基于ADAMS 的机械臂结构优化研究

高 涵

（天津大学仁爱学院机械工程系， 天津 301636）

引言

机械臂作为工业机器人的核心，其运行时的稳定性和运行精度直接关系到工业生产的稳定性和产品质量，评价机械臂工业性能优劣的指标主要是机械臂工作时的载重/自重比，载重/自重比越大说明机械臂工作的经济性和稳定性就越高，载重/自重比越小表明该机械臂运行时的经济性和稳定性就越差，特别是当机械臂自重过轻时，在运行过程中会由于机械臂销接部分产生弹性变形或者末端振动，严重影响机械臂在工作时的稳定性和运行精度[1]，无法满足越来越高的工业装配精度需求。目前多数企业在对机械臂进行优化的过程中虽然采用了仿真分析的方法，但在对机械臂销接位置进行处理时将其作为一个刚性连接件，忽略了销接处在运行过程中的耦合振动的影响，因此无法进一步提升机械臂的运行控制精度。本文提出了一种基于ADAMS 的机械臂结构优化方案，该方案利用ADAMS 仿真分析软件建立机械臂运行时销接位置的耦合方程，对其运行过程井下耦合仿真分析处理，将提升机械臂的载重/自重比作为优化目标，将机械臂在移动过程中的位移量作为变量约束条件对机械臂结构进行了优化，实际优化结果表明，优化后机械臂的载重/自重比提升了约11.5%，极大提升了机械臂的运行稳定性和运行精度，对推动工业装配技术的进步具有十分重要的意义。

1 销接结构对机械臂运行稳定性的影响

机械臂在运行过程中的弹性变形主要来源于机械臂结构和销接结构的变形[2]，而销接结构的变形主要是来源于传动机构的振动、销接结构处的配合虚位等。为了对机械臂结构进行优化，首先需要对销接结构处的变形对机械臂整体运行稳定性的影响进行分析。根据机械臂整体结构特性，在销接结构处可定义为柔性连接，因此可采用“弹簧—阻尼”物理模型来对销接结构处的运动特性进行分析。

本文以某型国产六自由度机械臂为分析对象，通过对其运行过程进行分析，在机械臂末端的销接结构对其运行过程中的动力学特性影响较小，因此为了简化分析，将该处的销接结构定义为固定副，将其他位置的销接结构定义为“弹簧- 阻尼”物理模型。利用三维建模软件建立该机械臂的三维模型，采用有限元的方法对机械臂进行仿真分析网格划分，在销接结构处采用加密网格划分[3]的方案，在其他结构处采用自动网格划分方案，在重点保证销接结构分析结果准确性的基础上简化分析过程，网格划分完成后包括了1 394 750 个网格和348 203 个节点，设置“弹簧- 阻尼”物理模型[4]结构弹性模量为62 GPa，泊松比为0.28，机械臂在运行过程中对五阶固有频率的影响进行分析，结果如图1 所示。

图1 机械臂在运行过程中对五阶固有频率的影响

由图1 可知在机械臂运行过程中销接结构对不同阶的影响随扭转钢度的不同而有一定的差异性，当扭转钢度低于0.3 MN·mm/（°）时，第一阶、第二阶、第三阶的固有频率将随着腰关节钢度的增加而变大，当机械扭转钢度低于0.3 MN·mm/（°）时，其刚度变化对固有频率影响会相对降低。分析表明销接结构对机械臂运行特性的影响主要在于对侧向摆动时的固有频率产生影响，因此在对机械臂结构进行优化时应以降低机械结构的固有频率为主。

2 机械臂结构的优化研究

为了在精度机械臂结构固有频率的基础上提升其载重/自重比，应采用降低机械臂的整体结构质量以减少在运行过程中的冲击惯量，降低固有频率的优化方案，在建立优化分析模型时，将提升机械臂的载重/自重比作为优化目标，将机械臂在移动过程中的位移量作为变量约束条件，由于机械臂在运行过程中越靠近销接点的位置对结构刚度的要求越大[5]，因此考虑在机械臂大臂、肘部和小臂的位置优化连接结构，在确保满足结构强度需求的情况下减少材料用量，降低机械臂自身的重量和冲击惯量，机械臂的优化前后对比如图2 所示。

图2 优化前后机械臂的结构对比示意图

在优化时采用了迭代优化的思想[6]，优化后机械臂的总质量比优化前降低了7%，载重/自重比优化前提升了约11.5%，极大提升了机械臂运行时的稳定性和经济性。为了对该优化后的机械臂结构强度进行分析研究，采用ADAMS 仿真分析软件对其结构满载工作时的应力和应变情况进行分析，结果如图3 所示。

图3 优化前后机械臂的应力分布对比示意图

由图3 可知，机械臂在优化后的最大应力约为5.5 MPa，且运行过程中的最大应力主要发生在机械臂的下端固定座附近，在运动结构处的应力集中较小且远小于315 MPa 的材料屈服应力，因此能够确保在长期满载运行过程中的运行稳定性。机械臂在运动过程中的最大应变约为1.3 mm，且最大应变依旧是发生在机械臂的下端固定座的附近位置，运行过程中的形变比优化前降低了约23.7%，极大提升了机械臂运行时的稳定性，延长了使用寿命，降低了运行精度误差。

优化前后，机械臂运行过程中的一阶固有频率和二阶固有频率的变化情况如表1 所示。

表1 优化前后一阶固有频率和二阶固有频率参数表 Hz

由表1 可知，优化前后机械臂在运行过程中的一阶固有频率和二阶固有频率均实现了减少，一阶固有频率比优化前降低了1.1 Hz，二阶固有频率比优化前降低了3.4 Hz，实现了优化目的，能够满足降低机械臂运行误差。

3 结论

1）销接结构对机械臂运行特性的影响主要在于对侧向摆动时的固有频率的影响，因此在对机械臂结构进行优化时应以降低机械结构的固有频率为主。

2）优化后机械臂的总质量比优化前降低了7%，载重/自重比优化前提升了约11.5%，极大提升了机械臂运行时的稳定性和经济性。

3）机械臂在优化后的最大应力约为5.5 MPa，最大应变约为1.3 mm，比优化前降低了约23.7%，极大提升了机械臂运行时的稳定性，降低了运行精度误差。

4）优化前后机械臂在运行过程中的一阶固有频率和二阶固有频率均实现了减少，一阶固有频率比优化前降低了1.1 Hz，二阶固有频率比优化前降低了3.4 Hz，实现了预期效果。