運用SolidWorks 軟件設計出六自由度焊接機器人系統的虛擬樣機，建立機器人靜力學平衡方程，分析了機器人的靜態應力，繼而通過ANSYS Workbench 對機器人關鍵部位進行有限元分析，最終給出了機器人優化設計方案。

　　引言

　　機器人技術毫無疑問是未來的戰略性高技術，充滿機遇和挑戰。工業機器人是機器人技術的重要分支，在各種機器人中，工業機器人應用較早，發展最為成熟。同時，工業機器人技術的不斷進步一直牽引著機器人學科的發展，使機器人的應用領域從工業擴展到軍用、空間、水下、醫療、服務等各個領域。焊接是制造業中最重要的工藝技術之一。它在機械制造、核工業、航空航天、公共交通、石油化工及建筑和電子等行業中的應用越來越廣泛。隨著電子技術、計算機技術、數控及機器人技術的發展為焊接過程自動化提供了十分有利的技術基礎。近20 年來，在半自動焊、專機設備以及自動焊接技術等方面取得了許多研和應用成果，表明焊接過程自動化己成為焊接技術增長點之一。從21 世紀先進制造技術的發展要求來看，焊接自動化生產已成為制造業生產發展的趨勢。

1、焊接機器人的現狀

　　焊接機器人是從事焊接的工業機器人。根據國際標準化組織( ISO) 工業機器人術語標準的定義: / 工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機，具有3 個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。0，為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人末軸的法蘭裝接焊鉗或焊( 割) 槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人是機器人家族中的主力軍，能在惡劣的環境下連續工作并能提供穩定的焊接質量，不但提高了工作效率而且減輕了工人的勞動強度，降低了生產成本和對工人操作技術的要求。

　　我國的焊接機器人學術研究和應用推廣工作開展大約有20 多年的歷史，同其他行業引進先進技術的過程一樣，我國的焊接機器人走過了一條從引進、消化到自行研制的過程，目前我國在焊接機器人研究和應用方面雖然具有一定的規模，在某些方面甚至達到了國際先進水平，但仍然存在明顯不足。

　　目前國內外焊接機器人的技術研究現狀主要在以下3 個方面:

　　(1) 協調多臺焊接機器人和外圍設備的控制。這里的焊接機器人指的是焊接機器人系統或工作站，通常包括機器人本體、機器人控制柜、焊機送絲裝置、變位機和夾具等部件。

　　( 2) 研究焊縫跟蹤技術。由于焊接環境等因素的不同，實際焊接時的軌跡頻繁變動。

　　(3) 仿真技術。機器人在研制、設計和試驗過程中，經常需要對其運動學、動力學性能進行分析以及進行軌跡規劃設計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構，其運動學和動力學問題十分復雜，計算難度和計算量都很大。若將機器人作為仿真對象運用計算機圖形技術、CAD 技術和機器人學理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構設計、運動學正反解分析、操作臂控制以及實際工作環境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發機器人過程中出現的問題。

2、機器人總體結構設計

　　我們的研究對象是六自由度焊接機器人，機器人由6 個連桿和6 個轉動關節組成。所有零件造型和整機組裝，是在三維造型軟件SolidWorks 中完成的。機器人結構整體圖如圖1 所示，整機包括基座、大臂、肩部、肘部、小臂和手腕六大組件。機器人主體的回轉( 關節1) 是由基座內部安裝的電機驅動，驅動電機安裝在大臂與基座的關節連接處，驅動大臂作上下俯仰( 關節2) 。機器人的肘連接機器人的大臂與小臂，并由安裝在其內部的電器驅動小臂作上下俯仰( 關節3) ，腕部扭轉( 關節4) 電機直接安裝在肘部中，以節省空間。腕部俯仰( 關節5) 和腕部回轉( 關節6) 的驅動電機均安裝在小臂的內部，通過傳動齒輪、帶輪驅動將動力傳遞給腕部。

圖1 焊接機器人的機械結構與自由度示意圖

5、結束語

　　通過在CAD 軟件SolidWorks 中對焊接工業機器人的虛擬設計，并在ANSYS Workbench 對機器人的關鍵部位( 大臂) 進行有限元分析，直觀地展現了大臂的應力與位移分布，發現在初步設計時出現的不足，分析結果并提供優化設計的方案，優化前后參數對比見表1。

表1 優化前后參數對比

　　由機器人大臂優化后的綜合形變可知，大臂的綜合形變量最大值為0.1297 mm，向的形變量為0.0558mm，通過查詢機械手冊知45# 鋼的屈服極限是355MPa，抗拉強度是610MPa，符合設計要求。對比可知,優化后的仿真結果明顯要優于優化之前。