当前位置：文档之家 › 注塑机械手结构拓扑优化设计

注塑机械手结构拓扑优化设计

  • 格式：pdf
  • 大小：889.76 KB
  • 文档页数：3

·12· 设计与研究 机械 2009年第2期 总第36卷 ———————————————— 收稿日期：2008－10－23 作者简介：李兵（1984－），男，山东临沂人，中国海洋大学硕士研究生，主要研究方向为结构优化设计。

注塑机械手结构拓扑优化设计 李兵，陆建辉 （中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100） 摘要：建立某注塑机械手分析模型，针对其设计工况进行动、静力分析；应用ANSYS软件的拓扑优化功能，对机械手结构的关键部位（主臂梁）进行拓扑优化，在满足机械手整体强度条件下，改变其质量分布，提高了机械手的低阶固有频率，从而提高了机械手的整体动态特性。通过优化设计，z方向振幅下降53％，y方向振幅下降40　，x方向振幅下降82％。该方法为机械手的结构优化设计提供了一种高效可行的途径，可以缩短机械手设计周期，提高工作效率。 关键词：机械手；有限元分析；拓扑优化；动力分析 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 02－0012－03

Structural topological optimization design for robots used in inject machines LI Bing，LU Jian-hui (Engineering College，Ocean University of China，Qingdao 266100，China) Abstract：In order to raise accuracy of the robot used for inject machines, a finite element numerical analysis model of topology optimization for the robot is proposed in this paper. The topology optimum design for the main arms of the robot is conducted, and the modal characteristics and natural frequencies of the robot are gained by the ANSYS software. For the purpose of mitigating the vibration, the structure of the robot is changed correspondingly to have been optimized material distribution of the arms. According to the actual loading conditions, the dynamic response of the robot is simulated and analyzed. The amplitudes in frequency domain of the structure are reduced in three dimensions by 53﹪ in z direction, 40﹪ in y direction and 82﹪ in x direction as compared with previous results. The research indicates that the topology optimization design by way of FEA is a highly efficient method. Key words：robot；finite element method；topological optimization design；dynamic analysis

现代注塑机常配置有机械手，以提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率。机械手可以完成注塑生产中的多道工序，目前在我国注塑行业中常用的主要是从模具中快速抓取制品并将制品传送到下道工序的取件机械手，这种机械手一般还附带有向模腔自动喷洒脱模剂功能。图1为海尔机器人公司制造的双臂机械手。随着技术的发展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各道工序中，而且将朝着智能化方向发展。 任何产品的设计都需要根据设计要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳的设计目标，其中最重要的是需要解决结构布局问题。结构布局包括拓扑、形状、尺寸三个方面的信息，而尺寸优

化、形状优化、拓扑优化体现了结构优化中三个不同层次的问题。目前，尺寸优化的理论和应用已趋于成熟，形状优化理论已基本建立，正在着重解决实际应用方面的问题，结构拓扑优化由于其理论和计算上的复杂性而成为当前结构优化设计领域的研究热点之一。

图1 双臂注塑机械手 拓扑优化理论首先是在离散结构的拓扑优化中机械 2009年第2期 总第36卷 设计与研究 ·13·

被提出，对一些简单的问题得到了很好的解答，但是对复杂结构的拓扑优化问题，特别是连续体结构的拓扑优化问题的解答还不够理想。为了解决工程问题，提出了变厚度法、均匀化理论和变密度法等诸多方法，目前拓扑优化设计中较常采用的是变密度法。变密度法是人为假设材料的宏观物理常数与其密度间的非线性关系，将连续体离散为有限元模型后将每个单元内的密度指定为相同，以每个单元的密度为设计变量，以结构的柔顺性最小为目标，同时考虑质量约束（或体积约束）和平衡条件。ANSYS软件提供了一种基于等强度的拓扑优化方法，能够在给定外载荷和边界约束条件下，通过迭代求解，获得一个最优的几何外形。在国内拓扑优化设计方法已经在许多领域开始应用，如加筋板设计，汽车、机床制造和海洋平台的结构优化中得到应用[1~4]。 拓扑优化方法作为结构设计的手段，目前在机械手领域的应用还不普遍。本文应用拓扑优化方法对机械手进行优化设计；由于机械手本身结构的复杂性，要对结构进行完全的优化是困难的，因此本文将采用ANSYS软件提供的拓扑优化功能，在有限元分析的基础上进行拓扑优化设计，也就是在满足最大刚度的前提下，找出机械手结构的最佳材料分配方案。将该方法引入到机械手结构设计中，通过结构动力修改，改变动力学参数以达到结构控制的目的，并且可以缩短产品的设计周期，降低成本和提高工作效率。 1 注塑机械手建模及动力分析 注塑机械手是一个比较复杂的结构，建模时应简化掉一些次要的构件以减少模型的规模[5]。对于箱体盖、线路托板、气缸、缓冲器等对模型动力学分析影响不大的部件均忽略掉，仅将其质量折算到相应位置[6]。如图2所示，该机械手模型主要由以下几部分组成：基座、主臂梁、箱体、副臂梁（2根）、成品臂（前臂主臂、前臂副臂）和料头臂（后臂主臂、后臂副臂）。根据该机械手特点，主臂梁采用具有拓扑优化功能的Solid 92单元，结构其余部分采用八节点六面体Solid 45单元类型。 对该类注塑机械手的设计，工程中目前主要是根据静力分析做出的。依据该机械手设计规范，在机械手前臂副臂的下端施加100 N的竖直向下的力，模拟机械手抓取10 kg重物时的工况，并考虑机械手各部分重力，分析得到机械手的前臂下端和副臂梁前端处节点有最大位移，最大值为1 mm。机械手

主臂梁与基座相连接的部位节点处的应力值最大，为11.4 MPa。由此得到机械手在承受静力载荷的状

态下，位移值和应力值均是比较小的，完全能够满足工作要求。

图2 注塑机械手模型 现代机械不断向高速度、轻质量、低能耗和高性能方向发展，人们希望在产品的设计、制造、安装调试及使用过程中能全面保证产品的动态特性。为保证其良好的性能，对样机进行振动模态分析，已成为新产品研制中不可缺少的重要步骤。表1采用子空间（Subspace）迭代技术求出机械手前10阶固有频率。 表1 固有频率值（单位：Hz） 模态 频率 模态 频率 1阶 16.6 6阶 117.6 2阶 19.3 7阶 146.7 3阶 37.2 8阶 163.2 4阶 47.8 9阶 183.2 5阶 71.1 10阶 225.0

根据该型号机械手的实际工作情况，在机械手前臂副臂的下端加载竖直向下振幅100 N的正弦激励，频率变化范围为0～300 Hz，扫频分析得到前臂副臂x、y、z三个自由度的振幅随频率的变化规律，

当外载荷的频率为20 Hz左右时，这时比较接近于机械手的前两阶固有频率，三个方向的动态位移均达到峰值。热点处（机械手前臂和后臂下端）的位移达15.5 mm。因此，在机械手工作时，当系统承受频率在20 Hz左右的载荷时，会因机械手手臂振动过大，导致机械手手指抓取物体时定位不准确，或发生抓取物与周围物体如模具、设备等间的碰撞导致废品，因此，有效抑制其工作过程中的振动是该机械手设计中的关键问题。

箱体副臂梁

主臂梁

基座 ·14· 设计与研究 机械 2009年第2期 总第36卷 2 主臂梁的拓扑优化和分析 分析表明主臂梁对机械手的动力学特性有着很大的影响[6]。钢质主臂梁长4 m，约占机械手总质量

的40％，截面尺寸为250 mm×250 mm×8 mm，因此，设想通过对主臂梁的拓扑优化设计来改进机械手的动力学特性，提高机械手的定位精度。 利用ANSYS软件对机械手进行拓扑优化，得到主臂梁拓扑优化结果的材料密度云图，如图3所示，图中蓝色部分表示密度值接近于0，可在结构设计中去除；红色部分表示要保留的质量。考虑到实际施工要求，对主臂梁作开孔处理，去掉部分质量8.7 kg。主臂梁优化后的结构如图4所示。

图3 主臂梁的拓扑优化云图 图4主臂梁的拓扑优化结果 对优化后的机械手组装并进行模态分析，求得前10阶固有频率如表2。与优化前的模态频率（表1）相比，通过减少机械手主臂梁的材料，系统高阶频率变化不大，但低阶固有频率增大较快。其中一阶固有频率由16.6 Hz增大到20.9 Hz，增大了4.3 Hz，二阶固有频率从19.3 Hz增大到21.7 Hz，这表明机械手整体刚度得到提高。

表2 机械手优化后的固有频率值（单位：Hz） 模态 频率 模态 频率 1阶 20.9 6阶 166.2 2阶 21.7 7阶 176.6 3阶 50.3 8阶 192.8 4阶 62.3 9阶 218.0 5阶 71.6 10阶 292.2

对优化后的机械手进行静力分析，施加与前相同的载荷，可得到节点应变和等效应力云图。机械手节点的最大位移仍发生在前臂下端和副臂梁前端，数值为1.09 mm，与优化前的结果（1 mm）相比较节点最大位移值变化不大；节点的最大应力值为7.72 MPa，与优化前的节点最大值（11.4 MPa）

合集下载

机械设计中的几何构型优化与拓扑优化

机械设计中的几何构型优化与拓扑优化

机械设计中的几何构型优化与拓扑优化几何构型优化和拓扑优化是机械设计领域中非常重要的一部分。

这两种方法可以用来提高机械产品的性能和效率，并且被广泛应用于各个领域，比如汽车工程、航天技术、船舶设计等。

几何构型优化是指通过改变机械产品的形状和尺寸来改善其性能。

在设计过程中，工程师通常会根据经验和直觉来确定机械产品的初始形状。

然而，这种方法往往不够精确，可能存在一些优化空间被忽视的情况。

通过几何构型优化，工程师可以借助计算机模拟和优化算法，系统地搜索最佳的几何形状，以获得更好的性能。

例如，在汽车设计中，几何构型优化可以用来优化车身的气动性能，减小风阻力，提高燃油效率。

拓扑优化则是在给定的设计空间内寻找材料的最佳分布，以满足特定的约束条件和目标。

这种方法可以帮助工程师寻找出最优的材料配置方案，从而提高机械产品的强度、刚度和轻量化程度。

拓扑优化通常以有限元分析为基础，通过不断调整材料的分布和形状，在保持结构完整性的前提下提高其性能。

例如，在航天器设计中，拓扑优化技术可以用来减轻船体的重量，增加结构的强度和刚度。

几何构型优化和拓扑优化在机械设计中的应用是相互关联的，有时候也会结合使用。

例如，在汽车发动机的设计中，通过几何构型优化可以改进气缸的形状和排列方式，以提高燃烧效率和功率输出。

而拓扑优化可以用来优化发动机的材料分布，减少重量并提高整体性能。

这些优化方法的结合可以使得机械产品的性能达到一个更高的水平。

然而，几何构型优化和拓扑优化也存在一些挑战和限制。

首先，优化算法的复杂性是一个问题。

由于机械产品的设计空间通常非常大，所以优化的搜索过程需要耗费大量的计算资源和时间。

其次，优化结果的验证和实现也是一个挑战。

优化算法得到的结果可能是理想的，但在实际制造中可能面临一些技术和经济上的限制。

因此，对于优化结果的验证和实现需要考虑到多个因素和约束条件。

几何构型优化和拓扑优化是机械设计中非常有潜力的工具。

通过这些方法，可以大大提高机械产品的性能、效率和质量，同时实现材料和资源的节约。

工业机器人机械臂拓扑优化设计

工业机器人机械臂拓扑优化设计

工业机器人机械臂拓扑优化设计摘要：如今，工业机器人正不断向高精度和高速度的方向发展。

因此，工业机器人在不断提高控制性能的同时，更要不断优化其机械结构，以满足工业机器人发展的需求。

机械臂作为支承和带动运动的部件，要求具有较高的静态刚度和动态固有频率，以减小工作中的变形与振动，提高整机的运行精度，这也是其优化设计的重点和难点。

基于此，本篇文章对工业机器人机械臂拓扑优化设计进行研究，以供参考。

关键词：工业机器人；机械臂拓扑；优化设计引言近年来，伴随着工业的发展进程，制造业劳动成本直线上升，劳动成本的增加，导致电子加工企业的盈利水平大大下降，劳动力成本的增加给企业发展带来极大压力，使得企业急需用工业机械臂取代人工来降低产品成本。

机械臂作为机器人领域中使用最广泛的一种机械装置，被应用在各个行业，从工业生产中的仓库管理、汽车制造，到农业生产中的码垛和瓜果产品的采摘分拣。

在工业生产中，许多工厂都是使用示教法对机械臂进行控制的，即事先通过手动拖拽或是使用示教器调整的方式，移动机械臂到达每一个目标位置，并保存各个目标的位置信息，然后在使用时机械臂会按照目标点的顺序移动。

为了实现更灵活的机械臂应用，越来越多的研究人员开始将人工智能的数据驱动的方法应用在机械臂的控制中。

1搬运机器手控制系统设计分析搬运机械手的工作原理是X轴电动机将动力传递给X轴，Z轴电动机将动力传递给Z轴。

框架围绕底座旋转，电磁铁是记录电子元件的执行器。

机械手工作时，首先点击触摸屏上的复位按钮，驱动模块接收主控模块的复位指令，并在工作台注塑前吸附电子元件夹具。

为防止机械臂在工作过程中的电子元器件与工作台产生摩擦，当将机械手上升到工作台面上方的一定位置之后，再驱动Z轴使机械手到达指定位置——注塑机，然后断开电磁铁的电力，机械手返回原位，将电子元器件夹具拾取起来。

2工业机器人小臂加强装置优化设计与建模工业机器人小臂加强装置由上机械套和下机械套组成；上机械套和下机械套通过螺栓组件连接在一起，同时为了减轻工业机器人小臂加强装置的质量，在上下机械套开有一些减重槽以及卡槽，为了解决工业机器人在高温、潮湿、酸性或碱性环境下，机械臂上自带的油管、气管等。

注塑机械手的结构设计与力学性能分析

注塑机械手的结构设计与力学性能分析


2、输入输出接口设计输入输出接口是控制系统与外部设备进行信息交互的 通道。针对注塑机械手的特点，需要设计相应的输入输出接口，包括传感器接口、 按键接口等，以实现对外部信息的实时采集和设备的控制。
3、主控芯片选择主控芯片是控制系统的核心部件，需要具备高性能、高可 靠性、易于编程等优点。根据实际需求，可以选择常用的微控制器（如STM32、 PLC等）作为主控芯片。
结构设计
1、整体设计注塑机械手的结构设计需考虑整体稳定性、操作灵活性以及易 于维护性。基于这些要求，通常采用关节式结构，由肩部、大臂、小臂和手部等 部件组成，实现绕轴旋转、伸缩和俯仰等动作。此外，还需合理分配各部件的质 量，以保证机械手的动态性能。
2、部件设计 （1）肩部：肩部是机械手的支撑部件，需要承受较大的载荷， 因此需具有足够的强度和刚度。通常采用金属材料制造，并设计为关节式结构， 以实现绕轴旋转和俯仰等动作。 （2）大臂：大臂是机械手的主要承力部件，需 要具备一定的刚度和强度。为确保大臂的稳定性，通常采用较粗的管材制造，并 设计有加强筋，以提高其抗扭能力和承载能力。 （3）
4、算法实现算法实现是控制系统的关键部分，需要根据机械手的工作特性 和控制要求，选择合适的控制算法（如PID控制、模糊控制等），并进行软件编 程实现。此外，还需进行调试和优化，以确保控制系统的稳定性和准确性。
实验验证
为验证注塑机械手的结构设计与力学性能分析的可靠性和有效性，需要进行 相应的实验验证。实验过程中，需要对机械手进行实际装配和调试，并进行性能 测试。例如，通过实验测试机械手的抓取力、运动速度、定位精度等指标，以验 证结构设计是否合理、力学性能是否满足要求。同时，实验过程中还需对控制系 统进行测试，验证控制系统的稳定性和准确性。
实验结果需进行详细的数据分析，以确定结构设计和力学性能分析的优劣， 并提出改进建议。
机械系统的结构优化设计方法

机械系统的结构优化设计方法

机械系统的结构优化设计方法机械系统的结构优化设计方法在现代工程设计中扮演着重要的角色。

通过采用合适的结构优化设计方法，可以提高机械系统的性能和效率，减少能源消耗和材料浪费。

本文将介绍一些常用的机械系统结构优化设计方法，并探讨其优势和局限性。

一、拓扑优化设计方法拓扑优化设计方法是一种常用的结构优化设计方法，其目的是通过重新分配各个部件的材料，在不失其结构刚度和强度的前提下，尽量减少系统的总重量。

这种方法可以通过梯度法、启发式算法等数学手段进行求解。

拓扑优化设计方法常用于轻量化设计、空间结构设计等领域。

然而，该方法存在着计算复杂度高、结果依赖于初始拓扑等问题。

二、参数优化设计方法参数优化设计方法是通过调整机械系统中各个部件的尺寸或几何形状，以得到最优的结构性能。

该方法常用于机械零件的优化设计、消除振动、提高传动效率等方面。

参数优化设计方法的优势在于计算效率高、结果易于验证，但局限在于需要准确的初始设计参数，并且可能不能寻找到全局最优解。

三、材料优化设计方法材料优化设计方法是指通过改变机械系统中所选用的材料，以提高系统的性能指标。

这种方法常用于机械系统的强度、刚度、导热性等方面的优化设计。

材料优化设计方法涉及到材料性能、成本、环境影响等多个因素的综合考量。

然而，该方法存在着材料选择范围的限制、材料性能数据的不确定性等问题。

四、多目标优化设计方法多目标优化设计方法是通过考虑多个设计目标，将其归纳为一个统一的目标函数，并尽可能在各个目标之间达到平衡。

这种方法常用于既要满足性能要求，又要考虑经济性、可靠性和环境友好性等多个方面的机械系统优化设计。

多目标优化设计方法可以通过遗传算法、粒子群算法等进行求解。

然而，该方法存在着目标函数的选取和权重分配的困难。

综上所述，机械系统的结构优化设计方法有着各自的特点和优势。

在实际应用中，根据具体问题的特征和要求，可以选择合适的方法进行结构优化设计。

同时要注意方法的局限性，注重实际可行性和工程实用性。