雙工位礦車懸掛焊接變位機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

賈超偉+桑運(yùn)曉+劉同壯

摘 要：本文以礦車懸掛焊接變位機(jī)為研究對(duì)象，提出了焊接變位機(jī)整體的設(shè)計(jì)方案，完成了主要組件的選型，給出了變位機(jī)的總裝方案；以擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)為例，使用ANSYS Workbench軟件對(duì)擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；將轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用到變位機(jī)其他零件的設(shè)計(jì)，進(jìn)而縮短變位機(jī)的設(shè)計(jì)周期，降低了制造成本。

關(guān)鍵詞：礦車懸掛；變位機(jī)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS Workbench

一、引言

在現(xiàn)代焊接機(jī)器人工作站中，變位機(jī)是實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)焊接生產(chǎn)的重要組成部件[1]。本文根據(jù)礦車懸掛焊接工藝要求，首先對(duì)變位機(jī)進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行具體化設(shè)計(jì)，使用ANSYS Workbench軟件對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在滿足使用要求的基礎(chǔ)上達(dá)到輕量化。

二、 變位機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

變位機(jī)機(jī)體由夾具體機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)以及安全防護(hù)裝置組成。工作臺(tái)平面安裝擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)上兩個(gè)工位對(duì)稱安裝兩套翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成對(duì)夾具體機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，夾具體機(jī)構(gòu)完成對(duì)焊接件的定位夾緊。轉(zhuǎn)臺(tái)可進(jìn)行180度循環(huán)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)雙工位加工。其中對(duì)擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)180度循環(huán)擺動(dòng)，滿足雙工位加工及焊接工藝精度要求，最終選用伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置。傳動(dòng)系統(tǒng)采用大減速比的行星減速機(jī)加定軸外嚙合齒輪傳動(dòng)的形式，滿足了力矩要求，縮短了傳動(dòng)鏈。傳動(dòng)鏈為：伺服電機(jī)→減速機(jī)→定軸外嚙合齒輪副→擺動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。

三、 轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

變位機(jī)運(yùn)動(dòng)零件中，轉(zhuǎn)臺(tái)體積最大、質(zhì)量最重，具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，作為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的承載平臺(tái)，對(duì)焊接位置精度影響較大。使用ANSYS Workbench軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)是否能都達(dá)到使用要求，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。使用ANSYS Workbench軟件的DM模塊對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化建模。在DS模塊中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與計(jì)算分析，設(shè)定材料屬性，楊氏彈性模量為2.1E+11Pa，泊松比為0.3；對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為23 343，單元數(shù)為11 580；設(shè)置求解項(xiàng)【Equivalent Stress】和【Total Deformation】；經(jīng)計(jì)算得出等效應(yīng)力云圖和總變形量云圖如圖1所示。

圖1總變形量云圖和等效應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力發(fā)生在筋板端部，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；四個(gè)安裝位置的最大變形量為1.04E-4m，低于焊接允許誤差，滿足焊接精度要求。該設(shè)計(jì)方案有較大的優(yōu)化空間，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步輕量化設(shè)計(jì)。

ANSYS Workbench中DX模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)參數(shù)化模型的目標(biāo)優(yōu)化。選定圖3中的5個(gè)尺寸作為優(yōu)化輸入?yún)?shù)，H1為頂板板厚，H3-H6為筋板板厚。設(shè)置Equivalent Stress（等效應(yīng)力）、Total Deformation（總變形量）、Mass（質(zhì)量）為輸出參數(shù)及輸出參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化條件。采用MOGA（多目標(biāo)遺傳算法）對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

通過分析輸入變量的敏感度圖可以清晰地了解輸入變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感程度，如圖2所示。H5和H6對(duì)總變形量影響較大，增大H5有利于減少總變形量；H3和H6對(duì)最大等效應(yīng)力

圖2輸入變量的敏感度

影響較大，增加H3有利于降低最大等效應(yīng)力；H1對(duì)質(zhì)量影響較大，減小H1對(duì)減輕質(zhì)量影響較明顯。

通過計(jì)算比較，最終得到三組最優(yōu)結(jié)果，將其作為最優(yōu)設(shè)計(jì)值，導(dǎo)入到DS模塊中重新計(jì)算分析，得到轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖和總變形量云圖，如圖3所示。

圖3總變形量云圖和等效應(yīng)力云圖

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)臺(tái)最大等效應(yīng)力基本沒有變化，仍然滿足強(qiáng)度要求；四個(gè)安裝位置的總變形量最大值為1.17E-4m，同樣滿足焊接精度要求；但總質(zhì)量減輕13%，從而使制造成本降低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，電機(jī)功耗降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳裕川，江維，何奕波.現(xiàn)代機(jī)器人焊接變位機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[J].現(xiàn)代焊接，2011（5）：10-17.

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[3]李海龍，孫登月，謝久明.大型核電工件180°翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2016（4）：12-17.