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        焊接機(jī)器人的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2014-12-18 08:04:02崔書婉韋建軍
        制造業(yè)自動(dòng)化 2014年20期
        關(guān)鍵詞:大臂固有頻率模態(tài)

        崔書婉,韋建軍

        (廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,柳州 545006)

        0 引言

        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 靜應(yīng)力分析

        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。

        2 焊接機(jī)器人的模態(tài)分析

        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。

        3 大臂結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

        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)

        4 優(yōu)化效果驗(yàn)證

        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

        5 結(jié)束語(yǔ)

        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)。

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