焊接機(jī)器人的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

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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