针对地磅端头板的焊接技术设计了龙门架式可移动焊接机构，通过模态分析龙门架在承受动态载荷时，龙门架 的变形和应力变化情况，对龙门架薄弱环节进行强度和刚度加强，避免因变形过大导致滑轨卡死，进而影响焊接精度。

0.前言

随着社会发展和科技进步，机器人在社会各个领 域的应用日益广泛，应用最广的要属工业机器人；在 工业机器人应用中，大部分为焊接机器人，据不完全 统计，全世界在役的工业机器人中大约有超过一半应 用于各种形式的焊接加工领域。焊接机器人就是从事 焊接加工的工业机器人，主要包括机器人和焊接设备 两部分。机器人由机器人本体和控制系统组成；而焊 接装备，以弧焊为例，则由焊接电源、送丝机、焊枪 等部分组成。以上各单元以机器人控制系统为基础， 通过软硬件之间的连接，有机结合成一个完整的焊接 系统。在实际应用中，通常会辅以焊接机器人各种形 式的周边设施，以完善焊接机器人的应用功能，也就 是工业生产中俗称的焊接机器人工作站或者焊接机器 人系统。

目前关于焊接机器人的运用很多，但利用龙门式 平台与焊接机器人的结合来解决地镑框架焊接质量的 问题，采用路径规划算法耦合平台运动及焊接机器人 运动的方法进行计算的相关研究相对较少。

本文作者设计了一种单边支撑龙门式台架，扩大 焊接机器人的工艺范围，使焊接机器人能够达到最大 尺寸的地磅框架位置，同时有效地利用了空间；实现 二维精确运动，确保焊接机器人精确定位。在设计过 程中，龙门架在导轨上进行滑动，在龙门架的横向位 置，安装有焊接机器人，焊接机器人本身的质量会对 龙门架产生一定的负载，造成龙门架结构发生变形， 从而会造成滑轨卡死，而影响焊接精度。

1.地確焊接龙门架的结构设计

针对设计的地镑焊接龙门架系统⑴采用滚珠丝 杠、导轨、滑块、齿轮、齿条作为传动机构。整个龙 门系统的立柱和横梁尺寸较大，对微位移的放大效果 非常显著，将采用虚拟样机技术对系统进行建模，用 ANSYS Workbench中的有限元进行刚度和强度分析， 并以此进行结构优化设计，保证在工作过程中，龙门 系统的变形最小。

为地磅焊接系统模型

图2是对图1模型运动形式的简化，表示了机构 在运动时的运动形式和状态。

门架受到外部载荷的作用y方向会发生变形, 如果变形量太大，会导致滑轨卡死无法移动，同时也 会导致精度降低。

由于运动所产生的振动现象是龙门架经常遇到的 问题，振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结 构，因此对龙门架进行模态分析，了解机构本身具有 的刚度特性即结构的固有频率和振型，将会避免在使 用中因共振因素造成的不必要的损失。

在ANSYS Workbench中对龙门架进行模态分析， 在不导致滑轨卡死以及影响焊接精度的情况下，对龙 门架进行结构优化设计。

2.龙门架结构的模态分析

模态分析是动力学分析中的基础内容，工程上进 行模态分析主要用于：

在产品设计之前可以预先避免可能引起的 共振。

有助于在其他动力分析中估算求解控制参 数（如时间步长）等。因为结构的振动特性决定了 结构对各种动力载荷的响应情况，所以在动力分析之 前首先要进行模态分析。

假定为自由振动并忽略阻尼时，其方程为：

+[/nui =ioi (l)

当发生谐振动，即M = t/sin(如）时，方程为：

([反]-c^[M])|=0 (2)

故对于一个结构的模态分析，其固有圆周频率 (o,和振型屯都能从上面矩阵方程式中得到。

模态提取只是用来描述特征值和特征向量计算的 术语而已，但在Mechanical模块中上述方程式是在一 定的假设条件下求解的，即[反]和[M]都是常 量，且假设材料是线弹性材料，使用小挠度理论， 还不包含非线性特性。由于[C]不存在，因此不 包含阻尼。由于不存在，因此假设结构没有激 励。

在此对龙门架进行模态分析，分析对比龙门架是 否存在共振现象，以及龙门架的变形情况。

2. 1地磅焊接系统的三维模型

图3地磅焊接系统三维模型 2.2龙门架的计算参数

龙门架结构材料为钢结构（45#),其参数为：弹 性模量210GPa，泊松比0.3,密度7 850 kg/cm3。 2.3龙门架的有限元模型

有限元法[1‘4]最主要的出发点就是将零件实体划 分为有限个微小的单元体，一般来说，划分的单元体 愈多愈密也就愈能反应实际零件，计算精度也就愈 高，但计算时间和计算工作量会呈指数增长，因此必 须兼顾硬件设备和精度的要求。为保障计算精度，充 分发挥计算机资源，提高计算效率，将龙门架采用 Solid95 20nodes,经过处理后得到龙门架的有限元模 型如图4所示，有限单元数目为6 164个，节点数目 为12 288个，网格划分如图4所示。

图4龙门架有限元模型 2.4龙门架所受载荷和边界条件

在对整体龙门架进行计算模态[8_w]分析时，采 用不同的约束对分析结果将会产生直接的影响，边界 条件不同，所求得的模态参数也不同。龙门架是地磅 焊接机器人中重要的支撑件，在焊接机器人进行焊接 过程中，龙门架受到拉压载荷以及振动载荷，在焊接 时主要承受焊接机器人本身的自重载荷（3 000 N)。

在ANSYS Workbench中对横梁的不同位置进行 加载，查看机构的强度、刚度、变形情况，龙门架 的最右端施加边界条件，x方向给定一个20 mm/s 的速度，y和z方向固定。表1数值表示在分析过 程中将相同的力施加在对龙门架的三个不同位置参 数值。

3.数值模态计算分析结果

经过对龙门架施加边界条件和载荷后，对其进行 模态分析计算，在此只列出变化比较大的第1、4、6 阶模态图，如图5—7所示。

通过对图1、4、6进行分析发现，龙门架在不同 位置处受到的载荷对机构的固有频率没有影响，因 此，在后面的分析中只针对龙门架在末端位置受到静 载荷的情况下，龙门架的变形量和应力变化情况进行 分析比较，发现机构在发生变形后对机构的精度影响 情况，从而进行改进，减少机构因受到外部载荷发生 变形而影响机构精度。表2所述参数为龙门架在没有 优化之前受到一定力时，不同模数情况下对应的振型 和偏移量参数值。

电机的电源频率50 Hz,动力学模态分析结果龙 门架的振动频率为3. 47 Hz,可见电机的最低阶频率 与振动频率相差很多，不会出现电源频率与固有频率 合拍共振的情况。

4.龙门架结构优化设计

通过查找，这类滑轨在大约1.2 mm时龙门架会 发生较大变形，导致滑块与滑轨之间碰撞，由此容易 发生卡死的现象。

通过以上对龙门架静态载荷下的模态分析，针对 龙门架薄弱环节采用增加加强筋的方法，来增加龙门 架的强度和刚度，减小龙门架的变形量，防止滑轨发 生因变形而产生的卡死现象。

结构优化设计如图8所示。

图9为龙门架优化后的实物图，图10—12为对 龙门架进行改进后，施加相同载荷后，龙门架的模态 状况；对龙门架的两端变形过大和容易发生断裂的地

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析后发现，校核后机构的强度，发现机构的变形量变 小，且低于1.2 mm滑轨卡死的情况，降低了影响精 度的因素，强度和刚度变大，振型幅度变小。

5.结论

通过模型动态显示可以直观地分析龙门架的动态 性能，确定了龙门架薄弱环节，发现龙门架结构由于 振动产生的弯曲、扭转等变形可能会造成相关部件疲 劳破坏，甚至断裂等问题；同时利用模态参数的变化 诊断来预报结构的故障及研究龙门架整体的振动情况。

在模态分析中，通过对龙门架的薄弱环节采用加 强筋，使其满足刚度和强度要求，在保证龙门架受到 外界载荷时，不会因变形量太大而导致滑轨卡死，影 响精度，同时分析了龙门架的频率响应与电源频率之 间在工作中较低模态下不会发生共振现象