針對地磅端頭板的焊接技術設計了龍門架式可移動焊接機構，通過模態(tài)分析龍門架在承受動態(tài)載荷時，龍門架 的變形和應力變化情況，對龍門架薄弱環(huán)節(jié)進行強度和剛度加強，避免因變形過大導致滑軌卡死，進而影響焊接精度。

0.前言

隨著社會發(fā)展和科技進步，機器人在社會各個領 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(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有超過一半應 用于各種形式的焊接加工領域。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(tǒng)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(tǒng)為基礎， 通過軟硬件之間的連接，有機結合成一個完整的焊接 系統(tǒng)。在實際應用中，通常會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)生產中俗稱的焊接機器人工作站或者焊接機器 人系統(tǒng)。

目前關于焊接機器人的運用很多，但利用龍門式 平臺與焊接機器人的結合來解決地鎊框架焊接質量的 問題，采用路徑規(guī)劃算法耦合平臺運動及焊接機器人 運動的方法進行計算的相關研究相對較少。

本文作者設計了一種單邊支撐龍門式臺架，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，同時有效地利用了空間；實現(xiàn) 二維精確運動，確保焊接機器人精確定位。在設計過 程中，龍門架在導軌上進行滑動，在龍門架的橫向位 置，安裝有焊接機器人，焊接機器人本身的質量會對 龍門架產生一定的負載，造成龍門架結構發(fā)生變形， 從而會造成滑軌卡死，而影響焊接精度。

1.地確焊接龍門架的結構設計

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

為地磅焊接系統(tǒng)模型

圖2是對圖1模型運動形式的簡化，表示了機構 在運動時的運動形式和狀態(tài)。

門架受到外部載荷的作用y方向會發(fā)生變形, 如果變形量太大，會導致滑軌卡死無法移動，同時也 會導致精度降低。

由于運動所產生的振動現(xiàn)象是龍門架經常遇到的 問題，振動會造成結構的共振或疲勞，從而破壞結 構，因此對龍門架進行模態(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中對龍門架進行模態(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 門架進行結構優(yōu)化設計。

2.龍門架結構的模態(tài)分析

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

在產品設計之前可以預先避免可能引起的 共振。

有助于在其他動力分析中估算求解控制參 數（如時間步長）等。因為結構的振動特性決定了 結構對各種動力載荷的響應情況，所以在動力分析之 前首先要進行模態(tài)分析。

假定為自由振動并忽略阻尼時，其方程為：

+[/nui =ioi (l)

當發(fā)生諧振動，即M = t/sin(如）時，方程為：

([反]-c^[M])|=0 (2)

故對于一個結構的模態(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)提取只是用來描述特征值和特征向量計算的 術語而已，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，因此假設結構沒有激 勵。

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

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龍門架的計算參數

龍門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龍門架的有限元模型

有限元法[1‘4]最主要的出發(fā)點就是將零件實體劃 分為有限個微小的單元體，一般來說，劃分的單元體 愈多愈密也就愈能反應實際零件，計算精度也就愈 高，但計算時間和計算工作量會呈指數增長，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，將龍門架采用 Solid95 20nodes,經過處理后得到龍門架的有限元模 型如圖4所示，有限單元數目為6 164個，節(jié)點數目 為12 288個，網格劃分如圖4所示。

圖4龍門架有限元模型 2.4龍門架所受載荷和邊界條件

在對整體龍門架進行計算模態(tài)[8_w]分析時，采 用不同的約束對分析結果將會產生直接的影響，邊界 條件不同，所求得的模態(tài)參數也不同。龍門架是地磅 焊接機器人中重要的支撐件，在焊接機器人進行焊接 過程中，龍門架受到拉壓載荷以及振動載荷，在焊接 時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行 加載，查看機構的強度、剛度、變形情況，龍門架 的最右端施加邊界條件，x方向給定一個20 mm/s 的速度，y和z方向固定。表1數值表示在分析過 程中將相同的力施加在對龍門架的三個不同位置參 數值。

3.數值模態(tài)計算分析結果

經過對龍門架施加邊界條件和載荷后，對其進行 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。

通過對圖1、4、6進行分析發(fā)現(xiàn)，龍門架在不同 位置處受到的載荷對機構的固有頻率沒有影響，因 此，在后面的分析中只針對龍門架在末端位置受到靜 載荷的情況下，龍門架的變形量和應力變化情況進行 分析比較，發(fā)現(xiàn)機構在發(fā)生變形后對機構的精度影響 情況，從而進行改進，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所述參數為龍門架在沒有 優(yōu)化之前受到一定力時，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,動力學模態(tài)分析結果龍 門架的振動頻率為3. 47 Hz,可見電機的最低階頻率 與振動頻率相差很多，不會出現(xiàn)電源頻率與固有頻率 合拍共振的情況。

4.龍門架結構優(yōu)化設計

通過查找，這類滑軌在大約1.2 mm時龍門架會 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(xiàn)象。

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

結構優(yōu)化設計如圖8所示。

圖9為龍門架優(yōu)化后的實物圖，圖10—12為對 龍門架進行改進后，施加相同載荷后，龍門架的模態(tài) 狀況；對龍門架的兩端變形過大和容易發(fā)生斷裂的地

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析后發(fā)現(xiàn)，校核后機構的強度，發(fā)現(xiàn)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

通過模型動態(tài)顯示可以直觀地分析龍門架的動態(tài) 性能，確定了龍門架薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)龍門架結構由于 振動產生的彎曲、扭轉等變形可能會造成相關部件疲 勞破壞，甚至斷裂等問題；同時利用模態(tài)參數的變化 診斷來預報結構的故障及研究龍門架整體的振動情況。

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