一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，属于机械设计领域，通过三维建模、网格建模、强度分析、动态响应分析、对比分析、结构优化设计，经过多轮迭代设计出满足要求的机器人结构。本发明利用强度及动态特性仿真分析方法结合到机器人结构设计优化中，能够在机器人结构设计阶段，准确暴露设计的缺陷及冗余，利用仿真分析结果，有效的指导设计改进结构，并通过多次迭代计算，最终让机器人结构设计达到最好的优化结果。从而尽可能避免了工程中因为结构设计有可能导致的机器人功能性能不满足要求的情况，同时让机器人满足结构轻量化的要求。
【专利说明】一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人结构设计方法，尤其涉及一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，属于机械设计领域。
【背景技术】
[0002]随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化水平发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。一般地，机器人被广泛运用于电子产品中，如汽车工业、塑料工业、药品工业及食品工业等领域，用于完成搬取、装配、喷涂、焊接等操作，以代替人工操作，从而提尚生广效率。
[0003]工业机器人结构设计是工业机器人设计中一个重要环节，结构设计的好坏直接影响机器人的功能及性能，特别是近年来在机器人结构满足强度、刚度的条件下，轻型化设计的要求越来越高。然而，目前国内现有的工业机器人结构设计基本靠国外机器人结构设计经验的借鉴，这种方式不能从根本上掌握机器人结构设计方法，在机器人结构设计过程中也很难准确的找到结构进行优化的方向。
【发明内容】
[0004]本发明针对目前国内工业机器人结构设计中无法准确找到设计优化方向的问题，通过引入强度和动态响应仿真分析方法，计算结构在极限载荷下的应力分布及固有频率和振型，利用分析结果，在校核结构强度和刚度的同时，调整改进结构布局，进行迭代分析计算，最终寻求最优化的结构布局，从而达到结构减重设计优化的目的，提供一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法。
[0005]为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下:
一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，包括以下步骤:
1)利用三维设计软件，建立机器人主承力结构的三维模型；
2)利用有限元前处理软件，建立机器人主承力结构的网格模型；
3)将结构的网格模型导入强度分析软件中，同时施加结构在机器人实际工作过程中承受的极限载荷及约束边界条件，计算结构的应力分布、位移分布；
4)将结构的网格模型导入动态响应分析软件中，以及将机器人负载及其他部件的质量、质心、转动惯量参数等效的施加在网格模型中，同时施加边界约束条件，计算结构的固有频率和振型；
5)分析强度计算结果得出的应力分布、位移分布，对比结构材料的强度是否满足要求；同时分析动态响应计算的结构固有频率、振型，是否与工作频率相近，与工作频率相近易发生共振；
6)根据分析结果及结构应力分布、振型分布的图形，对结构进行优化设计，将结构薄弱的地方、不满足要求的地方进行加强，对过强度、过刚度设计的地方减弱； 7)将优化改进后的结构重新进行仿真计算，校核优化后的结果是否满足设计要求，最终通过多轮迭代，设计出满足要求的机器人结构。
[0006]进一步地，所述三维设计软件为PRO/E、Solidworks或CATIA。
[0007]进一步地，所述有限元前处理软件为Hypemesh或MSC.Patran。
[0008]进一步地，所述强度分析软件为Ansys Workbench或Abaqus。
[0009]进一步地，所述动态响应分析软件为MSC.Patran/Nastran或Ansys Workbench。
[0010]进一步地，所述机器人的主承力结构为手臂、电机安装架或其他承力结构。
[0011 ] 进一步地，所述极限载荷为最大力、弯矩和扭矩。
[0012]进一步地，所述振型为前三阶模态。
[0013]本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下:
本发明利用强度及动态特性仿真分析方法结合到机器人结构设计优化中，能够在机器人结构设计阶段，准确暴露设计的缺陷及冗余，利用仿真分析结果，有效的指导设计改进结构，并通过多次迭代计算，最终让机器人结构设计达到最好的优化结果。从而尽可能避免了工程中因为结构设计有可能导致的机器人功能性能不满足要求的情况，同时让机器人满足结构轻量化的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
[0016]如图1所示，为一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法结构示意图， 包括以下步骤:
1)利用三维设计软件，建立机器人主承力结构的三维模型；
2)利用有限元前处理软件，建立机器人主承力结构的网格模型；
3)将结构的网格模型导入强度分析软件中，同时施加结构在机器人实际工作过程中承受的极限载荷及约束边界条件，计算结构的应力分布、位移分布；
4)将结构的网格模型导入动态响应分析软件中，以及将机器人负载及其他部件的质量、质心、转动惯量参数等效的施加在网格模型中，同时施加边界约束条件，计算结构的固有频率和振型；
5)分析强度计算结果得出的应力分布、位移分布，对比结构材料的强度是否满足要求；同时分析动态响应计算的结构固有频率、振型，是否与工作频率相近，与工作频率相近易发生共振；
6)根据分析结果及结构应力分布、振型分布的图形，对结构进行优化设计，将结构薄弱的地方、不满足要求的地方进行加强，对过强度、过刚度设计的地方减弱；
7)将优化改进后的结构重新进行仿真计算，校核优化后的结果是否满足设计要求，最终通过多轮迭代，设计出满足要求的机器人结构。
[0017]进一步地，所述三维设计软件为PRO/E、Solidworks或CATIA。
[0018]进一步地，所述有限元前处理软件为Hypemesh或MSC.Patran。
[0019]进一步地，所述强度分析软件为Ansys Workbench或Abaqus。
[0020]进一步地，所述动态响应分析软件为MSC.Patran/Nastran或Ansys Workbench。
[0021]进一步地，所述机器人的主承力结构为手臂、电机安装架或其他承力结构。
[0022]进一步地，所述极限载荷为最大力、弯矩和扭矩。
[0023]进一步地，所述振型为前三阶模态。
[0024]基于仿真的六轴工业机器人结构设计优化方法是将结构强度及动态特性仿真分析方法结合到机器人结构设计优化中，通过对机器人各主承力结构依次建立三维模型、有限元仿真分析模型，模拟机器人结构实际承受的极限工作载荷及边界条件，施加到仿真模型中，分别计算出机器人各主承力结构的应力分布、固有频率、振型，然后根据计算结果，对比分析结构的强度、刚度是否满足设计要求，或者结构设计是否余量过大，再依据仿真计算和分析的结果，将结构中余量过大的地方进行减弱，强度刚度不足的地方进行加强，进行结构布局改进设计，最后改进之后重新进行仿真分析，校核改进的结果，经过这样多轮的迭代分析及结构优化，使机器人结构设计达到最理想的优化结果。
[0025]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用三维设计软件，建立机器人主承力结构的三维模型； 2)利用有限元前处理软件，建立机器人主承力结构的网格模型； 3)将结构的网格模型导入强度分析软件中，同时施加结构在机器人实际工作过程中承受的极限载荷及约束边界条件，计算结构的应力分布、位移分布； 4)将结构的网格模型导入动态响应分析软件中，以及将机器人负载及其他部件的质量、质心、转动惯量参数等效的施加在网格模型中，同时施加边界约束条件，计算结构的固有频率和振型； 5)分析强度计算结果得出的应力分布、位移分布，对比结构材料的强度是否满足要求；同时分析动态响应计算的结构固有频率、振型，是否与工作频率相近，与工作频率相近易发生共振； 6)根据分析结果及结构应力分布、振型分布的图形，对结构进行优化设计，将结构薄弱的地方、不满足要求的地方进行加强，对过强度、过刚度设计的地方减弱； 7)将优化改进后的结构重新进行仿真计算，校核优化后的结果是否满足设计要求，最终通过多轮迭代，设计出满足要求的机器人结构。
2.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述三维设计软件为PRO/E、Solidworks或CATIA。
3.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述有限元前处理软件为Hypemesh或MSC.Patran。
4.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述强度分析软件为Ansys Workbench或Abaqus。
5.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述动态响应分析软件为MSC.Patran/Nastran或Ansys Workbench。
6.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述机器人的主承力结构为手臂、电机安装架或其他承力结构。
7.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述极限载荷为最大力、弯矩和扭矩。
8.根据权利要求1所述一种基于仿真分析的机器人结构动态特性设计方法，其特征在于，所述振型为前三阶模态。
【文档编号】G06F17/50GK104484511SQ201410716271
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】王世佩 申请人:深圳控石智能系统有限公司