工业机器人的结构分析与优化
工业机器人的系统组成及各部分作用
工业机器人的系统组成及各部分作用一、引言工业机器人是一种自动化操作装置，主要用于工业生产中重复性高、作业环境危险的工作。
它的出现不仅提高了生产效率，而且还减少了人力成本和劳动强度。
要了解工业机器人的系统组成及各部分作用，我们需要从整体系统结构、各部分功能和作用等方面进行深入分析。
二、系统组成1. 机械结构机械结构是工业机器人的主体框架，它由基座、臂部、手部等部分组成，用于支撑和连接其他各部分。
其中，基座是机器人的底部支撑，臂部是机器人的动作执行部分，手部是机器人的操作器具，通过各部件的灵活组合，可以完成各种工业操作任务。
2. 控制系统控制系统是工业机器人的大脑，包括传感器、控制器、执行器等组成部分。
传感器用于获取外部环境的信息，控制器用于对机器人的动作进行指令和控制，执行器则是根据控制器的指令完成各项操作任务。
三、各部分作用1. 机械结构机械结构的作用是支撑和连接机器人的各部分，使之能够进行灵活的运动和操作。
通过合理的结构设计，可以实现机器人的高效作业和灵活操作，提高生产效率。
2. 控制系统控制系统的作用是实现机器人的自动化操作，传感器用于获取外部环境信息，控制器通过对信息的处理和分析，指挥执行器完成任务。
这种自动化操作不仅可以提高生产效率，还可以降低人力成本和减少劳动强度，同时也能保证生产过程中的安全性。
四、个人观点和理解通过对工业机器人的系统组成及各部分作用进行全面分析，我们可以深刻理解工业机器人的工作原理和作用。
我认为，工业机器人的出现标志着人类生产方式的进步和自动化水平的提高，它不仅可以大幅度提高生产效率，还可以降低生产成本，实现可持续发展和智能制造。
五、总结与展望通过本文的探讨，我们对工业机器人的系统组成及各部分作用有了更深入的了解。
在未来，随着科技的发展和人工智能技术的应用，工业机器人的性能和作用将会不断提升，我们期待工业机器人能够在更多领域发挥作用，为人类生活和生产带来更多便利。
工业机器人的系统组成及各部分作用是一个复杂而又精密的系统工程，它的实现对于提高整个生产效率和改善生产环境起着至关重要的作用。
搬运机器人结构设计与分析设计说明
搬运机器人结构设计与分析摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。
工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。
目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。
本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论，对原有的机械结构提出了新的改进方法，并把现在的新技术应用到本课题中，从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。
通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状，提出了具体的搬运机器人设计要求，并根据搬运机器人各部分的设计原则，进行了系统总体方案设计以及包括：机器人的手部、腕部、臂部、腰部在的机械结构设计。
此搬运机器人的驱动源来自液压系统，执行元件包括：柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。
通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动，进而实现搬运机器人的实际作业。
关键词：搬运机器人；液压系统；机械结构设计；操作AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry,enterprises to improve productivity, and,guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work.The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment.Through a detailed understanding of the robot in the industrial application,to propose specific handling robot design requirements,and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including:the robot's hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including:plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc.Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion,And realize the operational handling robot.Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating第1章总论1.1 概述搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
工业机器人设计与实例详解
工业机器人设计与实例详解工业机器人是一种具有高度自动化和智能化的机器设备。
它广泛应用于各种制造领域，如汽车制造、电子制造、医疗器械制造等。
本文将详细介绍工业机器人的设计与实例。
一、工业机器人的设计1.结构设计工业机器人的结构设计包括机械结构、传动系统、控制系统和电气系统等。
机械结构应具有足够的刚度和精度，使机器人能够承受重载和高速度。
传动系统应具有高精度和高效率，以确保机器人的高速度和精度。
控制系统应具有高性能和高稳定性，以确保机器人的高精度和高速度。
电气系统应具有高可靠性和高效率，以确保机器人的稳定性和运行效率。
2.运动学设计工业机器人的运动学设计是机器人设计中非常重要的一个方面。
它涉及机器人的轨迹规划、运动学正逆问题、末端执行器设计和动力学分析等。
运动学设计应满足机器人的高速度和高精度要求。
3.控制算法设计工业机器人的控制算法设计关键是机器人的路径规划和控制系统的设计。
路径规划应采用高效的算法，以实现机器人的高速度和高精度。
控制系统的设计应具有高性能和高稳定性，以确保机器人的高速度和高精度。
二、工业机器人的实例1.汽车制造在汽车制造中，工业机器人被广泛应用于车身焊接、喷漆、车体检测和零件加工等领域。
通过使用工业机器人，可以实现车身的高精度和高效率生产，提高汽车制造的质量和效率。
2.电子制造在电子制造中，工业机器人被广泛应用于半导体生产和电子零件组装等领域。
通过使用工业机器人，可以实现电子产品的高精度和高效率生产，提高电子制造的质量和效率。
3.医疗器械制造在医疗器械制造中，工业机器人被广泛应用于手术器械生产和医疗器械组装等领域。
通过使用工业机器人，可以实现医疗器械的高精度和高效率生产，提高医疗器械制造的质量和效率。
综上所述，工业机器人的设计与实例是机器人技术中的重要方面。
要设计出高精度、高效率、高性能和高稳定性的工业机器人，需要考虑机器人的结构设计、运动学设计和控制算法设计等方面。
同时，工业机器人在汽车制造、电子制造和医疗器械制造等领域中的广泛应用，为制造业的高质量和高效率生产提供了有力的保障。
工业机器人机器人本体设计分析
工业机器人机器人本体设计分析声明：本文内容信息来源于公开渠道，对文中内容的准确性、完整性、及时性或可靠性不作任何保证。
本文内容仅供参考与学习交流使用，不构成相关领域的建议和依据。
一、机器人结构设计机器人的结构设计是指针对特定任务和工作环境，对机器人的外形、连接方式、关节结构等进行设计和优化的过程。
合理的机器人结构设计能够提高机器人的功能性、灵活性和稳定性，从而更好地完成各种任务。
下面将从机器人的外形设计、连接方式设计以及关节结构设计三个方面详细论述机器人结构设计相关内容。
（一）外形设计1、外形尺寸设计：机器人的外形尺寸设计需要考虑到工作空间的限制以及任务的需求。
合理的外形尺寸设计可以使机器人在狭小的空间内自由移动，并且能够达到所需的工作范围。
2、外形材料选择：机器人的外形材料选择应考虑到机器人的使用环境和任务特点。
例如，在潮湿的环境中工作的机器人可以选择防水材料，而在高温环境中工作的机器人则需要选择耐高温材料。
3、外形形状设计：机器人的外形形状设计既要满足机器人的运动需求，又要符合人类对机器人的认知和接受。
因此，外形形状设计需要考虑到机器人的动态特性和人机交互的需求。
（二）连接方式设计1、运动连接方式设计：机器人的运动连接方式包括传动装置、连接结构等。
传动装置的设计应满足机器人的工作要求，如速度、精度、承载能力等。
连接结构的设计应具有稳定性和刚度，以确保机器人在高速和大力矩下不发生松动或变形。
2、电气连接方式设计：机器人的电气连接方式包括电缆布线、接插件等。
电缆布线的设计应考虑到机器人的自由度和运动范围，并保证电缆的可靠性和耐久性。
接插件的选择和布局应方便维护和更换。
3、通讯连接方式设计：机器人的通讯连接方式包括传感器和控制系统之间的通讯方式。
合理的通讯连接方式可以提高机器人的响应速度和数据传输效率，从而提高机器人的工作效率和稳定性。
（三）关节结构设计1、关节类型选择：关节是机器人身体各部分连接起来并实现运动的重要组成部分。
工业机器人的控制系统设计与优化
工业机器人的控制系统设计与优化工业机器人作为现代制造业的重要设备，已经广泛应用于各个领域。
而实现机器人的高效运作，则离不开一个精心设计和优化的控制系统。
工业机器人的控制系统设计与优化是提高机器人工作效率、精度和可靠性的核心要素之一。
本文将从控制系统的设计、优化和相关技术方面进行讨论。
一、工业机器人的控制系统设计1. 控制系统的组成工业机器人的控制系统主要由硬件和软件两部分组成。
硬件包括电机、传感器、执行器等设备。
而软件包括机器人的程序以及对程序的控制和监控等。
在设计控制系统时，需要根据机器人的具体任务需求，选择合适的硬件设备和软件平台。
2. 控制系统的架构工业机器人的控制系统通常采用分布式控制架构。
在这种架构下，主控制器负责整体控制，并负责与外部设备进行通信。
而子控制器则负责执行具体的任务，如运动控制、传感器数据采集等。
这种架构具有扩展性和灵活性，可以满足不同的应用需求。
3. 运动控制在工业机器人的控制系统中，运动控制是其中一个重要的部分。
通过运动控制，可以实现机器人的高速、高精度的运动。
传统的运动控制方法包括位置控制和轨迹控制。
而现代的运动控制方法，如模型预测控制和自适应控制等，可以进一步提高机器人的运动精度和鲁棒性。
4. 传感器与反馈控制传感器在工业机器人的控制系统中起着重要的作用。
通过传感器，可以获取机器人当前的状态信息，包括位置、力量、速度等。
而反馈控制则是根据传感器反馈的信息，动态调整机器人的控制策略，使其达到期望的运动状态。
常见的传感器包括编码器、力传感器、视觉传感器等。
二、工业机器人控制系统的优化1. 程序优化在设计工业机器人的控制系统时，需要对控制程序进行优化。
程序优化可以通过减少冗余代码、合理选择算法和数据结构等方式来提高程序的执行效率和响应速度。
此外，为了保证程序的可靠性和稳定性，还需要进行错误处理和异常处理。
2. 运动路径规划运动路径规划是工业机器人控制系统优化的关键技术之一。
工业机器人的成本结构分析与降低途径
工业机器人的成本结构分析与降低途径工业机器人是一种通过自动化技术和电子科技来代替人力完成重复性、高强度、高危险性工作的装置。
然而，由于其成本较高，使得许多企业在引入机器人时面临着挑战。
本文将对工业机器人的成本结构进行分析，并提供相应的降低成本的途径。
I. 成本结构分析工业机器人的成本结构通常包括以下几个方面：1. 机器人本体成本：机器人的核心构成部分，包括机械结构、电控系统、传感器等，这些部件的品质和性能将直接影响到机器人的定价。
2. 研发与设计成本：机器人的研发与设计工作需要大量的人力和物力投入，包括工程师的薪资和开发软硬件所需的费用等。
3. 生产与制造成本：机器人的生产与制造需要相应的生产线和设备，成本包括材料、人工、设备采购等。
4. 安装与调试成本：机器人在实际使用前需要进行安装和调试，包括对机器人进行测试、调整和培训操作人员等。
5. 运营与维护成本：机器人在运营过程中需要进行维护和保养，包括维修零部件、更换附件、软件升级等。
II. 降低成本的途径为了降低工业机器人的成本，可以从以下几个方面着手：1. 优化机器人设计：通过对机器人的结构和组件进行优化设计，选择合适的材料和工艺，可以降低制造成本和提高机器人的性能。
2. 自主研发与降低知识产权费用：企业可以自主进行研发和设计，减少对专利技术的依赖，降低知识产权费用。
3. 自动化生产线：建立自动化生产线可以提高生产效率，降低用工成本，同时可以与机器人进行协同作业，提高机器人的使用效率。
4. 引入柔性制造技术：柔性制造技术可以提高机器人的适应性和智能化，减少机器人的改造和维护成本。
5. 降低安装与维护成本：合理的安装和调试计划可以减少机器人的安装与调试成本，定期维护和保养可以延长机器人的使用寿命。
6. 提高机器人的可信度和稳定性：稳定可靠的机器人可以减少故障率和维修成本，提高机器人的使用效率。
总结：工业机器人的成本结构分析是企业引入机器人前的重要一步，了解成本结构可以帮助企业更好地制定合理的成本控制方案。
工业机器人的夹具设计与优化
工业机器人的夹具设计与优化一、引言在现代制造业中，工业机器人被广泛应用于各个领域，如汽车制造、电子制造、医疗器械等。
工业机器人的夹具是机器人系统中至关重要的一部分，它能够确保工件的稳定固定，提高生产效率和质量。
本文将探讨工业机器人的夹具设计与优化的相关问题。
二、夹具设计原则1. 刚性要求：夹具必须具备足够的刚性，以确保工件在加工过程中不发生形变或位移。
刚性强的夹具可以提高加工精度和稳定度。
2. 定位精度：夹具需要具备良好的定位精度，使工件能够准确的与机器人操作系统进行配合。
这样可以确保加工过程中的精度和一致性。
3. 适应性：夹具设计应考虑到工件的不同形状、尺寸和材料特性，以便适应不同的加工任务。
4. 操作便捷性：夹具设计应尽量简化操作过程，减轻操作人员的劳动强度，并提高操作效率。
5. 安全性：夹具设计必须符合安全标准，确保操作人员的生命安全和身体健康。
三、夹具设计的步骤1. 确定加工要求：夹具的设计应根据加工要求确定，包括工件形状、尺寸、材料等方面的要求。
2. 分析工件特点：对于不同形状和材料的工件，需要分析其特点，确定夹具的形状、结构和材料。
3. 设计夹具结构：根据工件的特点和加工要求，设计夹具的结构，包括夹具的定位元件、夹持元件和固定元件等。
4. 选择夹具材料：夹具的材料应根据工件的材料和加工要求选择，具备足够的硬度、韧性和耐磨性。
5. 进行夹具分析：通过有限元分析等方法，对夹具进行分析评估，保证夹具的刚度和稳定性。
6. 进行夹具试制：设计完成后，进行夹具的试制和实验验证，检验夹具的性能和可靠性。
四、夹具优化方法1. 材料优化：选择合适的夹具材料，以提高夹具的刚度和耐用性。
采用高强度、高韧性的材料，如合金钢、钢铁等。
2. 结构优化：通过改变夹具的结构和布局，提高夹具的稳定性和刚度。
例如使用支撑结构、加强连接部位等。
3. 重量优化：夹具的重量对机器人的运动速度和稳定性有影响。
可以通过减少夹具的重量，提高机器人的运动效率。
SCARA机器人结构设计与动力学分析
基于上述动力学特性分析的结果，可以进一步进行SCARA机器人的结构设计。
SCARA机器人结构设计
SCARA机器人的结构设计应该根据实际应用需求和动力学特性进行优化，以 提高机器人的性能和精度。以下是一些关键的结构设计要素：
1、机构运动副：机构运动副是连接各连杆和关节的要素，直接影响机器人 的运动精度和稳定性。应该选择低摩擦、高精度和高耐用的运动副类型，如球面 副、平面副等，以保证机器人的运动精度和长期稳定性。
5、防震设计：在机器人结构设计中，防震设计也是非常重要的一环。可以 通过在关节或连杆中加入阻尼器、优化结构设计等方法来减小机器人的震动和提 高其稳定性。
6、人机交互设计：在SCARA机器人结构设计中，还需要考虑人机交互的问题。 可以通过在末端执行器上安装安全装置、设置可视化界面等方式来提高机器人的 安全性和易用性，使机器人更加方便快捷地完成各种任务。
SCARA机器人结构设计与动力 学分析
引言
SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人是一种常见 的工业机器人，因其具有良好的空间运动能力和高精度定位而被广泛应用于电子 装配、玩具制造、医药包装等领域。SCARA机器人的结构与动力学分析是提高其 性能和精度的重要基础。本次演示将详细介绍SCARA机器人的结构，分析其动力 学特性，并进行结构设计。
21、惯性张量：惯性张量是描述机器人惯性特性的重要参数，包括绕三个轴 的旋转惯量和质量分布等信息。惯性张量的准确计算和控制对于实现SCARA机器 人的稳定运动和精确定位具有重要意义。
211、动力传递：动力传递是SCARA机器人运动的重要环节。通过合理的动力 传递路径和机构设计，可以实现机器人各关节的协调运动，提高机器人的整体性 能和精度。同时，还需要考虑驱动器的选择和优化，以提高机器人的动力输出和 效率。
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首先找到整机中的薄弱零件和薄弱部位，然后 对薄弱零件建立数学模型并进行重点优化，以提高 工业机器人的优化效果和效率．其中，需要建立力传 导路径．力传导路径是针对单个零件的有限元分析 方法，它先将零件分为受力部分、支撑部分和主干部 分，然后根据模型结构来判断这三部分的强弱程度．
１．４
（１）在给定各关节的最大加速度和最大运动范 围内运动，使末端运动速度尽量大； （２）使机器人运动到苛刻的位姿，在末端加入
惯性矩足够大的负载．
多目标多约束优化模型
文中结合有限元分析结果和力传导路径来建立
机器人在运动过程中，由初始状态依次经历加 速、匀速、减速运动到水平位置全伸展状态，进而达 到运动空间中的苛刻姿态，故仿真结果具有普遍性． 根据仿真结果，得到各个关节的负载转矩和转 速如下¨２｜：
一个实体模型，并进行拓扑优化［１４删；将拓扑优化 后的模型与原模型进行对比，依据拓扑优化后的模 型并在原模型基础上修改孔洞结构，以实现多参数 尺寸的优化． 零件的拓扑优化采用了基于三维结构的静刚度 拓扑优化方法，文中以最小柔度为目标，建立以应力 条件和几何条件为约束条件的三维结构拓扑优化问 题的数学模型【Ｉ
用性．
关键词：工业机器人；有限元分析；动力学仿真；拓扑优化 中图分类号：ＴＨｌ２８
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００・５６５Ｘ．２０１３．０９．０２１
工业机器人是面向工业生产任务的多关节操作 臂或多自由度机械手，是现代制造业中重要的自动 化装备．目前，国内机器人无论是在设计、制造还是 在应用等方面，与发达国家相比均有较大的差异．国 产工业机器人基本上以国外品牌为模板，以仿制为 主，改进为辅，依靠试凑和经验，在设计过程中往往 缺乏深入的理论分析和优化计算，导致国产机器人 的性能与国外品牌相差较大．为提升机器人的性能， 人们在设计阶段应该采用现代先进的分析和设计方 法对机器人的主要部件和整体结构进行分析与优化． 现代机械结构的优化包括形状优化、尺寸优化 和拓扑优化．前二者比较成熟，后者是一种新兴的优 化方法，是目前连续体结构优化的研究热点之一，是 建立在力学、拓扑学和计算机技术等基础上的结构 优化理论．连续体的结构拓扑优化方法包括均匀化 方法…、密度法旧ｊ、变厚度法旧Ｊ、拓扑函数描述方 法Ｈ１等．目前，复杂的零件拓扑优化建模复杂，难以求 解．就不同的机械系统而言，有关数控机床和加工中 心的优化已有大量的研究∞Ｊ，但机器人系统的结构分
万方数据
华南理工大学学报（自然科学版）
第４１卷
和负荷向量；Ｋ为总体刚度阵；Ｈ，和Ｅ分别为单元ｅ 的位移向量和刚度阵；ｐ，为设计变量；ｐ。抽为设计变 量下限，下限为非零是为了避免优化过程中出现奇 异值，Ｐ为惩罚项，ｑ为指数，／＇ｔ为网格单元数，ｙ为材 料的体积． 对于拓扑优化问题，文中采用优化准则法进行 求解．首先推导出目标函数和约束函数的敏度，然后 根据优化变量的迭代公式对优化问题进行求解． 对于尺寸优化问题，文中将实体拓扑优化后的 模型和原模型进行对比，依据拓扑优化后的模型对 原模型进行孑Ｌ洞处理，并以相关参数为目标值通过 设置孔洞参数来寻找最佳的尺寸．尺寸优化的基本 要素包括：①多目标，要求变形量和最大应力值最 小，固有频率最大，质量最小；②多变量，包括厚度、 圆孔的半径和位置；③约束条件，即基本结构尺寸不 变化，材料不变．
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万方数据
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㈧变形云图 ＬｂＪ应力‘圈
图６整机的总变形量和应力云图
Ｆｉｇ．６ Ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｒｏｂｏｔ
≥
冷
整机的动态振型云图如图７所示，从图可知，容
易发生共振的部件是大臂、小臂和腰部．整机、底座、
腰部、大臂、肘部、小臂、腕关节的变形量分别为 ５７５．０、５８．０、１３２．０、３２５．０、１４．６、２３．９、１．１斗ｍ，依据 各部件的变形量进行调整的顺序从大到小依次为大 臂、腰部、小臂、底座、肘部、腕关节．
实例应用
机器人的构型
为验证文中所提方法的有效性，将文中方法应
用于某型号自由度串联式搬运机器人Ｌ１７１的设计中． 该机器人由底座、腰部、大臂、肘部、小臂和腕关节六 大部件组成，如图３所示．
恒定减速运动，最大扭矩约为１２００Ｎ－ｍ．代入式（Ｉ）、 （２）计算可得到底座的额定力矩值Ｔ。＝８１３ Ｎ・ｍ，
Ｎｌ＝１５．７６ ｒ／ｍｉｎ，Ｐ＝１６１０Ｗ．
依此可以计算其他５个部件的额定力矩，分别为
咒＝８７２．００Ｎ・ｍ，Ｌ＝２９４．００Ｎ・ｍ，ｔ＝５１．００Ｎ・ｍ，瓦＝ ２９．６３Ｎ・ｍ，瓦＝０．５２Ｎ。ｍ．
２．２
鬈萎蓄嚯
底座ｌ
Ｆｉｇ．３
整机分析
Ｉ
为保证正常工况下工业机器人的变形量仍旧在 合理范围内，将整机末端携带１０ ｋｇ负载运动到底 部，在水平全伸展姿态时，各部件达到最恶劣姿态， 此时末端变形量为最大值． 从图６的静态分析结果可知，在一字型姿态下， 应力主要分布在腰部和大臂．
１．３
∑也Ｐｅ≤Ｖ
ｅ＝ｌ
ｃ（ｐ）＝，Ｕ＝Ｕ’ＫＵ＝∑∥ＨＫ比。
｛薹［ｍａｘ（。，三；Ｖ：Ｍ一妄＋ｆ）］９）了≤・．
Ｐ（Ｘ）＝∞（贮） 式中：盯。ＶＭ为载荷作用下单元ｅ的Ｍｉｓｅｓ应力；ｏｒｌ为
模型分析
整机模型用Ａｎｓｙｓ进行有限元分析，以提高刚
度和减轻质量为目标，整个结构优化流程¨列如图２
所示．
材料许用应力；Ｕ和Ｆ分别为结构的总体位移向量
卜ｈ．—一．
ｆ
Ｆｉｇ．５ Ｔｏｒｑｕｅ
ｃＨＩｖｅｓ
地
ｏｆ ｓｉｘ ｐａｒｔｓ
图５六个部件的力矩曲线
从图５可知：底座在０．０５～０．３０ Ｓ时以最大加速 度做恒定加速运动，最大扭矩约为８７０Ｎ・ｍ；底座 在０．３０～０．６８ Ｓ时以最大转速做匀速运动，扭矩约 为３２０Ｎ・ｍ；底座在０．６８～０．９３ Ｓ时以最大加速度做
万方数据
第９期
管贻生等：工业机器人的结构分析与优化
舀
：应力分布！ ：变形量对比：
・模态振型：
攀Ｉ率憾 丢Ｉ空一
《蕊蕊
图ｌ
Ｆｉｇ．１
：一零墅堕一：
：应力分布：
：力传递方向：
・模态振型・
１．．．．…一一Ｉ
结构分析与优化方法的流程图
Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
要考虑减重处理．
Ｆｉｇ．１ｌ
图１ １
大臂的简易实体模型及其约束
Ｓｉｍｐｌｅ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｒｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ
２．３部件的优化
大臂的结构及力传导路径如图８所示，大臂主 要分为三部分：上法兰（承受来自电机箱的作用 力）、主干部分、下法兰（承受来自腰部的支撑力）．
整Ｈｌｎ０动怎ｊ１Ｋ’型二ｉｌ冬Ｉ
Ｄｙｎａｍｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｒｏｂｏｔ
根据静态、动态和变形量分析可得到整机的六 大部件的优化重要性排列顺序，依次为大臂、腰部、 小臂、底座、肘部和腕关节．因此，在下一步的部件优 化中，应该增加大臂和小臂的刚度，减小底座、肘部 和腕关节的质量，而腰部既要考虑提高刚度性能又
析和优化鲜见报道．在有关串联机器人弹性动力分析 （ＫＥＤ）研究中，文献［６—７］的研究比较具代表性；梁浩 等Ｌ８１针对Ａｎｓｙｓ和Ａｄａｍｓ的特点，首次基于Ａｎｓｙｓ和 Ａｄａｍｓ建立了柔性机器人的动力学仿真系统． 针对目前国内机器人的设计方法和手段相对落
后、国产工业机器人的性能相对较低的状况，文中提
２
２．１
在运动中每个部件均受到一个６维力（Ｆｘ，Ｆ，， Ｆ：，ｔ，０，ｔ）的作用，其中Ｆ，、只、ｔ分别表示沿工、 Ｙ、ｚ轴方向的力；ｔ、Ｔｙ、ｔ分别表示绕ｘ，ｙ、ｚ轴向的 力矩．各个部件的力矩（ｒ）曲线如图５所示．
底座 腰部 ｒ １－１—／—一
一．－、．
ｎ大臂 厂 ＪＬ－—／ｋ、Ｊ
：门ｎ＝
小臂广～
１
工业机器人的结构分析与优化术
管贻生 邓休 李怀珠 尹振能 吴文强 江励
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０）
摘要：文中以Ａｄａｍｓ和Ａｎｓｙｓ为平台，提出了一种工业机器人的结构分析与优化方法． 首先对工业机器人进行有限元静态和动态分析，寻找其最薄弱的零件和部位，然后对最薄 弱的零件和部位进行拓扑优化与尺寸优化，获得Ｐａｒｅｔｏ解集．将该方法应用于某型号搬运 机器人，结果显示，优化后的机器人在整机质量只增加６％的情况下，绝对静态变形降低 了７８．１％，第一阶固有频率提高了４９．６％，表明该方法具有很好的优化效果和工程实
Ｆｉｇ．８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ａｒｍ
根据拓扑优化结果，可保持大臂的基本结构尺
寸和大臂的中空结构，将大臂的主干部分改为与上、
下法兰处持平，并且在主干部分中间偏上法兰处通 孔，对孑Ｌ洞参数（见图１３）进行尺寸优化．
象，结构分析∽１与优化的过程和方法如图１所示． 该方法主要包括两个步骤：①对工业机器人进行 动力学仿真和有限元分析；②通过拓扑优化和尺度优 化对原结构进行改进，并建立新的优化模型．
收稿日期：２０１３—０２—２２
ｔ基金项目：广州数控设备有限公司委托项目
作者简介：管贻生（１９６６－），男，教授，主要从事仿生机器人研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｓｇｕａｎ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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Ⅳ
（３）
式中，Ｌ为有效负载转矩，∞。为转速，∞。、∞：和∞，分 别为加速过程、匀速过程和减速过程的平均角速度， ｔ。、ｔ２和ｔ，分别为加速时间、匀速时间和减速时间， 瓦、疋和瓦分别为关节在加速过程的最大力矩、在 匀速过程的平均力矩和在减速过程的最大力矩． 根据动力学仿真得到各关节力和力矩的实时曲 线图数据，计算机器人在运动过程中各部件达到的 有效负载值，从而得到接近实际工况的最大变形应 力值．