陸青松，汪 洋

(安徽城市管理職業(yè)學院 軌道交通學院,安徽 合肥 230011)

0 前言

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，作業(yè)分工也越發(fā)明晰，由于特殊的工況要求，傳統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)方式逐漸被自動化設備所代替[1-3]。其中具有代表性的為焊接作業(yè)，其具有重復性高、危險性強、勞動強度大等特點，同時對焊接的可靠性也有較強的技術要求[4-6]。這種環(huán)境下人們渴望一種自動化程度更高的機械作業(yè)方式，并能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工焊接作業(yè)，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量及更高的生產(chǎn)效率，焊接機械手正是在這種環(huán)境下應運而生[7-9]。

針對某生產(chǎn)線中對鈑金件的焊接作業(yè)及工況環(huán)境要求，設計出了一款五自由度的焊接機械手，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工焊接作業(yè)方式。并基于薩哈D-H坐標法，建立焊接機械手的運動學方程，同時利用Admas軟件完成對機械手焊接路徑規(guī)劃，并對仿真結(jié)果進行了理論校核，驗證了設計的合理性，為后續(xù)多自由度機械手的設計提供了重要的參考價值。

1 焊接機械手設計

1.1 設計方案

文中主要針對生產(chǎn)作業(yè)中鈑金件的焊接設計，由于作業(yè)空間有限，要求機械手具有一定的靈活性，適應在不同工況下的作業(yè)需求，同時為了提高工作效率可以連續(xù)針對兩組不同工位的工件進行焊接作業(yè)。結(jié)合實際作業(yè)及成本需求，文中借鑒傳統(tǒng)的多自由度的機械手的設計方案，將焊接機械手設計為五自由度，底座借助伺服電機和渦輪蝸桿配合的傳動方案使其具有旋轉(zhuǎn)功能以適用不同的工況需求，其他部件采用渦輪蝸桿及齒輪傳動相結(jié)合的設計方案，保證各個關節(jié)能夠靈活轉(zhuǎn)動。具體如下圖所示：

圖1 設計方案圖

1.2 工況要求

結(jié)合實際工況，要求焊接機械手能夠連續(xù)焊接兩個不同的工位，兩個工位之間角位差為90度。同時為保證焊接過程中避免碰觸大工件，需要保證焊接頭和焊件工件之間保證300 mm的安全距離，焊接長度為800 mm。

2 建立運動學方程

2.1 薩哈D-H參數(shù)數(shù)學模型建立

目前針對機械手的運動學方程的建立，主流方法主要采用標準型D-H坐標法、改進型D-H坐標法和薩哈D-H坐標法，其中薩哈D-H坐標法是利用前一個坐標變換矩陣的參數(shù)表示下一個坐標系的位置和姿態(tài)，方便用戶理解記憶和對機械臂進行控制程序校核，受到眾多設計者的青睞[10-12]。文中主要采用薩哈D-H坐標法針對機械臂的運動學方程進行分析。

結(jié)合上述模型和薩哈D-H坐標法的特點，建立其動力學分析模型。其中為方便后期調(diào)用數(shù)據(jù)，文中以機械臂末端的焊接執(zhí)行點的坐標建立坐標系x6y6z6。其余坐標點均建立在各自的旋轉(zhuǎn)軸線上，具體如下圖2所示：

圖2 薩哈D-H坐標圖

結(jié)合上圖及模型的具體尺寸數(shù)據(jù)建立薩哈D-H參數(shù)如表1所示：

表1 焊接機械手薩哈D-H參數(shù)

2.2 運動學方程建立

結(jié)合圖2所示，其相鄰兩個坐標系之間通過4次坐標轉(zhuǎn)換，即坐標系k沿zk方向平移bk使其與xk+1軸相交，坐標系k的xk軸繞zk轉(zhuǎn)動，使其與xk+1軸共線，坐標系k沿xk+1平移，使其兩坐標系原點重合和坐標系k的zk軸繞xk+1轉(zhuǎn)動，使其與zk+1軸重合。即如下式所示，表示坐標系k+1經(jīng)過4次坐標變換后，使其與坐標系k重合[13-14]。

(1)

(2)

(3)

(4)

利用Matlab計算從而得到坐標系x6y6z6相對坐標系x1y1z1對應的Px、Py、Pz的值分別為：

分別為：

PX=160*cos(θ1)+...-139*cos(θ1)*sin(θ2)*sin(θ3)

(5)

PY=160*sin(θ1)-...+(1303*cos(θ3)*sin(θ1)*sin(θ2))/2

(6)

PZ=783*sin(θ2)-.....+cos(θ3)*sin(θ2)+400

(7)

其中θ1、θ2、θ3對應的初始值分別為π/2、π/2、0。

3 Adams運動學仿真

文中主要借助Adams軟件對焊接機械手進行運動學仿真，以驗證設計的合理性。將機械手的三維模型保存為Adams識別的三維通用格式.x_t格式，以便導入Adams中進行仿真處理[15]。并將圖2中x1y1z1坐標移動至Adams坐標系中坐標原點的位置，同時將模型進行適當?shù)男D(zhuǎn)處理使其x1y1z1的各軸方向與Adams中系統(tǒng)坐標各對應軸系的方向一致。

三維模型導入Adams中后，結(jié)合三維模型各軸之間的運動關系，分別在各關鍵之間建立旋轉(zhuǎn)副，同時其各個關節(jié)的旋轉(zhuǎn)副的坐標位置和上圖中2中的坐標位置相對應。同時，在機械手的末端建立尾端坐標系x6y6z6，并給予各關節(jié)相應的驅(qū)動，其驅(qū)動函數(shù)如下所示：

對應圖2中x1y1z1的y方向的驅(qū)動為：

step(time,0,0,1,300)+step(time,3,0,4,-300)+step(time,5,0,6,300)+step(time,8,0,9,-300)

對應圖2中x1y1z1的z方向的驅(qū)動為：

step(time,1,0,3,-800)+step(time,6,0,8,800)

其余移動方向及轉(zhuǎn)動方向的驅(qū)動均設為0。仿真時間為9秒，步數(shù)為900步，結(jié)束后分別調(diào)取坐標系x2y2z2、x3y3z3和x5y5z5所在關節(jié)旋轉(zhuǎn)坐標系所在的位置的角速度運動曲線并將其轉(zhuǎn)化為樣條驅(qū)動曲線。

圖3 關節(jié)2、3、5的旋角速度

上述仿真結(jié)束后，分別對圖2中對應關節(jié)坐標系對應的轉(zhuǎn)動副添加驅(qū)動，如下表2所示：

表2 各關節(jié)驅(qū)動函數(shù)

設置完畢后在仿真界面中，將仿真時間設置為9秒，步數(shù)為900步對模型進行再次仿真處理，仿真結(jié)束后，利用Admas提供點的軌跡捕捉功能，將末端點所在的位置x6y6z6的點在系統(tǒng)坐標系中的運動軌跡調(diào)出，如下圖4所示。

圖4 末端點的運動軌跡圖

同時在Adams后處理中調(diào)取末端點相對系統(tǒng)坐標系，即圖2中x1y1z1的位移曲線如下圖5所示。

圖5 末端點的位移

利用后處理中的數(shù)據(jù)捕捉功能，提取仿真結(jié)束時x6y6z6相對于x1y1z1的坐標值為(1 162,0,1 322)。

為驗證其設計理論的合理性，利用Admas的測量功能分別測得關節(jié)1～5處個轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動角度，如下圖6所示。

圖6 各關節(jié)處轉(zhuǎn)動的角位移

由圖6中可以看出，各個關節(jié)中只有關節(jié)1處的角度轉(zhuǎn)動了-π/2，其余轉(zhuǎn)動角度相對初始位置均為零，即表1中只有θ1由原來π/2轉(zhuǎn)動至0度，其余角度均為初始角度，沒有發(fā)生變化。因此將θ1為0、θ2為π/2、θ3為0、θ4為π/2、θ5為0分別代入公式5、6、7中，得到末端點的終點運動坐標相對坐標系x1y1z1的值為(1 162.023 4，0，1 322.022 4)。仿真得到的數(shù)據(jù)為(1 162,0,1 322)與理論值相接近，且誤差在允許的范圍內(nèi)。從而驗證了焊接機械手的運動軌跡滿足設計要求及理論要求，驗證了設計的合理性。

4 結(jié)論

文章設計出了焊接機械手的三維模型，基于薩哈D-H坐標法對焊接機械手的運動學方程進行了搭建，完成了對機械手的運動理論分析。同時借助Adams軟件完成了對焊接機械手特定工況下軌跡規(guī)劃和運動學分析，并對仿真的結(jié)果進行了理論驗證，進一步驗證了焊接機械手結(jié)構(gòu)設計的合理性，可以為后期對機械手的研究提供設計參考和依據(jù)。