機器人是一種能夠代替人類在非結構化環境下從事危險、復雜勞動的自動化機器，是集機械電子、軟件、感知的綜合體，不同于消費級產品，機器人零件眾多，如果前期方案考慮不充分，往往會消耗很大的人力物力，有時還會牽一發而動全身。因此在前期開發過程中需借助力學設計、熱設計、流體分析等可靠性方法來規避風險，減少打樣次數，縮短開發周期。
本文以一款機器人機械臂驅控模塊散熱設計為例，請跟隨筆者思路，了解在設計前期如何從熱設計的角度出發來指導結構設計，并利用Icepak仿真軟件對詳細設計后的機械臂模塊進行仿真驗證。
一 整體設計
1.1散熱需求
由于結構體積限制，此開發機械臂本體上需集成7個驅控模塊，每個驅控模塊控制一個電機，驅控模塊為鋁基板，是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板；驅控模塊鋁基板（Ts）耐溫為85℃，超過85℃時驅控模塊停止工作，官方建議Ts≤80℃。驅控模塊3D模型見圖1。此機械臂應用在醫療機器人產品上，機器人工作環境最高溫度為25℃。根據《GB 9706.1-2020 醫用電氣設備》對外殼溫度有一定要求，最嚴格的工況是，7個電機同時動作，需滿足圖2中的要求：10s≤t≤1min，最高溫度需≤51℃。
圖1 驅控模塊示意圖
圖2 國標規定Me設備可能被觸及部件容許的最高溫度
1.2 前期分析
此驅控模塊為鋁基板，因此驅控模塊需與結構件通過導熱硅膠墊將熱量傳遞至結構散熱。前期經計算，在有限空間內需要強制風冷才能保證整體散熱要求；規劃散熱方式有兩種：①七個驅動模塊貼在一個散熱片上，散熱片+軸流風機+機械臂殼體做風道設計；此設計的導熱路徑為驅控模塊→導熱硅膠墊→散熱片→腔內空氣（強制對流）→腔體外殼→腔外空氣（自然對流+熱輻射）。
通過散熱路徑發現，此設計腔內空氣與外界空氣無法直接聯通，中間有極大的熱阻，導致熱量匯集在腔內，不利于散熱。
因此需改進設計，改進設計后的散熱為方式②：七個驅動模塊直接貼在機械臂外殼上，機械臂外殼貼合處做散熱齒形設計，軸流風扇裝在機械臂外殼外側，并加蓋板做風道設計。改善后的導熱路徑為驅控模塊→導熱硅膠墊→機械臂殼體→腔外空氣（強制對流+熱輻射）。
經前期分析后的3D模型見圖3
圖3 機械臂驅控模塊詳細設計
二 仿真分析
2.1 Icepak熱仿真
為保證網格數量及熱仿真順利進行，仿真模型應盡量規整，避免圓角及尖角，因此需利用ANSYS 下的SCDM軟件對模型進行簡化，簡化后的模型如右圖4示；散熱數據：需散熱的驅控板有7個，驅控板鋁基板PCBA發熱量為2.5W，其他PCBA為0.5W；與驅動板連接的PCB發熱量為0.5W；
圖 4 簡化后的模型
仿真云圖、軸流風扇產生的流線圖見圖5和圖6；通過軟件讀取的各部分溫度見圖7
圖 5 機械臂外殼&驅控模塊溫度云圖
圖 6 軸流風機經過機械臂散熱筋產生的流線圖
圖 7 熱仿真數據
2.2 仿真結果分析
①觀察殼體熱仿真溫度云圖，殼體溫度較高位置為右側，上殼max=44.9℃，min=42.35℃，驅控板鋁基板max=47.6℃，滿足設計要求；
②觀察驅動板熱仿真溫度云圖，從驅動1到驅動7溫度有上升趨勢，原因有二，一方面前面驅控板產生的熱量將空氣加熱，對后面驅控有炙烤作用；另一方面渦扇空氣流速隨著流道的增長使空氣流速產生一定衰減使對流換熱系數降低；
經改進后進行二次熱仿真，仿真對比數據見圖8；觀察仿真數據，優化后驅控板整體溫度均有一定的下降，下降約1℃；機械臂機殼溫度亦有一定的下降，最高溫下降幅度＞1℃。
圖 8 熱仿真對比數據
三 總結
通過此次設計分析，希望讀者更深入的了解在熱設計是怎樣在設計前期融入到結構設計中的，在后續設計過程中可借鑒此思路來指導結構設計。同時利用熱仿真手段可快速發現設計中的不足及優化設計方向。產品設計出來是很容易的事，但如何保證其穩定性，使產品性能做到最優卻是需要不斷探索的過程。
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