基于ANSYS技術(shù)的焊接機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化對策

丁武臣

摘 要：焊接技術(shù)是制造業(yè)中的重要加工技術(shù)，隨著我國汽車制造技術(shù)的發(fā)展，對焊接機器人市場提出巨大的需求。焊接機器人可替代工人完成焊接任務方式引起人們的關(guān)注，目前焊接機器人存在焊接精度低等系列問題，研究利用ANSYS軟件對焊接機器人進行輕量化設計等有限元分析，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)設計焊接機器人結(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);焊接機器人;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

焊接機器人是工業(yè)機器人與焊接技術(shù)結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品，焊接機器人廣泛應用于工業(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，焊接機器人成為汽車零部件焊接的重要設備，為提高焊接機器人的工作效率需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[1]。焊接機器人優(yōu)化設計包括形狀尺寸等，通過拓撲力學結(jié)合得到。本文研究焊接機器人結(jié)構(gòu)，使用ANSYSworkbench軟件進行靜力學分析，使用VB軟件設計焊接機器人優(yōu)化設計系統(tǒng)，通過自動調(diào)用軟件完成優(yōu)化設計。

1.焊接機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

焊接機器人可改善生產(chǎn)工人勞動環(huán)境，現(xiàn)代生產(chǎn)中分工細化情況下，可用焊接機器人完成簡單重復的焊接生產(chǎn)工作，我國目前焊接機器人依賴進口價格昂貴。當前使用焊接機器人為執(zhí)行機構(gòu)進行焊接生產(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，通過對焊接機器人關(guān)鍵部位優(yōu)化設計提高性能，對滿重工業(yè)生產(chǎn)要求具有重要意義[2]。

焊接機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計要進行靜力學分析，有限元模擬態(tài)分析。焊接機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)。以某型號焊接機器人為例研究，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軟件對焊接機器人優(yōu)化設計，通過靜力學分析發(fā)現(xiàn)薄弱位置，通過增大尺寸對零件薄弱位置加強設計，對新零件建模進行強度分析，得到性能最優(yōu)的焊接機器人結(jié)構(gòu)。根據(jù)焊接機器人結(jié)構(gòu)特點簡化部分零部件，對三維模型進行單元類型選擇得到有限元模型。焊接機器人主要工作裝置是末端執(zhí)行機構(gòu)焊槍，焊接中焊槍上下夾緊形成電極進行焊接，焊接機器人末端執(zhí)行機構(gòu)受到焊槍載荷力，靜力學分析中焊接機器人工作載荷為F=50N。

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

基座優(yōu)化在滿足材料強度下進行，受到最大等效應力應小于材料許用應力，要求基座滿足Smax<[Os]=335Mpa，要減小基座重量提高機器人響應速度，對結(jié)構(gòu)進行輕量化設計，根據(jù)基座工作情況完成設計變量，得到優(yōu)化設計數(shù)學模型為M=f（X1，X2，X3，X4，X5），為快速計算基座最優(yōu)設計參數(shù)，使用軟件求解計算得出變化曲線圖，11次迭代后基座取得最優(yōu)解，重量減少到169.5kg，基座最大等效應力升高到85.1MPa，優(yōu)化設計后基座外環(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)化設計后獲得參數(shù)值輸入焊接機器人優(yōu)化系統(tǒng)，優(yōu)化后最大變形值為0.031mm，最大應力為123.5MPa。

2.焊接機器人優(yōu)化設計系統(tǒng)

為研究分析更加快捷方便，設計機器人優(yōu)化設計系統(tǒng)，編程焊接機器人優(yōu)化設計界面，將系統(tǒng)設計參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫，生成命令流傳遞到軟件，進行優(yōu)化設計后講獲得參數(shù)，設計變量曲線輸出到存儲系統(tǒng)。使用焊接機器人優(yōu)化設計系統(tǒng)需輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立有限元模型。根據(jù)優(yōu)化后焊接機器人設計圖紙加工制造，通過對樣機模型工作測試，強剛度滿足設計要求。通過Workbench軟件多目標驅(qū)動優(yōu)化功能得出機器人最優(yōu)長寬高度，機械設計中使用Workbench軟件進行多目標驅(qū)動優(yōu)化，降低設計成本提高效率。對大臂模型修改建模，進行靜力學分析，大臂優(yōu)化后質(zhì)量減小優(yōu)化效果好[3]。

3.結(jié)語

機器人綜合機械工程等學科，隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，各領域應用中對其要求不同。焊接機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。本文介紹焊接機器人的發(fā)展，開展焊接機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，通過焊接機器人優(yōu)化系統(tǒng)建立，設計結(jié)構(gòu)模型進行優(yōu)化計算，優(yōu)化后機器人自重減輕，響應速度提高;針對焊接機器人結(jié)構(gòu)特點提出模型簡化方案，進行焊接姿態(tài)模態(tài)分析，檢驗仿真模型正確性;使用VB軟件設計焊接機器人優(yōu)化設計系統(tǒng)，有效提高焊接機器人優(yōu)化設計效率。按最優(yōu)尺寸參數(shù)進行機器人零部件加工制造，實驗結(jié)果表明焊接機器人響應速度快。

參考文獻

[1]王鋒，王凱，顏武剛. 基于ANSYS的撬毛機器人臂架運動及剛?cè)狁詈蠌姸确治鯷J]. 河南科技，2021，40（25）：24-26.

[2]孫建香，李其昀. 基于ANSYS的焊接機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J]. 機械設計與研究，2020，36（06）：39-43.

[3]曾紅，魏旭東，馮帆. 鋼板爬壁機器人三角架組合體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J]. 哈爾濱理工大學學報，2019，24（01）：23-28.