賈超偉+桑運曉+劉同壯

摘 要：本文以礦車懸掛焊接變位機為研究對象，提出了焊接變位機整體的設(shè)計方案，完成了主要組件的選型，給出了變位機的總裝方案；以擺動轉(zhuǎn)臺為例，使用ANSYS Workbench軟件對擺動轉(zhuǎn)臺進行有限元分析，并對轉(zhuǎn)臺進行輕量化設(shè)計；將轉(zhuǎn)臺的設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用到變位機其他零件的設(shè)計，進而縮短變位機的設(shè)計周期，降低了制造成本。

關(guān)鍵詞：礦車懸掛；變位機；機構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；ANSYS Workbench

一、引言

在現(xiàn)代焊接機器人工作站中，變位機是實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)焊接生產(chǎn)的重要組成部件[1]。本文根據(jù)礦車懸掛焊接工藝要求，首先對變位機進行整體方案設(shè)計，然后進行具體化設(shè)計，使用ANSYS Workbench軟件對關(guān)鍵零件進行優(yōu)化設(shè)計，使其在滿足使用要求的基礎(chǔ)上達到輕量化。

二、 變位機機構(gòu)設(shè)計

變位機機體由夾具體機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺動轉(zhuǎn)臺機構(gòu)、工作臺以及安全防護裝置組成。工作臺平面安裝擺動轉(zhuǎn)臺機構(gòu)，轉(zhuǎn)臺上兩個工位對稱安裝兩套翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)完成對夾具體機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)，夾具體機構(gòu)完成對焊接件的定位夾緊。轉(zhuǎn)臺可進行180度循環(huán)擺動，從而實現(xiàn)雙工位加工。其中對擺動轉(zhuǎn)臺機構(gòu)設(shè)計中，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺180度循環(huán)擺動，滿足雙工位加工及焊接工藝精度要求，最終選用伺服電機作為動力裝置。傳動系統(tǒng)采用大減速比的行星減速機加定軸外嚙合齒輪傳動的形式，滿足了力矩要求，縮短了傳動鏈。傳動鏈為：伺服電機→減速機→定軸外嚙合齒輪副→擺動轉(zhuǎn)臺。

三、 轉(zhuǎn)臺的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

變位機運動零件中，轉(zhuǎn)臺體積最大、質(zhì)量最重，具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，作為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的承載平臺，對焊接位置精度影響較大。使用ANSYS Workbench軟件對轉(zhuǎn)臺進行有限元分析，檢驗轉(zhuǎn)臺是否能都達到使用要求，同時對轉(zhuǎn)臺進行優(yōu)化設(shè)計，使其達到最佳設(shè)計效果。使用ANSYS Workbench軟件的DM模塊對轉(zhuǎn)臺進行參數(shù)化建模。在DS模塊中進行參數(shù)設(shè)置與計算分析，設(shè)定材料屬性，楊氏彈性模量為2.1E+11Pa，泊松比為0.3；對轉(zhuǎn)臺進行網(wǎng)格劃分，總節(jié)點數(shù)為23 343，單元數(shù)為11 580；設(shè)置求解項【Equivalent Stress】和【Total Deformation】；經(jīng)計算得出等效應(yīng)力云圖和總變形量云圖如圖1所示。

圖1總變形量云圖和等效應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力發(fā)生在筋板端部，應(yīng)力值遠小于材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求；四個安裝位置的最大變形量為1.04E-4m，低于焊接允許誤差，滿足焊接精度要求。該設(shè)計方案有較大的優(yōu)化空間，可對其進行進一步輕量化設(shè)計。

ANSYS Workbench中DX模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)化模型的目標優(yōu)化。選定圖3中的5個尺寸作為優(yōu)化輸入?yún)?shù)，H1為頂板板厚，H3-H6為筋板板厚。設(shè)置Equivalent Stress（等效應(yīng)力）、Total Deformation（總變形量）、Mass（質(zhì)量）為輸出參數(shù)及輸出參數(shù)的目標函數(shù)與優(yōu)化條件。采用MOGA（多目標遺傳算法）對轉(zhuǎn)臺進行多目標優(yōu)化。

通過分析輸入變量的敏感度圖可以清晰地了解輸入變量對目標函數(shù)的敏感程度，如圖2所示。H5和H6對總變形量影響較大，增大H5有利于減少總變形量；H3和H6對最大等效應(yīng)力

圖2輸入變量的敏感度

影響較大，增加H3有利于降低最大等效應(yīng)力；H1對質(zhì)量影響較大，減小H1對減輕質(zhì)量影響較明顯。

通過計算比較，最終得到三組最優(yōu)結(jié)果，將其作為最優(yōu)設(shè)計值，導(dǎo)入到DS模塊中重新計算分析，得到轉(zhuǎn)臺優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖和總變形量云圖，如圖3所示。

圖3總變形量云圖和等效應(yīng)力云圖

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)臺最大等效應(yīng)力基本沒有變化，仍然滿足強度要求；四個安裝位置的總變形量最大值為1.17E-4m，同樣滿足焊接精度要求；但總質(zhì)量減輕13%，從而使制造成本降低，轉(zhuǎn)動慣量減少，電機功耗降低。

參考文獻：

[1]陳裕川，江維，何奕波.現(xiàn)代機器人焊接變位機的設(shè)計準則[J].現(xiàn)代焊接，2011（5）：10-17.

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[3]李海龍，孫登月，謝久明.大型核電工件180°翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備設(shè)計與研究[J].機械設(shè)計，2016（4）：12-17.