小安全系数、最低频率提高显著，轻量化效果明显。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，其特征在于：所述优化方法包括如下步骤：
步骤1：选取工业机器人大臂为优化对象；
步骤2：将大臂的壁厚、大臂末端螺栓孔的孔深以及拓扑优化过程中需保留设计空间的总体积三个对大臂结构性能影响较大的因素确定为正交试验设计的三个因素；
步骤3：每个因素范围由大到小确定合适的水平，每次试验过程中，每个因素选取5个水平参数；
步骤4：在minitab软件中进行正交表的选择，将确认的因素以及选取的水平参数输入到minitab软件中，生成有25个试验方案的正交试验表；
步骤5：按照正交试验表中每个试验方案所给出的参数，对步骤1中的工业机器人大臂模型进行修改，生成对应的工业机器人大臂模型；在SOLIDWORKS软件中修改大臂的壁厚；在Inspire软件中修改大臂末端螺栓孔的孔深；；
步骤6：对修改完成后的工业机器人大臂模型进行拓扑优化；
步骤7：对拓扑优化后的结构进行静力学分析，确定结构的最大应力；
步骤8：试验结束后将得到的最大应力结果输入到正交试验表中，汇总以后在minitab软件中进行数据分析，生成最大应力的均值主效应图；
步骤9：分析步骤8的试验结果，判断是否得到最优的大臂结构参数，若结果为是，则试验结束，继续步骤10；若结果为否，则根据分析结果缩小水平的选取范围，回至步骤3开始重复试验；
步骤10：对优化后的工业机器人大臂模型进行模态分析，对比优化前后的分析数据，确认优化成果。
2.根据权利要求1所述的基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，其特征在于：所述步骤7中静力学分析具体为将工业机器人大臂模型导入solidTingking Inspire后，设置材料属性，然后施加约束和载荷条件，得出静力学分析结果。
3.根据权利要求1所述的基于正交试验的工业机器人大臂的结构优化方法，其特征在于：所述步骤10中模态分析具体为将工业机器大臂的CAD模型从SoildWorks中直接导入Workbench中进行模态分析，首先在workbench中设定好材料属性，然后选择适当的参数进行网格划分，接着设定约束条件——将大臂末端的所有螺栓孔设为固定约束；最后在结果后处理阶段设定好前六阶模态的总变形，进行模态分析求解。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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