CN117235933A - 一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法 - 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结构件参数化建模及刚度优化方法，其具体步骤如下：S1：结构件模型简化；S2：结构件初版静力学计算；S3：结构件静力学计算工况确定；S4：参数化建模及优化设计算例；S5：优化模型输出。本发明基于设计软件仿真功能完成机器人结构件参数化建模及刚度优化仿真，优化过程便捷、优化结果有效，同时寻优结果会在软件中与初始结果进行对比，若优化结果符合预期目标则直接输出，若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整，优化效率高。
Description
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结构件参数化建模及刚度优化方法。
背景技术
机器人结构件参数化建模及刚度优化方法作为一种重要的机械结构优化方法，主要是将结构过设计或欠设计问题转换为结构设计寻优问题；结合实际确定载荷工况、给定不同水平结构设计参数、结合实际确定结构设计参数约束边界范围、基于需求确定优化目标；批量获取不同输入水平下结构件的不同水平输出，结合优化算法进行迭代优化计算，输出接近预期目标的结构件优化结果；
传统结构件设计过程中，一般基于结构设计工程师经验或计算单一工况下的结构件静力学分析，当前机器人结构件设计偏向保守且尺寸设计可控性较低、合理性较低，会导致结构件质量偏重、刚度偏低，进而导致整机质量偏重、整机刚度偏低，无法获取合理质量下的刚度目标。
目前机器人结构件优化分析案例较少且没有考虑耦合工况下的静力学分析，因此，当前亟待输出一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，保证结构设计合理且适用性较强。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法。
一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其具体步骤如下：
S1：结构件模型简化；
S2：结构件初版静力学计算；
S3：结构件静力学计算工况确定；
S4：参数化建模及优化设计算例；
S5：优化模型输出。
进一步地，所述的步骤S1结构件模型简化是参数化建模及优化的基础。
进一步地，所述的结构件模型包括拉伸、切除、抽壳、拔模、孔、圆角、倒角类特征，对结构件进行模型简化，删除不必要的特征后保证参数化模型顺利生成。
进一步地，所述的步骤S1的结构件简化后需保证与原始结构件模型刚度一致。
进一步地，所述的步骤S1中简化模型验证成功后需装配到整机中，基于实际需求设定机器人整机位姿，在整机位姿下对结构件进行约束及远程加载。
进一步地，所述的步骤S2结构件初版模型装配到整机中，确定静力学仿真位姿后进行结构件静力学计算，结构件静力学分析包括材料属性设置、夹具约束、外部载荷加载、网格划分、结果分析，结构件初版模型静力学结果为结构件参数化建模及刚度优化提供支持。
进一步地，所述步骤S3中的结构件静力学计算工况确定包括负载确定、约束确定、加载确定、耦合工况确定，负载根据机器人实际负载确定。
进一步地，所述步骤S4的结构件参数化建模及刚度优化方法中，结构件静力学计算工况确定后，将耦合工况下的静力学计算结果作为初始参考结果，具体步骤如下：
S41、初始参考结果确定后，针对结构件进行参数化建模及优化设计算例分析，主要包括将结构件尺寸参数作为变量、基于需求设置约束条件、结合实际需求确定优化目标；
S42、结构件主要优化性能参数为刚度，因此主要确定对结构件刚度影响较大的尺寸参数，尺寸参数设置范围结合铸造、加工、工业设计类因素进行设置。
进一步地，所述的步骤S41的约束条件可设置为质量约束、位移约束、应变约束、应力约束、制造约束类，同样需结合实际进行约束条件设置。
进一步地，所述的步骤S5在结构件参数化建模及刚度优化方法中，寻优结果会在软件中与初始结果进行对比：
若优化结果符合预期目标则直接输出；
若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整。
本发明的有益效果是：本发明基于设计软件仿真功能完成机器人结构件参数化建模及刚度优化仿真，优化过程便捷、优化结果有效，同时寻优结果会在软件中与初始结果进行对比，若优化结果符合预期目标则直接输出，若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整，优化效率高。
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是本发明一个实施例的方法流程图；
图2是大臂模型简化示意图；
图3是大臂整机装配示意图；
图4是大臂静力学分析示意图；
图5是大臂耦合工况静力学分析示意图；
图6是大臂优化设计算例示意图；
图7是大臂优化结果示意图。
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，一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其具体步骤如下：
S1：结构件模型简化；
S2：结构件初版静力学计算；
S3：结构件静力学计算工况确定；
S4：参数化建模及优化设计算例；
S5：优化模型输出。
基于设计软件仿真功能完成机器人结构件参数化建模及刚度优化仿真，优化过程便捷、优化结果有效，同时寻优结果会在软件中与初始结果进行对比，若优化结果符合预期目标则直接输出，若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整，优化效率高。
所述的步骤S1结构件模型简化是参数化建模及优化的基础，结构件模型包括拉伸、切除、抽壳、拔模、孔、圆角、倒角类特征，在模型参数化过程中，对结构件设计尺寸进行不同水平调整后，输出不同水平结构件模型，但圆角、倒角类特征会影响模型正常输出，出现模型生成不完整、报错类信息，导致优化寻优过程停止进而导致优化失败，因此需对结构件进行模型简化，删除不必要的特征后保证参数化模型顺利生成。
所述的步骤S1的结构件简化后需保证与原始结构件模型刚度一致，若简化模型与原始模型刚度差异较大会导致优化结果不佳，因此需对简化模型进行刚度一致性验证。
所述的步骤S1中简化模型验证成功后需装配到整机中，基于实际需求设定机器人整机位姿，在整机位姿下对结构件进行约束及远程加载，以机器人大臂为案例，删除大臂圆角、倒角类细节特征后完成大臂模型简化如图2所示，将简化后的大臂装配到整机中，如图3所示。
所述的步骤S2结构件初版模型装配到整机中，确定静力学仿真位姿后进行结构件静力学计算，结构件静力学分析包括材料属性设置、夹具约束、外部载荷加载、网格划分、结果分析，结构件初版模型静力学结果为结构件参数化建模及刚度优化提供支持。
大臂装配到整机后，删除其他部件仅保留大臂单个结构件即可，大臂材料属性设置为铸铝件，夹具约束设置为J2减速机安装面，外部载荷加载根据机器人负载设置为150N，远程加载约束设置J3减速机安装面、远程加载位置设置为机器人末端法兰中心，网格划分网格质量默认即可，计算资源满足的前提下设置为高质量网格效果更佳，结果分析主要为最大应力分析、单方向最大位移分析，静力学分析计算分析如图4所示。
所述步骤3中的结构件静力学计算工况确定包括负载确定、约束确定、加载确定、耦合工况确定，负载根据机器人实际负载确定，约束确定主要为减速机安装面固定约束确定，加载确定主要为减速机安装面加载约束及机器人末端远程加载位置确定，耦合工况确定主要针对结构件实际需求确定，单一加载工况难以满足实际应用工况，满足实际需求的耦合加载工况更合理。
大臂结构件对于整机点头刚度、整机横摆刚度影响较大，基于机器人笛卡尔坐标系主要针对大臂沿X方向刚度，即整机点头刚度、沿Y方向刚度即整机横摆刚度进行静力学分析，因此大臂至少耦合沿X、Y方向下加载的两种工况静力学分析更合理，大臂耦合工况静力学计算如图5所示。
所述步骤4的结构件参数化建模及刚度优化方法中，结构件静力学计算工况确定后，将耦合工况下的静力学计算结果作为初始参考结果，具体步骤如下：
S41、初始参考结果确定后，针对结构件进行参数化建模及优化设计算例分析，主要包括将结构件尺寸参数作为变量、基于需求设置约束条件、结合实际需求确定优化目标；
S42、结构件主要优化性能参数为刚度，因此主要确定对结构件刚度影响较大的尺寸参数，尺寸参数设置范围结合铸造、加工、工业设计类因素进行设置。
所述的步骤S41的约束条件可设置为质量约束、位移约束、应变约束、应力约束、制造约束类，同样需结合实际进行约束条件设置；刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，因此优化目标为位移最小即刚度最大即可，同时优化目标也可设置为定值进行寻优，寻优结果与参数范围设置及约束条件相辅相成。
将大臂抽壳厚度、大圆角、截面角度作为变量进行不同水平设置，尺寸参数设置范围基于需求给定；
约束条件为应力约束，同样基于需求给定，质量约束设置为仅监视即可；
寻优目标设定为点头最大位移最小即点头刚度最大，横摆最大位移最小即横摆刚度最大，变量、约束、目标设置如图6所示，设置完成后进行优化计算即可。
所述的步骤5在结构件参数化建模及刚度优化方法中，寻优结果会在软件中与初始结果进行对比，若优化结果符合预期目标则直接输出，若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整。
当前优化结果如表1所示：
表1大臂结构件优化前后对比
在成本基本不增加的前提下，点头方向静力学单方向刚度提升15.14％；横摆方向静力学单方向刚度提升6.55％，优化结果合理有效，优化后的大臂如图7所示。
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 (10)
1.一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：其具体步骤如下：
S1：结构件模型简化；
S2：结构件初版静力学计算；
S3：结构件静力学计算工况确定；
S4：参数化建模及优化设计算例；
S5：优化模型输出。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S1结构件模型简化是参数化建模及优化的基础。
3.根据权利要求2所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的结构件模型包括拉伸、切除、抽壳、拔模、孔、圆角、倒角类特征，对结构件进行模型简化，删除不必要的特征后保证参数化模型顺利生成。
4.根据权利要求3所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S1的结构件简化后需保证与原始结构件模型刚度一致。
5.根据权利要求4所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S1中简化模型验证成功后需装配到整机中，基于实际需求设定机器人整机位姿，在整机位姿下对结构件进行约束及远程加载。
6.根据权利要求5所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S2结构件初版模型装配到整机中，确定静力学仿真位姿后进行结构件静力学计算，结构件静力学分析包括材料属性设置、夹具约束、外部载荷加载、网格划分、结果分析，结构件初版模型静力学结果为结构件参数化建模及刚度优化提供支持。
7.根据权利要求6所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述步骤S3中的结构件静力学计算工况确定包括负载确定、约束确定、加载确定、耦合工况确定，负载根据机器人实际负载确定。
8.根据权利要求7所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述步骤S4的结构件参数化建模及刚度优化方法中，结构件静力学计算工况确定后，将耦合工况下的静力学计算结果作为初始参考结果，具体步骤如下：
S41、初始参考结果确定后，针对结构件进行参数化建模及优化设计算例分析，主要包括将结构件尺寸参数作为变量、基于需求设置约束条件、结合实际需求确定优化目标；
S42、结构件主要优化性能参数为刚度，因此主要确定对结构件刚度影响较大的尺寸参数，尺寸参数设置范围结合铸造、加工、工业设计类因素进行设置。
9.根据权利要求8所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S41的约束条件可设置为质量约束、位移约束、应变约束、应力约束、制造约束类，同样需结合实际进行约束条件设置。
10.根据权利要求9所述的一种工业机器人结构件参数化建模及刚度优化方法，其特征在于：所述的步骤S5在结构件参数化建模及刚度优化方法中，寻优结果会在软件中与初始结果进行对比：
若优化结果符合预期目标则直接输出；
若优化结果与预期结果差异较大，可对结构件尺寸参数及约束条件进行调整后重新计算，具体尺寸参数范围可根据实际需求进行调整。
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