機器人結構優化設計

摘要：本文首先通過CREO軟件建立機器人模型，然后通過Hypermesh對模型進行網格劃分和有限元分析，采用Optistrut對該模型進行拓撲優化，使得優化后的結構模型滿足設計要求的結構方案。

關鍵詞：機器人 拓撲優化 Optistrut 變密度法

一、    模型介紹

機器人總成的材料以鋼為主，其結構主要由底座、臂座、臂座板、舵機、連接體、爪座板、爪座、爪子和圓臺等部分組成。通過三維軟件CREO對該機器人進行建模，其建模結果如圖1.2所示。

           

                                 

圖1.1 機器人模型

圖1.2 機器人模型裝配圖

二、Hypermesh有限元分析

將裝配之后的模型圖利用CREO另存為.stp格式，然后用Hypermesh的Import導入，如圖2.1所示。

圖2.1 導入Hypermesh的裝配圖

導入裝配圖之后，畫網格之前，要先對模型進行檢查和清理，為畫網格清除障礙。將模型處于topo模式下，看到所有的線都是綠線，說明模型是完整的，可以畫網格。

圖2.2  Topo模式下的模型圖

設置梁單元，點擊BeamSection Collectors，建bar層，元件連接效果圖如圖2.3所示。

圖2.3連接圖

有限元分析過程如下：

（1）網格劃分

底座和圓臺屬于不太重要的部分，選擇四面體網格，點3D→ tetramesh→element size為 20→interpolate；機械臂部分同樣的操作步驟，將element size改為5；網格總數為32270。網格劃分結果如圖2.4所示。

圖2.4 機械臂網格圖

2）選擇材料，點擊Materials圖標，設定參數如圖2.5所示。

       

                圖2.6 屬性設置參數圖

3）設置屬性，點擊Properties，設置如圖2.6所示。

4）把屬性賦給零件，點擊Components，然后點assign。

5）加約束條件spc，點擊Analysis中的constraints，進行設置，如圖2.7所示。

圖2.7 約束條件設置圖

8）設置力force，點擊Analysis中的forces，進行力的加載10N，如圖2.8所示。

圖2.8 加載荷設置圖

9）點擊Analysis中的loadsteps，設置工況。

10）求解。

 

圖2.9 應力云圖                    

 

 圖2.10 位移圖

三、拓撲優化

1）在optimization面板下，選擇topology，創建一個設計變量，類型選擇PSOLID，屬性選擇（3）中創建的屬性；

2）在responses面板下，創建一個static displacement位移響應,node選擇在第二節中（3）中的節點，并選擇dof3，即在z方向的響應；同樣，創建一個volume總的體積響應；

3）在dconstrains面板下，約束（2）中的位移響應，在upper bound欄打鉤，設置數值為0.01379，response選擇Disp，載荷步選擇第二節中（8）中創建的載荷步，完成約束創建；

4）在objective面板下，response選擇（2）中創建的體積響應，設置為min最小化；

5）求解完成后，即可查看優化結果，首先查看右端節點位移是否滿足（3）中的約束要求如圖3.1所示。

圖3.1 優化之后模型

與優化之前的模型對比，機器人的大底座可以簡化為與四根柱子連接在一起的獨立支柱；云臺的平面面積可以減少1/3左右；可以大大的減少機器人整體的質量，并滿足設計的要求。

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