基于ansys拓扑优化的机器人末端结构设计

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于ANSYS拓扑优化的机器人末端结构设计　　摘要：利用仿真软件ANSYS中拓扑优化设计功能，将末端三维模型导入ANSYS中，通过网格划分，边界条件界定，模拟受力环境等一系列操作后，根据ANSYS拓扑优化模块的计算分析。再根据色差显现零件保留与移除部分，对零件进行适当的结构调整。重复优化和调整后达到才材料的利用率，节约财力物力，也提高了设计水平。　　关键词：拓扑优化；模型导入；网格划分；计算分析　　DOI：//　　1

2、引言　　目前我国的设计水平仍有较大的提升空间，根据统计优化设计可以降低5%～35%的造价[1]。早期的设计制造需要耗费大量的人力、财力。随着各类设计软件的开发，为机械及其他的设计行业提供了便捷有效的工具。为了解决以上问题，本文针对用于加工机器人末端结构设计，利用三维建模软件Solidworks建立整机模型，然后运用仿真软件ANSYS中拓扑优化功能，对零部件进行拓扑优化，改善机器人的末端结构，对节约设计的时间、提高材料的利用效率等的具有重要意义。　　2结构模型为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教

3、育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　先通过Solidworks三维建模功能，根据机器人基本组成：机座、腰座、大/小臂、末端等基本组成，初建机器人的基本结构外形如上图所示。　　从末端的三维图可以看出外形结构并不精简，需要去除些材料，进行结构简化。　　3拓扑优化数学模型建立　　拓扑优化的约束条件是省去材料的百分比V。目标函数是结构的变形能，其实拓扑优化是指形状优化，实质是寻找结构的力传递途径，按照途径分

4、配材料，提高了材料的利用率，优化了结构受力情况，最终达到设计要求[3-5]。　　目标函数：　　其中：结构的变形能　　约束条件：　　其中：，，，。　　4拓扑优化设计　　与传统的优化设计不同，拓扑优化简单便捷在于它不需要用户定义优化变量，设计变量、状态变量和目标函数等，这些分析计算设定都是程序预先定义好的，我们只需要将所要分析的结构模型转变成“x-t”格式，导入ANSYS中，设定材料特性参数，位移约束，所受载荷约束等。[6]系统会自动的根据默认算法得出优化结果。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教

5、育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　首先优化机器人的末端结构。给定材料的特性参数，末端�x材为铝合金，其密度低，但强度比较高，最低的拉伸强度175mpa，屈服强度195mpa，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材。　　网格划分　　网格的划分可分为：自由网格、映射网格及混合网格等。自由网格对单元体形状没有特定形状限制；但是映射网格划分必须是规则的体或面。虽然一般情况下映射网格划分比自由网格划分的

6、出的结果要精确，但是由于体型的限制，采用自由网格划分。设定relevancecenter为medium，smoothing为medium，transition设为slow，spananglecenter设为medium。网格划分结果如下：　　施加约束条件　　机器人的大小臂力整力的传动机构类似于一个串联混合机构。且由于此结构为两组平行四边形组成，其中主平行四边形确定末端点位置，辅助平行四边形使末端执行器与水平面保持一个固定的姿态。末端在空间内只发生三个向的平移运动，不发生旋转，由此可以简化末端于拉杆及小臂的连接处可用固定约束来代替。另外在中心孔旁凹面处施加100pa的压强代替末端在承载重量时的

7、受力环境。所得受力分布云图与整体变形图如下：　　由图可知整体所承受应力最大达424pa，远远小于材料可承受应力。利用ANSYS对末端进行拓扑优化如下图：为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培