弧焊机器人是继手工焊接与专机焊接自动化设备后新一代的焊接自动化系统,具有焊接柔性高、焊接质量稳定、工作效率高等众多优点。弧焊机器人技术是涉及自动控制理论、机械电子、计算机科学、材料科学与仿生学等众多学科的综合产物,具有较高的理论深度与技术难度。经过几十年的研究与发展,弧焊机器人技术已经相对成熟,其应用也已经十分广泛,主要集中在汽车制造、摩托车及自行车架、压力容器、工程机械、五金件制品等行业。然而在国内弧焊自动化市场上,仍然是国外的弧焊机器人占据着主导地位,根据国际机器人联合会(IFR)统计, 2014年中国工业机器人装备总量将达到全球第一,其中近乎20%的工业机器人用于弧焊作业。因此加速研发具有自主知识产权的弧焊机器人具有重大的经济与社会效益。本文基于产学研联合设计研发负载为6Kg的六自由度弧焊机器人,进行了机械结构设计与仿真分析。首先研究了不同单元类型选择与几何体网格划分方法对于有限元分析结果精度的影响,得到了有限元结构分析过程中建模方法需要遵守的一般原则,为后续弧焊机器人结构有限元分析提供了指导。继而在应用逆向工程技术与参数化建模技术的基础上建立了弧焊机器人大臂三维模型,提高了结构设计的效率。并对大臂在某一极限位姿进行受力分析,最终建立大臂有限元模型,对大臂在不同边界载荷情况下进行静态有限元分析,研究了大臂静态特性,螺栓预紧力两种极限情况和惯性力对结构静态位移变形的影响程度。为机器人大臂结构优化设计和机器人装配工艺的规范提供了参考依据。对机器人关键零件大臂进行了无预应力和预应力计算模态分析,提取了前六阶模态,得到对应各阶频率值和模态振型,通过分析为大臂避免在共振频率区域工作提供了参考,也为后续动态分析提供了基础参数(时间步长)。同时通过分析得到的基频值也为结构刚度的评价提供了参考。在机器人整机结构有限元模型建立过程中,考虑伺服电机、RV和谐波减速器及其它传动部件的质量及惯性的影响,提高了整机静态与动态分析模型的精度。在大臂动态特性研究中,结合机器人逆运动学,输入准确实际的机器人驱动关节的时变数据,使得动态特性分析更加具有现实意义。最后在机器人大臂静态和动态特性分析的基础上,对机器人关键零件大臂进行了尺寸参数和结构拓扑优化设计,成功地对弧焊机器人大臂结构进行了外观改形与减重设计。