六軸工業機器人結構輕量化設計與仿真分析

梁鵬麗

（呂梁高級技工學校， 山西 呂梁 033000）

0 引言

近幾年，隨著科學技術的持續發展，機器人應用范圍持續擴大的同時，企業對于機器人性能及可靠性要求也在不斷提升。在此情況下，六軸工業機器人作為當前應用最廣泛的工業機器人，其在應用中存在因自重和電機質量過大而出現末端關節變形、運動過程抖動等情況，不利于保障機器人控制精準性。據此基于現有六軸工業機器人結構設計，采用有限元拓撲優化方法對機器人結構進行輕量化設計，對以上問題進行解決優化，將具有一定的現實意義。

1 六軸工業機器人有限元模型構建

根據六軸工業機器人結構構建幾何結構模型，并根據構建的幾何結構模型，將幾何結構模型導入到有限元分析軟件中，獲取到如圖1 所示的六軸工業機器人網格劃分模型。此過程中共劃分出12 248 個單元和12 239 個節點，并且F 點為模型最大載荷區域，設置載荷為5 N。底座設置固定約束條件。模型中黑色區域則為結構優化設計區域，而其他部分為非結構優化設計區域。

圖1 六軸工業機器人網格劃分模型

2 六軸工業機器人結構輕量化設計

在完成模型構建后，需要采用有限元拓撲優化方法進行六軸工業機器人結構輕量化設計，在此過程中需為有限元軟件設置優化目標、設計變量以及約束條件。其中優化目標為結構質量最??；設計變量包括材料選擇和結構形式；約束條件為極限工況條件下結構剛度與強度符合要求[1-2]。

2.1 材料

材料主要采用6061 鋁和3D 打印 visijet_M2R_BK*。通過有限元拓撲優化軟件分別采用兩種材料實施材料質量優化對比分析和機器人末端位移分析。根據仿真分析結果可知，采用6061 鋁材料的機器人末端位最大位移量為3.824 mm，優化后的最小結構質量為1.492 kg。

采用3D 打印visijet_M2R_BK*材料的機器人末端位最大位移量為3.987 mm，優化后的最小結構質量為0.971 kg。綜合分析后可知，兩種材料中3D 打印visijet_M2R_BK*材料優化后質量更小，并且機器人末端位移量僅略高于6061 鋁材料對應的機器人[3-4]。

綜合分析后確認六軸工業機器人結構輕量化設計采用3D 打印visijet_M2R_BK* 作為六軸工業機器人主體結構材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比以及屈服強度分別為1 200 kg/m3、2 250 MPa、0.35、85 MPa。

2.2 結構

兩種極限工況分別為機器人完全水平展開和機器人關節90°旋轉。對極限工況下六軸工業機器人現有結構進行有限元拓撲分析，進而獲取到六軸工業機器人的6 個臂桿厚度分別為6mm、6mm、3mm、3mm、1.5 mm、2 mm。

基于有限元拓撲優化方法對兩種極限工況下六軸工業機器人6 個臂桿厚度下機器人的等效應力和末端最大位移進行仿真分析，具體仿真分析結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 第一極限工況下六軸工業機器人等效應力（MPa）云圖

圖3 第一極限工況下六軸工業機器人等效位移（mm）云圖

如圖2 所示，在第一極限工況下，采用結構優化設計的六軸工業機器人的等效應力分布區域主要為機器人各關節區域、末端區域以及機器人底座等區域，其他區域應力分布較小。其中，最大等效應力值為2.331 MPa，最大等效應力點為機器人末端區域。如圖3 所示，第一極限工況下，采用結構優化設計的六軸工業機器人的等效位移分布特征表現出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點處于機器人末端區域，最大等效位移值為3.987 mm。

在第二極限工況下，采用結構優化設計的六軸工業機器人的等效應力分布區域與第一極限工況下應力分布區域基本保持一致。其中，最大等效應力值為2.334 MPa，最大等效應力點為機器人末端區域。此外，第二極限工況下，采用結構優化設計的六軸工業機器人的等效位移分布特征表現出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點處于機器人末端區域，最大等效位移值為3.987 mm[5]。

通過以上仿真分析結果可知，結構優化設計可滿足六軸工業機器人正常使用需求，可在設計中沿用該結構設計。

總結分析后確認，六軸工業機器人結構輕量化設計中材料采用3D 打印visijet_M2R_BK*，結構設計中6 個臂桿厚度分別為6 mm、6 mm、3 mm、3 mm、1.5 mm、2 mm。

3 六軸工業機器人有限元仿真分析

根據六軸工業機器人結構輕量化設計對模型進行重構和網格劃分，再根據網格劃分結構實施模型仿真分析，具體分析結果如下。

3.1 第一極限工況

通過有限元分析軟件對第一極限工況下優化六軸工業機器人強度與剛度進行仿真分析，進而獲取到圖4 和圖5 中的仿真分析結果。

圖4 優化后六軸機器人等效應力（MPa）云圖

圖5 優化后六軸機器人等效位移（mm）云圖

如圖4 所示，在第一極限工況下，優化后的六軸工業機器人的等效應力主要分布于關節區域和與底座相連接的臂桿區域。其中，最大等效應力值為2.028 MPa，最大等效應力點位于與底座相連接的臂桿區域。如圖5 所示，第一極限工況下，優化后的六軸工業機器人的等效位移分布特征表現出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點處于機器人末端區域，最大等效位移值為3.569 mm。

3.2 第二極限工況

在第二極限工況下，優化后的六軸工業機器人的等效應力主要分布于關節區域和與底座相連接的臂桿區域，同第一極限工況應力集中區域保持一致。其中，最大等效應力值為2.028 MPa，最大等效應力點位于與底座相連接的臂桿區域。此外，第二極限工況下，優化后的六軸工業機器人的等效位移分布特征表現出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點處于機器人末端區域，最大等效位移值為3.949 mm。

綜上所述，在兩種極限工況下，優化后的六軸工業機器人剛度及強度均符合要求。

4 六軸工業機器人結構輕量化設計的工程應用

采用六軸工業機器人輕量化結構制作工業機器人，確認相較于原有六軸工業機器人，輕量化后的六軸工業機器人質量從原本的1.818 kg 下降至1.337 kg，減重0.481 kg，下降26.5%，滿足六軸機器人輕量化目標。

同時，為進一步確認優化后六軸工業機器人的應用效果，還需將輕量化后的六軸工業機器人應與生產實踐，進而在經過某工廠中為期3 個月的工程實踐應用后發現，輕量化后的六軸工業機器人在某工程中應用期間各結構件均未出現明顯變形情況，說明輕量化后的六軸工業機器人在減輕質量，降低制造成本的同時，也能夠保障機器人的正常生產使用，具有較強應用價值。

5 結語

基于六軸工業機器人結構輕量化需求，結合機器人結構特點，介紹一種結構輕量化設計。此設計方案主要采用有限元拓撲優化法，從結構和材料兩個方面進行輕量化設計，進而將獲取到的輕量化結構設計分別采用有限元仿真分析和工程應用分析確認其應用價值，證明此六軸工業機器人結構輕量化設計可在后續工業機器人結構輕量化設計中進行參考應用。