机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械电子、软件、感知的综合体，不同于消费级产品，机器人零件众多，如果前期方案考虑不充分，往往会消耗很大的人力物力，有时还会牵一发而动全身。因此在前期开发过程中需借助力学设计、热设计、流体分析等可靠性方法来规避风险，减少打样次数，缩短开发周期。
本文以一款机器人机械臂驱控模块散热设计为例，请跟随笔者思路，了解在设计前期如何从热设计的角度出发来指导结构设计，并利用Icepak仿真软件对详细设计后的机械臂模块进行仿真验证。
一 整体设计
1.1散热需求
由于结构体积限制，此开发机械臂本体上需集成7个驱控模块，每个驱控模块控制一个电机，驱控模块为铝基板，是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板；驱控模块铝基板（Ts）耐温为85℃，超过85℃时驱控模块停止工作，官方建议Ts≤80℃。驱控模块3D模型见图1。此机械臂应用在医疗机器人产品上，机器人工作环境最高温度为25℃。根据《GB 9706.1-2020 医用电气设备》对外壳温度有一定要求，最严格的工况是，7个电机同时动作，需满足图2中的要求：10s≤t≤1min，最高温度需≤51℃。
图1 驱控模块示意图
图2 国标规定Me设备可能被触及部件容许的最高温度
1.2 前期分析
此驱控模块为铝基板，因此驱控模块需与结构件通过导热硅胶垫将热量传递至结构散热。前期经计算，在有限空间内需要强制风冷才能保证整体散热要求；规划散热方式有两种：①七个驱动模块贴在一个散热片上，散热片+轴流风机+机械臂壳体做风道设计；此设计的导热路径为驱控模块→导热硅胶垫→散热片→腔内空气（强制对流）→腔体外壳→腔外空气（自然对流+热辐射）。
通过散热路径发现，此设计腔内空气与外界空气无法直接联通，中间有极大的热阻，导致热量汇集在腔内，不利于散热。
因此需改进设计，改进设计后的散热为方式②：七个驱动模块直接贴在机械臂外壳上，机械臂外壳贴合处做散热齿形设计，轴流风扇装在机械臂外壳外侧，并加盖板做风道设计。改善后的导热路径为驱控模块→导热硅胶垫→机械臂壳体→腔外空气（强制对流+热辐射）。
经前期分析后的3D模型见图3
图3 机械臂驱控模块详细设计
二 仿真分析
2.1 Icepak热仿真
为保证网格数量及热仿真顺利进行，仿真模型应尽量规整，避免圆角及尖角，因此需利用ANSYS 下的SCDM软件对模型进行简化，简化后的模型如右图4示；散热数据：需散热的驱控板有7个，驱控板铝基板PCBA发热量为2.5W，其他PCBA为0.5W；与驱动板连接的PCB发热量为0.5W；
图 4 简化后的模型
仿真云图、轴流风扇产生的流线图见图5和图6；通过软件读取的各部分温度见图7
图 5 机械臂外壳&驱控模块温度云图
图 6 轴流风机经过机械臂散热筋产生的流线图
图 7 热仿真数据
2.2 仿真结果分析
①观察壳体热仿真温度云图，壳体温度较高位置为右侧，上壳max=44.9℃，min=42.35℃，驱控板铝基板max=47.6℃，满足设计要求；
②观察驱动板热仿真温度云图，从驱动1到驱动7温度有上升趋势，原因有二，一方面前面驱控板产生的热量将空气加热，对后面驱控有炙烤作用；另一方面涡扇空气流速随着流道的增长使空气流速产生一定衰减使对流换热系数降低；
经改进后进行二次热仿真，仿真对比数据见图8；观察仿真数据，优化后驱控板整体温度均有一定的下降，下降约1℃；机械臂机壳温度亦有一定的下降，最高温下降幅度＞1℃。
图 8 热仿真对比数据
三 总结
通过此次设计分析，希望读者更深入的了解在热设计是怎样在设计前期融入到结构设计中的，在后续设计过程中可借鉴此思路来指导结构设计。同时利用热仿真手段可快速发现设计中的不足及优化设计方向。产品设计出来是很容易的事，但如何保证其稳定性，使产品性能做到最优却是需要不断探索的过程。
作者：王志强，热设计工程师一枚，“T型”人才，热设计与机械设计能力兼备，擅长板级和系统级散热设计。
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