工业机器人在制造业中有着不可替代的作用与地位,随着国家对制造业的高度重视,以及快速发展的现代科学技术,将来,工业机器人的需求市场不断扩大是必然的趋势。市场需求的增加会对工业机器人提出高速度和高精度的要求。因此,在结构方面就要求工业机器人质量轻、强度高、刚度好,在实际工作中实现响应快、负载大以及变形小的目的。研究对象为ER20-C10六自由度工业机器人的大臂结构,首先在大臂原模型的基础上进行拓扑优化。优化之前,首先要对大臂进行分析,确定大臂的模型是否合理,同时也为优化完成后优化成果的验证提供依据。大臂的静力学分析采用Inspire软件进行,大臂的模态分析采用ANSYS Workbench软件。对大臂进行拓扑优化时,采用Inspire软件进行,完成后直接在软件中进行静力学分析。拓扑优化后的模型由于优化过程中划分了大量网格,导出后无法再次进行分析验证。为了解决这个问题,在ANSA软件中对优化后的大臂进行几何清理,然后进行网格的划分。将网格划分完成后的模型导入到ANSYS Workbench软件中进行模态分析。对比优化前后的分析结果,发现优化后的大臂在提高刚度和最小安全系数、减小最大应力的同时质量有所减轻。正交试验设计可以通过对具有代表性的试验点进行统计分析,最终达到与大量全面试验等效的结果。在保证大臂现有功能的前提下,对大臂的最优结构进行研究的过程中,利用正交试验设计来减少拓扑优化的次数。根据每次正交试验的分析结果,不断缩小各个影响因素的取值范围,最终确认最优的大臂结构。对优化后的大臂结构进行模态分析和静力学分析,分析过程中采用的方法与步骤和上节相同。本次优化后的大臂与原模型相比最小安全系数显著提高,最大位移和最大应力显著降低,质量也有所减轻。与在原模型基础上优化后的结构相比,除了质量有所提高以外,各方面参数均有所改善。从材料替换和点阵结构两方面对大臂进行了轻量化研究。将大臂材料替换为铝合金后,同等约束和载荷作用下大臂结构的强度降低,最大位移增大,因此再次采用正交试验的方法寻找最优的结构性能,最终得到了大臂的轻量化的最优方案,轻量化后的大臂在保证强度和刚度更优的基础上减重成果显著。点阵结构有着质量轻、比强度高、密度小等优质的力学特性,充分利用点阵的空隙结构还可以实现功能的一体化,极大的扩展设计方向。将点阵结构应用于大臂的轻量化中,讨论了不同参数情况下的结构性能,确认了大臂结构点阵优化方案。由静力学分析可知,最大应力与其他方案相比进一步减小。文章为工业机器人机械结构的研发与设计提供了重要的思路,为相似产品的结构优化和轻量化提供了可行的参考方案。