基于虛擬樣機技術的沖壓機器人運動學分析與仿真

劉會祥， 蘇春建

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

基于虛擬樣機技術的沖壓機器人運動學分析與仿真

劉會祥， 蘇春建

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

根據沖壓過程的特點，設計開發一種結構簡單的沖壓機器人。通過D-H法分析對其連桿參數利用三維實體軟件與虛擬樣機技術聯合進行運動學仿真。為使其在運動過程能夠平穩，規劃其運動軌跡，使用了Step5階躍函數編程。通過仿真得出其各個關節變量的位移，速度和加速度運動曲線，為沖壓機器人的設計、優化與運動控制提供了參考數據。

沖壓機器人；虛擬樣機；運動學；仿真

0 引言

國內外工業機器人技術已經比較成熟，應用在沖壓自動生產線上的沖壓機器人得到越來越廣泛的應用。但沖壓工作空間有限且沖壓件較大時，需要考慮到沖壓件與機械本體和沖壓設備發生碰撞等問題。通常解決的辦法是利用6自由度操作臂的靈活性等特點，工件旋轉以避免發生碰撞，但工件在旋轉過程中會發生抖動現象，影響沖壓精度。解決以上問題一般采用的方法是配有旋轉七軸、Knuckle Bar System、Flex Crossbar等輔助技術。雖然能按沖壓要求完成工作，但增加了結構的復雜性。為了有效解決此類問題，本文提出了一種結構簡單的圓柱型操作臂，建立了運動學分析模型，并利用虛擬樣機技術對其運動學仿真，為沖壓機器人的設計、優化提供參考數據。

1 沖壓機器人結構設計

為簡化沖壓機械人的本體結構，本文設計一種應用于沖壓自動生產線的專用沖壓機器人。在沖壓生產線上沖壓機器人的主要作用是完成上下料，一般而言是利用安裝在機械末端的吸盤（真空式或電磁式）從傳輸帶上抓取沖壓件到沖壓設備，或者是從上一工序的沖壓設備到下一個工序的沖壓設備。而圓柱坐標型操作臂在實際應用中較廣，適用于搬運工件，具有直觀性好、結構簡單、本體結構占用空間小但動作范圍較大等優點。所以選用5自由度的圓柱型操作臂能夠滿足沖壓生產線的要求。為使整個機械本體結構更緊湊、平衡性更合理，本設計選用Rz-Px-Rz-Px-Rz型，其三維簡圖如圖1所示。

圖1 沖壓機器人三維示意圖

5自由度圓柱坐標式機械手主要有以下5個動作：1）手臂水平回轉；2）手臂前后伸縮；3）手臂上下運動；4）手臂回轉運動；5）末端回轉運動。分析5個動作可知完全能夠適應沖壓上下料的要求。

2 沖壓機器人運動學

2.1 運動學正解

圖2 沖壓機器人連桿坐標系

運動學正解的內涵是已知連桿關節變量，求出末端坐標系的位姿。通常利用D-H表示連桿坐標系之間的關系,如圖2所示，得出連桿坐標系以及連桿之間的參數，如表1所示，可以求得各個連桿的變換矩陣。

表1 沖壓機器人連桿參數

將表1中的參數帶入得出各個連桿的變換矩陣：

其中cθi＝cosθi；sθi＝sinθi，若將各個連桿變換T（i=1，2，…，5）按照連接順序依次相乘，可得其連桿變換矩陣：

利用MATLAB可得運動方程正解：

式（3）中前三列表示末端坐標系相對于基坐標系的姿態，后一列表示末端坐標系相對于基坐標系的位置。

2.2 運動學逆解

所謂運動學逆解是指已知末端坐標系的位姿得出各個關節變量。求解運動學逆解的方法有許多，通常可以概括為兩類：封閉解和數值解。由于許多復雜機器人在求解的過程可能無解或者存在無數個解，所以運動學逆解稱為機器人運動學中的難點。

對于沖壓機器人，由于結構簡單，求運動學逆解的過程較為簡單。另外對運動軌跡要求不高，在其運動軌跡上可以取有限個點進行運動學逆解，得出其對應的關節空間中的值。其整個運動過程如圖3所示。

圖3 沖壓運動過程示意圖

3 虛擬樣機運動仿真結果與分析

3.1 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術是以虛擬樣機為核心、仿真為方法的一種數字化設計方法和手段。應用在機械系統設計方面的虛擬樣機的軟件主要是ADAMS。ADAMS是集建模、計算以及后處理于一體的仿真軟件，應用范圍十分廣泛。

ADAMS中三維實體建模相對薄弱，通常是利用專業的CAD軟件與ADAMS聯合建模。即利用CAD軟件（如Pro/E，SolidWorks等）建立三維模型，然后導入到ADAMS中去。本文利用三維軟件Pro/E建立模型，存為.x_t格式的文件，直接導入到ADAMS中去，然后在ADAMS中對模型添加約束以及驅動。

3.2 運動學仿真

在ADAMS運動學仿真中有許多驅動函數，如Step階躍函數、Cubspl函數、Akispl函數等，各類函數各有其特點。在沖壓過程需要知道其重要的結點，如起始點、提升點、下降點、終止點，另外,為使運動軌跡收斂還需在運動過程選擇幾個路徑點。Step階躍函數符合其運動特點。Step3階躍函數是利用三次多項式逼近海賽（Heaviside），定義為：

其中：x為自變量；x0為階躍函數起始點自變量值；h0為階躍函數起始點函數值；x1為階躍函數終止點自變量值；h1為階躍函數終止點函數值。

但Step階躍函數有其不可避免的缺點，即階躍函數有連續的一階導數，但在起始點二階導數不連續。映射到運動軌跡規劃中的影響就使其加速度不連續，造成機械結構的振動，使運動精度不高，減少使用壽命。所以根據以上討論，選用Step5階躍函數。Step5階躍函數的意義與Step函數相同但有連續的一、二階導數，所以在運動軌跡中其加速度是連續的。對各個關節施加Step5函數，得出其各個關節變量值的位移、速度、加速度與時間之間的運動曲線，仿真結果如圖4～圖6所示。

圖4 各個關節位移曲線圖

圖5 各個關節速度曲線圖

圖6 各個關節加速度曲線圖

從所仿真結果可以得出，能夠按照預先設定的過程進行運動，利用Step5函數編程，其各個關節的速度、加速度連續，平滑,減少了在運動過程中的振動，提高了運動精度，也能夠延長機器的使用壽命。

4 結 語

為簡化沖壓機器人的機械結構，選用5自由度圓柱型操作臂，并對其建立連桿坐標系，利用D-H法得出其連桿參數，討論其運動學方程的正解與逆解。根據沖壓過程的運動特點，在ADAMS中運用Step5階段函數編程進行運動學仿真，可以獲得準確的運動學性能，為沖壓機器人的設計、優化與運動控制提供了參考數據。

［1］ 熊有倫.機器人技術基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，1995.

［2］ 賈長治．虛擬樣機從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［3］ 朱華炳，張娟，宋孝炳.基于ADAMS的工業機器人運動學分析和仿真［J］.機械設計與制造，2013（5）：204-207.

［4］ 袁安富，薛金吉．基于ADAMS的機器人性能分析和仿真［J］．制造業自動化，2011（8）：85-89．

［5］ 張志強.大型機器人沖壓線上下料技術研究［D］.秦皇島：燕山大學，2012.

［6］ Makoto Mizukawa.Robot Technology（RT）Trend and Standardization［C］.2005 IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts，Nagoya，Japan，2005：249-253.

［7］ 陳立新.工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用［J］.機械設計與制造，2010（10）：94-96.

（編輯立 明）

Kinematical Analysis and Simulation of Stamping Robot Based on Virtual Prototype Technology

LIU Huixiang,SU Chunjian
（College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China）

A stamping robot which has simple mechanism is designed according to the characteristic of stamping process.Linkage parameter is analyzed using D-H method.Kinematical simulation is carried out through the alliance of three-dimension solid software and virtual prototype technology.In order to realize smooth and steady motion,its motion curve is planned,step5 function is used to programme.Motion curve of displacement,velocity and acceleration of each joint variable,are obtained to provide reference data for the design,optimization and motion control of stamping robot.

stamping robot;virtual prototype;kinematical;simulation

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0090－03

劉會祥（1987—），男，碩士研究生，研究方向為機器人技術及自動化；蘇春建（1980—），副教授，碩士生導師，研究方向為沖壓工藝及智能化研究、機電一體化。

2014-03-03