一種焊接機(jī)器人的仿真分析

楊麗華

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 前言

工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，作為一個(gè)包括機(jī)構(gòu)學(xué)、電子控制學(xué)、智能化的綜合性學(xué)科，近年來已經(jīng)取得了很大的研究成果。本論文研究的是一種六自由度可控式焊接機(jī)器人。1973年，世界上第一臺(tái)機(jī)器人誕生于美國(guó)，隨后各國(guó)也大力推廣工業(yè)機(jī)器人的使用[1]。國(guó)內(nèi)外在工業(yè)機(jī)器人這方面有了大量研究。清華大學(xué)朱志明[2]等為了解決建筑工程自動(dòng)化焊接問題研制了一種新型箱式焊接機(jī)器人。南京理工大學(xué)李精偉[3]對(duì)PR1400焊接機(jī)器人進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。Yuanfan Zeng[4]等人對(duì)工業(yè)機(jī)器人誤差補(bǔ)償?shù)奈恢谜`差相似性進(jìn)行了研究。Guanbin Gao[5]等對(duì)一種六自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)作了分析。機(jī)器人技術(shù)將成為社會(huì)生存和工業(yè)發(fā)展重要一部分，因此機(jī)器人比較具有研究前景。

1 可控式焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

這種可控式的焊接機(jī)器人利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，具有活動(dòng)空間大，靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，能輸出多樣化的運(yùn)動(dòng)軌跡，也提高了焊接精度。利用平行四邊形原理可以提高機(jī)器的整體剛度，使得其可控性變得更好。本文研究的焊接機(jī)器人主要由底座、主動(dòng)桿、連桿、大臂、小臂、轉(zhuǎn)動(dòng)臂、擺臂、焊槍組成，其三維模型如圖1所示。

圖1 焊接機(jī)器人三維圖

1.2 自由度的計(jì)算

機(jī)構(gòu)自由度是分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，機(jī)構(gòu)自由度數(shù)計(jì)算公式：n為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目，pl為低副數(shù)，ph為高副數(shù)。本焊接機(jī)器人活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為10個(gè)，所以n=10，轉(zhuǎn)動(dòng)副是12個(gè)，pl=12，本機(jī)構(gòu)都是轉(zhuǎn)動(dòng)副，沒有高副，所以ph=0。代入自由度公式得，F(xiàn)=3×10-2×12=6，該機(jī)構(gòu)存在一個(gè)虛約束，計(jì)算得該焊接機(jī)器人的自由度為5。

2 焊接機(jī)器人的仿真分析

2.1 剛性體建模

在焊接機(jī)器人的仿真中，會(huì)把機(jī)構(gòu)視為剛體，剛體在受到力的作用下，不會(huì)產(chǎn)生任何變形。在solidworks中建立三維模型，導(dǎo)入到Adams軟件中。通過環(huán)境設(shè)置，焊接機(jī)器人導(dǎo)入Adams的剛體模型如圖2所示。

圖2 焊接機(jī)器人導(dǎo)入Adams剛性體模型

將焊接機(jī)器人三維模型導(dǎo)入Adams后，定好各構(gòu)件材料，添加約束并給約束副添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，進(jìn)行仿真分析，添加的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表1所示。

表1 約束副添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)

在焊槍末端設(shè)置一個(gè)分析點(diǎn)，仿真后測(cè)量得到的焊接機(jī)器人主線各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩圖如圖3～5所示。

圖3 關(guān)節(jié)15的力矩圖

圖4 關(guān)節(jié)9力矩圖

圖5 關(guān)節(jié)2力矩圖

通過上圖可以得到焊接機(jī)器人各個(gè)主要關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)力拒可為電機(jī)為伺服電機(jī)選擇提供理論依據(jù)。

運(yùn)行仿真后可以看到焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，在設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)后，轉(zhuǎn)臺(tái)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)桿來回?cái)[動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，4 s后焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6 焊接機(jī)器人軌跡圖

2.2 柔性體建模

在大多數(shù)情況下把模型當(dāng)作剛形體來處理不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，與實(shí)際情況結(jié)果相比差異也比較小，是在誤差范圍之內(nèi)的誤差。如果機(jī)構(gòu)都是用剛性體建模，可能不能達(dá)到機(jī)器精度要求。對(duì)于焊接機(jī)器人來說，微小的變形都會(huì)對(duì)焊接機(jī)器人的焊接精度產(chǎn)生一定的影響，從而降低焊接質(zhì)量。所以在仿真時(shí)需要把部分構(gòu)件作可以產(chǎn)生變形的柔性體處理。在ViewFlex中生成MNF文件，用生成的柔性體代替原來的剛形體，在進(jìn)行仿真計(jì)算。在本文研究的焊接機(jī)器人中，大臂是主要受力構(gòu)件，其變形的可能性會(huì)比較大，因此本文把大臂用柔性體替換原來的剛形體來研究系統(tǒng)的性能。通過點(diǎn)擊Adams軟件中建模工具條剛形體至柔性體的按鈕，再替換其位置信息即可生成柔性體。

通過仿真，焊接機(jī)器人在剛形體和柔性體的末端位移曲線如圖7所示。

圖7 機(jī)器人剛性體柔性體末端位移對(duì)比曲線

在上圖中，可以對(duì)比剛形體和柔性體的計(jì)算結(jié)果差異。雖然兩條曲線幾乎接近，但是還是可以清楚的看見其中的誤差，也說明了這會(huì)直接影響到焊接精度。所以在進(jìn)行仿真時(shí)需要考慮到機(jī)構(gòu)的柔性體，避免仿真造成較大的誤差。

3 結(jié)束語

本文通過基于一種新型可控五自由度焊接機(jī)器人建立三維模型并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和自由度計(jì)算。并用Adams軟件對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行仿真分析，分別建立其剛形體和柔性體模型，得到其仿真后計(jì)算結(jié)果的末端軌跡位移差異。