随着中国制造2025的提出和国家对高端制造业的大力支持,我国的机器人产业发展非常迅速,工业机器人也不断推陈出新,焊接机器人是工业机器人中应用最为广泛的一种典型的机器人,早已走向产业化并在不断完善。与工业发达国家相比,我国自主研发生产的焊接机器人在工作性能、生产效率和可靠性等方面都相对较差。本文以十公斤弧焊机器人为基础,以轻质量、高刚度和高速度性能为目标,对机器人进行了有限元分析和结构优化。首先,根据研究内容需要,完成对负载十公斤的弧焊机器人的前期处理工作。简化机器人的参数模型,建立了机器人的结构简图和D-H参数表,完成零件图的绘制和整机装配。进行运动学分析和验证,求解其雅克比矩阵,为后文相关性能指标的提出奠定基础。分析了机器人的工作空间,可将之作为优化的约束条件或者评价优化效果的标准之一。其次,在ADAMS中对机器人进行动力学分析,找到机器人在其要求的整个工作空间内各零件工作状态最恶劣时候的位姿,在该位姿处对关键零件进行有限元分析。采用拓扑优化的方法对机器人的大臂结构进行轻量化设计,大臂通过拓扑优化,达到了减小质量的目的,同时提高了刚度。再次,根据机器人对运动灵活性和速度平稳性的要求提出了一些性能指标,包括最大工作空间距离性能指标、静刚度性能指标和全域速度综合性能指标。确定将静刚度性能和速度综合性能作为优化模型最终的优化目标,接着分析了优化目标之间的耦合性,确定各目标之间的关系。进行优化变量的灵敏度分析得出各优化目标对其变量的敏感程度,根据实际情况确定约束条件,在此基础上建立了优化函数模型,为下文的尺寸优化做准备。最后,针对多目标优化问题,通过分析比较,采用Pareto最优前沿面方法选取最优解组合。为避免出现局部最优解,同时提高求解的效率和收敛性,选择了NSGA-Ⅱ优化算法来求解优化模型。分析优化结果,从理论上证明了尺寸优化有效地提高了机器人的速度综合性能,静刚度性能和工作空间也都有一定的提升,两步优化也使得机器人整体质量有所减少,达到了预期结构优化目标。通过系统仿真实验,验证了结构优化的正确性,从而证明通过拓扑优化和尺寸优化,使设计的弧焊机器人在质量、刚度和速度这些指标上得到改善,并且强度和工作空间也满足设计要求。