激光焊接机的优化设计与运动仿真

杨业福

（深圳市深普镭科技有限公司，广东深圳 518000）

1 电动汽车和动力电池简介

1.1 电动汽车基本介绍

在当下，我国的经济社会飞速发展，在各类新型交通工具广泛使用的同时，也对周边的生态环境造成了较大的负担，同时也会消耗大量的能源，造成能源资源紧张的问题。针对当下许多机动车造成环境污染的问题，需要加大对新能源汽车的研发和推广。在各种新能源汽车中，电动汽车较为便捷，适用范围较为广泛，可以进行进一步的完善和推广。新能源电动汽车可以极大减少对石油的消耗，比许多现行的机动车污染程度要低很多，甚至可以达到几乎完全无污染的状态。在电动汽车的研发和成熟的过程中，汽车的能源动力系统不断实现了电气化的目标，让汽车行业的整体结构实现了一定程度的转型。

1.2 动力电池和激光焊接

在电动汽车中，存在着许多的关键部件，其中对电动汽车的整体性能起到关键性影响的动力电池。在动力汽车的整体运行过程中，基本的寿命和稳定性，会受到动力电池封装技术的直接影响。在当下，动力电池的封装技术五花八门，使用最多的便是激光焊接的基本方式。目前动力电池不断发展成熟，产能正在不断升高，相关的生产商也更加注重电池的外壳焊接部分的生产，并不断提高生产效率和整体质量。当下国内市场上，对于动力电池的焊接相关设备还不够充足，传统的激光焊接机还存在着种种弊端，难以充分提高焊接过程的整体质量。

2 激光焊接机的整体结构设计分析

在进行激光焊接机的结构设计时，首先需要充分分析机床和激光焊接机，对它们有着更加深入细致的了解，对结构的可靠性和复杂性都进行多维度的分析，同时着重研究铝合金外壳的焊接特性和焊接工艺等。除此以外，还需要依据过去的激光焊接机生产和使用过程中出现的问题，进行更加细致的改善，充分考虑方形动力电池的基本特征，结合相关的性能和技术上的标准，进行总体方案的设计。激光焊接机的总体设计过程，主要包括以下内容：①设计好X 轴和床身。床身的作用便是支撑，让静动刚度保持在一定的数值。动力电池的相关工件夹具在X 轴的直线电动机的带动下，可以实现在X 方向上的精细化移动。②立柱方面的设计。在整个装置设备中，立柱起到了十分重要的作用。在激光焊接机中的立柱，让激光焊接头得到了很好的支撑，并不断满足接头朝着Z 方向进行移动。在对立柱进行精细化的设计过程中，需要充分保障立柱的整体刚度，同时又要满足立柱的基本高度。但在立柱的设计过程中，需要充分依据设计的实际状况，立柱既需要满足基本高度，又不能超过一定的限度。当立柱超过一定高度以后，会对床身产生较大的负面影响，严重的甚至会导致床身产生倾覆的现象。③Y 轴的设计。Y 轴的作用，也十分重要，主要通过其上的直线电动机，不断牵引焊接头朝着Y轴不断移动。④Z 轴的设计。Z 轴上的伺服电动机和滚珠丝杠发挥着十分重要的作用，组合传动的过程中，可以充分带动焊接头朝着Z 轴的方向不断移动，让大部分的激光实现在动力电池外壳上的精准聚焦。

3 整机运动仿真分析

在进行整机运动仿真的过程中，需要利用相关的专业软件，进行激光焊接机的三维实体模型的高效构建。当模型构建完毕以后，还需要利用相关软件进行文件格式的转换和保存，并导入到UG 软件中。导入完毕以后，需要在UG 软件中进行运动仿真模块的启动。在整机运动仿真的具体过程中，许多零部件对整体的分析结果没有太大的影响，可以在具体的实验过程中被忽略不计，包括螺栓和承轴等部件。在进行动力学仿真的具体过程中，主要进行分析处理的便是丝杆螺母和直线电动机动子。

在利用UG 软件进行运动仿真的具体分析时，存在着成体系的操作流程。首先，需要对机构中的元件进行精准的定义，一般而言都叫做“连杆”。在运动仿真过程中具体定义的连杆，和连杆机构中的连杆不是一个概念。这里的连杆包涵的范围更加广泛，是通过运动副进行高效连接的一些机构原件，这些元件可以满足相关的运动需求。依据整个运动仿真过程的整体需要，在具体的工作过程中要把多个部分进行连杆的定义。主要包括X 轴中的动子以及动子的安装板。除此以外，滑板和夹具也会归入到连杆中去，同时需要注重副约束的具体设置。Y 轴和Z 轴，和X 轴基本同理。针对3个轴，最终需要让仿真出的运动状况进行更加真实的展示，需要规范添加相关的函数，对三个轴的运动副速度和时间进行相关的定义，并表示出它们之间的关系，设置出各个部分的驱动函数。

4 零部件的优化设计分析

在进行零部件的设计过程中，需要不断进行优化，即所谓的最小化或者最大化的进一步实现。在优化设计的过程中，需要在保障基本设计得到满足的前提下，实现对成本的最小消耗。通过相关的有限元分析软件，进行更加精细化的设计优化，对相关的结构尺寸进行进一步的优化，同时还可以进行高效的拓扑优化。

4.1 立柱的拓扑优化

在零部件的整体优化过程中，首先需要考虑立柱的拓扑优化。在进行拓扑优化时，存在着两种类型的优化对象，主要分为离散和连续拓扑优化两种。在连续体的拓扑优化过程中，主要进行材料的离散，把一些存在明显结构的材料转变成许多单元。而另外一种离散型的拓扑优化，则是在一定的设计空间中进行基结构的建立，基结构存在着诸多的梁单位。基结构建立完毕以后，需要充分利用相关的算法，对空间内一些单元是否保留作出更明智的判断。通过相关的算法求解，可以对立柱进行三种颜色的标记。其中，黄色代表边缘材料，这些材料可以被保留，也可以直接省略掉。除此以外，红色代表可省略的区域，灰色代表需要保留下来的区域。在具体的算法应用过程中，需要充分依据一些数据，包括立柱的原始质量、边缘质量和优化以后的质量等。在具体的优化过程中，发现红色标记的省略区域大部分集中于立柱的下方区域，尤其是在底部区域。但在具体的优化过程中，由于需要在焊接头和动力电池之间保持好一定的高度，不能过分降低立柱的高度，只能依据实际情况进行稍许的降低。除此以外，还需要在设计的过程中充分考虑大理石材料的特性。大理石本身较为脆弱，需要在设计时尽可能规避掉一些较为复杂的结构，同时也需要远离一些较薄的壁厚以及一些距离边缘较近的孔隙。然后需要进行立柱优化以后的整体模型构建，构建的过程中需要充分依据优化后的结果和数据，回到之前的关联软件，在软件中利用相关的技术操作，实现对部分红色区域的规范切除。接着利用相关软件，将得到的模型直接导入其中，接着完成有限元分析的过程。在分析时，还需要注重和之前的原设计分析结果进行相互的比对。通过相互间的比对，可以发现立柱本身的最大总变形量发生了一定程度的下降，一阶的固有概率获得了一定程度的提高，质量明显减少，静动态特性获得了多维度的提升。

4.2 横梁的具体优化过程

在整个激光焊接机的所有系统部件中，横梁起着十分重要的作用，同时也具有较为复杂的结构，设计时需要注重对结构尺寸的精细化把控，进行变量的设计。除此以外，还需要充分考虑整个过程中所需要消耗的材料成本，同时还需要注重静动态性能。基于上述考虑，在具体的设计和优化过程中，最好不要使用单一的变量，也不可仅有一个目标，需要依据实际的需要进行多目标的高效优化。在横梁的具体结构优化过程中，可以高效利用响应面法，提供一种简洁高效的思路，并充分配合多目标优化函数进行相关的计算分析，实现多目标的高效优化设计。

4.2.1 设计变量的选取

在具体的优化设计过程中，需要注重对变量的选取。在初步进行变量选取时，主要需要考虑5个方面的参数，主要包括横梁的几个测量标准，分别是高度、宽度、长度以及中间槽部的深度和宽度。这5个变量作为设计过程中的输入变量。除了输入变量以外，还需要设计目标函数，相关的参数主要包括横梁的总质量、最大变形量、最大等效应力和一阶固有概率。在利用相关软件进行优化设计的变量设置时，需要依据系统的特征，进行参数名的规范设置，接着充分导入横梁的模型，将输入的变量转变成参数。在固定的界面中，实现将输出目标转变成相关参数。

4.2.2 多目标优化实验设计

通过相关实验，对样本点进行设计和确定，这样可以实现利用较少的实验次数来得出输入量和目标量之间的关系，这种方法更广泛应用于多个输入量的状态。抽样数和设计变量之间，存在着一定的关系。接着，在相关界面查看设计点，得到样本点的基本计算结果。然后需要对输出量的重要性进行设定，输出3组优化结果，如表1 所示（表中的P1，P2，P3，P4，P5 分别表示横梁的高度、宽度、长度、中间槽的深度和宽度），通过分析发现，第二组更能符合最终的要求。

表1 优化结果的3种组合

4.2.3 优化结果的对比

将得到的最优解进行圆整修正，可以得出相关的尺寸数据。在相关的软件中，需要进行横梁模型优化值尺寸的圆整，转变成修正值尺寸。圆整工作结束以后，再完成相关的有限元分析，并对前后的结果进行比对分析发现最大等效应力减小，一阶固有频率提高，质量减少。表2为优化前后的整体对比。

表2 优化前后的整体对比

5 结束语

通过相关的线性模组，实现激光的聚焦，焊接头沿着一定的轨迹进行运动，让电池壳体的焊接一次性完成。在运动仿真过程中，建模的正确性得到了验证，预期的动作得到了很好地完成。立柱需要进行拓扑的优化设计，改善立柱的结构，进行静动态性能的分析。针对横梁，需要进行多目标优化设计，进行函数的巧妙设计，利用相关系统软件进行求解和比对，寻求更优的方案。