機(jī)器人是一種能夠代替人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險(xiǎn)、復(fù)雜勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器，是集機(jī)械電子、軟件、感知的綜合體，不同于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，機(jī)器人零件眾多，如果前期方案考慮不充分，往往會(huì)消耗很大的人力物力，有時(shí)還會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身。因此在前期開發(fā)過程中需借助力學(xué)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、流體分析等可靠性方法來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少打樣次數(shù)，縮短開發(fā)周期。
本文以一款機(jī)器人機(jī)械臂驅(qū)控模塊散熱設(shè)計(jì)為例，請(qǐng)跟隨筆者思路，了解在設(shè)計(jì)前期如何從熱設(shè)計(jì)的角度出發(fā)來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Icepak仿真軟件對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)后的機(jī)械臂模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
一 整體設(shè)計(jì)
1.1散熱需求
由于結(jié)構(gòu)體積限制，此開發(fā)機(jī)械臂本體上需集成7個(gè)驅(qū)控模塊，每個(gè)驅(qū)控模塊控制一個(gè)電機(jī)，驅(qū)控模塊為鋁基板，是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板；驅(qū)控模塊鋁基板（Ts）耐溫為85℃，超過85℃時(shí)驅(qū)控模塊停止工作，官方建議Ts≤80℃。驅(qū)控模塊3D模型見圖1。此機(jī)械臂應(yīng)用在醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)品上，機(jī)器人工作環(huán)境最高溫度為25℃。根據(jù)《GB 9706.1-2020 醫(yī)用電氣設(shè)備》對(duì)外殼溫度有一定要求，最嚴(yán)格的工況是，7個(gè)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，需滿足圖2中的要求：10s≤t≤1min，最高溫度需≤51℃。
圖1 驅(qū)控模塊示意圖
圖2 國(guó)標(biāo)規(guī)定Me設(shè)備可能被觸及部件容許的最高溫度
1.2 前期分析
此驅(qū)控模塊為鋁基板，因此驅(qū)控模塊需與結(jié)構(gòu)件通過導(dǎo)熱硅膠墊將熱量傳遞至結(jié)構(gòu)散熱。前期經(jīng)計(jì)算，在有限空間內(nèi)需要強(qiáng)制風(fēng)冷才能保證整體散熱要求；規(guī)劃散熱方式有兩種：①七個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊貼在一個(gè)散熱片上，散熱片+軸流風(fēng)機(jī)+機(jī)械臂殼體做風(fēng)道設(shè)計(jì)；此設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱路徑為驅(qū)控模塊→導(dǎo)熱硅膠墊→散熱片→腔內(nèi)空氣（強(qiáng)制對(duì)流）→腔體外殼→腔外空氣（自然對(duì)流+熱輻射）。
通過散熱路徑發(fā)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)腔內(nèi)空氣與外界空氣無法直接聯(lián)通，中間有極大的熱阻，導(dǎo)致熱量匯集在腔內(nèi)，不利于散熱。
因此需改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的散熱為方式②：七個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊直接貼在機(jī)械臂外殼上，機(jī)械臂外殼貼合處做散熱齒形設(shè)計(jì)，軸流風(fēng)扇裝在機(jī)械臂外殼外側(cè)，并加蓋板做風(fēng)道設(shè)計(jì)。改善后的導(dǎo)熱路徑為驅(qū)控模塊→導(dǎo)熱硅膠墊→機(jī)械臂殼體→腔外空氣（強(qiáng)制對(duì)流+熱輻射）。
經(jīng)前期分析后的3D模型見圖3
圖3 機(jī)械臂驅(qū)控模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)
二 仿真分析
2.1 Icepak熱仿真
為保證網(wǎng)格數(shù)量及熱仿真順利進(jìn)行，仿真模型應(yīng)盡量規(guī)整，避免圓角及尖角，因此需利用ANSYS 下的SCDM軟件對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如右圖4示；散熱數(shù)據(jù)：需散熱的驅(qū)控板有7個(gè)，驅(qū)控板鋁基板PCBA發(fā)熱量為2.5W，其他PCBA為0.5W；與驅(qū)動(dòng)板連接的PCB發(fā)熱量為0.5W；
圖 4 簡(jiǎn)化后的模型
仿真云圖、軸流風(fēng)扇產(chǎn)生的流線圖見圖5和圖6；通過軟件讀取的各部分溫度見圖7
圖 5 機(jī)械臂外殼&驅(qū)控模塊溫度云圖
圖 6 軸流風(fēng)機(jī)經(jīng)過機(jī)械臂散熱筋產(chǎn)生的流線圖
圖 7 熱仿真數(shù)據(jù)
2.2 仿真結(jié)果分析
①觀察殼體熱仿真溫度云圖，殼體溫度較高位置為右側(cè)，上殼max=44.9℃，min=42.35℃，驅(qū)控板鋁基板max=47.6℃，滿足設(shè)計(jì)要求；
②觀察驅(qū)動(dòng)板熱仿真溫度云圖，從驅(qū)動(dòng)1到驅(qū)動(dòng)7溫度有上升趨勢(shì)，原因有二，一方面前面驅(qū)控板產(chǎn)生的熱量將空氣加熱，對(duì)后面驅(qū)控有炙烤作用；另一方面渦扇空氣流速隨著流道的增長(zhǎng)使空氣流速產(chǎn)生一定衰減使對(duì)流換熱系數(shù)降低；
經(jīng)改進(jìn)后進(jìn)行二次熱仿真，仿真對(duì)比數(shù)據(jù)見圖8；觀察仿真數(shù)據(jù)，優(yōu)化后驅(qū)控板整體溫度均有一定的下降，下降約1℃；機(jī)械臂機(jī)殼溫度亦有一定的下降，最高溫下降幅度＞1℃。
圖 8 熱仿真對(duì)比數(shù)據(jù)
三 總結(jié)
通過此次設(shè)計(jì)分析，希望讀者更深入的了解在熱設(shè)計(jì)是怎樣在設(shè)計(jì)前期融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的，在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中可借鑒此思路來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)利用熱仿真手段可快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足及優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來是很容易的事，但如何保證其穩(wěn)定性，使產(chǎn)品性能做到最優(yōu)卻是需要不斷探索的過程。
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