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摘要：随着社会经济发展水平的进一步提高，工業化的发展水平也有了一定水平的提升。工业机器人的出现以及发展，为提高我过的工业化生产水平发挥了至关重要的作用。在实际工作中，工业机器人的工作原理与基本构造是保障其正常工作的基本前提。在工业机器人的构造中，腰关节是工业机器人最重要的一个构成部分，它是工业机器人能够进行工作的支撑部分。从目前的发展情况来看，我国在设计工业机器人的腰关节结构上存在着一些问题。为了更好的促进设计的腰关节结构更加的科学、合理，就需要在ANSYS的原理基础之上进行合理的设计。
关键词：ANSYS；工业机器人；腰关节结构 ；重要性
随着国内经济和科技的进步，在工业领域出现了机器人并得到了广泛的使用。由于国内研发的机器人还处于初级阶段，并没有实现商品化。同时，在设计腰关节结构方面还不够完善，使用的都是与国外相类似的设计，这样就使国内设计的腰关节结构缺少科学性。对于工业机器人而言，腰关节是工业机器人的一个重要组成部分。但是，国内设计的腰关节结构有一部分仍存在一些问题，设计的强度达不到标准，从而影响了整体强度达不到工业规定的标准。因此，在ANSYS的原理基础之上通过生产样品来反复的试验，最终得到良好的腰关节结构成为工作的必然要求。本篇文章在ANSYS的原理基础之上，结合科技的发展，对国内自己研发的工业机器人的腰关节进行相关参数化建模等分析，以期通过这种方法来试验腰关节结构的合理性。
1.在ANSYS的原理基础进行工业机器人腰关节的分析
1.1.建立一个有限元参数化的腰关节模型
工业机器人的腰关节是一个有许多复杂的曲面和过渡圆角的结构，在开始设计工业机器人的腰关节结构时，通过使用Pro/E三维造型软件，对机器人的腰关节结构进行三维参数化造型，在造型的过程中需要运用内部的开发程序和关系式来实现。把模型中比较重要的尺寸通过关系式放到定义的参数上，这样就可以通过改变参数来转变模型状况，有利于提高设计腰关节结构的效率。在建造工业机器人腰关节结构的参数化造型时，需要把腰关节几何模型中一些不重要的特征删除，这样能够更好的确定优化设计中的设计变量，有利于满足后期有限元分析中网络划分和计算对几何模型的一些特殊的要求。可以删除几何模型中比较小的倒圆角、小孔以及螺栓孔等，这样能够简化腰关节的几何模型，更方便观察。
1.2.关于腰关节有限元结构静力分析与应力分析
在工业机器人腰关节前面的位置，通过使用螺栓组来连接工业机器人的大臂、小臂等，在腰关节后面的位置，使用螺栓组来连接RV减速器，之后再把RV减速器跟伺服电机连接在一起。当机器人每个手臂都在一条直线上，同时手臂全都是向外舒展的时候，这样就会增加工业机器人末端执行器结构变形的位移量，此时腰关节承受的静态弯矩是最大的状态。本文对工业机器人位于水平状态的极限位置进行了分析。
通过对模型的应力分析发现，工业机器人腰关节的最大的应力值要比材料所允许的应力值小很多。这就说明材料具有很强的抵抗破坏的能力，特别是腰关节无孔端的应力都分布在低压力的区域内，设计的腰关节结构比较保守，腰关节可以在危险的工况下安全的运行。这样的设计结构有很大的优化空间，通过优化能够合理的使用材料，还有一定的环保性。通过分析可以发现，在节点等效应力最大的位置出现轻微的应力集中，但是在这个地方的应力值还是小于材料的应力值，集中的应力并不会对工业机器人的正常运行产生影响。
2.在有限元模态下进行机器人的腰关节分析
对工业机器人的腰关节结构进行有限元模态分析，能够确定腰关节结构的振动特性。模态分析能够确定腰关节结构的固有频率以及振型等模态参数。在这个过程中，通常都是套用固定的动力学方程式来计算出相应的模态参数。比方说在模态分析中的载荷加载当中，技术人员在进行模态分析过程中，需要处理分析模型的边界条件，并不需要施加载荷。由于腰关节结构是一个有无数个自由度的系统，很难求出所有的固有频率和振型向量。通常情况下，腰关节结构的振动可以用离散地来表现各阶振型的线性组合，处于低阶的振型对结构的影响比较大，低阶的振型决定了工业机器人腰关节结构的动态特性。因此，在研究系统响应的时候，通常只要了解少数的固有频率和振型向量就可以。
3.工业机器人腰关节结构在ansys原理应用方面的重要性
3.1.有效的处理变形问题
工业机器人在应用的时候，最重要的一点就是实用。相对来说，ansys原理能够对工业机器人腰关节结构产生较大的积极影响。比方说在变形问题当中，当工业机器人的腰关节在发生强烈振动的时候，关节上端和右端会有较大的变形。如果不能及时的处理变形问题，就会在后面的工作当中，影响工作效果和工作效率。采用ansys原理以后，工业机器人的腰关节问题得到了很大的改善。从客观的角度来说，关节上端和右端出现变形的概率有所降低，并且整体的灵活度有所上升。在今后的工作当中，可以结合ansys原理当中的某一个部分在工业机器人当中进行相对的应用，相信能够得到更好的结果。
3.2.提高关节的质量
对于ansys原理来说，最重要的并不是理论上的成功，而是在实际应用后的效果。在此，本文以工业机器人的腰关节应用为例，工业机器人虽然具有很高的性价比，但是在腰关键方面比较脆弱，因此在日后的应用当中，需要结合ansys原理，这样一来就能够在问题发生之间进行阻止。比方说，工业机器人关节上方长形孔部位在各阶振型下都有相对较大的变形，在后续的结构设计当中应用ansys原理改进关节结构，从而使工业机器人关节总体前端和右端变形小的目标。通过上述的方式，能够充分发挥出ansys原理的作用，最大限度的避免关节上的问题发生。
3.3.获得更多的数据、资料
利用ansys原理，技术人员和设计人员能够结合实际的需求，在准确建立腰关节实体模型的基础上，进行合理的网格划分后得到有限元模型，最终获得了移云图、应力云图。通过这些数据和资料以及相关的图表，能够在后来的工作当中，获得更大的便利。另一方面，在众多的试验以及分析工作以后，我们了解到工业机器人的各个方面仍然存在较大的优化空间，腰关节方面还是有很多优势的，通过对腰关节结构有限元模态分析，获得了前六个阶段的固有频率以及振型图，通过这些数据和资料，能够为优化设计提供一个有效的参考。由此可见，在今后的工作当中，可以广泛的推广应用ansys原理，并且根据工业的实际诉求来完善机器人，提高工作效率。
总结：
综上所述，通过使用ANSYS软件，对工业机器人腰关节结构进行了分析。依据实际中的机器人腰关节结构建立了一个有限元腰关节模型，之后对腰关节模型进行了相关的有限元静力分析以及有限元模态分析。通过分析发现，工业机器人腰关节的强度和刚度都符合设计要求，还存在着一定的优化空间。因此，在后期的腰关节结构设计中需要进一步的完善设计。这样才能保证国内自主设计的机器人腰关节结构更加合理、科学，从而促进经济的发展。
参考文献：
[1]刘鹤松，姜晶.基于Pro/Engineer的参数化产品设计[J].机械设计，2006（3）.
[2]康方.基于ANSYS的数控机床动态特性分析[J].机械设计与制造，2008（7）.
[3]侯健.有限元建模技术研究及雷达车天线结构有限元分析[D].西安电子科技大学硕士学位论文，2010（4）.
关键词：ANSYS；工业机器人；腰关节结构 ；重要性
随着国内经济和科技的进步，在工业领域出现了机器人并得到了广泛的使用。由于国内研发的机器人还处于初级阶段，并没有实现商品化。同时，在设计腰关节结构方面还不够完善，使用的都是与国外相类似的设计，这样就使国内设计的腰关节结构缺少科学性。对于工业机器人而言，腰关节是工业机器人的一个重要组成部分。但是，国内设计的腰关节结构有一部分仍存在一些问题，设计的强度达不到标准，从而影响了整体强度达不到工业规定的标准。因此，在ANSYS的原理基础之上通过生产样品来反复的试验，最终得到良好的腰关节结构成为工作的必然要求。本篇文章在ANSYS的原理基础之上，结合科技的发展，对国内自己研发的工业机器人的腰关节进行相关参数化建模等分析，以期通过这种方法来试验腰关节结构的合理性。
1.在ANSYS的原理基础进行工业机器人腰关节的分析
1.1.建立一个有限元参数化的腰关节模型
工业机器人的腰关节是一个有许多复杂的曲面和过渡圆角的结构，在开始设计工业机器人的腰关节结构时，通过使用Pro/E三维造型软件，对机器人的腰关节结构进行三维参数化造型，在造型的过程中需要运用内部的开发程序和关系式来实现。把模型中比较重要的尺寸通过关系式放到定义的参数上，这样就可以通过改变参数来转变模型状况，有利于提高设计腰关节结构的效率。在建造工业机器人腰关节结构的参数化造型时，需要把腰关节几何模型中一些不重要的特征删除，这样能够更好的确定优化设计中的设计变量，有利于满足后期有限元分析中网络划分和计算对几何模型的一些特殊的要求。可以删除几何模型中比较小的倒圆角、小孔以及螺栓孔等，这样能够简化腰关节的几何模型，更方便观察。
1.2.关于腰关节有限元结构静力分析与应力分析
在工业机器人腰关节前面的位置，通过使用螺栓组来连接工业机器人的大臂、小臂等，在腰关节后面的位置，使用螺栓组来连接RV减速器，之后再把RV减速器跟伺服电机连接在一起。当机器人每个手臂都在一条直线上，同时手臂全都是向外舒展的时候，这样就会增加工业机器人末端执行器结构变形的位移量，此时腰关节承受的静态弯矩是最大的状态。本文对工业机器人位于水平状态的极限位置进行了分析。
通过对模型的应力分析发现，工业机器人腰关节的最大的应力值要比材料所允许的应力值小很多。这就说明材料具有很强的抵抗破坏的能力，特别是腰关节无孔端的应力都分布在低压力的区域内，设计的腰关节结构比较保守，腰关节可以在危险的工况下安全的运行。这样的设计结构有很大的优化空间，通过优化能够合理的使用材料，还有一定的环保性。通过分析可以发现，在节点等效应力最大的位置出现轻微的应力集中，但是在这个地方的应力值还是小于材料的应力值，集中的应力并不会对工业机器人的正常运行产生影响。
2.在有限元模态下进行机器人的腰关节分析
对工业机器人的腰关节结构进行有限元模态分析，能够确定腰关节结构的振动特性。模态分析能够确定腰关节结构的固有频率以及振型等模态参数。在这个过程中，通常都是套用固定的动力学方程式来计算出相应的模态参数。比方说在模态分析中的载荷加载当中，技术人员在进行模态分析过程中，需要处理分析模型的边界条件，并不需要施加载荷。由于腰关节结构是一个有无数个自由度的系统，很难求出所有的固有频率和振型向量。通常情况下，腰关节结构的振动可以用离散地来表现各阶振型的线性组合，处于低阶的振型对结构的影响比较大，低阶的振型决定了工业机器人腰关节结构的动态特性。因此，在研究系统响应的时候，通常只要了解少数的固有频率和振型向量就可以。
3.工业机器人腰关节结构在ansys原理应用方面的重要性
3.1.有效的处理变形问题
工业机器人在应用的时候，最重要的一点就是实用。相对来说，ansys原理能够对工业机器人腰关节结构产生较大的积极影响。比方说在变形问题当中，当工业机器人的腰关节在发生强烈振动的时候，关节上端和右端会有较大的变形。如果不能及时的处理变形问题，就会在后面的工作当中，影响工作效果和工作效率。采用ansys原理以后，工业机器人的腰关节问题得到了很大的改善。从客观的角度来说，关节上端和右端出现变形的概率有所降低，并且整体的灵活度有所上升。在今后的工作当中，可以结合ansys原理当中的某一个部分在工业机器人当中进行相对的应用，相信能够得到更好的结果。
3.2.提高关节的质量
对于ansys原理来说，最重要的并不是理论上的成功，而是在实际应用后的效果。在此，本文以工业机器人的腰关节应用为例，工业机器人虽然具有很高的性价比，但是在腰关键方面比较脆弱，因此在日后的应用当中，需要结合ansys原理，这样一来就能够在问题发生之间进行阻止。比方说，工业机器人关节上方长形孔部位在各阶振型下都有相对较大的变形，在后续的结构设计当中应用ansys原理改进关节结构，从而使工业机器人关节总体前端和右端变形小的目标。通过上述的方式，能够充分发挥出ansys原理的作用，最大限度的避免关节上的问题发生。
3.3.获得更多的数据、资料
利用ansys原理，技术人员和设计人员能够结合实际的需求，在准确建立腰关节实体模型的基础上，进行合理的网格划分后得到有限元模型，最终获得了移云图、应力云图。通过这些数据和资料以及相关的图表，能够在后来的工作当中，获得更大的便利。另一方面，在众多的试验以及分析工作以后，我们了解到工业机器人的各个方面仍然存在较大的优化空间，腰关节方面还是有很多优势的，通过对腰关节结构有限元模态分析，获得了前六个阶段的固有频率以及振型图，通过这些数据和资料，能够为优化设计提供一个有效的参考。由此可见，在今后的工作当中，可以广泛的推广应用ansys原理，并且根据工业的实际诉求来完善机器人，提高工作效率。
总结：
综上所述，通过使用ANSYS软件，对工业机器人腰关节结构进行了分析。依据实际中的机器人腰关节结构建立了一个有限元腰关节模型，之后对腰关节模型进行了相关的有限元静力分析以及有限元模态分析。通过分析发现，工业机器人腰关节的强度和刚度都符合设计要求，还存在着一定的优化空间。因此，在后期的腰关节结构设计中需要进一步的完善设计。这样才能保证国内自主设计的机器人腰关节结构更加合理、科学，从而促进经济的发展。
参考文献：
[1]刘鹤松，姜晶.基于Pro/Engineer的参数化产品设计[J].机械设计，2006（3）.
[2]康方.基于ANSYS的数控机床动态特性分析[J].机械设计与制造，2008（7）.
[3]侯健.有限元建模技术研究及雷达车天线结构有限元分析[D].西安电子科技大学硕士学位论文，2010（4）.