基于ANSYSWorkbench的焊接机器人的性能分析

李世杰 郑培飞 温帅 马金艳

摘要 对ABB公司2600ID焊接机器人进行研究，分析其结构性能以便为其之后的结构改进提供重要的数据依据。采用ANSYS对研究的焊接机器人简化模型进行结构静力学分析，得到机器人工作时的薄弱环节。然后针对薄弱环节进行结构动力学模态分析，得到其前6阶振型云图，分析它的固有频率和各阶的振动型态，确定其工作时产生的振动变形。基于此对薄弱环节进行谐响应分析，确定其在工作过程中具体的变形以及应力变化情况。利用ANSYS对机器人的分析结果可以很好的指导机器人的工作并减少对机器人产生的危害，同时为结构的改进提供重要的数据依据。

关 键 词 焊接机器人;ANSYS;静力学分析;模态分析;谐响应分析

中图分类号 TP242     文献标志码 A

Abstract This paper studies ABB's 2600ID welding robot and analyzes its structural performance in order to provide an important data basis for its subsequent structural improvement. ANSYS is used to analyze the simplified model of the welding robot， and the weak link of the robot is obtained. Then， the structural dynamics of the weak link is analyzed， and the first 6-order mode cloud is obtained. The natural frequency and the vibration patterns of each stage are analyzed to determine the vibration and deformation during operation. Based on this analysis of the weak links harmonic response to determine the specific deformation in the course of their work and stress changes.Using ANSYS to analyze the results of the robot can guide the work of the robot and reduce the harm caused by the robot， and provide important data basis for further improvement of the structure.

Key words welding robot; ANSYS; static analysis; modal analysis; harmonic response analysis

0 引言

自1959年美国推出世界上第一台Unimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，其中有半数为焊接机器人[1]。使用焊接机器人进行焊接工作具有高品质、高效率、高速度、高稳定性、柔性化、短周期、劳动环境好等显著优势，在现代焊接技术领域具有越来越重要的地位[2]。因此研究机器人的整体结构性能和关键部件的固有动态性能，进而为机器人结构的改进提供重要的数据依据和理论依据是很重要的。

本文研究对象为ABB公司的2600ID型号的弧焊机器人。ABB集团作为六轴机器人的发明者，其集团的机器人重复精度高，结构稳定性好，而2600ID焊接机器人结构紧凑、底座半径极小、手腕异常纤细，在狭小空间都能够完成很多复杂动作，是当前应用率最高的弧焊机器人。针对2600ID焊接机器人，利用ANSYS Workbench对其进行整体的静力学分析以及对其薄弱环节进行进一步的模态分析和谐响应分析，可以得到机器人在工作状况下的结构变形和受力情况，从而为改善当前焊接机器人技术提供有力的数据依据。

1 焊接机器人静力学分析

1.1 焊接机器人有限元模型的建立

本次建模采用SolidWorks进行模型设计，将设计出的机器人模型导入ANSYS 14.5中进行有限元分析。以ABB公司的2600ID焊接机器人为原型建立的机器人数学模型（图1）包括基座、腰座、大臂、肘关节、小臂、手腕翻转和手腕旋转部分。

立足于机器人运动特性和样机结构特性，在保证全面准确地反映部件的刚度以及不影响所要求的分析精度下，对机器人的三维模型进行适当简化，从而节省大量的分析时间，避免资源的浪费[3]。本次有限元简化模型（图2）对机器人的电动机以及一些不影响分析精度的特征如圆角、倒角、螺纹孔等进行了简化。

由于结构上的限制，焊接机器人有一定的工作区域（图3），工作过程中机器人各部分配合运动，从而产生不同的姿态，因此我们在研究机器人的静力学结构特性时，选择一种机器人处在工作极限位置的姿态来进行分析。如图4所示，本次有限元分析基于机器人处于水平方向的极限位置进行结构分析，在此姿态下，大臂与水平方向的夹角为5°，小臂、手腕翻转部件均沿着水平方向向前。

1.2 焊接机器人静力学分析

在线性结构静力学分析中，材料属性必须输入弹性模量和泊松比，本次有限元建模中，机器人的材料选用铝合金，其密度为2 770 kg/m3，弹性模量为71 GPa，泊松比为0.33。网格划分时网格的疏密会直接影响计算结果精度，网格太稀疏会使得计算结果精度降低，网格太密集，會使得计算时间过长[4]。 本次划分网格是采用自动网格划分方法，经过适当调整，整个模型共划分为3 312个单元格和6 137个节点。

基于机器人实际的工作环境和工作状况，在进行有限元分析时，限制模型基座的6个自由度包括沿着X、Y、Z 3轴的移动和转动。由于所选机器人最大载荷为8 kg，所以在执行末端手腕旋转部位添加方向垂直向下的集中载荷80 N，经过有限元分析计算，在负载力作用下机器人水平极限位置的应力变化和位移变化如图5所示。

从应力云图上可以看出机器人在受到执行末端的集中载荷后，最大应力产生在肘关节的应力集中处，为0.694 MPa，其远小于铝合金的许用应力235 MPa，显然机器人结构合理并且能够满足强度要求。同时大臂部分产生的应力变化最明显，在大臂左右边缘同时靠近肘关节的部位产生了较大的应力值0.617 MPa。根据位移云图可以分析出在受到执行末端的集中载荷后，从机器人大臂部分开始产生位移变化，并在手腕旋转部分达到最大的变形，为32.371 mm。

静力分析结果表明机器人在工作时，大臂是受到影响最大的部分，确定其是机器人整体结构的薄弱环节。接下来将针对大臂这一薄弱环节进行动力学模态分析，详细了解大臂在振动工作过程中产生的变化。

2 焊接机器人大臂模态分析

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。模态分析主要研究的是零部件模型的固有频率与振型。每个零部件都有其本身固有的振动频率，当该振动频率被激活时，将会产生与之相对应的振动形态，分别称之为共振频率和振动模态[5]。如果通过模态分析搞清楚结构在某个频率范围内易受影响，就可以预知结构在此频段内，受外界载荷作用下的实际振动响应，从而为结构设计避免共振、优化系统动态特性提供参考依据[6]。

无阻尼模态分析是经典的的特征值问题，动力学问题的运动方程为上述方程式是经典的特征值问题，该方程的特征值为[ω2i]，其开方[ωi]就是自振圆频率，自振频率为[f=ωi2π]，特征值对应的特征向量[xi]为自振频率[f=ωi2π]下对应的振型[7]。

2.1 焊接机器人大臂有限元模型的建立

在Solidworks中建立大臂模型，由于机器人大臂并不存在使ANSYS有限元分析时间过长的复杂结构，所以本文采用原始模型进行分析，以得到更高的计算精度，模型如图6所示。

2.2 焊接机器人大臂模态分析

受不变载荷作用下所产生的应力会影响到结构的固有频率，尤其对于在某一个或两个尺寸上很薄的结构来说影响更大，因此结构分析时要考虑到预应力的影响[7]。为了更准确的反映机器人大臂在工作情况下的应力以及位移变化，在进行模态分析前给大臂模型设定具体的工作要求。由于机器人大臂进行的是绕腰座进行的旋转运动，其最大旋转速度为[175]°/s，所以设定其旋转角速度为[3.05 rads]。

在模态分析中，材料属性包括弹性模量、泊松比和材料密度是必须定义的，此次分析选用的材料与焊接机器人静力学分析的材料相同，均采用铝合金。划分网格时采用自动网格划分方法，同样经过适当调整后，得到的网格如图7所示，共产生单元格18 260个，节点30 107个。

由于大臂是绕着腰座进行旋转运动，所以在大臂与腰座连接的部位加载圆柱面约束，设置其径向方向为自由，轴向和切向为固定，然后求出其前6阶固有频率和振型。经过ANSYS分析计算，得到大臂的前6阶振型云图如图8所示，大臂前6阶固有频率和振型描述如表1所示。

从模态分析结果中可以看出，机器人大臂的第1阶和第2阶振型都是沿着一个方向摆动，所以提高大臂的刚度可以改善大臂的动态性能，减少大臂在低阶频率时的结构变形。从第3阶固有频率开始，机器人大臂出现沿着某一方向的弯曲或扭曲变形，所以在第3阶固有频率之上工作会对大臂结构产生很大的危害。参考大臂的固有频率，在机器人工作过程中，应极力避免共振现象的出现。

3 焊接机器人大臂谐响应分析

谐响应分析主要用于持续的周期载荷在结构中产生的持续周期响应，以及确定线性结构承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。进行谐响应分析的目的是确保结构能经受住频率的各种正弦载荷以及探测共振响应，并在必要时避免其发生[8]。

由经典力学理论可知，物体的动力学方程为

[Mx+Cx+Kx=Ft] 。 （4）

式中：[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;[x]为位移矢量;[Ft]是力矢量;[x]为速度矢量;[x]为加速度矢量。

在谐响应分析中，力载荷为

[F=F0sinωt]。 （5）

对于焊接机器人来说，其工作过程为机器人带动焊枪在工件表面按照预设的轨迹进行移动，在焊接过程中受到的反震力以及自身的振动变形都会影响机器人动作的稳定性以及准确性，从而造成焊缝的偏移，无法达到工作要求。所以对机器人薄弱环节进行谐响应分析验证其是否能克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果是十分必要的。

此次机器人大臂谐响应分析是在其模态分析的基础上进行的，所以分析过程中的前处理与模态分析前处理相同，大臂材料采用铝合金，网格划分的方法与结果均与模态分析时一致，采用自动网格划分方法，共产生单元格18 260个，节点30 107个，其网格图如图7所示。

机器人大臂在工作过程中主要受到肘关节传递过来的力载荷，所以设置大臂与肘关节接触面为应激点，其受到的正弦载荷幅值为300 N，方向垂直于接触面向外，相位角为0°，其受力图如图9所示。同样的，添加预应力可以使谐响应分析结果更准确地反映机器人大臂在工作状态下基于正弦载荷激励下产生的应力和位移变化，为机器人后续的工作提供更精准有力的数据依据。预应力的添加参考进行模态分析时设定的工作要求，在机器人大臂和腰座的接触面添加逆时针的角速度，其大小为[3.05 rads]，角速度示意图如图10所示。

由模态分析得出机器人大臂的前6阶固有频率范围为0 ～ 1 111.4 Hz，所以设置谐响应分析频率变化范围为0 ～ 1 800 Hz，采样点为180个，间隔为10 Hz。经过100次扫频计算，得到应激点X、Y和Z 3个方向的位移—频率响应曲线，分别如图11、图12、图13所示。对比分析应激点处的位移—频率响应曲线可得，X方向即机器人大臂左右方向随着频率的变化振动变形较为敏感，在前5阶固有频率处均出现位移峰值，但相较于另外2个方向变形程度要小很多。Y方向即机器人大臂前后方向和Z方向即机器人大臂轴线方向均在第1、3阶固有频率处出现位移峰值，且都在第1阶频率处出现最大位移变化，而Y方向位移变化最为明显。從分析结果中可知，机器人大臂工作时主要在低频率阶段内产生振动变形，在第1阶固有频率处发生共振现象可能性最大，会对机器人大臂工作的精准度以及稳定性造成较大的影响。

同样可从分析结果中得到X、Y和Z 3个方向的应力—频率响应曲线，分别如图14、图15、图16所示。对比分析应激点处的应力—频率响应曲线可得，X、Y和Z方向的应力峰值均出现在第1、3阶固有频率处，且均在第3阶固有频率处应力变化最为明显。同时可以看出在整个扫频过程中Z方向的应力变化相较于其他2个方向要大得多。从分析结果中可知，机器人大臂工作过程中的应力变化主要产生在低频率阶段，尤其在第3阶固有频率下工作时会产生大的应力突变，对大臂结构的强度和疲劳寿命造成很大的影响。

4 结论

利用ANSYS对2600ID焊接机器人进行静力学分析，可以得出其结构的薄弱环节在于机器人大臂，然后针对薄弱环节进行预应力下的动力学模态分析，能够得到大臂的固有频率和振型。在此基础上，对机器人大臂进行谐响应分析，得到其在0 ～ 1 800 Hz频率范围内受到正弦载荷时的位移和应力响应曲线，分析可知机器人大臂在第1、3阶固有频率处工作时，会对机器人的结构以及工作稳定性造成大的影响。參考对机器人结构的分析结果，可以指导机器人的工作，避免工作过程出现共振带来的危害并为进一步的结构改进提供理论依据。

参考文献：

[1]    林尚扬，陈善本. 焊接机器人及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2000.

[2]    王克鸿，高飞，高俊平. 基于视觉的机器人智能化焊接技术现状与发展[J]. 机械制造与自动化，2010，39（5）：1-6.

[3]    张松，乔凤斌，赵维刚. 基于ANSYS的搅拌摩擦点焊机器人关键部件的分析与优化设计[J]. 制造业自动化，2012，34（6）：8-10，14.

[4]    董旭，李志杰，徐晶明. 基于ANSYS Workbench六自由度工业机器人动态特征分析[J]. 精密制造与自动化，2014（3）：10-13，43.

[5]    杨明亮，徐格宁，常争艳，等. 基于有限元法的桥式起重机桥架模态分析[J]. 机械科学与技术，2012，31（1）：135-137

[6]    PIRES J N，CARAMELO F J，BRITO P，et al. Robotics in implant dentistry：stress/strain analysis. System overview and experiments[J]. Industrial Robot：an International Journal，2006，33（5）：373-380.

[7]    高长银，李万全，刘丽，等. ANSYS Workbench 14. 5建模与仿真从入门到精通[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[8]    商跃进，王红. 有限元原理与ANSYS实践[M]. 北京：清华大学出版社，2012.

[责任编辑 杨 屹]