基于SolidWorks和ANSYS的机器人手臂性能分析与优化设计

・48・ 机器人技术 机械 2009年第12期 总第36卷
———————————————
收稿日期：2008－12－22
基金项目：成都市科技攻关项目（08GGZD089GX －007）
基于SolidWorks 和ANSYS 的机器人手臂
性能分析与优化设计
赵伟1，殷国富1，陈航1，周晓军2
（1.四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065；2.成都广泰实业有限公司，四川 成都 610165） 摘要：在国内外工业机器人的研究基础上，针对机械手的结构特点和性能要求，采用基于SolidWorks 的三维建模和基于ANSYS 的结构性能分析相结合的方法，对所开发的50 kg 工业机器人大臂进行了性能分析和结构优化设计，对解决产品结构性能设计中存在的问题、缩短产品设计周期具有指导意义，改变了传统工业机器人的设计方面的局限性，一定程度上丰富了工业机器人的设计方法。

关键词：SolidWorks ；ANSYS ；机械手；结构分析；优化设计
中图分类号：TP241，TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2009) 12－0048－03
Property analysis and structure optimization of robotic arm based on SolidWorks and ANSYS
ZHAO Wei 1，YIN Guo-fu 1，CHEN Hang 1，ZHOU Xiao-jun 2
(1.School of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu 610065，China ；
2.Chengdu Great Industrial co. Ltd.，Chengdu 610165，China)
Abstract ：On the basis of national and international industrial robot’s study productions. Given the sturcture and properties requirements of the manipulator, 3D modeling and performance analysis based on the SolidWorks and ANSYS were utilized to optimize the dimension as well as the structure of 50 kg industrial robotic arms which were newly developed. These two methods efficiently resolve the problem during the product design processing and greatly shorten the design period.It solves the problem of limited design and increases industrial robot’s design methods to a certain extent. Key words ：SolidWorks ；ANSYS ；robotic arm ；structural analysis ；optimization
机器人技术在现阶段是一种前沿技术，它与生物技术、大型计算机技术、纳米技术等一起被认为是未来科技发展的方向。

工业机器人是一种集人工智能、计算机、电子通信、机械制造等先进技术于一体的自动化装备。

广泛应用于现代化生产中的自动化生产线上，很大程度地提高了生产效率。

机械手臂是机器人的一个重要组成部分，一直是研究的重点，但是机械手臂的结构设计不是一个唯一性设计。

现在世界上一些先进的机器人制造厂商，如瑞典ABB 、日本FANUC 和Yaskawa ，德国KUKA 等公司都设计出了具有各自特色的机器人手臂，并且都形成系列化的产品。

国内工业机器人的研发、生产尚处于行业初期，还没有形成商品化、
系列化。

机械手臂的结构设计大多采用相似设计，处于经验设计阶段，其结构的合理性、科学性没有理论依据，致使设计出来的机械手臂，一方面可能存在局部结构太结实、手臂的重量和惯量增加的问题，给机械手的运行带来负面影响，另一方面，局部结构的强度可能又不够，影响整体刚度，并有可能在使用中提前损坏。

为了验证机械手臂结构设计的合理性，就必须生产样机，再做大量强度试验来验证，然后再对结构进行改进，之后才能小批生产形成商品，这样使整个开发周期延长，开发成本也相应增加。

本文以三维建模软件SolidWorks 和有限元分析软件ANSYS 相结合，进行了机械手臂的三维设计
机械2009年第12期 总第36卷机器人技术 ・49・
和有限元分析。

旨在对50 kg负载机器人的研究分析的基础上，以此作为平台，从而有可能实现产品的系列化、标准化，从而提高产品的设计效率，缩短产品的设计周期，降低成本，为企业在激烈的市场竞争中赢得时间。

1 机械手臂的三维实体建模方法
SolidWorks是基于Windows平台开发的智能型高级CAD/CAM/CAE组合软件，使用Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术，已经成为全球装机量最大的软件。

现代工业机器人的重复定位精度一般都能够达到0.4 mm以内，所以在机械手臂的设计上必须要考虑的是减轻机械手臂的重量、并且要保证机械手臂的刚度，即在设计的时候要考虑静刚度和动刚度，从而有效减轻机械手臂的振动。

由于机械手臂本身的结构特点，还要考虑以后导入ANSYS后的数据衔接问题，因此在建模的过程中要考虑ANSYS建模的习惯。

模型在建立的过程中大量使用草图功能，用草图生成各种模型的基本结构，然后辅助以拉伸、旋转、切除等方法生成实体，从而提高了效率、缩短了设计周期。

在做ANSYS分析的时候把模型做了适当的简化，如果形体过于复杂，把模型导入ANSYS软件中时，会出现一些实体结构无法识别，造成网格划分的困难或者分析结果不收敛，从而影响分析精度。

对于机械手臂的设计，从能实现基本功能的最简单结构开始，然后根据有限元分析结果，对受力大的部位进行加强、对不受力的部位减少材料，这也体现出CAD建模和有限元分析各自的优点，他们的结合无疑可以大大提升设计效率。

图1为某六自由度工业机器人的大臂简图，该机器人要实现的主要功能是抓取、搬运、放置工件及焊接等，可以极大满足多种工业加工需要，其有效运动行程达2 m。

图1 机械手臂简化模型2 机械手臂性能的有限元分析方法
SolidWorks自带的分析插件COSMOS Xpress 可以进行有限元分析，但是它只支持对固态单实体零件的分析，不支持对装配体、表面模型或多实体零件的分析，而且它的约束形式单一，仅限于面约束，同时载荷的施加形式也过少，对于一些特殊的载荷形式，比如非均布载荷以及作用于点或线的载荷都无法进行施加，因而无法处理很多工程实例。

ANSYS提供了与各种CAD软件的专用接口，其自带的图形接口能识别IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG 等标准文件。

IGES是一种被普遍接受的中间标准格式，可以在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。

ANSYS的IGES输入能力在工业界是最强的，而且，因为过滤器程序可以输入部分文件，所以至少可以输入模型的一些部分。

本文以ANSYS 9.0和SolidWorks 2006为例，将SolidWorks的模型数据进行简化后导入ANSYS 中进行有限元分析。

由于IGES文件在导入的时候经常会出现丢面或者多面、多线等情况，导致在后面的处理过程中进行网格划分、添加约束和添加受力的时候出现不可解决的错误，导致分析无法进行，所以在一般分析零件的时候能够简化的就应当尽量简化以减少ANSYS可能会产生的错误。

在进行网格划分前必须设置材料属性，选择单元类型Solid 92，材料的杨氏模量E＝205 GPa，弹性模量为0.3。

网格划分是建模中非常重要的一个环节，网格划分的好坏将直接影响计算结果的准确性和计算进度，甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。

根据该实体的结构特点、载荷类型以及分析的需要，网格划分尺寸应不大于实体的最小壁厚值。

最后采用自由网格划分的方法进行网格的划分。

图2为划分网格后的机械手臂。

图2 简化后的机械手臂
机械手一端通过螺栓与RV减速器相连，RV减速器再与伺服电机相连从而实现机械手臂的转动，所以整个运动过程中的受力都在螺栓连接上；机械
・50・ 机器人技术 机械2009年第12期 总第36卷
手另一端要承受拿取重物、往复运动的受力。

因此选取受力最大的一个位置，也就是水平位置对大臂进行受力分析，在右端圆台上开出一小块平面，有助于施加载荷。

3 结果分析和结构优化
由图3、图4可以看出，该大臂结构受力最大在大臂螺栓连接处和直杆与圆盘相接处，所以该实体的危险处就是RV减速器与大臂连接螺栓处。

因此可以考虑优化的结构是，根据RV减速器的型号相应增加螺栓个数以分担受力，在两个形体结合处增加缓冲设计以减少应力集中，在一些受力比较轻的地方减少材料以减轻整个大臂的质量，从而可以降低伺服电机功率增加经济性和稳定性。

图3 大臂位移等值线图图4 大臂等效应力等值线图
图5是优化后的分析图，可以看出在两个分型面处增加了缓冲设计，极大减小了应力集中，并且在手臂不受力的中间部位增加了凹槽，极大减轻了模型的重量，在前端受力处增加了一个加强筋，增加了材料减薄后的强度。

在最基本受力分析后就可以根据产品的实际需要增加其它辅助部件，结合控制部件等优化外形，形成产品的最终设计。

4 结论
通过实例阐述了利用三维建模软件SolidWorks 建立实体模型以及其与有限元分析软件ANSYS的对接，从而成功地对实体模型进行了结构分析，找出了其薄弱环节并提出了相应的改进建议，从而大大的提高了设计效率，缩短了设计周期，降低了设计成本，也为一些没有实际设计经验的人员提供了一种直观的方法。

图5 优化后的等效应力等值线图
参考文献：
[1]刘国良. SolidWorks 2006完全自学手册[M]. 北京：科学出版社，2006.
[2]龚振帮. 机器人机械设计[M]. 北京：电子工业出版社，1995.
[3]于殿勇，李瑞峰，等. 120 kg负载工业机器人的开发[J]. 高技术通讯，2002，（6）：81－84.
[4]段全心，殷玉枫，刘中. 基于ANSYS的滚珠轴承离合器应力分析[J]. 现代制造工程，2008，（1）：91－93.
[5]周惠明. 关节型机械手的结构创新设计[J]. 煤矿机械，2007，（10）.
[6]张瑾. 基于Pro/E和ANSYS的阀门实体建模与有限元分析[J]. 石油矿场机械，2008，（1）：47－49.
[7]常宗瑜，陈秉聪. 水下机器人－机械手系统的动力学分析[J]. 机械，2006，33（4）：4－6.
（上接第47页）
二次开发主要采用Grip、VC、VB等编程语言实现，通过二次开发，可控制局域网内所有用户的UG软件界面、快捷键一致，从而使编程技术人员在网内任意用户电脑上都能按自己习惯的方式操作软件而不会影响编程速度。

4 小结
高速加工为CNC编程提出了新的要求和挑战，也提供了各种有利条件。

为适应高速加工，对CNC 编程软件进行二次开发，同时也有更高的要求。

CNC 编程技术人员需要更加深入地理解高速加工的内涵，从而为其提供更加完善的技术支持。

参考文献：
[1]宋清华，唐委校. 高速干式切削加工技术及其应用[J]. 工具技术，2005，39：6－10.
[2]席俊杰，徐颖. 高速切削技术的发展及应用[J]. 制造业自动化，2005，27（12）：26－28.
[3]寰峰，王太勇，王双利. 高速切削技术的发展与研究[J]. 机床与液压，2005，（12）：8－11.
[4]宋国旸，姚进. 基于UG的数控车削加工编程技术及应用[J]. 机械，2007，34（5）：37－39.
[5]杨静云，李良仁. 数控加工中对刀设定工件坐标系的控制方法[J]. 组合机床与自动化加工技术，2009，（05）：72－74.
[6]朱虎，杨忠凤，张伟. STL文件的应用与研究进展[J]. 机床与液压，2009，（06）：186－189.。