崔書婉,韋建軍
(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,柳州 545006)
焊接機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、建筑、公共交通等領(lǐng)域[1]。但由于國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人受其重量和價(jià)格等因素的限制,未能在中小企業(yè)中得到普及。但焊接機(jī)器人鑒于其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),已成為制造業(yè)的發(fā)展方向[2]。在保證焊接機(jī)器人強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化不僅可以擴(kuò)大焊接機(jī)器人的適用范圍,還能達(dá)到降低成本的效果,綜上所述對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。
本文以圖1所示的焊接機(jī)器人為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力和模態(tài)分析以確定其強(qiáng)度與剛度并實(shí)際找出可優(yōu)化部位[3],然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最后對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析驗(yàn)證,其具體分析流程如圖2所示。
圖1 焊機(jī)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)圖
圖2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖
1)幾何模型的建立
本文運(yùn)用SoildWorks軟件對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行建模,焊接機(jī)器人的總裝配模型如圖3所示。
圖3 焊接機(jī)器人總裝配模型
2)工況分析
由于焊接機(jī)器人的底座是固定的,所以當(dāng)焊接機(jī)器人所有臂伸展為最長(zhǎng)時(shí)(當(dāng)大臂與小臂水平時(shí)),焊接機(jī)器人本身重量在重力、負(fù)載等作用下,末端執(zhí)行器變形的位移量是最大的。因此,此時(shí)焊接機(jī)器人處于最危險(xiǎn)工況,本文以該姿態(tài)為分析條件對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行研究[4]。利用SoildWorks與ANSYS無(wú)縫連接接口直接將大臂CAD模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析[5,6]。
3)材料定義
焊接機(jī)器人材料的屬性如表1所示。
表1 材料屬性表
4)網(wǎng)格的劃分
材料參數(shù)設(shè)置完畢后,運(yùn)用Soild45單元對(duì)焊接機(jī)器人的整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分后共形成102756個(gè)單元,57437節(jié)點(diǎn)。劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。
圖4 劃分網(wǎng)格后的焊接機(jī)器人模型
5)約束與載荷施加
由于機(jī)器人的實(shí)體模型各部分為剛性連接,所以只施加重力加速度,Workbench軟件就會(huì)自動(dòng)對(duì)各裝配體添加重力。焊接機(jī)器人的受力簡(jiǎn)圖如圖5所示,底座的4個(gè)螺栓孔定為固定約束,焊接機(jī)器人的末端為載荷施加位置,其大小為4kg。
圖5 焊接機(jī)器人的受力簡(jiǎn)圖
6)求解
完成以上設(shè)置后可得如圖6所示的焊接機(jī)器人的應(yīng)變、應(yīng)力云圖。
圖6 焊接機(jī)器人整體的應(yīng)力、應(yīng)變圖
7)結(jié)論
根據(jù)圖6可知該焊接機(jī)器人的整體最大應(yīng)力值為33.491Mpa,小臂與大臂為最易形變部位。
焊接機(jī)器人模型如靜應(yīng)力分析一樣實(shí)施導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分等技術(shù)路線完畢后,在焊接機(jī)器人底盤施加約束,對(duì)其強(qiáng)迫模態(tài)進(jìn)行求解。求解后前7階模態(tài)的頻率值如表2所示,第4~7階的各階模態(tài)如圖7所示。(由于前3階的頻率較小,所以無(wú)研究意義不以考慮)
表2 前7階模態(tài)的頻率
圖7 焊接機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與有限元分析結(jié)果可知焊接機(jī)器人大臂是易破壞部位,因此需對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)分析與優(yōu)化。
1)靜應(yīng)力分析
大臂的靜應(yīng)力分析方法與整體結(jié)構(gòu)分析方法相同,分析后可得圖如8所示大臂的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。
圖8 焊接機(jī)器人大臂的應(yīng)力、應(yīng)變圖
2)大臂的模態(tài)分析
通過有限元分析可得如表3所示前4~7階固有頻率。
表3 大臂結(jié)構(gòu)前4~7階固有頻率
通過對(duì)大臂靜應(yīng)力分析、模態(tài)分析可知,大臂穿線槽表面部分易變形區(qū)域,同時(shí)利用拓?fù)鋬?yōu)化方法分析可知,大臂上表面有較多的質(zhì)量富余,可以適當(dāng)剔除。結(jié)合實(shí)際加工情況,提出改進(jìn)方案:
1)于大臂上部的兩板間增加一條加強(qiáng)筋;
2)剔除大臂上表面部分材料,優(yōu)化后的大臂結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 優(yōu)化后的大臂結(jié)構(gòu)
1)強(qiáng)度校核
將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次導(dǎo)入有限元分析軟件中,進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果表明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在質(zhì)量減輕7.27%同時(shí)應(yīng)力下降了28.59%。
2)剛度校核
將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入有限元分析軟件中,對(duì)其模態(tài)進(jìn)行計(jì)算,可得如表四所示的計(jì)算結(jié)果。由于動(dòng)剛度和固有頻率二次方成正比例關(guān)系,因此大臂的剛度變化可以通過固有頻率來(lái)驗(yàn)證[7,8]。通過將改進(jìn)前的前4~7階固有頻率與改進(jìn)的前4~7階固有頻率對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的剛度得到明顯的提升。
表4 大臂結(jié)構(gòu)前4~7階固有頻率對(duì)照表
本文以焊接機(jī)器人為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析、模態(tài)分析。結(jié)合分析結(jié)果與實(shí)際找出易破壞位置,并對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化,優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比表明:該方法有效可行,為經(jīng)濟(jì)型焊接機(jī)器人的后續(xù)市場(chǎng)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
[1]胡繩蓀.焊接自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:2-4.
[2]林尚武,陳善本,李成桐,焊接機(jī)器人及其應(yīng)用[M].北京出版社,2000.
[3]姜鳳鵬.基于ADAMS和ANSYS的貼片機(jī)力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].上海:上海交通大學(xué),2008.
[4]肖智勇,段建中,杜鑫強(qiáng),李建.Motoman工業(yè)機(jī)器人有限元靜態(tài)分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011(12):71-75.
[5]祝效華,余志祥.ANSYS高級(jí)工程有限元分析范例精選[M].電子工業(yè).
[6]浦廣益.ANSYS Workbench12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:65-69.
[7]楊小衛(wèi),劉詠萱,周孔亢,李苗. 車輛駕駛室頂板振動(dòng)的影響分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2009(08).
[8]夏青松.轎車車身分析模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)比研究[J].汽車科技.2008(01).