針對地磅端頭板的焊接技術(shù)設計了龍門(mén)架式可移動(dòng)焊接機構，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 的變形和應力變化情況，對龍門(mén)架薄弱環(huán)節進(jìn)行強度和剛度加強，避免因變形過(guò)大導致滑軌卡死，進(jìn)而影響焊接精度。

0.前言

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

目前關(guān)于焊接機器人的運用很多，但利用龍門(mén)式 平臺與焊接機器人的結合來(lái)解決地鎊框架焊接質(zhì)量的 問(wèn)題，采用路徑規劃算法耦合平臺運動(dòng)及焊接機器人 運動(dòng)的方法進(jìn)行計算的相關(guān)研究相對較少。

本文作者設計了一種單邊支撐龍門(mén)式臺架，擴大 焊接機器人的工藝范圍，使焊接機器人能夠達到最大 尺寸的地磅框架位置，同時(shí)有效地利用了空間；實(shí)現 二維精確運動(dòng)，確保焊接機器人精確定位。在設計過(guò) 程中，龍門(mén)架在導軌上進(jìn)行滑動(dòng)，在龍門(mén)架的橫向位 置，安裝有焊接機器人，焊接機器人本身的質(zhì)量會(huì )對 龍門(mén)架產(chǎn)生一定的負載，造成龍門(mén)架結構發(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)架的結構設計

針對設計的地鎊焊接龍門(mén)架系統⑴采用滾珠絲 杠、導軌、滑塊、齒輪、齒條作為傳動(dòng)機構。整個(gè)龍 門(mén)系統的立柱和橫梁尺寸較大，對微位移的放大效果 非常顯著(zhù)，將采用虛擬樣機技術(shù)對系統進(jìn)行建模，用 ANSYS Workbench中的有限元進(jìn)行剛度和強度分析， 并以此進(jìn)行結構優(yōu)化設計，保證在工作過(guò)程中，龍門(mén) 系統的變形最小。

為地磅焊接系統模型

圖2是對圖1模型運動(dòng)形式的簡(jiǎn)化，表示了機構 在運動(dòng)時(shí)的運動(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 )導致滑軌卡死無(wú)法移動(dòng)，同時(shí)也 會(huì )導致精度降低。

由于運動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)現象是龍門(mén)架經(jīng)常遇到的 問(wèn)題，振動(dòng)會(huì )造成結構的共振或疲勞，從而破壞結 構，因此對龍門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析，了解機構本身具有 的剛度特性即結構的固有頻率和振型，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中對龍門(mén)架進(jìn)行模態(tài)分析， 在不導致滑軌卡死以及影響焊接精度的情況下，對龍 門(mén)架進(jìn)行結構優(yōu)化設計。

2.龍門(mén)架結構的模態(tài)分析

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

在產(chǎn)品設計之前可以預先避免可能引起的 共振。

有助于在其他動(dòng)力分析中估算求解控制參 數（如時(shí)間步長(cháng)）等。因為結構的振動(dòng)特性決定了 結構對各種動(dòng)力載荷的響應情況，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)

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

([反]-c^[M])|=0 (2)

故對于一個(gè)結構的模態(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 定的假設條件下求解的，即[反]和[M]都是常 量，且假設材料是線(xiàn)彈性材料，使用小撓度理論， 還不包含非線(xiàn)性特性。由于[C]不存在，因此不 包含阻尼。由于不存在，因此假設結構沒(méi)有激 勵。

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

2. 1地磅焊接系統的三維模型

圖3地磅焊接系統三維模型 2.2龍門(mén)架的計算參數

龍門(mén)架結構材料為鋼結構（45#),其參數為：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實(shí)際零件，計算精度也就愈 高，但計算時(shí)間和計算工作量會(huì )呈指數增長(cháng)，因此必 須兼顧硬件設備和精度的要求。為保障計算精度，充 分發(fā)揮計算機資源，提高計算效率，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，有限單元數目為6 164個(gè)，節點(diǎn)數目 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

在對整體龍門(mén)架進(jìn)行計算模態(tài)[8_w]分析時(shí)，采 用不同的約束對分析結果將會(huì )產(chǎn)生直接的影響，邊界 條件不同，所求得的模態(tài)參數也不同。龍門(mén)架是地磅 焊接機器人中重要的支撐件，在焊接機器人進(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)主要承受焊接機器人本身的自重載荷（3 000 N)。

在ANSYS Workbench中對橫梁的不同位置進(jìn)行 加載，查看機構的強度、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數值表示在分析過(guò) 程中將相同的力施加在對龍門(mén)架的三個(gè)不同位置參 數值。

3.數值模態(tài)計算分析結果

經(jīng)過(guò)對龍門(mén)架施加邊界條件和載荷后，對其進(jìn)行 模態(tài)分析計算，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)對圖1、4、6進(jìn)行分析發(fā)現，龍門(mén)架在不同 位置處受到的載荷對機構的固有頻率沒(méi)有影響，因 此，在后面的分析中只針對龍門(mén)架在末端位置受到靜 載荷的情況下，龍門(mén)架的變形量和應力變化情況進(jìn)行 分析比較，發(fā)現機構在發(fā)生變形后對機構的精度影響 情況，從而進(jìn)行改進(jìn)，減少機構因受到外部載荷發(fā)生 變形而影響機構精度。表2所述參數為龍門(mén)架在沒(méi)有 優(yōu)化之前受到一定力時(shí)，不同模數情況下對應的振型 和偏移量參數值。

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

4.龍門(mén)架結構優(yōu)化設計

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，導致滑塊與滑軌之間碰撞，由此容易 發(fā)生卡死的現象。

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

結構優(yōu)化設計如圖8所示。

圖9為龍門(mén)架優(yōu)化后的實(shí)物圖，圖10—12為對 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，米用那獨肋進(jìn)仃獨反忟餃，丹;久對兒I j朱進(jìn)仃or

析后發(fā)現，校核后機構的強度，發(fā)現機構的變形量變 小，且低于1.2 mm滑軌卡死的情況，降低了影響精 度的因素，強度和剛度變大，振型幅度變小。

5.結論

通過(guò)模型動(dòng)態(tài)顯示可以直觀(guān)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，發(fā)現龍門(mén)架結構由于 振動(dòng)產(chǎn)生的彎曲、扭轉等變形可能會(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)參數的變化 診斷來(lái)預報結構的故障及研究龍門(mén)架整體的振動(dòng)情況。

在模態(tài)分析中，通過(guò)對龍門(mén)架的薄弱環(huán)節采用加 強筋，使其滿(mǎn)足剛度和強度要求，在保證龍門(mén)架受到 外界載荷時(shí)，不會(huì )因變形量太大而導致滑軌卡死，影 響精度，同時(shí)分析了龍門(mén)架的頻率響應與電源頻率之 間在工作中較低模態(tài)下不會(huì )發(fā)生共振現象