基于RE技术的焊机动臂结构优化设计

邹金兰，邹春华

（1.广东工贸职业技术学院，广东 广州510510；2.广州亨龙机电股份有限公司，广东 广州510990）

电阻焊机的动臂是焊机产品中关键的一个零件，如图1所示，影响着整个焊机的焊接强度。汽车厂焊接设备招标文件中要求：在焊枪允许的最大电极压力下，电极接触部分的相对滑移不能超过0.5mm，电极杆在与板材垂直方向的最大偏移不超过1.5 mm，由此推算出动臂在气缸出力的铰点处施加F=15 kN压力时的最大变形量不超过0.55mm.在产品研发初期，已有初级的实物模型但没有图样，所以需要利用逆向工程技术通过获取模型点云数据来构建模型，再进行结构优化，最后设计出符合要求的零件。

Imageware是当今流行的逆向工程处理先驱软件，具有逆向工程、Class1曲面设计和曲面评价方面最好的功能[1]。本案例中动臂点云处理及架构线的制作运用此软件完成，之后导入Pro/E软件进行零件结构重建及优化，完成了动臂零件的整个逆向结构优化设计流程。

1 点云数据获取及处理

1.1 获取点云并对齐

动臂原件的点云数据采用非接触式测量设备——三维激光扫描仪获取。点云数据对齐分两步进行。首先是在测量物体时，因为需要多次分开测量，在测量完成后需将各点云对齐以得一完整点云数据；其次是点云数据在世界坐标系下处于非需要位置，为方便后续的处理，需要进行重新调整，使其表征的零件主要平面与坐标平面垂直（或平行）。

1.2 清除杂点及点云光顺

在实际扫描过程中，由于环境和物体本身特征（表面的清洁度、反光性等）的影响，使点云数据中不可避免地混有杂点。对于较集中的杂点主要用“Circle-Select Points”方式割除，分散的少量点则用“Pick Delete Points”方式清除（如图1所示）。

图1 动臂原件

数据平滑有三种方式：中值/平均/高斯。前两者均通过取一定数量点取平均值来取代原始点，使点云光顺，中值方式去数据毛刺的效果较好；高斯方式平均效果小，能够较好的保持原数据的形貌[2]。本例选择高斯数据平顺方式，光顺的同时能保证点云数据的质量。处理完成后点云如图2所示。

图2 点云

2 结构重构

2.1 构建边界线和特征曲线

Imageware有3种构建曲线的方法：插值曲线（Interpolate Curve）、均匀曲线（Uniform Curve）和公差曲线（Tolerance Curve）。插值曲线是最精确的一种，因为它能通过点云上的每一个点，因此插值曲线与点云的误差为零。由于点云有噪声点，造成了插值曲线的光顺性不高，因此在曲线创建中，很少用到插值曲线。均匀曲线在曲线创建中使用最多，相比于插值曲线，均匀曲线并非通过点云上每个点，但相比插值曲线有更好的光顺性。公差曲线即在用户指定的曲线与点云的公差范围之内，以最少的控制点和节点的数量生成的曲线[3-5]。本例选用均匀曲线构建的零件的征曲线。结合零件的结构特征及Pro/E中的建模方法，在Imageware软件中制作零件三维造型所需的架构线。

2.2 零件的三维造型

在Pro／E中导入来自Imageware软件IGES格式的架构曲线，分步进行零件的造型。在整个造型过程中会有多次在Imageware中制作架构曲线再导入Pro／E进行造型的反复过程，如图3所示。

图3 三维建模过程

3 有限元分析[6，7]

3.1 原件的分析

进入Pro/Mechanica模块进行强度分析。分析条件是：在气缸推动摆臂的铰点处施加F＝15 kN的压力。

如图4所示。原件材料铸黄铜弹性模量1.31e+08 kPa，泊松比0.35，热膨胀系数 1.674e-05/C.

图4 原件受力示意图

（1）应力分析

图5为应力分析结果。在零件内侧弯角处出现应力集中，最大应力为4.854e+05 kPa，位于进出水孔的位置附近。

图5 应力分析云图

（2）变形量分析

由图6可知，变形量最大区域为动臂抱紧的末端位置，变形量达到0.630 26mm.不符合汽车厂焊接设备招标文件中要求。

图6 变形量分析云图

3.2 结构优化及分析

（1）改进结构尺寸

针对原件分析发现的问题对其进行改进，改进分为三处:一处是气缸出力的跤点处改成相切，第二处是动臂抱紧末端将原先的倒圆角改成相切结构，第三处是进出水孔附近动臂的R角由原来的R30改为R40.改进后的结构尺寸以及原件的结构对比如图7所示。

图7 原件结构优化

（2）应力分析

如图8所示为改进后的应力分析，此时最大应力为1.1518e+05 kPa，相比原件分析的应力4.854e+05 kPa小了3.7022e+05 kPa，此时应力小于材料的屈服强度（120 MPa）.零件强度满足要求。

图8 应力分析云图

（3）变形量分析

重新进行分析，如图9所示，改进后的最大变形量为0.50095mm，处于动臂的抱紧末端，相比原件最大变形量0.63026mm小了0.12931mm，改进效果明显。

图9 变形量分析云图

（4）改进总结

根据原件的分析结果，对原件结构进行改进，优化后各项数据如表1所示，总体上各项系数改善明显，最大应力小于材料的屈服强度值（120 MPa），满足强度要求；最大变形量为0.500 95mm，满足设计要求。

表1 优化前后参数对比

4 结束语

该文探讨了在没有技术图样的情况下，如何基于实物（模型）逆向设计零件并进行结构优化的方法。动臂是电阻焊机中的关键零件，强度分析发现原件局部有应力集中现象，变形量超出技术要求。经过局部的结构优化将问题消除在产品的初级设计阶段。避免了后期发现问题所带来的损失，同时缩短了产品的完成周期。结构优化后的动臂在企业产品使用中得到了良好的验证。在确保焊机的使用性能方面起到了关键性的作用。

[1]金 涛，童水光.逆向工程技术[M]．北京：机械工业出版社，2003.

[2]王 霄.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3]邹金兰，赵学智．逆向工程曲面构建及快速成型[J]．新技术新工艺，2009，（6）：42-45.

[4]姜元庆，刘佩军．UG/Imageware逆向工程培训教程[M]．北京：清华大学出版社，2003.

[5]余国鑫，成思源.典型逆向工程CAD建模系统的比较[J].机械设计，2006，（12）:1-3.

[6]王成锋，寻增霞.无极绳绞车摩擦滚筒的强度分析与优化设计[J].煤矿机械，2014，35（09）：115-117.

[7]王智勇，赵静一，郭 锐，等.基于Pro/E的TTW30挖装机工作机构的优化设计[J].机床与液压，2013，41（11）：97－101.