淺析焊接機器人運動路徑優化仿真

摘要：隨著自動化制造的滲透率不斷提高，以焊接機器人為代表自動化生產方式，在國內生產制造領域基本已達到較高應用水準，越來越多的生產企業逐漸意識到焊接機器人課題研究的重要性。文章以實際生產過程為切入點，以理論聯系實際的方式，運用虛擬樣機對焊接機器人運動路徑進行仿真，根據仿真結構采取相應的優化措施，切實推進產品生產效率和生產質量的全面提升。

關鍵詞：焊接機器人；運動路徑；路徑優化；仿真

1 焊接機器人的分類與結構

1.1 焊接機器人的結構

（1）焊接機器人本體。所謂本體，主要指的是構成機器人的機械結構。

（2）驅動器。運用于工業生產中的焊接機器人，在驅動方式上具有一定可選擇性優勢，驅動方式較為多樣化，常見的主要包括以下兩種，伺服電機驅動和液壓驅動，而對于伺服電機驅動而言，其在實際使用過程中還涵蓋多種電機類型，如，直流伺服電機、交流伺服電機以及步進電機等等。

（3）控制器。在焊接機器人實際運用過程中，控制器所充當的角色類似人類的“大腦”，主要肩負著對處理相關信息內容的主要職責，并且焊接機器人機械手在運動過程中所產生的規律，在某種程度上受控制器的影響。

（4）焊接設備，各類焊槍等等。

1.2 焊接機器人的分類

從類型上來看，焊接機器人生主要可以劃分為弧焊機器人和點焊機器人兩種，在兩種不同類型中，弧焊機器人實際載重相對較低，通常情況下，所夾持的焊槍重量嚴格控制在10KG以下，這種荷載重量較輕的情況下，以電動驅動級為主要驅動方式的焊接機器人可輕松完成。而相較于弧焊機器人，點焊機器人在載重方面的具有較高的要求。一般情況下，點焊接機器人的焊接動作的有效完成，必須確保其夾持重量在35KG以上，無形中增加了對點焊接機器人抓舉能力的要求，為確保整個系統工作能力的全面提升，應采取功率相對較大的電機或者液壓結構。

2 焊接機器人的運動仿真

2.1 虛擬樣機技術介紹

在機械行業領域內，虛擬樣機技術已經成為呈應用最為廣泛的一門新興技術類型，與傳統技術形式不同，虛擬樣機技術在某種程度上可與生產準備階段達成相互配合機制，并在雙方共同作用下完成對三維數據的建立，并在此基礎上形成具備一定創新性質的動力學模型，虛擬樣機技術在系統中的廣泛運用，可以站在動力學的角度對機械系統進行虛擬仿真，將虛擬仿真過程中所得到的一系列有效數據，應用至對整個系統數據信息的精確計算，為其提供更加科學、有效及合理的理論依據，以供后期實體樣機的設計制造提供豐富的參考途徑，不僅能夠在成本不充足的情況下，開展對機械系統的不斷優化與完善，并且可在借鑒機不同設計方案的基礎上，對質量、成本、性能以及制作周期進行系統優化。

2.2 焊接機器人模型的建立及導入

建立。目前，Adams已被應用與建模過程和裝配過程中，但出于模型建立和轉配的復雜程度，Adams的實際應用范圍僅局限于簡單的模型比較以及基礎的功能演示。在此次研究過程中，對于模型的建立采用的是CATIA的方式，具體建模過程中，應站在更加全面、更加簡化的角度，有效分析系統模型，將其中部分功能性不大，或者可有可無經的零件有效刪除或隱藏，最大限度的縮短仿真時間，提高成功的可能性，其中，軸承、螺栓、螺釘等小部件可全部刪除。

導入。本文對焊接機器人的運動優化主要采用Adams，但由于CATIA與Adams兩者之間尚未建立相互對接的接口，無法通過信息技術傳輸方式將CATIA文件傳輸至Adams軟件內，只能借助SolidWorks的中間作用，實現對文件的相互轉換。值得注意的是，在保存CATIA文件時，應將其最終保存格式切換為stp格式，通過文件格式的重命名，可機構有效降低文件傳輸過程中，丟失各項數據資料的可能性，然后將文件在SolidWorks中打開，并以Parasolid（x_t）的格式覆蓋原來文件格式，在Adams中創建ROBOT_1 文件，將CATIA文件轉換成Parasolid（x_t）之后方可進行導入，選選取文件夾中已經被轉換完成的文件，便可直接在Adams重導入CATIA中建好的焊接機器人三維模型。

2.3 焊接機器人運動仿真

（1）焊接機器人模型定義。通過對ADAMS剛性運動學的全面分析得知，機械系統內部運行性能的有效性，在某種程度上與零件材料無直接關系，但當機械零件處于運動狀態時，整個機械系統的動力學特性將遭受不同程度材料屬性的影響，因而，當虛擬樣機進入仿真階段后，現場相關人員應在充分考慮焊接機器人材料特性的基礎上開展相應的技術模擬，并將材料進行重新定義。此外，在完成對焊接機器人可達空間的一系列驗證之后，方可開展虛擬樣機的有效模擬仿真，并且確定焊接機器人可達空間的實際范圍之后，全面分析并合理其實際運動軌跡。

（2）焊接機器人路徑的優化。當處于仿真環境中時，尤其是在焊點分配過程張，應將可焊接機器人納入首要考慮范圍之內，針對這些點的分配，在規劃階段就應考慮到在時間上錯開。例如，圖3中假設機器人1焊接焊點1～3，機器人Ⅱ焊接焊點4～6，由于焊點4兩臺機器人都可以達到，從而造成在該點可能發生機器人碰撞。因此，在考慮工藝流程時，應使機器人Ⅰ焊接順序從焊點1向焊點3方向運行；機器人Ⅵ焊接順序從焊點4向焊點6方向運行，在時間上加以錯開，避免碰撞。

3 結語

綜上所述，通過運用ADAMS軟件，對焊接機器人的運動軌跡進行仿真模擬，不僅可實現理論與實踐的充分融合，且能夠從問題根本角度出發，切實解決焊接機器人在實際工業生產中所產生的一系列問題。盡管目前國家在工業機器人技術方面的發展尚處于初級階段，在許多環節仍存在一定弊端，但對于其未來發展應樹立更加長遠的目標，運用現代發展目光重新審視國內工業化進程，推動國內工業化健康穩定發展。

參考文獻：

[1]周昌令，方曉慶，蘇先樾，等.HT120 點焊機器人柔性臂動力學和強度分析[J].工程力學，2004，21（05）：111115+135.

[2]侯國柱，孔慶忠，武新偉.五自由度機器人的結構設計及其控制[J].機械制造與自動化，2015，15（02）：228230.

[3]王玉，王旗華，趙建光，等.焊接機器人虛擬樣機軌跡模擬和運動仿真分析[J].焊接學報，2012，09（04）：109112.

作者簡介：吳楓（1986），男，漢族，洪湖人，畢業華中科技大學，助教。