激光焊接機的優化設計與運動仿真

楊業福

（深圳市深普鐳科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 電動汽車和動力電池簡介

1.1 電動汽車基本介紹

在當下，我國的經濟社會飛速發展，在各類新型交通工具廣泛使用的同時，也對周邊的生態環境造成了較大的負擔，同時也會消耗大量的能源，造成能源資源緊張的問題。針對當下許多機動車造成環境污染的問題，需要加大對新能源汽車的研發和推廣。在各種新能源汽車中，電動汽車較為便捷，適用范圍較為廣泛，可以進行進一步的完善和推廣。新能源電動汽車可以極大減少對石油的消耗，比許多現行的機動車污染程度要低很多，甚至可以達到幾乎完全無污染的狀態。在電動汽車的研發和成熟的過程中，汽車的能源動力系統不斷實現了電氣化的目標，讓汽車行業的整體結構實現了一定程度的轉型。

1.2 動力電池和激光焊接

在電動汽車中，存在著許多的關鍵部件，其中對電動汽車的整體性能起到關鍵性影響的動力電池。在動力汽車的整體運行過程中，基本的壽命和穩定性，會受到動力電池封裝技術的直接影響。在當下，動力電池的封裝技術五花八門，使用最多的便是激光焊接的基本方式。目前動力電池不斷發展成熟，產能正在不斷升高，相關的生產商也更加注重電池的外殼焊接部分的生產，并不斷提高生產效率和整體質量。當下國內市場上，對于動力電池的焊接相關設備還不夠充足，傳統的激光焊接機還存在著種種弊端，難以充分提高焊接過程的整體質量。

2 激光焊接機的整體結構設計分析

在進行激光焊接機的結構設計時，首先需要充分分析機床和激光焊接機，對它們有著更加深入細致的了解，對結構的可靠性和復雜性都進行多維度的分析，同時著重研究鋁合金外殼的焊接特性和焊接工藝等。除此以外，還需要依據過去的激光焊接機生產和使用過程中出現的問題，進行更加細致的改善，充分考慮方形動力電池的基本特征，結合相關的性能和技術上的標準，進行總體方案的設計。激光焊接機的總體設計過程，主要包括以下內容：①設計好X 軸和床身。床身的作用便是支撐，讓靜動剛度保持在一定的數值。動力電池的相關工件夾具在X 軸的直線電動機的帶動下，可以實現在X 方向上的精細化移動。②立柱方面的設計。在整個裝置設備中，立柱起到了十分重要的作用。在激光焊接機中的立柱，讓激光焊接頭得到了很好的支撐，并不斷滿足接頭朝著Z 方向進行移動。在對立柱進行精細化的設計過程中，需要充分保障立柱的整體剛度，同時又要滿足立柱的基本高度。但在立柱的設計過程中，需要充分依據設計的實際狀況，立柱既需要滿足基本高度，又不能超過一定的限度。當立柱超過一定高度以后，會對床身產生較大的負面影響，嚴重的甚至會導致床身產生傾覆的現象。③Y 軸的設計。Y 軸的作用，也十分重要，主要通過其上的直線電動機，不斷牽引焊接頭朝著Y軸不斷移動。④Z 軸的設計。Z 軸上的伺服電動機和滾珠絲杠發揮著十分重要的作用，組合傳動的過程中，可以充分帶動焊接頭朝著Z 軸的方向不斷移動，讓大部分的激光實現在動力電池外殼上的精準聚焦。

3 整機運動仿真分析

在進行整機運動仿真的過程中，需要利用相關的專業軟件，進行激光焊接機的三維實體模型的高效構建。當模型構建完畢以后，還需要利用相關軟件進行文件格式的轉換和保存，并導入到UG 軟件中。導入完畢以后，需要在UG 軟件中進行運動仿真模塊的啟動。在整機運動仿真的具體過程中，許多零部件對整體的分析結果沒有太大的影響，可以在具體的實驗過程中被忽略不計，包括螺栓和承軸等部件。在進行動力學仿真的具體過程中，主要進行分析處理的便是絲桿螺母和直線電動機動子。

在利用UG 軟件進行運動仿真的具體分析時，存在著成體系的操作流程。首先，需要對機構中的元件進行精準的定義，一般而言都叫做“連桿”。在運動仿真過程中具體定義的連桿，和連桿機構中的連桿不是一個概念。這里的連桿包涵的范圍更加廣泛，是通過運動副進行高效連接的一些機構原件，這些元件可以滿足相關的運動需求。依據整個運動仿真過程的整體需要，在具體的工作過程中要把多個部分進行連桿的定義。主要包括X 軸中的動子以及動子的安裝板。除此以外，滑板和夾具也會歸入到連桿中去，同時需要注重副約束的具體設置。Y 軸和Z 軸，和X 軸基本同理。針對3個軸，最終需要讓仿真出的運動狀況進行更加真實的展示，需要規范添加相關的函數，對三個軸的運動副速度和時間進行相關的定義，并表示出它們之間的關系，設置出各個部分的驅動函數。

4 零部件的優化設計分析

在進行零部件的設計過程中，需要不斷進行優化，即所謂的最小化或者最大化的進一步實現。在優化設計的過程中，需要在保障基本設計得到滿足的前提下，實現對成本的最小消耗。通過相關的有限元分析軟件，進行更加精細化的設計優化，對相關的結構尺寸進行進一步的優化，同時還可以進行高效的拓撲優化。

4.1 立柱的拓撲優化

在零部件的整體優化過程中，首先需要考慮立柱的拓撲優化。在進行拓撲優化時，存在著兩種類型的優化對象，主要分為離散和連續拓撲優化兩種。在連續體的拓撲優化過程中，主要進行材料的離散，把一些存在明顯結構的材料轉變成許多單元。而另外一種離散型的拓撲優化，則是在一定的設計空間中進行基結構的建立，基結構存在著諸多的梁單位。基結構建立完畢以后，需要充分利用相關的算法，對空間內一些單元是否保留作出更明智的判斷。通過相關的算法求解，可以對立柱進行三種顏色的標記。其中，黃色代表邊緣材料，這些材料可以被保留，也可以直接省略掉。除此以外，紅色代表可省略的區域，灰色代表需要保留下來的區域。在具體的算法應用過程中，需要充分依據一些數據，包括立柱的原始質量、邊緣質量和優化以后的質量等。在具體的優化過程中，發現紅色標記的省略區域大部分集中于立柱的下方區域，尤其是在底部區域。但在具體的優化過程中，由于需要在焊接頭和動力電池之間保持好一定的高度，不能過分降低立柱的高度，只能依據實際情況進行稍許的降低。除此以外，還需要在設計的過程中充分考慮大理石材料的特性。大理石本身較為脆弱，需要在設計時盡可能規避掉一些較為復雜的結構，同時也需要遠離一些較薄的壁厚以及一些距離邊緣較近的孔隙。然后需要進行立柱優化以后的整體模型構建，構建的過程中需要充分依據優化后的結果和數據，回到之前的關聯軟件，在軟件中利用相關的技術操作，實現對部分紅色區域的規范切除。接著利用相關軟件，將得到的模型直接導入其中，接著完成有限元分析的過程。在分析時，還需要注重和之前的原設計分析結果進行相互的比對。通過相互間的比對，可以發現立柱本身的最大總變形量發生了一定程度的下降，一階的固有概率獲得了一定程度的提高，質量明顯減少，靜動態特性獲得了多維度的提升。

4.2 橫梁的具體優化過程

在整個激光焊接機的所有系統部件中，橫梁起著十分重要的作用，同時也具有較為復雜的結構，設計時需要注重對結構尺寸的精細化把控，進行變量的設計。除此以外，還需要充分考慮整個過程中所需要消耗的材料成本，同時還需要注重靜動態性能。基于上述考慮，在具體的設計和優化過程中，最好不要使用單一的變量，也不可僅有一個目標，需要依據實際的需要進行多目標的高效優化。在橫梁的具體結構優化過程中，可以高效利用響應面法，提供一種簡潔高效的思路，并充分配合多目標優化函數進行相關的計算分析，實現多目標的高效優化設計。

4.2.1 設計變量的選取

在具體的優化設計過程中，需要注重對變量的選取。在初步進行變量選取時，主要需要考慮5個方面的參數，主要包括橫梁的幾個測量標準，分別是高度、寬度、長度以及中間槽部的深度和寬度。這5個變量作為設計過程中的輸入變量。除了輸入變量以外，還需要設計目標函數，相關的參數主要包括橫梁的總質量、最大變形量、最大等效應力和一階固有概率。在利用相關軟件進行優化設計的變量設置時，需要依據系統的特征，進行參數名的規范設置，接著充分導入橫梁的模型，將輸入的變量轉變成參數。在固定的界面中，實現將輸出目標轉變成相關參數。

4.2.2 多目標優化實驗設計

通過相關實驗，對樣本點進行設計和確定，這樣可以實現利用較少的實驗次數來得出輸入量和目標量之間的關系，這種方法更廣泛應用于多個輸入量的狀態。抽樣數和設計變量之間，存在著一定的關系。接著，在相關界面查看設計點，得到樣本點的基本計算結果。然后需要對輸出量的重要性進行設定，輸出3組優化結果，如表1 所示（表中的P1，P2，P3，P4，P5 分別表示橫梁的高度、寬度、長度、中間槽的深度和寬度），通過分析發現，第二組更能符合最終的要求。

表1 優化結果的3種組合

4.2.3 優化結果的對比

將得到的最優解進行圓整修正，可以得出相關的尺寸數據。在相關的軟件中，需要進行橫梁模型優化值尺寸的圓整，轉變成修正值尺寸。圓整工作結束以后，再完成相關的有限元分析，并對前后的結果進行比對分析發現最大等效應力減小，一階固有頻率提高，質量減少。表2為優化前后的整體對比。

表2 優化前后的整體對比

5 結束語

通過相關的線性模組，實現激光的聚焦，焊接頭沿著一定的軌跡進行運動，讓電池殼體的焊接一次性完成。在運動仿真過程中，建模的正確性得到了驗證，預期的動作得到了很好地完成。立柱需要進行拓撲的優化設計，改善立柱的結構，進行靜動態性能的分析。針對橫梁，需要進行多目標優化設計，進行函數的巧妙設計，利用相關系統軟件進行求解和比對，尋求更優的方案。