針對(duì)地磅端頭板的焊接技術(shù)設(shè)計(jì)了龍門(mén)架式可移動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)，通過(guò)模態(tài)分析龍門(mén)架在承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，龍門(mén)架 的變形和應(yīng)力變化情況，對(duì)龍門(mén)架薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度加強(qiáng)，避免因變形過(guò)大導(dǎo)致滑軌卡死，進(jìn)而影響焊接精度。

0.前言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，機(jī)器人在社會(huì)各個(gè)領(lǐng) 域的應(yīng)用日益廣泛，應(yīng)用最廣的要屬工業(yè)機(jī)器人；在 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，大部分為焊接機(jī)器人，據(jù)不完全 統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有超過(guò)一半應(yīng) 用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。焊接機(jī)器人就是從事 焊接加工的工業(yè)機(jī)器人，主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備 兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)組成；而焊 接裝備，以弧焊為例，則由焊接電源、送絲機(jī)、焊槍 等部分組成。以上各單元以機(jī)器人控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)， 通過(guò)軟硬件之間的連接，有機(jī)結(jié)合成一個(gè)完整的焊接 系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)輔以焊接機(jī)器人各種形 式的周邊設(shè)施，以完善焊接機(jī)器人的應(yīng)用功能，也就 是工業(yè)生產(chǎn)中俗稱(chēng)的焊接機(jī)器人工作站或者焊接機(jī)器 人系統(tǒng)。

目前關(guān)于焊接機(jī)器人的運(yùn)用很多，但利用龍門(mén)式 平臺(tái)與焊接機(jī)器人的結(jié)合來(lái)解決地鎊框架焊接質(zhì)量的 問(wèn)題，采用路徑規(guī)劃算法耦合平臺(tái)運(yùn)動(dòng)及焊接機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)的方法進(jìn)行計(jì)算的相關(guān)研究相對(duì)較少。

本文作者設(shè)計(jì)了一種單邊支撐龍門(mén)式臺(tái)架，擴(kuò)大 焊接機(jī)器人的工藝范圍，使焊接機(jī)器人能夠達(dá)到最大 尺寸的地磅框架位置，同時(shí)有效地利用了空間；實(shí)現(xiàn) 二維精確運(yùn)動(dòng)，確保焊接機(jī)器人精確定位。在設(shè)計(jì)過(guò) 程中，龍門(mén)架在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動(dòng)，在龍門(mén)架的橫向位 置，安裝有焊接機(jī)器人，焊接機(jī)器人本身的質(zhì)量會(huì)對(duì) 龍門(mén)架產(chǎn)生一定的負(fù)載，造成龍門(mén)架結(jié)構(gòu)發(fā)生變形， 從而會(huì)造成滑軌卡死，而影響焊接精度。

1.地確焊接龍門(mén)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)設(shè)計(jì)的地鎊焊接龍門(mén)架系統(tǒng)⑴采用滾珠絲 杠、導(dǎo)軌、滑塊、齒輪、齒條作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。整個(gè)龍 門(mén)系統(tǒng)的立柱和橫梁尺寸較大，對(duì)微位移的放大效果 非常顯著，將采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，用 ANSYS Workbench中的有限元進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析， 并以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在工作過(guò)程中，龍門(mén) 系統(tǒng)的變形最小。

為地磅焊接系統(tǒng)模型

圖2是對(duì)圖1模型運(yùn)動(dòng)形式的簡(jiǎn)化，表示了機(jī)構(gòu) 在運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式和狀態(tài)。

門(mén)架受到外部載荷的作用y方向會(huì)發(fā)生變形, 如果變形量太大，會(huì)導(dǎo)致滑軌卡死無(wú)法移動(dòng)，同時(shí)也 會(huì)導(dǎo)致精度降低。

由于運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象是龍門(mén)架經(jīng)常遇到的 問(wèn)題，振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的共振或疲勞，從而破壞結(jié) 構(gòu)，因此對(duì)龍門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析，了解機(jī)構(gòu)本身具有 的剛度特性即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，將會(huì)避免在使 用中因共振因素造成的不必要的損失。

在ANSYS Workbench中對(duì)龍門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析， 在不導(dǎo)致滑軌卡死以及影響焊接精度的情況下，對(duì)龍 門(mén)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.龍門(mén)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中的基礎(chǔ)內(nèi)容，工程上進(jìn) 行模態(tài)分析主要用于：

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前可以預(yù)先避免可能引起的 共振。

有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參 數(shù)（如時(shí)間步長(zhǎng)）等。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了 結(jié)構(gòu)對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在動(dòng)力分析之 前首先要進(jìn)行模態(tài)分析。

假定為自由振動(dòng)并忽略阻尼時(shí)，其方程為：

+[/nui =ioi (l)

當(dāng)發(fā)生諧振動(dòng)，即M = t/sin(如）時(shí)，方程為：

([反]-c^[M])|=0 (2)

故對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，其固有圓周頻率 (o,和振型屯都能從上面矩陣方程式中得到。

模態(tài)提取只是用來(lái)描述特征值和特征向量計(jì)算的 術(shù)語(yǔ)而已，但在Mechanical模塊中上述方程式是在一 定的假設(shè)條件下求解的，即[反]和[M]都是常 量，且假設(shè)材料是線彈性材料，使用小撓度理論， 還不包含非線性特性。由于[C]不存在，因此不 包含阻尼。由于不存在，因此假設(shè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有激 勵(lì)。

在此對(duì)龍門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析，分析對(duì)比龍門(mén)架是 否存在共振現(xiàn)象，以及龍門(mén)架的變形情況。

2. 1地磅焊接系統(tǒng)的三維模型

圖3地磅焊接系統(tǒng)三維模型 2.2龍門(mén)架的計(jì)算參數(shù)

龍門(mén)架結(jié)構(gòu)材料為鋼結(jié)構(gòu)（45#),其參數(shù)為：彈 性模量210GPa，泊松比0.3,密度7 850 kg/cm3。 2.3龍門(mén)架的有限元模型

有限元法[1‘4]最主要的出發(fā)點(diǎn)就是將零件實(shí)體劃 分為有限個(gè)微小的單元體，一般來(lái)說(shuō)，劃分的單元體 愈多愈密也就愈能反應(yīng)實(shí)際零件，計(jì)算精度也就愈 高，但計(jì)算時(shí)間和計(jì)算工作量會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此必 須兼顧硬件設(shè)備和精度的要求。為保障計(jì)算精度，充 分發(fā)揮計(jì)算機(jī)資源，提高計(jì)算效率，將龍門(mén)架采用 Solid95 20nodes,經(jīng)過(guò)處理后得到龍門(mén)架的有限元模 型如圖4所示，有限單元數(shù)目為6 164個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目 為12 288個(gè)，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4龍門(mén)架有限元模型 2.4龍門(mén)架所受載荷和邊界條件

在對(duì)整體龍門(mén)架進(jìn)行計(jì)算模態(tài)[8_w]分析時(shí)，采 用不同的約束對(duì)分析結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生直接的影響，邊界 條件不同，所求得的模態(tài)參數(shù)也不同。龍門(mén)架是地磅 焊接機(jī)器人中重要的支撐件，在焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接 過(guò)程中，龍門(mén)架受到拉壓載荷以及振動(dòng)載荷，在焊接 時(shí)主要承受焊接機(jī)器人本身的自重載荷（3 000 N)。

在ANSYS Workbench中對(duì)橫梁的不同位置進(jìn)行 加載，查看機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、變形情況，龍門(mén)架 的最右端施加邊界條件，x方向給定一個(gè)20 mm/s 的速度，y和z方向固定。表1數(shù)值表示在分析過(guò) 程中將相同的力施加在對(duì)龍門(mén)架的三個(gè)不同位置參 數(shù)值。

3.數(shù)值模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)龍門(mén)架施加邊界條件和載荷后，對(duì)其進(jìn)行 模態(tài)分析計(jì)算，在此只列出變化比較大的第1、4、6 階模態(tài)圖，如圖5—7所示。

通過(guò)對(duì)圖1、4、6進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，龍門(mén)架在不同 位置處受到的載荷對(duì)機(jī)構(gòu)的固有頻率沒(méi)有影響，因 此，在后面的分析中只針對(duì)龍門(mén)架在末端位置受到靜 載荷的情況下，龍門(mén)架的變形量和應(yīng)力變化情況進(jìn)行 分析比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在發(fā)生變形后對(duì)機(jī)構(gòu)的精度影響 情況，從而進(jìn)行改進(jìn)，減少機(jī)構(gòu)因受到外部載荷發(fā)生 變形而影響機(jī)構(gòu)精度。表2所述參數(shù)為龍門(mén)架在沒(méi)有 優(yōu)化之前受到一定力時(shí)，不同模數(shù)情況下對(duì)應(yīng)的振型 和偏移量參數(shù)值。

電機(jī)的電源頻率50 Hz,動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析結(jié)果龍 門(mén)架的振動(dòng)頻率為3. 47 Hz,可見(jiàn)電機(jī)的最低階頻率 與振動(dòng)頻率相差很多，不會(huì)出現(xiàn)電源頻率與固有頻率 合拍共振的情況。

4.龍門(mén)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)查找，這類(lèi)滑軌在大約1.2 mm時(shí)龍門(mén)架會(huì) 發(fā)生較大變形，導(dǎo)致滑塊與滑軌之間碰撞，由此容易 發(fā)生卡死的現(xiàn)象。

通過(guò)以上對(duì)龍門(mén)架靜態(tài)載荷下的模態(tài)分析，針對(duì) 龍門(mén)架薄弱環(huán)節(jié)采用增加加強(qiáng)筋的方法，來(lái)增加龍門(mén) 架的強(qiáng)度和剛度，減小龍門(mén)架的變形量，防止滑軌發(fā) 生因變形而產(chǎn)生的卡死現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖9為龍門(mén)架優(yōu)化后的實(shí)物圖，圖10—12為對(duì) 龍門(mén)架進(jìn)行改進(jìn)后，施加相同載荷后，龍門(mén)架的模態(tài) 狀況；對(duì)龍門(mén)架的兩端變形過(guò)大和容易發(fā)生斷裂的地

力，米用那獨(dú)肋進(jìn)仃獨(dú)反忟餃，丹;久對(duì)兒I j朱進(jìn)仃or

析后發(fā)現(xiàn)，校核后機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的變形量變 小，且低于1.2 mm滑軌卡死的情況，降低了影響精 度的因素，強(qiáng)度和剛度變大，振型幅度變小。

5.結(jié)論

通過(guò)模型動(dòng)態(tài)顯示可以直觀地分析龍門(mén)架的動(dòng)態(tài) 性能，確定了龍門(mén)架薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)龍門(mén)架結(jié)構(gòu)由于 振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形可能會(huì)造成相關(guān)部件疲 勞破壞，甚至斷裂等問(wèn)題；同時(shí)利用模態(tài)參數(shù)的變化 診斷來(lái)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的故障及研究龍門(mén)架整體的振動(dòng)情況。

在模態(tài)分析中，通過(guò)對(duì)龍門(mén)架的薄弱環(huán)節(jié)采用加 強(qiáng)筋，使其滿足剛度和強(qiáng)度要求，在保證龍門(mén)架受到 外界載荷時(shí)，不會(huì)因變形量太大而導(dǎo)致滑軌卡死，影 響精度，同時(shí)分析了龍門(mén)架的頻率響應(yīng)與電源頻率之 間在工作中較低模態(tài)下不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象