摘要：目前，许多行业都具备使用机器臂进行批量生产的条件。为了提高工业机器臂的性能，需要对工业机器臂的设计进行改进，这对机器臂工业的进一步提高具有重要的指导意义。目前，建模和仿真工具被广泛应用于动态仿真、结构分析、优化等设计过程中，从而得到工业机器臂的设计和优化方案。本文提出一种通过在计算机上对机器臂进行建模并进行有限元分析的方法，将机器臂模型进行简化，并通过结合机器动力学理论对与设计好的机器臂进行进一步的优化，来满足当今工业生产对机器臂性能的要求。
关键词：有限元分析；CAD建模；运动学分析
1 介绍
工业机器臂是一种提供生产过程所需运动的大型生产设备，它出现的目的是将劳动力成本降到最低。这种机器臂可进行电弧焊，喷涂，装配，切割，抛光，铣削，钻孔等操作，具有铰接式、门架式、SCARA式等不同的结构形式。比如，SCARA式机器臂只可以水平旋转，通常具有四个自由度，其中两个或三个水平伺服电机控制肩部，肘部和腕部的转动。日本爱普生公司设计的一款SCARA式机器臂就可以进行电子元件等小零件的放置与装配。
机器臂技术是一门卓越的工程科学，涉及机器臂的设计，建模，控制和使用，通常在机器臂设计出来后都要进行机器臂运动的模拟实验，因为模拟实验对机器臂性能的评估非常重要，并且模拟实验相比实体实验更容易实现，更便宜，更快速，建立一个新的机器臂模型并执行实验只需要几个小时，即使一个抽象的对象也可以通过模拟进行研究、设计和测试。
现如今，随着计算机技术的高速发展，通过计算机软件就可以轻松地把所有数据显示在屏幕上。但如果想进行模拟实验。机器臂的设计者们就必须有精确计算能力和丰富的机器动力学相关知识储备。我们可以在计算机上面进行机器臂驱动的选择与测试；机器臂各部分的建模；零件静、动态装配及有限元分析；多体机器臂系统的建模与仿真等操作。
2 方法
人们在进行机器臂设计时通常会采用一种直接运动学分析方法，但是这种方法在求解时不存在唯一解，并且既费时又费力。在这里我们提出一种基于软件建模的有限元分析法，通过使用CAD建模软件进行正、逆运动学分析。该方法可对多自由度机器手臂系统进行模拟和分析，为机器臂设计者提供最佳的设计方案。由此方法可以根据机器臂各自的具体操作来用CAD工具进行建模，通过特定臂在不同载荷下弹性极限内的应力和位移分布，优化手臂的位置、方向以及连接方式，确定机器臂的最佳结构。
为了便于对机器臂的运动学分析，一般需要建立起有限元分析模型，他是通过假设机器臂由一系列可能是滑动或者旋转的关节和连杆组成，并且这些部分可以按任意顺序处于任意的平面。首先给定每个关节的参考坐标系，然后一个关节一个关节地进行变换步骤，最后得到机器臂的总变换矩阵，这就是正运动学分析方法。通常需要调节连杆长度、连杆扭转、连杆偏移、关节转角这四个参数，以达到设计的目的。
由前面我们已经知道，通过建立有限元分析模型即可计算出机器臂末端的运动轨迹，那么由末端执行器的位置对各关节调节参数求解的逆过程被称之为逆运动学。但是单纯的通过大量的矩阵变换来进行机器臂姿态的逆求解，是一个极为繁琐并且耗费大量时间的过程。现如今为了满足实时控制的需要，给出了其末端执行器的位置和方向，通过列写几何方程组进行机器臂的最优路径规划，根据此以编写出不同种类机器臂的特定高速精准的运动算法。此外还需根据不同关节的速度和所需链路的长度进一步细化方程组，这就是逆运动学分析方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由此，运用正运动学进行设计，后运用逆运动学进行规划，并将这些复杂大量的计算交给计算机进行操作，这样就大大提高了产品的性能，减少了设计者的工作量。
3 操作
（1）利用CAD工具进行建模，考虑不同机器臂的特定操作、成本因素，可靠性，通过正运动学分析进行臂设计。在进行设计时，通过观察机器臂受力时的形变，保证设计出来的机器臂在负荷时对臂的压力最小，而且形变不宜过大。在此之后，必须了解机器臂的哪个部分可以更改或删除，而不会影响有限元设计中的应力分配结果，确保机器臂的质量特性，例如惯性、重力在简化后对原功能不会有显著的影响。在消除无用的机器臂几何体特征后，将简化后的形状转移到有限元分析软件中作为最终几何形状。
（2）手臂在分析静态结构应力时需要关节支撑。通常每个臂的气缸、法兰等组件是通过螺栓与杆枢轴相连接。在有限元模型中这种连接被定义为彼此交互的部分，所以对于关节的设计，我们就要通过模型中的接触面积来进行确定。
（3）由参数化CAD模型来分析机器臂中的应力分布，并利用仿真工具对数据进行记录。设计过程中的每次迭代都是在对有限元分析模型上力、扭矩等参数进行更新和修改，将这些参数值反映在软件的输出界面上。
（4）通过在软件平台上开发出参数化的CAD模型，进行基于三维模型的逆运动学分析并做出最优路径规划，并完成算法的编写。
该方法可以替代机器臂设计中漫长的结构重构过程，使机器臂可以通过模型的约束条件来进行设计实现，实现参数化的机器臂设计。
4 结论
通过本文得方法进行工业机器人设计过程，通过考虑各种设计因素，给出了机器臂优化设计的概念，使其在制造业中的应用更加有效、可靠。工程师可以通过在软件上建模进行有限元分析，这样就可以节省相当多的时间和精力。此外，通过运动学分析对机器臂的整体设计加以完善与优化，也大大减少了机器臂设计者的工作量，使该行业得到进一步的快速发展。
参考文献：
[1]张明.数字技术创新与设计工具迭代[J].机器人技术，2017.
[2]张旭；任国涛；宁鹏.机器臂运动路径设计问题之算法分析[J].数字技术与应用，2012.
[3]杨桂林.工业机器人运用技术[J].中国科学院院刊，2015.
[4]安建强.基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践[J].实验技术与管理，2015.
[5]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社，2001.
作者简介：
1.胡泽阳，男，1996年4月，单位：吉林省长春市长春理工大学，研究方向：机器运动控制、机器视觉。
2.程瑞，男，1997年05月，单位：长春理工大学光电学院，研究方向：理工类。
3.吕鹏飞，男，1997年11月，单位：陕西省中华人民解放军空军工程大学，在校学员，研究方向：理化类。
论文作者:胡泽阳1,程瑞2,吕鹏飞3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：机器论文; 运动学论文; 建模论文; 模型论文; 关节论文; 有限元论文; 方法论文; 《基层建设》2018年第30期论文;