《表5 混合结构关节壳最优参数》

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《混合结构机械臂关节壳轻量化设计》

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关节壳轻量化设计为多指标正交试验，利用综合平衡法可得出最优方案。对于因素A，由极差分析知其对Cv影响最大，对u影响也最显著；而对σAA和m的影响均为最弱即次要因素。故A可取A1和A2。当采取A2时uKA2比A1降低65.92%；而相应的CvKA2值增长101.42%，不足Tsai-Wu准则失效因子3%。故满足Cv、u约束指标时，首先降低u值，A确定为A2。对于因素B，其对σAA和m影响均显著，而对Cv和u的影响不显著，属于次要因素，所以B可取B2或B3。相比于B2，取值为B3时σAAKB3增加到20.18MPa，重量减轻2.87%。由于m为优化目标，σAA作为约束，满足约束前提下，应提高关节壳轻量化程度，故因素B选B3。对于因素C，四个指标的优水平为C3，故C最优水平为C3。综合以上分析，混合结构机械臂关节壳最优方案为ALJH参数为Zo=A2B3C3，其中开槽宽度为35°和环向开槽，如图7所示。CSJH则保持初始参数。已有正交设计表中无此方案，需对该方案追加试验，具体参数与计算结果，如表5所示。由表5数据知三个约束的指标均小于各自允许最大值，优化目标m（Zo）=193 g，比图2中初始模型减重12.67%。对关节壳进行正交试验得出最优参数需9次试验加1次追加试验，能减少优化计算任务量，提高优化效率。在拓扑优化基础上进行正交设计能保证强度、刚度约束，同时达到轻量化目的。