梅雪川，林粵科

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

0 前言

盡管往復活塞式壓縮機是最早出現(xiàn)、較為古老的一種機型，但因其具有較廣的制冷量、排氣壓力的適用范圍和較強的變工況適應能力，在當今新的機種諸如轉(zhuǎn)子式、渦旋式迅速發(fā)展的情況下，往復活塞式壓縮機仍得到大量的應用，故市場對冰箱壓縮機曲軸的需求非常之大［1］。

目前，冰箱壓縮機曲軸磨削加工的上下料工作全部由人工操作完成，生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境惡劣，工人勞動強度大。本文作者提出了將機器人應用于冰箱壓縮機曲軸磨削加工的上下料，并以外圓磨工序為例，采用SolidWorks 2012軟件建立曲軸上下料機器人系統(tǒng)模型，并針對該機器人系統(tǒng)進行了運動學仿真分析及其行業(yè)內(nèi)的首次成功應用。

1 CAD建模和D-H坐標系建立

由于曲軸自身結(jié)構(gòu)和外圓磨工序的特殊性，故需設計一套專用夾具固定在機器人末端，以實現(xiàn)對曲軸的上下料動作。文中所設計的夾具分為兩部分，分別用于上料和下料動作。因為上料動作相對復雜，需在外圓磨床卡盤處，通過旋轉(zhuǎn)曲軸頂住偏心定位塊，以完成定位的操作要求，故上料動作采用帶旋轉(zhuǎn)的氣動手爪，同時，因為曲軸長短軸存有一定的偏心距，故裝在氣動手爪上的夾緊手指需恰好彌補曲軸自身的偏心距，使得最終在旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)時，上料曲軸的旋轉(zhuǎn)中心與所夾持的氣缸旋轉(zhuǎn)中心軸重合，曲軸上下料夾具三維模型如圖1所示。

圖1 曲軸上下料夾具三維模型

該曲軸上下料機器人系統(tǒng)主要由一個六自由度垂直關(guān)節(jié)型機器人、外圓磨床和自動輸送線組成，利用SolidWorks2012平臺提供的實體建模、實體編輯、智能裝配等功能，可很方便完成各部分的三維實體建模，如圖2所示。

圖2 曲軸上下料機器人系統(tǒng)各坐標系

為了便于該系統(tǒng)運動學方程的建立，根據(jù)D-H參數(shù)要求對各個部分建立相應坐標系如圖2所示［2］。其中，世界坐標系{W}、機器人坐標系{R}、傳送線坐標系{P}和磨床坐標系{M}為固定坐標系。當機器人從傳送線抓取工件時，工裝坐標系{C}與工件坐標系{G}的坐標原點重合;當機器人在磨床內(nèi)上卡盤坐標系{K}與工件坐標系{G}的坐標原點重合。

曲軸上下料機器人構(gòu)件坐標系的原則可以用轉(zhuǎn)角θi、扭角αi、桿長ai和偏距di4個構(gòu)件參數(shù)來描述。zi軸取桿件i與桿件i+1副的軸向方向，而xi軸則取沿相鄰兩z軸的公垂線方向。桿長ai是沿xi軸從zi-1軸量至zi的距離，規(guī)定與xi軸正向一致的距離為正。偏距di是沿著zi-1軸從xi-1軸量至xi軸的距離，規(guī)定與zi-1軸正向一致的距離為正。扭角αi是繞著xi軸從zi-1軸量至zi軸的角位移，規(guī)定從xi軸向觀察逆時針方向的角位移為正。轉(zhuǎn)角θi是繞著zi-1軸從xi-1軸量至xi軸的角位移，規(guī)定從zi-1軸方向觀察逆時針方向的角位移為正［3］。

2 運動學分析

根據(jù)上面所建立的采用D-H(Denavit-Hartenberg)坐標系，αi和ai為結(jié)構(gòu)參數(shù)，θi和di為運動變量，該上下料機器人關(guān)節(jié)無移動副，故di皆為常量。曲軸上下料機器人運動學的4個D-H關(guān)節(jié)參數(shù)及運動變量，如表1所示。

表1 D-H關(guān)節(jié)參數(shù)及運動變量

機器人任一連桿坐標系相對于基座坐標系的位姿可表示［4］:

其中，cβ=cosβ，sβ=sinβ，則曲軸上下料機器人從機器人坐標系到機器人T軸坐標系的變換矩陣，即其運動學正解為:，將表1中參數(shù)代入式(1)得:

為驗證曲軸上下料機器人初始位姿，令θ1=θ2=θ3=θ4=θ5=θ6=θG=0°，即機器人處于初始狀態(tài)［5］，代入，計算求得:

計算結(jié)果與機器人初始位姿一致，說明運動學正解所求得表達式是正確的。在上下料機器人從傳送線工裝板上抓取曲軸時，有，在上下料機器人將所抓取的曲軸送至磨床卡盤內(nèi)時，有。

3 上下料運動軌跡仿真分析

SolidWorks Motion是以美國MDI公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)為內(nèi)核的機械系統(tǒng)運動學和動力學仿真軟件，其與SolidWorks無縫集成形成一個快速高效的虛擬仿真工具，可以對復雜機構(gòu)進行運動學和動力學仿真工具，得到各個構(gòu)件的運動規(guī)律，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，在不制造物理樣機的前提下對機構(gòu)進行運動學分析提供了可能。

曲軸上下料過程通過基于SolidWorks軟件的虛擬原型仿真工具SolidWorks Motion進行仿真。將曲軸上下料系統(tǒng)三維圖在Motion分析窗口打開，在定義材料及引力、建立約束副、添加驅(qū)動后進行仿真分析。為了保證機器人上下料的高效率，設定仿真時間為5 s，觀察仿真過程，最終得到待上料的曲軸運動軌跡曲線，如圖3所示，通過運動軌跡仿真表明在上下料過程中，機器人單元未于磨床發(fā)生任何干涉情況。

圖3 機器人抓取曲軸末端軌跡曲線

由于磨床可能與機器人或夾具在多處出現(xiàn)干涉，故運動過程需作避障考慮，在指定仿真時間和一定的磨床與機器人相互位置關(guān)系條件下，通過Cubic插值法［6］得到的關(guān)節(jié)角位移、角速度的連續(xù)光滑曲線，因為運動過程中，關(guān)節(jié)1(S軸)和關(guān)節(jié)2(L軸)為主要的運動關(guān)節(jié)，故對其分析如圖4—7所示。從圖中可知，關(guān)節(jié)1最大位移為-112°，明顯未超過S軸的負極限值-170°，關(guān)節(jié)1的最大角速度為125°/s，明顯小于S軸的角速度極限值220°/s［7］;關(guān)節(jié)2最大位移為-60°，明顯未超過L軸的負極限值-90°，關(guān)節(jié)2的最大角速度為170°/s，明顯小于L軸的角速度極限值220°/s。

圖4 關(guān)節(jié)1角位移圖

圖5 關(guān)節(jié)1角速度圖

圖6 關(guān)節(jié)2角位移圖

圖7 關(guān)節(jié)2角速度圖

對仿真結(jié)果分析:機器人在5 s內(nèi)完成了指定的軌跡和任務，仿真過程中角位移、角加速度均未超過機器人本身的對應極限值，仿真過程未與磨床、磨床內(nèi)部機構(gòu)發(fā)生碰撞等干涉情況，即表明機器人進行曲軸上下料操作的可行性。另外，最終仿真結(jié)果中確定的磨床與機器人的相對位置關(guān)系對下一步試驗具有重要意義。

4 試驗及結(jié)論

用D-H法建立了冰箱壓縮機曲軸上下料機器人的運動學模型，并在此基礎上，采用SolidWorks對機器人系統(tǒng)進行了三維實體建模，通過SolidWorks Motion對該系統(tǒng)進行了工作過程的仿真。最終運動仿真分析表明:這種曲軸上下料機器人在有限工作空間和限制節(jié)拍的條件下實現(xiàn)上下料操作的可行性。借助仿真結(jié)果中磨床與機器人相互位置關(guān)系，通過行業(yè)內(nèi)的首次成功應用再次證明了曲軸上下料操作的可行性及其優(yōu)越性(如圖8所示)。該研究對其他相似的曲軸自動化上下料具有參考價值。

圖8 曲軸上下料機器人系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試

［1］范樹林，李紅旗．曲軸精度對冰箱壓縮機的影響及加工質(zhì)量控制［J］．制冷，2000(1):68-72．

［2］蔡自興．機器人學［M］．北京:清華大學出版社，2000．

［3］焦恩璋，陳美宏．弧焊機器人與數(shù)控變位機協(xié)同作業(yè)規(guī)劃［J］．電焊機，2009，39(12):78-80．

［4］李振偉，張紅兵．基于Motoman-up6的自由曲面精整加工研究［J］．機床與液壓，2010，38(9):18-20．

［5］徐呈藝，李業(yè)農(nóng)，等．MOTOMAN-UP6機器人運動學分析及仿真［J］．機床與液壓，2013，41(9):144-149．

［6］李勝軍，蔣大為．三次曲線插值及其性質(zhì)［J］．航空計算技術(shù)，2001(4):13-15．

［7］首鋼莫托曼機器人有限公司．MOTOMAN-MH6機器人實用說明書［M］．北京:首鋼莫托曼機器人有限公司，?2006．