基于RE技術(shù)的焊機動臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

鄒金蘭，鄒春華

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510510；2.廣州亨龍機電股份有限公司，廣東 廣州510990）

電阻焊機的動臂是焊機產(chǎn)品中關(guān)鍵的一個零件，如圖1所示，影響著整個焊機的焊接強度。汽車廠焊接設(shè)備招標文件中要求：在焊槍允許的最大電極壓力下，電極接觸部分的相對滑移不能超過0.5mm，電極桿在與板材垂直方向的最大偏移不超過1.5 mm，由此推算出動臂在氣缸出力的鉸點處施加F=15 kN壓力時的最大變形量不超過0.55mm.在產(chǎn)品研發(fā)初期，已有初級的實物模型但沒有圖樣，所以需要利用逆向工程技術(shù)通過獲取模型點云數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型，再進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后設(shè)計出符合要求的零件。

Imageware是當今流行的逆向工程處理先驅(qū)軟件，具有逆向工程、Class1曲面設(shè)計和曲面評價方面最好的功能[1]。本案例中動臂點云處理及架構(gòu)線的制作運用此軟件完成，之后導(dǎo)入Pro/E軟件進行零件結(jié)構(gòu)重建及優(yōu)化，完成了動臂零件的整個逆向結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程。

1 點云數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 獲取點云并對齊

動臂原件的點云數(shù)據(jù)采用非接觸式測量設(shè)備——三維激光掃描儀獲取。點云數(shù)據(jù)對齊分兩步進行。首先是在測量物體時，因為需要多次分開測量，在測量完成后需將各點云對齊以得一完整點云數(shù)據(jù)；其次是點云數(shù)據(jù)在世界坐標系下處于非需要位置，為方便后續(xù)的處理，需要進行重新調(diào)整，使其表征的零件主要平面與坐標平面垂直（或平行）。

1.2 清除雜點及點云光順

在實際掃描過程中，由于環(huán)境和物體本身特征（表面的清潔度、反光性等）的影響，使點云數(shù)據(jù)中不可避免地混有雜點。對于較集中的雜點主要用“Circle-Select Points”方式割除，分散的少量點則用“Pick Delete Points”方式清除（如圖1所示）。

圖1 動臂原件

數(shù)據(jù)平滑有三種方式：中值/平均/高斯。前兩者均通過取一定數(shù)量點取平均值來取代原始點，使點云光順，中值方式去數(shù)據(jù)毛刺的效果較好；高斯方式平均效果小，能夠較好的保持原數(shù)據(jù)的形貌[2]。本例選擇高斯數(shù)據(jù)平順方式，光順的同時能保證點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。處理完成后點云如圖2所示。

圖2 點云

2 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

2.1 構(gòu)建邊界線和特征曲線

Imageware有3種構(gòu)建曲線的方法：插值曲線（Interpolate Curve）、均勻曲線（Uniform Curve）和公差曲線（Tolerance Curve）。插值曲線是最精確的一種，因為它能通過點云上的每一個點，因此插值曲線與點云的誤差為零。由于點云有噪聲點，造成了插值曲線的光順性不高，因此在曲線創(chuàng)建中，很少用到插值曲線。均勻曲線在曲線創(chuàng)建中使用最多，相比于插值曲線，均勻曲線并非通過點云上每個點，但相比插值曲線有更好的光順性。公差曲線即在用戶指定的曲線與點云的公差范圍之內(nèi)，以最少的控制點和節(jié)點的數(shù)量生成的曲線[3-5]。本例選用均勻曲線構(gòu)建的零件的征曲線。結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特征及Pro/E中的建模方法，在Imageware軟件中制作零件三維造型所需的架構(gòu)線。

2.2 零件的三維造型

在Pro／E中導(dǎo)入來自Imageware軟件IGES格式的架構(gòu)曲線，分步進行零件的造型。在整個造型過程中會有多次在Imageware中制作架構(gòu)曲線再導(dǎo)入Pro／E進行造型的反復(fù)過程，如圖3所示。

圖3 三維建模過程

3 有限元分析[6，7]

3.1 原件的分析

進入Pro/Mechanica模塊進行強度分析。分析條件是：在氣缸推動擺臂的鉸點處施加F＝15 kN的壓力。

如圖4所示。原件材料鑄黃銅彈性模量1.31e+08 kPa，泊松比0.35，熱膨脹系數(shù) 1.674e-05/C.

圖4 原件受力示意圖

（1）應(yīng)力分析

圖5為應(yīng)力分析結(jié)果。在零件內(nèi)側(cè)彎角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為4.854e+05 kPa，位于進出水孔的位置附近。

圖5 應(yīng)力分析云圖

（2）變形量分析

由圖6可知，變形量最大區(qū)域為動臂抱緊的末端位置，變形量達到0.630 26mm.不符合汽車廠焊接設(shè)備招標文件中要求。

圖6 變形量分析云圖

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

（1）改進結(jié)構(gòu)尺寸

針對原件分析發(fā)現(xiàn)的問題對其進行改進，改進分為三處:一處是氣缸出力的跤點處改成相切，第二處是動臂抱緊末端將原先的倒圓角改成相切結(jié)構(gòu)，第三處是進出水孔附近動臂的R角由原來的R30改為R40.改進后的結(jié)構(gòu)尺寸以及原件的結(jié)構(gòu)對比如圖7所示。

圖7 原件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（2）應(yīng)力分析

如圖8所示為改進后的應(yīng)力分析，此時最大應(yīng)力為1.1518e+05 kPa，相比原件分析的應(yīng)力4.854e+05 kPa小了3.7022e+05 kPa，此時應(yīng)力小于材料的屈服強度（120 MPa）.零件強度滿足要求。

圖8 應(yīng)力分析云圖

（3）變形量分析

重新進行分析，如圖9所示，改進后的最大變形量為0.50095mm，處于動臂的抱緊末端，相比原件最大變形量0.63026mm小了0.12931mm，改進效果明顯。

圖9 變形量分析云圖

（4）改進總結(jié)

根據(jù)原件的分析結(jié)果，對原件結(jié)構(gòu)進行改進，優(yōu)化后各項數(shù)據(jù)如表1所示，總體上各項系數(shù)改善明顯，最大應(yīng)力小于材料的屈服強度值（120 MPa），滿足強度要求；最大變形量為0.500 95mm，滿足設(shè)計要求。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對比

4 結(jié)束語

該文探討了在沒有技術(shù)圖樣的情況下，如何基于實物（模型）逆向設(shè)計零件并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。動臂是電阻焊機中的關(guān)鍵零件，強度分析發(fā)現(xiàn)原件局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，變形量超出技術(shù)要求。經(jīng)過局部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化將問題消除在產(chǎn)品的初級設(shè)計階段。避免了后期發(fā)現(xiàn)問題所帶來的損失，同時縮短了產(chǎn)品的完成周期。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的動臂在企業(yè)產(chǎn)品使用中得到了良好的驗證。在確保焊機的使用性能方面起到了關(guān)鍵性的作用。

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