焦方坤，汪蘇，李曉輝

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

0 前言

焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能是其能否正常工作的保證，而動(dòng)力學(xué)性能則直接影響到機(jī)器人的控制與穩(wěn)定。因此如何使所設(shè)計(jì)的一種相貫線埋弧焊接機(jī)器人具有更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)性能，是一個(gè)非常重要的問題。針對(duì)這一問題，從相貫線埋弧焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)一開始就把機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行同步考慮，使得相貫線埋弧焊接機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能從設(shè)計(jì)開始就作為機(jī)器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

1 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中同時(shí)考慮到機(jī)器人各零部件的形狀、尺寸、質(zhì)量分布和安裝位置對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能的影響，在剛度強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化。這種方法將機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)同步貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)每部分的設(shè)計(jì)都可以即刻仿真其工作性能，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行及時(shí)修改［1］。UG軟件基于參數(shù)化建模并能完成虛擬裝配，應(yīng)用ADAMS軟件可以進(jìn)行仿真分析，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。虛擬裝配技術(shù)的一般流程如圖1(a)所示［2-3］，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1(b)所示［4-5］。

圖1 虛擬裝配和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

2 相貫線埋弧焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 焊接機(jī)器人5號(hào)軸的設(shè)計(jì)分析

由于采用虛擬裝配和基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，因此需要采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，即先設(shè)計(jì)相貫線埋弧焊接機(jī)器人的末端——埋弧焊接頭。由于時(shí)間原因和設(shè)計(jì)的要求，埋弧焊槍采用唐山松下公司生產(chǎn)的埋弧焊接頭。埋弧焊接頭不需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，但是由于后面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程需要用到焊接頭的模型，因此需要在UG中創(chuàng)建埋弧焊接頭的實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 埋弧焊接頭模型

根據(jù)虛擬樣機(jī)技術(shù)，需要先通過UG建造出相貫線焊接機(jī)器人5號(hào)軸相關(guān)部分結(jié)構(gòu)，并且需要和焊接頭進(jìn)行裝配，圖3(a)所示為在UG中的5號(hào)軸模型圖。完成裝配后需要進(jìn)行干涉檢查，確保沒有靜態(tài)干涉。5號(hào)軸裝配模型三維造型在UG中設(shè)計(jì)完成并進(jìn)行虛擬裝配后輸出(export)*.xmt-_txt文件格式的Parasolide文件，在ADAMS/VIEW中利用Import命令將Parasolide文件載入，得到如圖3(b)所示的模型。導(dǎo)入到ADAMS中的模型在進(jìn)行虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真前需要添加運(yùn)動(dòng)副約束和驅(qū)動(dòng)力，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)的設(shè)置。

圖3 5號(hào)軸裝配模型

在機(jī)器人的5號(hào)軸的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后需要將其看做一個(gè)完整的樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析。如圖4所示為不同運(yùn)動(dòng)速度下，焊槍末端點(diǎn)處所受的力矩，角速度和角加速度曲線，從圖中可以看到在不同的運(yùn)動(dòng)速度下，焊槍端點(diǎn)的速度和加速度的變化都成一定的周期性，但是變化幅度很小，因此完全滿足焊接的需要［6-7］。

圖4 焊槍端點(diǎn)處的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

機(jī)器人結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的另一個(gè)目的是為機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行合理的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，文中采用的是自底向上的設(shè)計(jì)思想，因此在動(dòng)力學(xué)仿真過程中可以分析出當(dāng)前軸的驅(qū)動(dòng)力矩，因此可以將機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸處的動(dòng)力學(xué)特性作為旋轉(zhuǎn)機(jī)器人軸的驅(qū)動(dòng)選取依據(jù)。如圖5所示為5號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸在不同工作狀況下的動(dòng)力學(xué)特性仿真結(jié)果。

圖5 5號(hào)軸電機(jī)軸的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

從圖5中可以看出電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的最大驅(qū)動(dòng)力矩為0.1～0.15 Nm。同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)速和尺寸等其他方面的要求，這里選擇安川SGMAH-04A電機(jī)，該電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖6所示［8］。

圖6 5號(hào)電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線 (SGMAH-04A)

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，5號(hào)軸的兩個(gè)同心圓弧導(dǎo)軌的圓心位于焊槍端點(diǎn)處，即5號(hào)軸運(yùn)動(dòng)是圍繞焊槍端點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此從理論上來講該軸運(yùn)動(dòng)不應(yīng)該引起焊槍端點(diǎn)位置的變化。在運(yùn)用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真過程中可以測量焊槍端點(diǎn)的位置變化，圖7所示為焊接端點(diǎn)在3個(gè)方向上的位置變化。從圖中可以看出在3個(gè)方向上都是運(yùn)動(dòng)到圓弧兩端時(shí)誤差較大，但是最大值只有0.449 mm，因此不會(huì)對(duì)工作過程產(chǎn)生很大影響。而且后面章節(jié)針對(duì)這個(gè)問題，也通過軟件方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了有效補(bǔ)償。

圖7 焊槍末端位置變化仿真結(jié)果

2.2 焊接機(jī)器人4號(hào)軸的設(shè)計(jì)分析

機(jī)器人的4號(hào)軸結(jié)構(gòu)與5號(hào)軸基本相似，但是方向與5號(hào)軸垂直。同時(shí)4號(hào)軸的兩個(gè)圓弧導(dǎo)軌的圓弧中心線與5號(hào)軸導(dǎo)軌的圓弧中心線正好處于垂直相交的位置，裝配完成后的模型如圖8所示。

圖8 4號(hào)軸裝配完成后的模型

然后將4號(hào)軸和5號(hào)軸整體看成一個(gè)虛擬樣機(jī)模型，分析其工作過程中4號(hào)軸的動(dòng)力學(xué)特性。在分析過程中充分考慮5號(hào)軸對(duì)4號(hào)軸的影響，如圖9所示為4號(hào)軸關(guān)節(jié)處的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。

圖9 4號(hào)軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

圖10 、11是4號(hào)軸關(guān)節(jié)處的角速度、角加速度曲線和4號(hào)電機(jī)軸上所需力矩曲線。從圖11中可以看出電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的最大驅(qū)動(dòng)力矩為0.1 Nm。同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)速和尺寸等其他方面的要求，因此選擇與5號(hào)軸相同的安川SGMAH-04A電機(jī)。

圖10 4號(hào)軸關(guān)節(jié)速度和角加速度曲線

圖11 4號(hào)軸電機(jī)力矩曲線

2.3 焊接機(jī)器人3號(hào)軸的設(shè)計(jì)分析

3號(hào)軸是一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)軸，主要任務(wù)是調(diào)節(jié)焊接頭的上下位置，這里采用絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)來將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。其中伺服電機(jī)通過減速器減速后與滾珠絲杠連接，然后通過滾珠絲杠上滑塊的運(yùn)動(dòng)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，而兩側(cè)直線導(dǎo)軌負(fù)責(zé)支撐和提供直線路徑。完成3號(hào)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，將其與4、5號(hào)軸進(jìn)行虛擬裝配并進(jìn)行干涉檢查后導(dǎo)入到ADAMS中形成新的虛擬樣機(jī)模型，如圖12所示。在該模型上創(chuàng)建約束和驅(qū)動(dòng)，然后將這3個(gè)軸的裝配體作為樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，其仿真曲線如圖13所示。

圖12 3號(hào)軸裝配后虛擬樣機(jī)模型

圖13 3號(hào)軸滑軌處的動(dòng)力學(xué)仿真曲線

從圖中可以看出，由于3號(hào)軸是做上下運(yùn)動(dòng)，因此第4號(hào)和第5號(hào)軸部分的重力對(duì)3號(hào)軸的影響比較大。在3號(hào)軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于重力起到促進(jìn)作用，屬于動(dòng)力，因此需要電機(jī)傳來的驅(qū)動(dòng)力較小，而當(dāng)3號(hào)軸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力作用充當(dāng)阻力，因此需要更大的驅(qū)動(dòng)力。

如圖14所示為3號(hào)軸絲杠處旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)仿真曲線。從圖中可以看出，隨著3號(hào)軸上下的周期運(yùn)動(dòng)，絲杠上的角速度和角加速度也處于周期變化過程中。與此同時(shí)需要的力矩也處于周期變化，其中絕對(duì)值最大的時(shí)候達(dá)到3.39 Nm，考慮到運(yùn)行速度的要求和運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性，這里在驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上添加了一個(gè)減速比為10的減速器，因此電機(jī)選用了安川SGMAH-04A型號(hào)。

圖14 3號(hào)軸旋轉(zhuǎn)絲杠的動(dòng)力學(xué)仿真曲線

2.4 焊接機(jī)器人2號(hào)軸的設(shè)計(jì)分析

2號(hào)軸結(jié)構(gòu)基本與3號(hào)軸相同，也是用絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)來將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，只是2號(hào)軸是水平放置，主要用來調(diào)節(jié)焊槍在徑向上的位置。完成設(shè)計(jì)和裝配后的虛擬樣機(jī)模型如圖15所示。

圖15 裝配2號(hào)軸后的虛擬樣機(jī)模型

設(shè)定3、4和5號(hào)軸模型相對(duì)于2號(hào)軸的絲杠進(jìn)行正弦形式的運(yùn)動(dòng) (如圖16中的位置曲線)，然后進(jìn)行虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真，圖16所示為滑軌處滑動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)速度和加速度曲線。從圖中可以看到，速度和加速度也隨運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行周期性的變化。

圖16 2號(hào)軸滑軌處的動(dòng)力學(xué)仿真曲線

與此同時(shí)分析2號(hào)軸絲杠軸上的動(dòng)力學(xué)特性，如圖17所示。從圖中可以看絲杠的運(yùn)動(dòng)形式也是呈周期性的，而且變化周期與滑軌上的運(yùn)動(dòng)相同，但是幅度較大，這與絲杠副的減速比有關(guān)。同時(shí)絲杠軸上所受的力和力矩如圖中的力和力矩曲線所示，從中可以看到力和力矩不但與2號(hào)軸運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，同時(shí)也受4號(hào)軸運(yùn)行的影響，這是由于4號(hào)軸運(yùn)動(dòng)引起3、4和5號(hào)軸中心變化。2號(hào)最大力矩達(dá)到9.5 Nm，同時(shí)考慮運(yùn)行速度和減速器的減速比 (10∶1)，因此也選用了安川SGMAH-04A型號(hào)電機(jī)。

圖17 2號(hào)軸旋轉(zhuǎn)絲杠的動(dòng)力學(xué)仿真曲線

2.5 焊接機(jī)器人1號(hào)軸的設(shè)計(jì)分析

1號(hào)軸的設(shè)計(jì)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中比較關(guān)鍵，一方面這是由于1號(hào)軸需要承擔(dān)后面幾個(gè)軸的重力，因此需要強(qiáng)度大;另一方面1號(hào)軸的負(fù)載受到后面各個(gè)軸的影響較大，因此需要考慮的因素較多。1號(hào)軸的機(jī)構(gòu)如圖18(a)所示，底部是一個(gè)帶軸承的法蘭結(jié)構(gòu)，用于連接夾持工件的卡盤;中間部分是一個(gè)筒體，為了增加剛度特意添加了加強(qiáng)筋;上部采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)。考慮到2、3、4和5軸是一個(gè)質(zhì)量較大的懸臂結(jié)構(gòu)，因此1號(hào)軸受到的彎曲力矩較大，需要在筒體中間添加了一個(gè)抗彎矩的心軸，該心軸底部與下法蘭通過軸承連接，上部也添加軸承，同時(shí)使用承受徑向力較大的圓錐滾子軸承。裝配完成軸的虛擬樣機(jī)模型如圖18(b)所示。

圖18 1號(hào)軸實(shí)體模型圖和機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

在虛擬樣機(jī)中設(shè)定1號(hào)軸以一定的角速度勻速運(yùn)動(dòng)，2、3、4和5號(hào)軸進(jìn)行正弦形式的運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。圖19中所示為1號(hào)軸的仿真曲線，可以看到1號(hào)軸所受的旋轉(zhuǎn)力矩呈周期性變化，這是由于2號(hào)軸運(yùn)動(dòng)引起3、4和5號(hào)軸相對(duì)于1號(hào)軸的慣性力矩變化引起的。

圖19 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)仿真曲線

分析1號(hào)軸所受的彎曲力曲線如圖20所示，從圖中看到x方向的彎曲力成周期性變化，這主要是由于3、4和5號(hào)軸在z方向上的重心變化引起的。而y向的彎曲力在大周期中又有小周期，大周期同樣是由于3、4和5號(hào)軸部分總體重心在z方向上的變化引起，而小周期是由于4、5號(hào)軸運(yùn)動(dòng)引起的小部分模型重心位置在x方向的變化引起的。這部分的仿真結(jié)果為設(shè)計(jì)中添加心軸提供了理論的支持。

圖20 轉(zhuǎn)軸所受彎曲力的仿真曲線

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，完成加工裝配后機(jī)器人的實(shí)物如圖21所示。

圖21 機(jī)器人實(shí)物圖

3 結(jié)束語

在制定的虛擬裝配流程與優(yōu)化設(shè)計(jì)流程的指導(dǎo)下，通過采用UG軟件完成參數(shù)化模型的建立，實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配，然后采用ADAMS軟件完成基于虛擬裝配和虛擬樣機(jī)技術(shù)的動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這種將機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)同步貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程的設(shè)計(jì)分析方法，提高了整個(gè)系統(tǒng)的整體性能，為相關(guān)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

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