基于Solidthinking Inspire的重型机械手优化设计研究

      本案例载体源自笔者硕士研究生期间从事研发的隧道重型机械手，该机械手作为隧道喷浆支护喷浆机器人的全自动化的核心操作机构，该机械手在工程使用的一年过程中，频繁的启停时，运动，喷浆工作等复杂工况，各机械手关节运动性能仍均正常，说明机械手各关节设计存在较大的冗余度，在国家车辆行业节能减排的驱使下，轻量化设计技术不断发展，因此对于该机械手进行轻量化优化分析很有必要，本案列运用ADAMS和Inspire对机械手的运动学与动力学模型和臂架的有限元模型进行建模以及拓扑优化分析。

1. 基于Adams的运动学与动力学建模与仿真

      在该重型机械手进行轻量化分析前，需要对机械手的工况进行综合考虑，分析出各关节最危险的工况，在对其进行其加载分析。为了分析喷浆机在不同姿态工作时的受力情况，利用动力学分析仿真软件ADAMS对机械手系统进行仿真。 从creo中建立好的机械臂装配CAD模型导入Adams中，定义各构件质量信息、各运动副的约束以及附加混凝管道重力,得到Adams运动学与动力学模型。

                                                           Adams运动学与动力学模型

        仿真工况描述：机械手从初始位置向上扬起水平位置，然后大臂伸缩臂走水平位移2m。（初始位置为大臂处于上仰位姿，伸缩臂缩到最短位置），小臂伸缩臂走水平位移2m,小臂从初始位置60°回转到-180°，由于该机械手各关节结构复杂，本文主要研究三臂轻量化工作，因为三臂是大臂与小臂的连接关节，承受着大臂和小臂给予的复杂载荷。通过测量三臂各个铰点运动副的受力，可得其在工况运动过程中的x、y、z方向受力情况（如下图）。通过分析可知，20s时三臂臂处于受力最大的姿态，记录此时的各铰点受力情况

                                                               Jiont 1铰点受力曲线

                                                                Jiont 2铰点受力曲线

                                                              Jiont 3铰点受力曲线

                                                           Jiont 4铰点受力曲线

                                                       Jiont 5铰点受力曲线

通过分析可知，20s时三臂处于受力最大的姿态，记录此时的各铰点受力情况见表

2基于inspire的机械手三臂臂架优化分析

      该机械手三臂臂架由各不同厚度形状的板材焊接成箱体结构，对臂架的的静力分析的固定载荷取上结分析的极限工况，施加载荷处位于臂架的孔心位置，在孔心位置创建刚性连接器连接，连接器可以把力根据位置分配给连接面或点，采用刚性连接并施加集中载荷，并开启惯性释放选项。材料参数为：

分析应力位移云图为：

      原模型分析结果可知最大应力158MPa，发生在下左侧板拐角处，最大位移0.46MM，。刚强度结果远低于HG70材料的屈服极限范围，有较大优化空间，由于臂架左右侧板的应力值较小，考虑进行轻量化拓扑减重处理。

Inspire优化具体操作：

      如同HyperWorks做优化设计，Inspire也需要划分设计区、非设计区域，但操作起来要简单的多，只需鼠标右键即可完成。下图所示的模型已经分出了设计区域（棕色），非设计区域（灰色）并施加对称边界条件。

    采用拓扑优化以侧面区域为设计空间，综合考虑极限工况，以最大化刚度为目标的，厚度约束最小为0.03245mm,质量目标设置为占空间总体积的70%，拓扑分析结果以及应力形变云图如下：

       继续以最大化刚度为目标的，厚度约束最小为0.03245mm,更改质量目标设置为占空间总体积的50%，拓扑分  析如下：

       对比以上结果可知当优化后的臂架，质量目标设置为占总体积的70%时，的在各强刚度，重量，最小安全系数等评价指标均优于原设计，所需材料也少于原设计，减少了成本提高了可靠性，当质量目标设置为占总体积的50%时，强度，重量，最小安全系数优于原设计，但牺牲了一定的刚度，相比整体其他性能的提升，拓扑后的轻量化结构设计方案是可靠的，因此机械手的其他关节也可依循改方法进行优化分析。

    笔者说：仿真驱动设计，solidThinking Inspire是一个分分钟可以上手的工具，它将大量的前处理工作隐式化，作为软件底层的基本功能，对于操作者并不需要去关注。是真正面向了结构工程师的一个助手软件，另外由于对cae仿真的认识仍不够成熟，目前国内目前对cae技术存在着许多误解，相信随着cae技术的普及，今后cae仿真将有大展拳脚的一天。

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