基于ANSYS技术的焊接机器人结构优化对策

丁武臣

摘 要：焊接技术是制造业中的重要加工技术，随着我国汽车制造技术的发展，对焊接机器人市场提出巨大的需求。焊接机器人可替代工人完成焊接任务方式引起人们的关注，目前焊接机器人存在焊接精度低等系列问题，研究利用ANSYS软件对焊接机器人进行轻量化设计等有限元分析，经优化承载力小的部位得到性能最优的焊接机器人，由于重量减轻，灵活性提高，焊接工作效率等减少。使用VB软件编程开发设计焊接机器人结构优化系统，减轻优化人员的工作量。

关键词：ANSYS技术;焊接机器人;结构优化

焊接机器人是工业机器人与焊接技术结合的机电一体化产品，焊接机器人广泛应用于工业制造中，可以使工业生产产品质量具有稳定性，钣金结构是汽车主要零部件，汽车钣金零部件焊接中容易变形，焊接机器人成为汽车零部件焊接的重要设备，为提高焊接机器人的工作效率需要进行结构优化设计[1]。焊接机器人优化设计包括形状尺寸等，通过拓扑力学结合得到。本文研究焊接机器人结构，使用ANSYSworkbench软件进行静力学分析，使用VB软件设计焊接机器人优化设计系统，通过自动调用软件完成优化设计。

1.焊接机器人结构优化设计

焊接机器人可改善生产工人劳动环境，现代生产中分工细化情况下，可用焊接机器人完成简单重复的焊接生产工作，我国目前焊接机器人依赖进口价格昂贵。当前使用焊接机器人为执行机构进行焊接生产作业，需要通过配置传感器使其感知获得外部信息能力，通过对焊接机器人关键部位优化设计提高性能，对满重工业生产要求具有重要意义[2]。

焊接机器人结构优化设计要进行静力学分析，有限元模拟态分析。焊接机器人主要用于汽车零部件焊接，需根据焊接位置调节姿态。以某型号焊接机器人为例研究，主要包括大小臂等部件，使用软件建立三维结构模型装配。使用ANSYS软件对焊接机器人优化设计，通过静力学分析发现薄弱位置，通过增大尺寸对零件薄弱位置加强设计，对新零件建模进行强度分析，得到性能最优的焊接机器人结构。根据焊接机器人结构特点简化部分零部件，对三维模型进行单元类型选择得到有限元模型。焊接机器人主要工作装置是末端执行机构焊枪，焊接中焊枪上下夹紧形成电极进行焊接，焊接机器人末端执行机构受到焊枪载荷力，静力学分析中焊接机器人工作载荷为F=50N。

焊接机器人最大变形量发生在末端执行机构，小于焊接机器人许用变形值，最大应力发生在大臂上不，小于45钢的屈服极限355MPa。焊接机器人静力学分析表明满足设计要求，对其进行模态计算，建立动力学微分方程，选用无阻尼自由振动型叠加法计算固有频率，机器人发生无外界激励振动频率方程为|（[K]-w）2[M]|=0，使用Workbench软件求解，弯曲变形主要在7阶以上，焊接机器人工作频率在50Hz以下，满足焊接机器人动态性能。根据焊接机器人刚强度分析结构有优化空间，对组成零部件优化设计，以焊接机器人基座为例分析优化过程，建立数形模型确定优化设计中的变量，使用遗传算法进行寻优迭代计算。根据基座工作情况选择影响较大参数为设计变量，选定X1设计变量为基座外圆环直径，设计变量满足条件300<X1<400，设计变量表示为X=（X1，X2，X3，X4，X5）。

基座优化在满足材料强度下进行，受到最大等效应力应小于材料许用应力，要求基座满足Smax<[Os]=335Mpa，要减小基座重量提高机器人响应速度，对结构进行轻量化设计，根据基座工作情况完成设计变量，得到优化设计数学模型为M=f（X1，X2，X3，X4，X5），为快速计算基座最优设计参数，使用软件求解计算得出变化曲线图，11次迭代后基座取得最优解，重量减少到169.5kg，基座最大等效应力升高到85.1MPa，优化设计后基座外环直径降低到336.9mm，基座厚度降低到180.5mm，基座底板厚降低到9.3mm。优化设计后获得参数值输入焊接机器人优化系统，优化后最大变形值为0.031mm，最大应力为123.5MPa。

2.焊接机器人优化设计系统

为研究分析更加快捷方便，设计机器人优化设计系统，编程焊接机器人优化设计界面，将系统设计参数存储在数据库，生成命令流传递到软件，进行优化设计后讲获得参数，设计变量曲线输出到存储系统。使用焊接机器人优化设计系统需输入结构参数，建立有限元模型。根据优化后焊接机器人设计图纸加工制造，通过对样机模型工作测试，强刚度满足设计要求。通过Workbench软件多目标驱动优化功能得出机器人最优长宽高度，机械设计中使用Workbench软件进行多目标驱动优化，降低设计成本提高效率。对大臂模型修改建模，进行靜力学分析，大臂优化后质量减小优化效果好[3]。

3.结语

机器人综合机械工程等学科，随着工业机器人的发展，各领域应用中对其要求不同。焊接机器人可有效替代人工完成焊接工作，提高焊接产品质量效率。本文介绍焊接机器人的发展，开展焊接机器人结构优化设计，通过焊接机器人优化系统建立，设计结构模型进行优化计算，优化后机器人自重减轻，响应速度提高;针对焊接机器人结构特点提出模型简化方案，进行焊接姿态模态分析，检验仿真模型正确性;使用VB软件设计焊接机器人优化设计系统，有效提高焊接机器人优化设计效率。按最优尺寸参数进行机器人零部件加工制造，实验结果表明焊接机器人响应速度快。

参考文献

[1]王锋，王凯，颜武刚. 基于ANSYS的撬毛机器人臂架运动及刚柔耦合强度分析[J]. 河南科技，2021，40（25）：24-26.

[2]孙建香，李其昀. 基于ANSYS的焊接机器人结构优化设计[J]. 机械设计与研究，2020，36（06）：39-43.

[3]曾红，魏旭东，冯帆. 钢板爬壁机器人三角架组合体结构优化设计[J]. 哈尔滨理工大学学报，2019，24（01）：23-28.