弧焊機器人有限元分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著中國制造2025的提出和國家對高端制造業(yè)的大力支持，我國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，工業(yè)機器人也不斷推陳出新，焊接機器人是工業(yè)機器人中應用最為廣泛的一種典型的機器人，早已走向產(chǎn)業(yè)化并在不斷完善。與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的焊接機器人在工作性能、生產(chǎn)效率和可靠性等方面都相對較差。本文以十公斤弧焊機器人為基礎，以輕質(zhì)量、高剛度和高速度性能為目標，對機器人進行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　首先，根據(jù)研究內(nèi)容需要，完成對負載十

2、公斤的弧焊機器人的前期處理工作。簡化機器人的參數(shù)模型，建立了機器人的結(jié)構(gòu)簡圖和D-H參數(shù)表，完成零件圖的繪制和整機裝配。進行運動學分析和驗證，求解其雅克比矩陣，為后文相關(guān)性能指標的提出奠定基礎。分析了機器人的工作空間，可將之作為優(yōu)化的約束條件或者評價優(yōu)化效果的標準之一。
　　其次，在ADAMS中對機器人進行動力學分析，找到機器人在其要求的整個工作空間內(nèi)各零件工作狀態(tài)最惡劣時候的位姿，在該位姿處對關(guān)鍵零件進行有限元分析。采用拓撲優(yōu)化

3、的方法對機器人的大臂結(jié)構(gòu)進行輕量化設計，大臂通過拓撲優(yōu)化，達到了減小質(zhì)量的目的，同時提高了剛度。
　　再次，根據(jù)機器人對運動靈活性和速度平穩(wěn)性的要求提出了一些性能指標，包括最大工作空間距離性能指標、靜剛度性能指標和全域速度綜合性能指標。確定將靜剛度性能和速度綜合性能作為優(yōu)化模型最終的優(yōu)化目標，接著分析了優(yōu)化目標之間的耦合性，確定各目標之間的關(guān)系。進行優(yōu)化變量的靈敏度分析得出各優(yōu)化目標對其變量的敏感程度，根據(jù)實際情況確定約束條件，在

4、此基礎上建立了優(yōu)化函數(shù)模型，為下文的尺寸優(yōu)化做準備。
　　最后，針對多目標優(yōu)化問題，通過分析比較，采用Pareto最優(yōu)前沿面方法選取最優(yōu)解組合。為避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解，同時提高求解的效率和收斂性，選擇了NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法來求解優(yōu)化模型。分析優(yōu)化結(jié)果，從理論上證明了尺寸優(yōu)化有效地提高了機器人的速度綜合性能，靜剛度性能和工作空間也都有一定的提升，兩步優(yōu)化也使得機器人整體質(zhì)量有所減少，達到了預期結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標。通過系統(tǒng)仿真實驗，驗證了結(jié)構(gòu)