丁武臣

摘 要：焊接技術(shù)是制造業(yè)中的重要加工技術(shù)，隨著我國(guó)汽車制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接機(jī)器人市場(chǎng)提出巨大的需求。焊接機(jī)器人可替代工人完成焊接任務(wù)方式引起人們的關(guān)注，目前焊接機(jī)器人存在焊接精度低等系列問題，研究利用ANSYS軟件對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)等有限元分析，經(jīng)優(yōu)化承載力小的部位得到性能最優(yōu)的焊接機(jī)器人，由于重量減輕，靈活性提高，焊接工作效率等減少。使用VB軟件編程開發(fā)設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，減輕優(yōu)化人員的工作量。

關(guān)鍵詞：ANSYS技術(shù);焊接機(jī)器人;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

焊接機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人與焊接技術(shù)結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品，焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中，可以使工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量具有穩(wěn)定性，鈑金結(jié)構(gòu)是汽車主要零部件，汽車鈑金零部件焊接中容易變形，焊接機(jī)器人成為汽車零部件焊接的重要設(shè)備，為提高焊接機(jī)器人的工作效率需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)包括形狀尺寸等，通過拓?fù)淞W(xué)結(jié)合得到。本文研究焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)，使用ANSYSworkbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，使用VB軟件設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過自動(dòng)調(diào)用軟件完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人可改善生產(chǎn)工人勞動(dòng)環(huán)境，現(xiàn)代生產(chǎn)中分工細(xì)化情況下，可用焊接機(jī)器人完成簡(jiǎn)單重復(fù)的焊接生產(chǎn)工作，我國(guó)目前焊接機(jī)器人依賴進(jìn)口價(jià)格昂貴。當(dāng)前使用焊接機(jī)器人為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行焊接生產(chǎn)作業(yè)，需要通過配置傳感器使其感知獲得外部信息能力，通過對(duì)焊接機(jī)器人關(guān)鍵部位優(yōu)化設(shè)計(jì)提高性能，對(duì)滿重工業(yè)生產(chǎn)要求具有重要意義[2]。

焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要進(jìn)行靜力學(xué)分析，有限元模擬態(tài)分析。焊接機(jī)器人主要用于汽車零部件焊接，需根據(jù)焊接位置調(diào)節(jié)姿態(tài)。以某型號(hào)焊接機(jī)器人為例研究，主要包括大小臂等部件，使用軟件建立三維結(jié)構(gòu)模型裝配。使用ANSYS軟件對(duì)焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)薄弱位置，通過增大尺寸對(duì)零件薄弱位置加強(qiáng)設(shè)計(jì)，對(duì)新零件建模進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到性能最優(yōu)的焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)。根據(jù)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化部分零部件，對(duì)三維模型進(jìn)行單元類型選擇得到有限元模型。焊接機(jī)器人主要工作裝置是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)焊槍，焊接中焊槍上下夾緊形成電極進(jìn)行焊接，焊接機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到焊槍載荷力，靜力學(xué)分析中焊接機(jī)器人工作載荷為F=50N。

焊接機(jī)器人最大變形量發(fā)生在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，小于焊接機(jī)器人許用變形值，最大應(yīng)力發(fā)生在大臂上不，小于45鋼的屈服極限355MPa。焊接機(jī)器人靜力學(xué)分析表明滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，建立動(dòng)力學(xué)微分方程，選用無阻尼自由振動(dòng)型疊加法計(jì)算固有頻率，機(jī)器人發(fā)生無外界激勵(lì)振動(dòng)頻率方程為|（[K]-w）2[M]|=0，使用Workbench軟件求解，彎曲變形主要在7階以上，焊接機(jī)器人工作頻率在50Hz以下，滿足焊接機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)焊接機(jī)器人剛強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)有優(yōu)化空間，對(duì)組成零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，以焊接機(jī)器人基座為例分析優(yōu)化過程，建立數(shù)形模型確定優(yōu)化設(shè)計(jì)中的變量，使用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)迭代計(jì)算。根據(jù)基座工作情況選擇影響較大參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，選定X1設(shè)計(jì)變量為基座外圓環(huán)直徑，設(shè)計(jì)變量滿足條件300<X1<400，設(shè)計(jì)變量表示為X=（X1，X2，X3，X4，X5）。

基座優(yōu)化在滿足材料強(qiáng)度下進(jìn)行，受到最大等效應(yīng)力應(yīng)小于材料許用應(yīng)力，要求基座滿足Smax<[Os]=335Mpa，要減小基座重量提高機(jī)器人響應(yīng)速度，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，根據(jù)基座工作情況完成設(shè)計(jì)變量，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為M=f（X1，X2，X3，X4，X5），為快速計(jì)算基座最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使用軟件求解計(jì)算得出變化曲線圖，11次迭代后基座取得最優(yōu)解，重量減少到169.5kg，基座最大等效應(yīng)力升高到85.1MPa，優(yōu)化設(shè)計(jì)后基座外環(huán)直徑降低到336.9mm，基座厚度降低到180.5mm，基座底板厚降低到9.3mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后獲得參數(shù)值輸入焊接機(jī)器人優(yōu)化系統(tǒng)，優(yōu)化后最大變形值為0.031mm，最大應(yīng)力為123.5MPa。

2.焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

為研究分析更加快捷方便，設(shè)計(jì)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，編程焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)界面，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，生成命令流傳遞到軟件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后講獲得參數(shù)，設(shè)計(jì)變量曲線輸出到存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)需輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立有限元模型。根據(jù)優(yōu)化后焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)圖紙加工制造，通過對(duì)樣機(jī)模型工作測(cè)試，強(qiáng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。通過Workbench軟件多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化功能得出機(jī)器人最優(yōu)長(zhǎng)寬高度，機(jī)械設(shè)計(jì)中使用Workbench軟件進(jìn)行多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，降低設(shè)計(jì)成本提高效率。對(duì)大臂模型修改建模，進(jìn)行靜力學(xué)分析，大臂優(yōu)化后質(zhì)量減小優(yōu)化效果好[3]。

3.結(jié)語

機(jī)器人綜合機(jī)械工程等學(xué)科，隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，各領(lǐng)域應(yīng)用中對(duì)其要求不同。焊接機(jī)器人可有效替代人工完成焊接工作，提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量效率。本文介紹焊接機(jī)器人的發(fā)展，開展焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過焊接機(jī)器人優(yōu)化系統(tǒng)建立，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化后機(jī)器人自重減輕，響應(yīng)速度提高;針對(duì)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出模型簡(jiǎn)化方案，進(jìn)行焊接姿態(tài)模態(tài)分析，檢驗(yàn)仿真模型正確性;使用VB軟件設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有效提高焊接機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。按最優(yōu)尺寸參數(shù)進(jìn)行機(jī)器人零部件加工制造，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊接機(jī)器人響應(yīng)速度快。

參考文獻(xiàn)

[1]王鋒，王凱，顏武剛. 基于ANSYS的撬毛機(jī)器人臂架運(yùn)動(dòng)及剛?cè)狁詈蠌?qiáng)度分析[J]. 河南科技，2021，40（25）：24-26.

[2]孫建香，李其昀. 基于ANSYS的焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2020，36（06）：39-43.

[3]曾紅，魏旭東，馮帆. 鋼板爬壁機(jī)器人三角架組合體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（01）：23-28.