一種焊接機器人的仿真分析

楊麗華

（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 前言

工業(yè)機器人是一個新興產(chǎn)業(yè)，作為一個包括機構(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器人。1973年，世界上第一臺機器人誕生于美國，隨后各國也大力推廣工業(yè)機器人的使用[1]。國內(nèi)外在工業(yè)機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化焊接問題研制了一種新型箱式焊接機器人。南京理工大學(xué)李精偉[3]對PR1400焊接機器人進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行運動軌跡規(guī)劃。Yuanfan Zeng[4]等人對工業(yè)機器人誤差補償?shù)奈恢谜`差相似性進(jìn)行了研究。Guanbin Gao[5]等對一種六自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)作了分析。機器人技術(shù)將成為社會生存和工業(yè)發(fā)展重要一部分，因此機器人比較具有研究前景。

1 可控式焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

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

圖1 焊接機器人三維圖

1.2 自由度的計算

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

2 焊接機器人的仿真分析

2.1 剛性體建模

在焊接機器人的仿真中，會把機構(gòu)視為剛體，剛體在受到力的作用下，不會產(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，焊接機器人導(dǎo)入Adams的剛體模型如圖2所示。

圖2 焊接機器人導(dǎo)入Adams剛性體模型

將焊接機器人三維模型導(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)動函數(shù)，進(jìn)行仿真分析，添加的驅(qū)動函數(shù)如表1所示。

表1 約束副添加驅(qū)動函數(shù)

在焊槍末端設(shè)置一個分析點，仿真后測量得到的焊接機器人主線各個關(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器人各個主要關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，驅(qū)動力拒可為電機為伺服電機選擇提供理論依據(jù)。

運行仿真后可以看到焊接機器人的運動軌跡，在設(shè)置驅(qū)動函數(shù)后，轉(zhuǎn)臺圓周轉(zhuǎn)動，主動桿來回擺動，轉(zhuǎn)動臂轉(zhuǎn)動，4 s后焊槍的運動軌跡如圖6所示。

圖6 焊接機器人軌跡圖

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產(chǎn)生很大的誤差，與實際情況結(jié)果相比差異也比較小，是在誤差范圍之內(nèi)的誤差。如果機構(gòu)都是用剛性體建模，可能不能達(dá)到機器精度要求。對于焊接機器人來說，微小的變形都會對焊接機器人的焊接精度產(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)行仿真計算。在本文研究的焊接機器人中，大臂是主要受力構(gòu)件，其變形的可能性會比較大，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 機器人剛性體柔性體末端位移對比曲線

在上圖中，可以對比剛形體和柔性體的計算結(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，也說明了這會直接影響到焊接精度。所以在進(jìn)行仿真時需要考慮到機構(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器人建立三維模型并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和自由度計算。并用Adams軟件對焊接機器人進(jìn)行仿真分析，分別建立其剛形體和柔性體模型，得到其仿真后計算結(jié)果的末端軌跡位移差異。