[发明专利]一种搅拌摩擦焊机器人底座结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明涉及搅拌摩擦焊机器人结构分析领域，具体地说是一种搅拌摩擦焊机器人底座结构的拓扑优化设计方法，包括步骤1：确定分析因素；步骤2：对底座动态优化设计，得到底座拓扑优化后的结构；步骤3：进一步优化筋格单元的出砂孔与筋格单元固有频率关系；步骤4：进一步优化筋格单元筋板壁厚、边长与筋格单元固有频率关系；步骤5：进一步优化底座内的筋格单元密度，确定筋格单元层数以及底座框架尺寸；步骤6：对底座结构最优方案进行验证。本发明通过有限元分析，找到对底座结构优化目标敏感的设计变量，并求得这些设计变量在基于指定的多目标加权优化算法中的一组最优解，最终给出结构设计的合理方案，用于改善底座结构的综合动态性能。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊机器人结构分析领域，具体地说是一种搅拌摩擦焊机器人底座结构的拓扑优化设计方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(简称FSW)，是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型、节能、环保、高效的固相连接技术。该技术开发之初主要应用于铝合金、镁合金等低熔点轻质金属材料的连接，以解决常规熔焊方法焊接该类材料时常出现的气孔、接头强度弱化、接头质量不稳定等问题。而随着研究的深入和技术的成熟，搅拌摩擦焊接技术已推广应用于一些高熔点异种材料的连接，比如钛合金、铝合金与不锈钢等异种材料的连接，由于搅拌摩擦焊接过程中母材温度低于熔点，为固相连接，因此能够得到无气孔和裂纹缺陷的焊缝。同时，搅拌摩擦焊接还具有变形小、应力小、强度弱化不明显等诸多优势，被广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶制造、汽车制造、核电能源、数码产品等多个工业制造领域。仅仅20余年，对搅拌摩擦焊接技术的研究已涉及到焊接工艺、接头性能、过程模拟、设备研制等多个方面。此前对于该种焊接设备的研究更多集中在搅拌头的优化设计，近几年则开始关注于对搅拌摩擦焊接设备的结构设计数控系统的开发。

如图1所示，现有技术中的搅拌摩擦焊机器人整体组成主要包括焊接本体、A-B轴以及搅拌头三部分，其中焊接本体包括底座、立柱、滑枕等部分，A-B轴和搅拌头安装在滑枕前端，另外工件置于转台上且装置工作时随转台旋转，整个机器人因此总共包括7个自由度，分别是焊接本体实现的X、Y、Z三个移动自由度、A-B轴实现的2个转动自由度、搅拌头的伸缩自由度以及转台的回转自由度，其中X、Y、Z三个移动自由度主要是通过导轨滑块副和滚珠丝杠副驱动移动实现。目前机器人的底座、立柱、滑鞍等大件结构主要采用灰铸铁来进行铸造加工，滑枕等为主要承载结构件，并且由于其为悬臂结构，采用了合金钢来进行焊接制造，以确保整机的刚度，除去转台，整个机器人的质量重约71吨，整机外包络尺寸约为1.8m×1.8m×1.6m，需要进行减量化，而在搅拌摩擦焊接过程中的焊接速度、旋转速度、下压量、轴向压力、扭矩等均会对焊接过程产生影响，进而影响焊接质量，比如搅拌摩擦焊接过程中搅拌头受力较大，易造成焊接设备结构变形，导致焊接位置出现偏差，因此在减轻设备重量的同时还要进行结构优化，以保证设备整体刚度。而在机器人的整个重量中，底座作为支承主体占有较大的比重，因此底座优化是机器人能否实现减量化和结构优化的关键之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊机器人底座结构的拓扑优化设计方法，通过有限元分析找到对底座结构优化目标敏感的设计变量，并求得这些设计变量在基于指定的多目标加权优化算法中的一组最优解，最终给出结构设计的合理方案，用于改善底座结构的综合动态性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种搅拌摩擦焊机器人底座结构的拓扑优化设计方法，包括：

步骤1：确定分析因素，影响底座结构动态特性的因素包括底座内部由筋板、出砂孔构成的筋格单元以及底座的框架；

步骤2：对底座动态优化设计，得到底座拓扑优化后的结构；

步骤3：在步骤2拓扑优化后的底座结构基础上，进一步优化筋格单元的出砂孔与筋格单元固有频率关系，确定出砂孔的形状、孔径、数量；