基于UG的四軸涂膠機械手運動仿真分析

劉煒,吳慶華,潘正春,宋琳,牛毅峰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶401120）

0 引言

在車身焊裝車間，白車身生產中涂膠工藝應用廣泛[1]，是汽車制造業白車身生產過程中必不可少的一個環節，涂膠質量的好壞直接影響整車的密封性及減振降噪性，進而影響乘坐舒適性。車身涂膠工藝中人工操作比例過大，導致工作效率不高，涂膠質量難以控制[2]，存在安全隱患等問題，工業機器人技術的應用能夠很好地解決上述問題，機器人涂膠也越來越廣泛地應用到車身涂膠中[3-4]，但工業機器人存在價格昂貴、技術支持差等缺點[5]。針對以上問題，本文以車身后輪罩為涂膠作業對象，設計了一種四關節涂膠機械手。

本文利用UG[6-8]的三維建模功能對設計的四軸涂膠機械手進行了實體建模，從車身輪廓中提取了膠條曲線，并利用UG強大的運動仿真模塊對機械手沿膠條的運動進行了仿真[9]，得出了膠槍沿膠條運動時各關節的逆解數據，為關節軌跡優化提供了數據支持，驗證了使用該機械手進行輪罩涂膠的可行性。

1 四軸機械手三維建模

1.1 機械手結構設計

根據車身輪罩涂膠工藝，輪罩涂膠要求機械手末端膠槍能運動到輪罩豎直平面所在一定范圍內任意位置，且能運動到車身尾部水平面內一定區域，現場手動涂膠膠條位置如圖1所示。為了達到該工藝要求，本文設計了如圖2所示的機械手結構模型。該結構機械手關節1為擺動關節，可以沿水平軸X方向旋轉，關節2、3、4為3個串聯的俯仰關節，分別可以繞平行于Y軸方向的3個水平軸旋轉，膠槍固定在關節4末端，為了減少在對車身尾部涂膠時4軸的轉動幅度，將膠槍設計成了45°彎折的形式。

1.2 機械手三維建模

四軸打膠機械手由基座和4個連桿組成，本文利用UG的三維建模功能分別對四軸打膠機械手基座、擺動關節1和俯仰關 節 2、3、4 進行三維建模，其中膠槍固定于關節4上。完成機械手各個零部件的實體建模后，再利用UG的裝配功能將各個零件按要求建立約束，完成機械手的裝配，如圖3所示。

圖1 手動涂膠工藝

圖2 機械手結構模型

2 膠條曲線提取

要實現打膠機械手沿膠條的運動仿真必須將膠條曲線提取出來，并在膠槍與膠條曲線之間建立“點在線上副”才能實現，具體操作方法如下：

1）首先利用“偏置曲線”指令，將車身輪罩零件的邊緣曲線偏置到膠條大致的位置。由于零件是逐個焊接在一起的，所以零件的邊緣曲線偏置后也是獨立的一段一段的曲線。

2）再利用“橋接曲線”指令將偏置到膠條位置的曲線進行橋接，這樣所有偏置的曲線就由平滑的過渡曲線連接了起來，但此時曲線還是許多段獨立的曲線，不是一個整體。

3）最后利用“復合曲線”指令將這些獨立的偏置曲線和橋接曲線復合成一條獨立的連續平滑曲線，即膠條曲線，如圖4中所示。

膠條曲線提取的相關曲線操作指令使用方法可以參考UG建模的相關資料[10]，這里不再贅述。

3 機械手運動仿真

UG的運動仿真模塊能夠建立運動機構模型，分析機構的運動規律，并且可以對機構進行不同運動方案的分析，每種方案都可以獨立進行修改而不影響裝配主模型[11]。運動仿真分析主要分為3個階段：前處理階段、求解階段、后處理階段[12]。

圖3 機械手三維模型

3.1 前處理階段

創建連桿。進入運動仿真模塊后通過“連桿”命令新建連桿，完成6個連桿的創建，其中基座L001及車身零件L006需要設置為固定連桿，其他連桿為活動連桿。

圖4 膠條曲線

創建運動副。連桿建立完成后利用“運動副”命令建立各個連桿之間的運動副，其中機械手各個關節之間的連接副J003、J004、J005、J006均為旋轉副，為了保證膠槍沿著膠條軌跡運動，需要在膠槍出膠口中心與膠條曲線之間建立點在線上副J007，為了使膠槍在運動時始終與零件保持合適的姿態，在膠槍固定平面與豎直平面之間建立平行副J008。

連桿和運動副的具體創建方法可參看UG運動仿真相關資料[13-14]，本文不做詳細介紹，創建好后的運動仿真模型如圖5所示。

3.2 運動求解

圖5 運動仿真模型

定義運動驅動。完成連桿及運動副的創建后，點擊“驅動”，在運動導航器的約束“Constraints” 列表中選擇點在線上副“J007”為驅動對象。增加驅動后在運動導航器的“Driver Container”中設置Drv001為恒定，讓機械手驗證膠條做勻速直線運動，初速度為50 mm/s完成驅動定義。

定義解算方案。點擊“解算方案”，設置時間為34 s，步數為500，勾選通過按“確定”進行解算，點擊確定即開始對運動方案進行解算。

解算完成后點擊“動畫”命令對話框中的播放按鈕，即可觀察到機械手沿膠條的運動仿真動畫，并且可以利用“標記”和“追蹤”命令將膠槍末端的點進行標記，進而追蹤到該標記點走過的軌跡。如圖6所示，圖中標記點即為膠槍沿膠條走過的軌跡點，所有軌跡點均在膠條曲線上，表明該機械手能夠滿足輪罩涂膠的作業任務要求。

3.3 結果分析與后處理

圖6 機械手運動仿真膠槍軌跡

在運動導航器中的解算方案“Solution_1”中點擊“Results” 前 面 的“+” 號 打 開“Results”樹目錄，右擊該目錄下的“XY-Graphing”,選擇“新建”，彈出圖表對話框，在運動模型中選擇對象為擺動關節J003，在“請求”下拉列表中選擇“位移”，在“分量”下拉列表中選擇“角度幅值”，并選擇“相對”，再點擊軸定義下方的“+”號，用同樣的方法將J004、J005、J006的角度幅值添加到軸定義列表中，最后點擊“確定”，即可繪制出J003、J004、J005、J006四個軸的角位移-時間曲線，如圖7所示。同時，在“XY-Graphing”樹目錄下按住CTRL同時選中新建的J003～J006的位移-時間圖表文件，鼠標右擊選擇“繪圖至電子表格”，即可將各個關節角位移隨時間的數據保存至EXCEL表格，如圖8所示，這些數據即為機械手沿膠條運動的運動學逆解數據，可以作為基于樣條插值的關節機械手軌跡規劃的插值點數據[15-16]。

按照角位移-時間曲線的繪制方法，在“請求”下拉列表中分別選擇“速度”和“加速度”，即可繪制出機械手4個軸的角速度-時間曲線和角加速度-時間曲線，如圖9、圖10所示。

圖7 機械手各關節角位移-時間曲線

圖8 各關節運動學逆解角位移

圖9 機械手各關節角速度-時間曲線

圖10 機械手各關節角加速度-時間曲線

4 結論

本文針對車身輪罩人工涂膠勞動強度大，涂膠質量差，機器人涂膠成本較高的現實問題，通過分析車身輪罩涂膠工藝要求，設計了一種四自由度涂膠機械手，利用UG三維建模軟件對機械手進行了實體建模，利用UG的曲線處理指令從車身零件三維模型上提取了輪罩涂膠的膠條曲線，利用UG的運動仿真模塊對機械手沿膠條曲線的運動過程進行了運動仿真，通過仿真繪制了膠槍末端的運動軌跡點，軌跡與膠條曲線完全重合，驗證了機械手實現輪罩涂膠的可行性，得出了機械手各關節的角位移、角速度和角加速度的時間曲線，并得出了機械手沿膠條運動各關節的運動學逆解，為機械手的軌跡優化提供了數據。