基于增材制造的六自由度串联机械臂轻量化设计

吕鑫^1,2，杨永泰²，曾文浩²，徐大伟^2

(1.中北大学机电工程学院，山西 太原030051)

(2.中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所，福建 泉州362200)

基金项目：福建省中科院STS计划配套项目（2016T3023，2018T3020）；国家重点研发计划资助项目(2016YFC1100502)

作者简介：吕鑫(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及轻量化技术，lvxin1601074@163.com.

通讯作者：杨永泰，男，高级工程师，yangyongtai@fjirsm.ac.cn.

摘要：以六自由度串联机械臂为优化设计对象，从材料轻量化和结构轻量化两个方面进行轻量化设计。首先，在极限工况下分别对以铝合金和3D打印塑胶为材料的机械臂进行探索性拓扑优化，并基于结果对比分析，选择3D打印塑胶材料作为机械臂的设计材料；然后，在满足刚度与强度要求的条件下，针对两种极限工况依次采用尺寸优化、拓扑优化方法对以3D打印塑胶为设计材料的机械臂进行轻量化设计；最后对其进行几何重构和仿真验证。结果表明：轻量化设计后的机械臂满足刚度、强度要求，质量减轻26.5%，实现了轻量化目标。

关键词：机械臂；轻量化；拓扑优化；增材制造

中图分类号：TH123   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)12-0005-06

近年来，随着科学技术的发展和工业生产规模的扩大，机械臂的应用范围不断扩大。然而，较差的工业使用环境和严苛的生产标准对机械臂产品的性能提出了更高的要求。六自由度串联机械臂是应用最为广泛的一种机械臂,广泛应用于工业生产中，在实际应用中如果其自身重力以及部分电机重力过大，不仅会导致末端关节变形较大，还会导致机械臂运动过程中出现抖动现象，从而影响机械臂的运动及定位精度。因此，有必要对机械臂进行轻量化改造，在实现节能的同时，增加机械臂负载能力，提升其动态稳定性能和运动精度。

机械臂轻量化是轻量化技术在机械设计与制造领域应用的典型代表之一。轻量化技术包含3个方面的核心内容，即材料轻量化、结构轻量化以及工艺轻量化。其中，轻量化材料包含高强钢、铝合金、镁合金、高强度工程塑料以及复合材料等^［1-5］；结构轻量化包含拓扑优化、尺寸优化、形状优化以及形貌优化。近年来，增材制造技术实现了高速发展，该技术能够兼顾高性能和精准成型，可以有效缩短产品生产周期，能够对复杂结构构件进行快速制造且成本较低^［6］,其已经发展成为高端设备制造的重要技术手段，促使先进设计技术与先进制造技术完美融合。

国内外学者在轻量化设计领域做了大量研究，主要体现在材料轻量化和结构轻量化两方面。胡红舟等^［7］使用铝合金波纹板加强结构设计盒形汽车防撞梁，实现了防撞梁轻量化设计的目标。王旭葆等^［8］利用拓扑优化和形状优化，对航空铝合金支架进行了结构优化设计，且利用金属增材制造技术实现零件制造，最终质量减轻24.5%、工况加权刚性增加38.3%、最大位移量减少32.7%、总体积减少12.2%。马国庆^［9］采用7075-T6铝合金对机械臂进行材料轻量化改造，并对机械臂大臂进行拓扑优化，在提高大臂刚度、增强抵抗变形能力的前提下实现减重15.06%。宁坤鹏^［10］对ER300码垛机械臂进行结构轻量化设计，使得机械臂整体减重8.6%，并得到了优化后结构的应力分布与位移分布，结果表明优化后的最大应力与最大位移满足使用要求。还有一些学者在航空航天、汽车工业等领域开展了关于材料轻量化与结构轻量化的研究^［11-17］。

综上所述，在机械臂轻量化方面，大多数学者仅对机械臂某个结构进行轻量化设计，且大多只采用材料轻量化或者结构轻量化中的一种轻量化设计方法。综合材料轻量化、拓扑优化、尺寸优化等多种轻量化设计方法，对六轴机械臂整体结构进行轻量化的相关研究较少。为了实现六自由度串联机械臂整体结构的综合优化，本文对比分析了6061铝合金和3D打印塑胶材料两种设计材料，优选3D打印塑胶作为机械臂整体结构的材料，另外采用尺寸优化和拓扑优化相结合的优化方法对机械臂整体结构进行优化，最终通过几何重建和仿真分析，验证轻量化六自由度串联机械臂的整体性能。