激光焊接機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

楊業(yè)福

（深圳市深普鐳科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

1.1 電動(dòng)汽車(chē)基本介紹

在當(dāng)下，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展，在各類(lèi)新型交通工具廣泛使用的同時(shí)，也對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境造成了較大的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也會(huì)消耗大量的能源，造成能源資源緊張的問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)下許多機(jī)動(dòng)車(chē)造成環(huán)境污染的問(wèn)題，需要加大對(duì)新能源汽車(chē)的研發(fā)和推廣。在各種新能源汽車(chē)中，電動(dòng)汽車(chē)較為便捷，適用范圍較為廣泛，可以進(jìn)行進(jìn)一步的完善和推廣。新能源電動(dòng)汽車(chē)可以極大減少對(duì)石油的消耗，比許多現(xiàn)行的機(jī)動(dòng)車(chē)污染程度要低很多，甚至可以達(dá)到幾乎完全無(wú)污染的狀態(tài)。在電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)和成熟的過(guò)程中，汽車(chē)的能源動(dòng)力系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)了電氣化的目標(biāo)，讓汽車(chē)行業(yè)的整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一定程度的轉(zhuǎn)型。

1.2 動(dòng)力電池和激光焊接

在電動(dòng)汽車(chē)中，存在著許多的關(guān)鍵部件，其中對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的整體性能起到關(guān)鍵性影響的動(dòng)力電池。在動(dòng)力汽車(chē)的整體運(yùn)行過(guò)程中，基本的壽命和穩(wěn)定性，會(huì)受到動(dòng)力電池封裝技術(shù)的直接影響。在當(dāng)下，動(dòng)力電池的封裝技術(shù)五花八門(mén)，使用最多的便是激光焊接的基本方式。目前動(dòng)力電池不斷發(fā)展成熟，產(chǎn)能正在不斷升高，相關(guān)的生產(chǎn)商也更加注重電池的外殼焊接部分的生產(chǎn)，并不斷提高生產(chǎn)效率和整體質(zhì)量。當(dāng)下國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，對(duì)于動(dòng)力電池的焊接相關(guān)設(shè)備還不夠充足，傳統(tǒng)的激光焊接機(jī)還存在著種種弊端，難以充分提高焊接過(guò)程的整體質(zhì)量。

2 激光焊接機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行激光焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要充分分析機(jī)床和激光焊接機(jī)，對(duì)它們有著更加深入細(xì)致的了解，對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性和復(fù)雜性都進(jìn)行多維度的分析，同時(shí)著重研究鋁合金外殼的焊接特性和焊接工藝等。除此以外，還需要依據(jù)過(guò)去的激光焊接機(jī)生產(chǎn)和使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行更加細(xì)致的改善，充分考慮方形動(dòng)力電池的基本特征，結(jié)合相關(guān)的性能和技術(shù)上的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。激光焊接機(jī)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，主要包括以下內(nèi)容：①設(shè)計(jì)好X 軸和床身。床身的作用便是支撐，讓靜動(dòng)剛度保持在一定的數(shù)值。動(dòng)力電池的相關(guān)工件夾具在X 軸的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)在X 方向上的精細(xì)化移動(dòng)。②立柱方面的設(shè)計(jì)。在整個(gè)裝置設(shè)備中，立柱起到了十分重要的作用。在激光焊接機(jī)中的立柱，讓激光焊接頭得到了很好的支撐，并不斷滿(mǎn)足接頭朝著Z 方向進(jìn)行移動(dòng)。在對(duì)立柱進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分保障立柱的整體剛度，同時(shí)又要滿(mǎn)足立柱的基本高度。但在立柱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分依據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際狀況，立柱既需要滿(mǎn)足基本高度，又不能超過(guò)一定的限度。當(dāng)立柱超過(guò)一定高度以后，會(huì)對(duì)床身產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致床身產(chǎn)生傾覆的現(xiàn)象。③Y 軸的設(shè)計(jì)。Y 軸的作用，也十分重要，主要通過(guò)其上的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，不斷牽引焊接頭朝著Y軸不斷移動(dòng)。④Z 軸的設(shè)計(jì)。Z 軸上的伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠發(fā)揮著十分重要的作用，組合傳動(dòng)的過(guò)程中，可以充分帶動(dòng)焊接頭朝著Z 軸的方向不斷移動(dòng)，讓大部分的激光實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力電池外殼上的精準(zhǔn)聚焦。

3 整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析

在進(jìn)行整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中，需要利用相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件，進(jìn)行激光焊接機(jī)的三維實(shí)體模型的高效構(gòu)建。當(dāng)模型構(gòu)建完畢以后，還需要利用相關(guān)軟件進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換和保存，并導(dǎo)入到UG 軟件中。導(dǎo)入完畢以后，需要在UG 軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模塊的啟動(dòng)。在整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真的具體過(guò)程中，許多零部件對(duì)整體的分析結(jié)果沒(méi)有太大的影響，可以在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被忽略不計(jì)，包括螺栓和承軸等部件。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的具體過(guò)程中，主要進(jìn)行分析處理的便是絲桿螺母和直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)子。

在利用UG 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的具體分析時(shí)，存在著成體系的操作流程。首先，需要對(duì)機(jī)構(gòu)中的元件進(jìn)行精準(zhǔn)的定義，一般而言都叫做“連桿”。在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中具體定義的連桿，和連桿機(jī)構(gòu)中的連桿不是一個(gè)概念。這里的連桿包涵的范圍更加廣泛，是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行高效連接的一些機(jī)構(gòu)原件，這些元件可以滿(mǎn)足相關(guān)的運(yùn)動(dòng)需求。依據(jù)整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程的整體需要，在具體的工作過(guò)程中要把多個(gè)部分進(jìn)行連桿的定義。主要包括X 軸中的動(dòng)子以及動(dòng)子的安裝板。除此以外，滑板和夾具也會(huì)歸入到連桿中去，同時(shí)需要注重副約束的具體設(shè)置。Y 軸和Z 軸，和X 軸基本同理。針對(duì)3個(gè)軸，最終需要讓仿真出的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行更加真實(shí)的展示，需要規(guī)范添加相關(guān)的函數(shù)，對(duì)三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)副速度和時(shí)間進(jìn)行相關(guān)的定義，并表示出它們之間的關(guān)系，設(shè)置出各個(gè)部分的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

4 零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行優(yōu)化，即所謂的最小化或者最大化的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要在保障基本設(shè)計(jì)得到滿(mǎn)足的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)成本的最小消耗。通過(guò)相關(guān)的有限元分析軟件，進(jìn)行更加精細(xì)化的設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)還可以進(jìn)行高效的拓?fù)鋬?yōu)化。

4.1 立柱的拓?fù)鋬?yōu)化

在零部件的整體優(yōu)化過(guò)程中，首先需要考慮立柱的拓?fù)鋬?yōu)化。在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，存在著兩種類(lèi)型的優(yōu)化對(duì)象，主要分為離散和連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化兩種。在連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中，主要進(jìn)行材料的離散，把一些存在明顯結(jié)構(gòu)的材料轉(zhuǎn)變成許多單元。而另外一種離散型的拓?fù)鋬?yōu)化，則是在一定的設(shè)計(jì)空間中進(jìn)行基結(jié)構(gòu)的建立，基結(jié)構(gòu)存在著諸多的梁?jiǎn)挝弧；Y(jié)構(gòu)建立完畢以后，需要充分利用相關(guān)的算法，對(duì)空間內(nèi)一些單元是否保留作出更明智的判斷。通過(guò)相關(guān)的算法求解，可以對(duì)立柱進(jìn)行三種顏色的標(biāo)記。其中，黃色代表邊緣材料，這些材料可以被保留，也可以直接省略掉。除此以外，紅色代表可省略的區(qū)域，灰色代表需要保留下來(lái)的區(qū)域。在具體的算法應(yīng)用過(guò)程中，需要充分依據(jù)一些數(shù)據(jù)，包括立柱的原始質(zhì)量、邊緣質(zhì)量和優(yōu)化以后的質(zhì)量等。在具體的優(yōu)化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)紅色標(biāo)記的省略區(qū)域大部分集中于立柱的下方區(qū)域，尤其是在底部區(qū)域。但在具體的優(yōu)化過(guò)程中，由于需要在焊接頭和動(dòng)力電池之間保持好一定的高度，不能過(guò)分降低立柱的高度，只能依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行稍許的降低。除此以外，還需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮大理石材料的特性。大理石本身較為脆弱，需要在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能規(guī)避掉一些較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也需要遠(yuǎn)離一些較薄的壁厚以及一些距離邊緣較近的孔隙。然后需要進(jìn)行立柱優(yōu)化以后的整體模型構(gòu)建，構(gòu)建的過(guò)程中需要充分依據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果和數(shù)據(jù)，回到之前的關(guān)聯(lián)軟件，在軟件中利用相關(guān)的技術(shù)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分紅色區(qū)域的規(guī)范切除。接著利用相關(guān)軟件，將得到的模型直接導(dǎo)入其中，接著完成有限元分析的過(guò)程。在分析時(shí)，還需要注重和之前的原設(shè)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行相互的比對(duì)。通過(guò)相互間的比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)立柱本身的最大總變形量發(fā)生了一定程度的下降，一階的固有概率獲得了一定程度的提高，質(zhì)量明顯減少，靜動(dòng)態(tài)特性獲得了多維度的提升。

4.2 橫梁的具體優(yōu)化過(guò)程

在整個(gè)激光焊接機(jī)的所有系統(tǒng)部件中，橫梁起著十分重要的作用，同時(shí)也具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需要注重對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的精細(xì)化把控，進(jìn)行變量的設(shè)計(jì)。除此以外，還需要充分考慮整個(gè)過(guò)程中所需要消耗的材料成本，同時(shí)還需要注重靜動(dòng)態(tài)性能?；谏鲜隹紤]，在具體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，最好不要使用單一的變量，也不可僅有一個(gè)目標(biāo)，需要依據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行多目標(biāo)的高效優(yōu)化。在橫梁的具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，可以高效利用響應(yīng)面法，提供一種簡(jiǎn)潔高效的思路，并充分配合多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2.1 設(shè)計(jì)變量的選取

在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注重對(duì)變量的選取。在初步進(jìn)行變量選取時(shí)，主要需要考慮5個(gè)方面的參數(shù)，主要包括橫梁的幾個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，分別是高度、寬度、長(zhǎng)度以及中間槽部的深度和寬度。這5個(gè)變量作為設(shè)計(jì)過(guò)程中的輸入變量。除了輸入變量以外，還需要設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，相關(guān)的參數(shù)主要包括橫梁的總質(zhì)量、最大變形量、最大等效應(yīng)力和一階固有概率。在利用相關(guān)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量設(shè)置時(shí)，需要依據(jù)系統(tǒng)的特征，進(jìn)行參數(shù)名的規(guī)范設(shè)置，接著充分導(dǎo)入橫梁的模型，將輸入的變量轉(zhuǎn)變成參數(shù)。在固定的界面中，實(shí)現(xiàn)將輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)變成相關(guān)參數(shù)。

4.2.2 多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定，這樣可以實(shí)現(xiàn)利用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來(lái)得出輸入量和目標(biāo)量之間的關(guān)系，這種方法更廣泛應(yīng)用于多個(gè)輸入量的狀態(tài)。抽樣數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間，存在著一定的關(guān)系。接著，在相關(guān)界面查看設(shè)計(jì)點(diǎn)，得到樣本點(diǎn)的基本計(jì)算結(jié)果。然后需要對(duì)輸出量的重要性進(jìn)行設(shè)定，輸出3組優(yōu)化結(jié)果，如表1 所示（表中的P1，P2，P3，P4，P5 分別表示橫梁的高度、寬度、長(zhǎng)度、中間槽的深度和寬度），通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，第二組更能符合最終的要求。

表1 優(yōu)化結(jié)果的3種組合

4.2.3 優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比

將得到的最優(yōu)解進(jìn)行圓整修正，可以得出相關(guān)的尺寸數(shù)據(jù)。在相關(guān)的軟件中，需要進(jìn)行橫梁模型優(yōu)化值尺寸的圓整，轉(zhuǎn)變成修正值尺寸。圓整工作結(jié)束以后，再完成相關(guān)的有限元分析，并對(duì)前后的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力減小，一階固有頻率提高，質(zhì)量減少。表2為優(yōu)化前后的整體對(duì)比。

表2 優(yōu)化前后的整體對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)相關(guān)的線(xiàn)性模組，實(shí)現(xiàn)激光的聚焦，焊接頭沿著一定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，讓電池殼體的焊接一次性完成。在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中，建模的正確性得到了驗(yàn)證，預(yù)期的動(dòng)作得到了很好地完成。立柱需要進(jìn)行拓?fù)涞膬?yōu)化設(shè)計(jì)，改善立柱的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)性能的分析。針對(duì)橫梁，需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行函數(shù)的巧妙設(shè)計(jì)，利用相關(guān)系統(tǒng)軟件進(jìn)行求解和比對(duì)，尋求更優(yōu)的方案。