焊接機器人的有限元分析與結構優化

崔書婉，韋建軍

（廣西科技大學 機械工程學院，柳州 545006）

0 引言

焊接機器人被廣泛應用于機械制造、航空航天、建筑、公共交通等領域[1]。但由于國內焊接機器人受其重量和價格等因素的限制，未能在中小企業中得到普及。但焊接機器人鑒于其生產效率高、產品質量穩定等優點，已成為制造業的發展方向[2]。在保證焊接機器人強度的同時實現輕量化不僅可以擴大焊接機器人的適用范圍，還能達到降低成本的效果，綜上所述對焊接機器人進行結構優化研究具有重要理論與現實意義。

本文以圖1所示的焊接機器人為研究對象，對其進行靜應力和模態分析以確定其強度與剛度并實際找出可優化部位[3]，然后對其進行優化設計，最后對優化后的模型進行分析驗證，其具體分析流程如圖2所示。

圖1 焊機機器人的機械機構圖

圖2 焊接機器人結構優化流程圖

1 靜應力分析

1）幾何模型的建立

本文運用SoildWorks軟件對焊接機器人進行建模，焊接機器人的總裝配模型如圖3所示。

圖3 焊接機器人總裝配模型

2）工況分析

由于焊接機器人的底座是固定的，所以當焊接機器人所有臂伸展為最長時（當大臂與小臂水平時），焊接機器人本身重量在重力、負載等作用下，末端執行器變形的位移量是最大的。因此，此時焊接機器人處于最危險工況，本文以該姿態為分析條件對焊接機器人進行研究[4]。利用SoildWorks與ANSYS無縫連接接口直接將大臂CAD模型導入Workbench中進行分析[5,6]。

3）材料定義

焊接機器人材料的屬性如表1所示。

表1 材料屬性表

4）網格的劃分

材料參數設置完畢后，運用Soild45單元對焊接機器人的整體進行網格劃分，劃分后共形成102756個單元，57437節點。劃分后的網格如圖4所示。

圖4 劃分網格后的焊接機器人模型

5）約束與載荷施加

由于機器人的實體模型各部分為剛性連接，所以只施加重力加速度，Workbench軟件就會自動對各裝配體添加重力。焊接機器人的受力簡圖如圖5所示，底座的4個螺栓孔定為固定約束，焊接機器人的末端為載荷施加位置，其大小為4kg。

圖5 焊接機器人的受力簡圖

6）求解

完成以上設置后可得如圖6所示的焊接機器人的應變、應力云圖。

圖6 焊接機器人整體的應力、應變圖

7）結論

根據圖6可知該焊接機器人的整體最大應力值為33.491Mpa，小臂與大臂為最易形變部位。

2 焊接機器人的模態分析

焊接機器人模型如靜應力分析一樣實施導入、網格劃分等技術路線完畢后，在焊接機器人底盤施加約束，對其強迫模態進行求解。求解后前7階模態的頻率值如表2所示，第4～7階的各階模態如圖7所示。（由于前3階的頻率較小，所以無研究意義不以考慮）

表2 前7階模態的頻率

圖7 焊接機器人整體結構模態分析

根據生產實際經驗與有限元分析結果可知焊接機器人大臂是易破壞部位，因此需對其進行單獨分析與優化。

3 大臂結構分析與優化設計方案

1）靜應力分析

大臂的靜應力分析方法與整體結構分析方法相同，分析后可得圖如8所示大臂的應力、應變云圖。

圖8 焊接機器人大臂的應力、應變圖

2）大臂的模態分析

通過有限元分析可得如表3所示前4～7階固有頻率。

表3 大臂結構前4～7階固有頻率

通過對大臂靜應力分析、模態分析可知，大臂穿線槽表面部分易變形區域，同時利用拓撲優化方法分析可知，大臂上表面有較多的質量富余，可以適當剔除。結合實際加工情況，提出改進方案：

1）于大臂上部的兩板間增加一條加強筋；

2）剔除大臂上表面部分材料，優化后的大臂結構如圖9所示。

圖9 優化后的大臂結構

4 優化效果驗證

1）強度校核

將優化后的結構再次導入有限元分析軟件中，進行應力分析。結果表明改進后的結構在質量減輕7.27%同時應力下降了28.59%。

2）剛度校核

將優化后的結構導入有限元分析軟件中，對其模態進行計算，可得如表四所示的計算結果。由于動剛度和固有頻率二次方成正比例關系，因此大臂的剛度變化可以通過固有頻率來驗證[7,8]。通過將改進前的前4～7階固有頻率與改進的前4～7階固有頻率對比，可以發現改進后結構的剛度得到明顯的提升。

表4 大臂結構前4～7階固有頻率對照表

5 結束語

本文以焊接機器人為研究對象，對其進行靜應力分析、模態分析。結合分析結果與實際找出易破壞位置，并對其單獨進行結構分析與優化，優化前后的結果對比表明：該方法有效可行，為經濟型焊接機器人的后續市場化奠定了堅實的基礎。

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