[发明专利]一种工业机器人大臂结构优化方法

说明书

本发明涉及一种工业机器人大臂结构优化方法，选取工业机器人大臂为优化对象，对其进行静力学分析和模态分析，确定其强度和刚度；然后设置不同的参数对其进行拓扑优化；接着对拓扑优化后的大臂进行静力学分析，确认最优的拓扑优化方案；最后对优化后的模型进行模态分析，对比优化前后的两次分析数据，确认优化成果。本发明的优点在于：本发明工业机器人大臂结构优化方法，优化后大臂的结构更加合理，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。

技术领域

本发明属于工业机器人领域，特别涉及一种工业机器人大臂结构优化方法。

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，往往可以得到意料之外的创新结构。拓扑优化是指通过计算机的有限元仿真技术找出结构中的材料需要布置在哪里以及在结构中应该布置哪些材料，并在保证一定约束的条件下，使结构达到最优性能的优化方法。

然而，拓扑优化结果经常得出曲面结构、镂空结构等几何构型复杂的设计方案，这些方案很难用传统的制造技术来实现。因此，为了让传统的制造技术能够加工出优化后的结构，降低制造的成本，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使得曲面、镂空以及点阵等几何形状极度复杂的结构的制造成为可能。产品研发中普遍存在的“制造决定设计”的问题已经被增材制造所解决。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。因此，拓扑优化将突破自身的局限性，在结构优化的过程中发挥更大的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工业机器人大臂结构优化方法，使大臂在减轻质量的同时，强度、刚度等性能有所提高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种工业机器人大臂结构优化方法，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：对步骤1选取的工业机器人大臂进行静力学分析和模态分析，确定其强度和刚度；

步骤3：将步骤1选取的工业机器人大臂模型导入solidTingking Inspire中进行拓扑优化，其中，拓扑优化具体为：

（1）设置材料属性；

（2）确认设计空间，将大臂的装配面和一些功能部位与准备拓扑优化的设计空间区分开来；

（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）设置不同的参数对大臂进行拓扑优化；

步骤4：对步骤3拓扑优化后的大臂进行静力学分析，确认最优的拓扑优化方案；

步骤5：最后对优化后的模型进行模态分析，对比优化前后的两次分析数据，确认优化成果。

进一步地，所述静力学分析具体为将工业机器人大臂模型导入solidTingkingInspire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。