CN112800557A - 一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业机器人领域的结构分析领域,具体是一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其具体步骤如下:步骤1:在机器人运行极限位姿下;步骤2:定义安装板的优化区域和非优化区域;步骤3:基于步骤2安装板的拓扑优化填充模型;步骤4:根据步骤3中获取的拓扑优化结果;步骤5:利用步骤1中的受力分析;通过拓扑优化计算获得新的结构构型,确定了减速机过渡板最佳开孔位置及开孔大小,在Solidworks中进行减速机过渡板的二次结构设计,并采用有限元法,在相同的边界条件和载荷条件下,对二次设计后的新型安装板进行刚度及强度校核,提出了一套完整的工业机器人结构件的拓扑优化方法。

Description

一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法
技术领域
本发明涉及工业机器人领域的结构分析领域,具体是一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法。
背景技术
机械结构拓扑优化设计方法作为一种重要的机械结构优化方法,是将寻找结构拓扑的最优化问题转换为材料分布的最优化问题。根据给定的载荷工况、设置相应的目标函数、约束条件。以一定的优化算法进行迭代计算,对指定的优化区域的材料分布进行重新计算。
在结构拓扑优化过程中,常以某特定载荷下的变形作为衡量指标,机器人的静态刚度性能是机器人重要的性能指标之一。而目前的机器人设计通常较为保守,会导致机器人的整机质量过重、各零部件的刚度过设计以及零部件间之间的刚度匹配性不好。因此,机器人结构件的拓扑优化可以为机器人整机质量降低、提高零部件及整机刚度性能提供优化方向。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法。
一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其具体步骤如下:
步骤1:在机器人运行极限位姿下,对一轴减速器安装板进行受力分析,采用有限元软件建立一轴减速机过渡板有限元模型,通过仿真分析确定减速机安装板的刚度和强度性能;
步骤2:定义安装板的优化区域和非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型;
步骤3:基于步骤2安装板的拓扑优化填充模型,并利用步骤1中的刚度性能确定约束条件,以模型整体的应变能最小,采用拓扑优化的方法,将寻找结构最优化的设计问题,转为采用变密度法寻找材料最优化分布的数学问题,至此可以得到一轴减速机过渡板的拓扑优化计算结果;
步骤4:根据步骤3中获取的拓扑优化结果,结合已有标准,判断安装板是否存在过设计的部分,若存在过设计则在三维solidwords软件中对减速机安装板进行二次设计,即可得到新型的一轴减速机过渡板;
步骤5:利用步骤1中的受力分析,对二次设计获得新型安装板进行刚度和强度性能分析。
所述的步骤1中,在机器人极限位姿工况下,对一轴减速机过渡板进行受力分析。
所述的步骤2中,对建立的有限元拓扑优化填充模型定义优化区域,以及非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型。
所述的步骤3中,在软件中定义拓扑优化的约束条件:将步骤1中获取的一轴减速机过渡板拓扑优化后的最大变形值Dismax,以及软件中定义的体积分数Vr;目标函数设为总体的应变能最小;采用变密度法对安装板进行拓扑优化;其中Dismax指的是步骤1中一轴减速机过渡板静力学分析得到的结构上最大变形点的变形值,体积分数计算方法为:
Figure BDA0002925518060000021
式1中Vr:软件中定义的体积分数,V为软件中当前参与计算总体积,Vn为步骤2中定义的非优化区域,Vd为步骤2中定义的优化区域。
静态应变能的计算公式为:
Figure BDA0002925518060000022
式(2)中,K为系统的刚度矩阵,f为载荷,u为载荷f作用下的节点位移矢量,ε为载荷f作用下的应变,σ为应力,V为设计材料的总体积。
所述的步骤4中,对拓扑优化后获得的拓扑构型,结合材料去除的轮廓,采用近似模型的方法在Solidworks中进行二次设计。
所述的步骤5中,对二次设计获得的新型一轴减速机过渡板结构进行力学校核,分析二次设计后的安装板是否满足已有的刚度及强度指标要求。
本发明的有益效果是:通过拓扑优化计算获得新的结构构型,确定了减速机过渡板最佳开孔位置及开孔大小,在Solidworks中进行减速机过渡板的二次结构设计,并采用有限元法,在相同的边界条件和载荷条件下,对二次设计后的新型安装板进行刚度及强度校核,提出了一套完整的工业机器人结构件的拓扑优化方法,用于解决工业机器人结构件过设计问题,提高了同类型机器人结构件的优化效率;减轻了一轴减速器过渡板重量,降低了底座部分的重心高度,机器人运行更加平稳。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的一轴减速器过渡板在整机中的安装示意图一;
图2为本发明的拓扑优化流程示意图;
图3为本发明的一轴减速机过渡板的静力学分析示意图;
图4为本发明的拓扑优化填充模型示意图;
图5为本发明的拓扑优化结果示意图;
图6为本发明的二次设计后的结构示意图;
图7为本发明的一轴减速器过渡板在整机中的安装示意图二。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面对本发明进一步阐述。
如图1至图7所示,一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其具体步骤如下:
步骤1:在机器人运行极限位姿下,对一轴减速器安装板进行受力分析,采用有限元软件建立一轴减速机过渡板有限元模型,通过仿真分析确定减速机安装板的刚度和强度性能,一轴减速器过渡板5受力分析,机器人运行过程中,在大臂4水平、一轴以最大加速度运行,工况最为恶劣,一轴减速器过渡板5受力最大,受到转座到末端负载重力FY及一轴回转惯性力FZ
步骤2:定义安装板的优化区域和非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型,一轴减速器过渡板5进行拓扑优化,包括静力学分析及拓扑优化两部分,流程图如图2,先利用有限元软件对一轴减速器过渡板5进行有限元建模,包括对三维模型的简化、去除不必要的圆角、进行网格划分,将减速器安装板划分成728815个四面体单元,1135071个单元节点,并根据设计要求,将一轴减速器过渡板5指定材料为铸铁(QT450),设定相应的材料参数,建立有限元模型;
步骤3:基于步骤2安装板的拓扑优化填充模型,并利用步骤1中的刚度性能确定约束条件,以模型整体的应变能最小,采用拓扑优化的方法,将寻找结构最优化的设计问题,转为采用变密度法寻找材料最优化分布的数学问题,至此可以得到一轴减速机过渡板的拓扑优化计算结果,根据步骤1中一轴减速器过渡板5在机器人整机中的受力状况,以及实际的约束情况,建立有限元模型,如图3,施加相应的载荷和边界条件,进行静力学求解,可以得到一轴减速器过渡板5的最大变形及最大应力;
步骤4:根据步骤3中获取的拓扑优化结果,结合已有标准,判断安装板是否存在过设计的部分,若存在过设计则在三维solidwords软件中对减速机安装板进行二次设计,即可得到新型的一轴减速机过渡板,基于步骤3获得的有限元模型,根据减重部位要求,指定减速机安装板的优化区域和非优化区域,对优化区域进行材料填充,增加两侧壁厚,获得用于拓扑优化计算的填充模型,如图4;
步骤5:利用步骤1中的受力分析,对二次设计获得新型安装板进行刚度和强度性能分析,根据步骤4拓扑优化计算所获得的结构构型5-2,采用近似模型的原则,对一轴减速器过渡板5三维几何模型进行二次设计,得到二次设计后的一轴减速器过渡板5结构示意图,见图6;
步骤6:根据图3拓扑优化流程示意图,对二次设计后的一轴减速器过渡板结构5-3进行网格划分,建立新型安装板的有限元模型,对其施加与原模型相同的载荷及边界条件,进行静力学分析。
如图3所示,附图标记b为约束六自由度等于零。
如图4和图5所示,附图标记a为挖空,附图标记d为去除材料。
通过拓扑优化计算获得新的结构构型,确定了减速机过渡板最佳开孔位置及开孔大小,在Solidworks中进行减速机过渡板的二次结构设计,并采用有限元法,在相同的边界条件和载荷条件下,对二次设计后的新型安装板进行刚度及强度校核,提出了一套完整的工业机器人结构件的拓扑优化方法,用于解决工业机器人结构件过设计问题,提高了同类型机器人结构件的优化效率;减轻了一轴减速器过渡板重量,降低了底座部分的重心高度,机器人运行更加平稳。
所述的步骤1中,在机器人极限位姿工况下,对一轴减速机过渡板进行受力分析。
所述的步骤2中,对建立的有限元拓扑优化填充模型定义优化区域,以及非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型。
所述的步骤3中,在软件中定义拓扑优化的约束条件:将步骤1中获取的一轴减速机过渡板拓扑优化后的最大变形值Dismax,以及软件中定义的体积分数Vr;目标函数设为总体的应变能最小;采用变密度法对安装板进行拓扑优化;其中Dismax指的是步骤1中一轴减速机过渡板静力学分析得到的结构上最大变形点的变形值,体积分数计算方法为:
Figure BDA0002925518060000051
式1中Vr:软件中定义的体积分数,V为软件中当前参与计算总体积,Vn为步骤2中定义的非优化区域,Vd为步骤2中定义的优化区域。
静态应变能的计算公式为:
Figure BDA0002925518060000052
式(2)中,K为系统的刚度矩阵,f为载荷,u为载荷f作用下的节点位移矢量,ε为载荷f作用下的应变,σ为应力,V为设计材料的总体积。
所述的步骤4中,对拓扑优化后获得的拓扑构型,结合材料去除的轮廓,采用近似模型的方法在Solidworks中进行二次设计。
所述的步骤5中,对二次设计获得的新型一轴减速机过渡板结构进行力学校核,分析二次设计后的安装板是否满足已有的刚度及强度指标要求。
将步骤6所获取的新型一轴减速器过渡板的末端最大变形值与原模型计算结果进行对比,对比结果由表1给出:
表1优化前后一轴减速器过渡板结果对比
模型 最大应力(MPa) 末端最大变形(mm) 质量(Kg)
优化前 129 0.11 12.3
优化后 103 0.129 10.9
根据表1所给出的优化前后模型的有限元分析结果可以看出,在进行了拓扑优化后,一轴减速器过渡板的最大应力下降了20%,虽然末端最大变形增加了0.019mm,但是模型的质量减轻了11%,减轻了机器人整机重量,降低了底座部分的重心高度,机器人运行更加平稳。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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 (6)

1.一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:其具体步骤如下:
步骤1:在机器人运行极限位姿下,对一轴减速器安装板进行受力分析,采用有限元软件建立一轴减速机过渡板有限元模型,通过仿真分析确定减速机安装板的刚度和强度性能;
步骤2:定义安装板的优化区域和非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型;
步骤3:基于步骤2安装板的拓扑优化填充模型,并利用步骤1中的刚度性能确定约束条件,以模型整体的应变能最小,采用拓扑优化的方法,将寻找结构最优化的设计问题,转为采用变密度法寻找材料最优化分布的数学问题,至此可以得到一轴减速机过渡板的拓扑优化计算结果;
步骤4:根据步骤3中获取的拓扑优化结果,结合已有标准,判断安装板是否存在过设计的部分,若存在过设计则在三维solidwords软件中对减速机安装板进行二次设计,即可得到新型的一轴减速机过渡板;
步骤5:利用步骤1中的受力分析,对二次设计获得新型安装板进行刚度和强度性能分析。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:所述的步骤1中,在机器人极限位姿工况下,对一轴减速机过渡板进行受力分析。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:所述的步骤2中,对建立的有限元拓扑优化填充模型定义优化区域,以及非优化区域,将优化区域材料进行填充,建立一轴减速机过渡板的拓扑优化填充模型。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:所述的步骤3中,在软件中定义拓扑优化的约束条件:将步骤1中获取的一轴减速机过渡板拓扑优化后的最大变形值Dismax,以及软件中定义的体积分数Vr;目标函数设为总体的应变能最小;采用变密度法对安装板进行拓扑优化;其中Dismax指的是步骤1中一轴减速机过渡板静力学分析得到的结构上最大变形点的变形值,体积分数计算方法为:
Figure FDA0002925518050000021
式1中Vr:软件中定义的体积分数,V为软件中当前参与计算总体积,Vn为步骤2中定义的非优化区域,Vd为步骤2中定义的优化区域。
静态应变能的计算公式为:
Figure FDA0002925518050000022
式(2)中,K为系统的刚度矩阵,f为载荷,u为载荷f作用下的节点位移矢量,ε为载荷f作用下的应变,σ为应力,V为设计材料的总体积。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:所述的步骤4中,对拓扑优化后获得的拓扑构型,结合材料去除的轮廓,采用近似模型的方法在Solidworks中进行二次设计。
6.根据权利要求1所述的一种工业机器人减速机过渡板的拓扑优化方法,其特征在于:所述的步骤5中,对二次设计获得的新型一轴减速机过渡板结构进行力学校核,分析二次设计后的安装板是否满足已有的刚度及强度指标要求。
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