基于CAE分析的碳纤维机器人手臂铺层优化
仿人服务机器人手臂结构设计及动态响应优化.pptx
介绍目前国内服务机器人手臂存在的问题,并对本文在机器人手 臂设计过程中涉及到的关键技术加以介绍。(2)对人类手臂各个 关节自由度数目和运动范围加以研究,确立仿人服务机器人手臂 的结构参数和设计要求。
根据服务机器人的实际应用场合和功能要求,设计出五自由度机 器人手臂。并根据《中国成年人人体尺寸》确立机器人手臂的 上臂和前臂尺寸。
最后运用Pro/E三维实体建模软件建立机器人手臂的三维装配模 型。(3)运用D-H参数法建立机器人手臂的连杆坐标系,求得相邻 连杆之间的变换矩阵和正运动学方程,并将特定的关节转角代入 正运动学方程,以此验证正运动学方程的正确性。
根据变换矩阵和正运动学方程,运用反变换法求得服务机器人手 臂的运动学逆解,即1 2 3 4 5?,?,?,?,?。(4)运用参数化建模 思想建立机器人手臂的参数化模型,并根据有限元理论和多体动 力学理论建立机器人手臂刚柔耦合动力学模型。
本文的意义在于采用先进的动态设计取代传统的静态设计,在设 计阶段就综合考虑影响机器人手臂工作稳定性的多种因素,目的 是设计出一款工作稳定、振动小的服务机器人手臂。综合运用 人体工程学、人体测量学、多体系统动力学以及优化设计方法, 对服务机器人手臂进行结构设计、固有特性分析以及动态响应 优化。
具体研究工作如下:(1)详细介绍最近几年国内外服务机器人的 发展趋势和增长态势,以及本文的选题背景和研究意义。阐述国 内外对机器人动态特性分析的研究现状,主要是对机器人进行模 态分析和动态响应与激励之间的关系研究。
运用ADAMS软件对机器人手臂进行模态分析和强迫振动分析,得 到机器人手臂的模态频率和固有振型,以及机器人手臂末端加速 度、速度频域响应曲线,分析得到容易引起机器人手臂共振的频 率范围。(5)机器人手臂动态响应优化,结合优化理论以机器人 手臂上臂、前臂的长度和钣金厚度为设计变量;以机器人手臂末 端质心位移和加速度为目标函数;以人类手臂的实际尺寸范围和 比例为约束条件,建立机器人手臂优化模型,得到手臂设计变量 的最优值。
碳纤维复合材料在机器人制造中的应用研究
碳纤维复合材料在机器人制造中的应用研究近年来，随着机器人技术的不断进步和普及，对于材料的要求也越来越高。
碳纤维复合材料由于其具有轻质、高强度和耐腐蚀等诸多优点，逐渐成为机器人制造领域中的热门材料。
本文将从碳纤维复合材料的优势、在机器人方面的应用以及未来的发展方向进行探讨。
一、碳纤维复合材料的优势碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成，其优点十分明显，主要包括以下几点：1. 轻质相对于传统的金属材料，碳纤维复合材料的重量只有它的三分之一左右，因此其应用的机器人也具有更轻便的特点，更适合于需要高机动性的应用场景。
2. 高强度碳纤维复合材料的强度比一般的金属材料要高出很多，特别是在复合材料的纤维方向上，其强度更是如此，因此可以极大的提高机器人的承载能力。
3. 耐腐蚀由于碳纤维复合材料本身具有耐腐蚀的特性，在机器人的应用领域中，特别是在特殊的环境下，比如海上作业、采矿等恶劣的环境中，其表现十分突出。
4. 高温性在高温的环境下，传统的金属材料很容易发生变形、熔化等问题，而碳纤维复合材料具有很好的高温性能，可以保证机器人在极端温度条件下的正常运转。
二、碳纤维复合材料在机器人方面的应用碳纤维复合材料在机器人领域中的应用非常广泛，涉及到多个方面，如机器人的骨架、手臂、底盘、器械等等。
下面将针对机器人的各个部分，进行详细地介绍。
1. 机器人的骨架机器人的骨架是机器人的基础，也是机器人的主体结构。
由于碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、刚性好等特点，可以制造出更加坚固的骨架，同时降低其重量，提高机器人的机动性和稳定性。
2. 机器人的手臂机器人的手臂承担了机器人的很多任务，比如操作、拾取、移动和装配等。
碳纤维复合材料的高强度和轻质优势可以提高机器人手臂的刚性和承载能力，同时也可以减轻手臂的自重，降低对于机器人底盘的负荷，提高机器人手臂的机动性和灵活性。
3. 机器人的底盘由于碳纤维复合材料具有高强度、低重量、耐腐蚀、高刚性等特点，因此可以制造出坚固耐用、重量轻的机器人底盘。
碳纤维复合材料cae模型的建立
碳纤维复合材料是一种新型的材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，这使得它在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛的应用。
在使用碳纤维复合材料制造零部件时，需要对其进行结构分析，以保证其安全可靠性能。
而在这一过程中，CAE（计算机辅助工程）模型的建立显得尤为重要。
建立碳纤维复合材料的CAE模型，一般需要进行以下步骤：1. 材料特性的获取在建立CAE模型之前，首先需要获取碳纤维复合材料的材料特性参数。
这些参数包括弹性模量、泊松比、层间剪切模量、层内弯曲模量等，这些参数直接关系到模型分析的准确性。
2. 几何建模在建立CAE模型时，需要对碳纤维复合材料的几何形态进行建模。
这一部分工作包括对被分析物体的几何尺寸、形状进行建模，通常使用CAD软件进行建模。
3. 网格划分在对碳纤维复合材料的几何形态进行建模后，需要进行网格划分。
网格划分是将几何模型分割成有限数量的小单元，以便进行数值计算。
良好的网格划分可以保证模型分析的准确性和高效性。
4. 材料属性的定义在建立CAE模型时，需要对碳纤维复合材料的各种材料属性进行定义，包括材料的线性或非线性特性，也包括材料的本构模型等。
5. 载荷及边界条件的应用在CAE模型中，需要对所分析的碳纤维复合材料上施加相应的载荷及边界条件，以模拟真实的工程应力情况。
在进行以上步骤后，可以得到一个完整的碳纤维复合材料的CAE模型，并可以进行相应的结构分析、优化设计等工作。
建立碳纤维复合材料的CAE模型是一个复杂而重要的工作，它直接关系到产品的设计质量和性能。
只有建立了准确、可靠的CAE模型，才能保证碳纤维复合材料制品的安全可靠性，促进碳纤维复合材料在各个领域的广泛应用。
作为一种先进的材料，碳纤维复合材料在航空航天、汽车制造等领域中具有广泛的应用前景。
然而，碳纤维复合材料的制造过程以及零部件的结构分析都需要科学的方法和准确的模型来支持。
在这一过程中，计算机辅助工程（CAE）模型的建立尤为重要，对于保证产品的安全性和可靠性具有关键意义。
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) 12－0048－03Property analysis and structure optimization of robotic arm based on SolidWorks and ANSYSZHAO 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。
基于ANSYS Workbench碳纤维复合材料综框的铺层分析与优化设计
ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｈｅ ａｌ ｄ Ｆｒ ａｍｅ ｏ ｆ Ｃａｒ ｂ ｏ ｎ Ｆｉ ｂ ｅｒ Ｃｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ
Ｈ ＡＮ Ｂｉ ｎ ｂ ｉ ｎ ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｉ ｘ ｕ ａ ｎ ， ＲＥＮ Ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ＺＨＡ ＮＧ Ｑｉ ｕ ｘ ｉ ａ
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织器 。 Ａｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ
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Ｍａ ｙ ２０１ ７
基于 Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ碳 纤 维 复 合 材 料 综 框 的 铺 层 分 析 与 优 化 设 计
ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ａ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ｉ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ ｈ ｅ ａ ｌ ｄ ｆ ｒ ａ ｍｅ ． Ｉ ｔ ｉ Ｓ ｐ ｏｉ ｎｔ ｅ ｄ ｏｕ ｔ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｈｅ ａ ｌ ｄ ｆ ｒ ａ ｍｅ
（ １ ． Ｔｈ ｅ Ｒ＆ Ｄ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｘｉ ｎ ｇ ｈ ａ ｎ ｇ Ｍｅ ｃ ｈ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｃｏ ． ， Ｌｔ ｄ ． ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ７ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；
动 态特性 的影响 ， 并进行 不 同参数 组合优化 ， 可确定综框 结构的最佳参数 。
碳纤维复合材料结构设计与仿真优化
碳纤维复合材料结构设计与仿真优化什么是碳纤维复合材料？碳纤维复合材料（CFRP）是一种高性能材料，由碳纤维和树脂基体构成，其中碳纤维具有高强度、高刚度、低密度、低热膨胀系数等优良性能。
它广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、建筑等领域。
在碳纤维复合材料中，纤维的取向、层数和角度非常重要，对材料的性能有很大影响。
因此，在CFRP的结构设计和仿真优化中，需要充分考虑这些因素。
CFRP的结构设计CFRP的结构设计包括纤维取向、层数和角度的确定。
纤维取向决定了材料的强度和刚度。
纤维层数决定了整个结构的厚度和重量。
而纤维角度则决定了材料在多个方向上的性能。
在GALPAT（全局自适应拓扑优化）中，设计参数被划分为离散的变量，例如各种的CFRP层。
JLR的模拟结果表明，与现有的CFRP设计相比，GALPAT生成的新CFRP结构比现有的CFRP结构更轻、更刚、更强。
实际应用中，通过GALPAT优化后的合并材料/模具制造技术，实现了40%的零件减轻。
CFRP的仿真优化CFRP的仿真优化是通过建立CFRP结构的有限元模型，分析和评估其性能，并通过多次优化，得到最佳设计方案。
在建立有限元模型时，需要考虑材料的本构关系、受力情况和边界条件。
在利用有限元方法分析结构时，需要对纤维取向、层数和角度进行优化。
纤维取向和层数可以通过强度或刚度需求来确定，而纤维角度则需要通过优化算法来寻找最佳角度，以满足多个方向上的性能要求。
通过仿真优化，可以得到最佳的CFRP结构设计，以满足性能要求并最小化重量和成本。
最终仿真结果也需要在实际制造过程中进行验证和调整。
总结CFRP的结构设计和仿真优化是CFRP应用的关键步骤。
通过优化纤维取向、层数和角度，可以得到最优的结构设计，以达到最佳的性能和最小化重量和成本的目的。
这是CFRP在航空航天、汽车、运动器材等领域得到广泛应用的重要原因之一。
碳纤维复合材料成型与控制工程的优化设计
碳纤维复合材料成型与控制工程的优化设计碳纤维复合材料是一种具有轻质、高强度和耐腐蚀性能的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
在碳纤维复合材料的生产过程中，成型与控制工程起着至关重要的作用。
本文将探讨碳纤维复合材料成型与控制工程的优化设计。
一、成型工艺的优化设计碳纤维复合材料的成型工艺包括预浸料制备、纤维层叠、热压成型等环节。
在预浸料制备中，优化设计可以通过调整预浸料的树脂含量和纤维含量来控制复合材料的性能。
较高的树脂含量可以提高复合材料的韧性，而较高的纤维含量可以提高复合材料的强度。
因此，根据具体应用需求，可以通过优化预浸料的配方来实现对复合材料性能的控制。
在纤维层叠过程中，优化设计可以通过调整纤维的层叠方式和角度来控制复合材料的力学性能。
例如，采用不同的纤维层叠方式可以实现复合材料的各向异性，从而满足不同方向上的力学需求。
此外，通过调整纤维的层叠角度，可以改变复合材料的层间剪切性能，提高其承载能力。
在热压成型过程中，优化设计可以通过调整成型温度、压力和时间来控制复合材料的密实度和力学性能。
在成型温度方面，较高的温度可以促进树脂的流动和纤维的融合，从而提高复合材料的密实度。
在成型压力方面，适当的压力可以保证纤维与树脂之间的良好结合，提高复合材料的强度。
在成型时间方面，较长的时间可以使树脂充分固化，从而提高复合材料的稳定性。
二、控制工程的优化设计碳纤维复合材料的控制工程包括温度控制、压力控制和时间控制等。
在温度控制方面，优化设计可以通过采用先进的加热系统和温度传感器来实现对成型温度的精确控制。
精确的温度控制可以保证复合材料在成型过程中的热力学性能稳定，避免过高或过低的温度对复合材料性能的影响。
在压力控制方面，优化设计可以通过采用先进的液压系统和压力传感器来实现对成型压力的精确控制。
精确的压力控制可以保证复合材料在成型过程中的力学性能稳定，避免过高或过低的压力对复合材料性能的影响。
在时间控制方面，优化设计可以通过采用先进的控制系统和计时器来实现对成型时间的精确控制。
工业机器人机械臂的结构优化和轻量化探索
工业机器人机械臂的结构优化和轻量化探索摘要：伴随工业领域持续的进步发展，对工业机器人总体结构刚度、强度及轻量化方面均提出更高要求，这就需对机械臂积极开展结构优化及其轻量化方面的深入研究，便于能够满足当前工业领域实际的生产运行需求。
故本文主要探讨工业机器人当中机械臂总体结构优化与其轻量化，旨在为业内相关人士提供有价值的参考。
关键词：机械臂；机器人；工业；轻量化；结构优化前言：伴随工业机器人日益广泛化的应用，人们对其机械臂总体结构质量方面提出了轻量化方面的要求，为能够充分满足实际需求，则对工业机器人当中机械臂总体结构优化与其轻量化开展综合分析较为必要。
1、工业机器人当中机械臂总体结构优化1.1在正交试验方面针对正交试验方面，对某工业机器人当中机械臂总体结构性能三个主要的影响因素开展试验，每次选定5个不同水平，即壁厚（30、25、20、15、8mm）、末端孔深（44、39、34、29、22mm）、保留体积（70%、60%、50%、40%、30%），不断将试验范围缩小，最终确定机械臂最优化的结构参数，即壁厚为13mm、末端孔深为30mm、设计空间总体保留体积为72%时候，拓扑优化可获取最优结构。
1.2在拓扑优化方面依托SolidThinking Inspire，对于机械臂实施拓扑优化,系统软件当中拓扑优化实施算法选定变密度法，主要是把模型假设成密度可变的一类材料，密度值范围是0~1，处于特定约束条件，依托有限元法，舍弃为0密度值的材料，保留为1密度值材料。
约束的结构体积之下，以结构总体最大化的刚度作为最终优化目标，获取拓扑优化基础数学模型，即Minimize:C=F T U、{X1，X2，……X n}T、约束条件为f=（V-V1）V0、0≤V min≤V e≤V max、F=KU。
上述列式当中，F、U分别代表载荷矢量及位移矢量；C代表结构的变形能；X i，{i=1，2，……n}代表设计变量；f代表剩余材料的百分比；V1代表单元密度＜V min材料总体体积；V、V0分别代表结构当中充满材料实际体积及结构整个设计域实际体积；V max、V min分别代表单元的相对密度上限及下限；K代表刚度矩阵；V e代表所求单元实际相对密度。
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基于CAE分析的碳纤维机器人手臂铺层优化
机器人机械臂的基本作用是引导手爪准确抓取工件到所需位置，以及承受手臂自重和抓取工件的最大重量。
传统机器人机械臂多是采用钢材、铝合金等金属材质，但机器人机械臂作为一个运动性部件，材质的选择会决定其静态与动态性能，而碳纤维的特性也让它可以在机械臂中代替传统金属。
碳纤维具有优秀的耐高温、无蠕变、耐腐蚀等特性，其力学性能也可以通过设计进行控制和改变。
它的主要用途是作为增强材料与金属、陶瓷、树脂进行复合，制成先进的复合材料。
与传统金属相比，碳纤维复合材料的比重仅有金属的1/4，但是在强度方面，碳纤维复合材料达到2000MPa，是金属的10倍。
由于碳纤维复合材料的铺层方式会对机械臂的力学性能会产生直接影响。
为了能够充分发挥碳纤维复合材料的高比刚度和高比强度等特点，苏州挪恩在为中国电子科技集团公司某研究所研制的碳纤维6轴关节机器人手臂研发时采用T700碳纤维复合材料作为机械臂的铺层材料，在材料参数设定完成之后设定复合材料铺层，使用ABAQUS专门为复合材料设计提供的模块定义铺层总数、各层的材料、厚度以及每层的铺设角度。
1、铺层方向
在满足机械臂设计要求的前提下，挪恩建议尽量减少铺层方向数，过多的铺层角度取向会给设计以及制件成型增加复杂度。
在铺层设计时，铺层角度多是采用0°、+45°、-45°、90°四种，如有特殊情况则需另外处理。
在实际操作中，铺设角度取向需要根据机械臂所承载荷的主方向来设定。
在点应力状态，铺层角度为0°对应正应力，铺层角度为±45°对应剪应力，铺层角度90°是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力。
假设复合材料制件所承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向就需要选择拉压载荷的方向；假设复合材料制件所承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层要以＋45°、-45°成对铺设；假设复合材料制件所承受的载荷比较复杂，那么铺层设计时就需要以0°、±45°、90°多方向混合铺设。
2、铺设对称均衡
一般复合材料制件的铺层都采取对称均衡铺设。
其特点是在整体铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，那么应将此类非均衡的铺层布置于靠近整体铺层中间位置，这可以有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。
3、铺层厚度
碳纤维复合材料机器人机械臂在设计时，需要维持外部尺寸不变，但是内部要为控制电路预留出足够的空间。
所以机械臂的壳体厚度不能低于原有性能的最低值，但也不能高于原铸铁结构臂的厚度。
4、铺层比例
选择0°、+45°、-45°、90°这四种基本铺层方式铺层的碳纤维复合材料制件，每个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6%-10%，这主要是为了避免复合材料上臂制件的基体在各方向上承受载荷。
5、铺层顺序
碳纤维复合材料机械臂的铺设顺序有两个方面需要注意，一是连续的相同铺层不要超过四层，这是为了减少按照相同方式铺放的相邻两层有开裂分层的可能；二是为了降低上臂的层间应力，在使用0°、+45°、-45°、90°这四种基本铺层角度时，要尽量将+45°层或45°层布置在0°层与90°层中间，将0°层或90°层布置在±45°层中间。
通过使用有限元方法，以刚度为评判标准，对复合材料机械臂的铺层中的角度选择、铺设顺序进行对比分析优化，最终得到最佳铺层方式为
{0/45/90/-45/45/90/-45/0}s，此时机械臂抗变形能力最佳。
随后为铺层为{0、45、90/-45/45/90/-45/0}s的碳纤维复合材料机械臂建立有限元模型，证明碳纤维复合材料机械臂安全可靠，通过以上的设计思路最终使得苏州挪恩为中国电子科技集团公司研制的碳纤维机械臂量产质量稳定性得到保证。
作为衡量现代化与高端制造业水平的重要标志之一，机器人产业是抢占智能社会发展的重要领域。
随着人口红利的逐步减少，国家也发布了《机器人产业发展规划（2016-2020年）》、《中国制造2020》和“十三五规划”等政策扶持机器人产业的发展，在国家政策支持的背景下，碳纤维复合材料机器人机械臂的发展前景必定潜力无限，并且碳纤维复合材料机器人机械臂与传统机械臂相比，不论是操作精确程度，还是工作效率都具备很大的优势，相信这也将是未来机器人机械臂的发展趋势。