基于ADAMS的攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人動力學(xué)仿真分析

張松，喬鳳斌，劉玉來，張華德

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

基于ADAMS的攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人動力學(xué)仿真分析

張松，喬鳳斌，劉玉來，張華德

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

ADAMS軟件在分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方面有著強(qiáng)大的功能；針對攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人的設(shè)計問題，首先建立其動力學(xué)模型，然后利用Pro／E軟件建立了機(jī)器人的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行動力學(xué)分析，給各個關(guān)節(jié)運(yùn)動副加上相應(yīng)的軌跡曲線方程，使其按照指定的運(yùn)動方式運(yùn)動。通過仿真得到并分析了機(jī)器人各關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中各階段的動力學(xué)特性，為電機(jī)系統(tǒng)的精確選型及控制系統(tǒng)的設(shè)計等進(jìn)一步研發(fā)攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人設(shè)備提供了可靠有力的依據(jù)，對于保證其機(jī)械系統(tǒng)的性能以及提高其可靠性等具有十分重要的意義。

攪拌摩擦點(diǎn)焊；動力學(xué)模型；ADAMS；仿真分析

0 前言

攪拌摩擦點(diǎn)焊FSSW(Friction Stir Spot Welding)是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上研究開發(fā)的一種創(chuàng)新的固相焊接技術(shù)，眾多優(yōu)點(diǎn)使得攪拌摩擦點(diǎn)焊方法成為目前最合適用于輕金屬合金薄板裝配單點(diǎn)連接的固相連接技術(shù)[1]。攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人設(shè)備的研制，可以替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊接、沖壓鉚接等，實(shí)現(xiàn)典型鋁合金關(guān)鍵構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)、高效、綠色點(diǎn)焊連接。

借助于ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人設(shè)備，對于保證其機(jī)械系統(tǒng)的性能以及提高其可靠性具有十分重要的意義。該設(shè)備的研制對提高我國重大基礎(chǔ)制造裝備的技術(shù)水平和研發(fā)能力具有重要作用和現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人的動力學(xué)模型

目前，機(jī)器人動力學(xué)的研究方法很多，如拉格朗日方法、牛頓－歐拉方法、高斯方法、凱恩方法、羅伯遜－魏登堡法、旋量方法等。其中以牛頓－歐拉法和拉格朗日法運(yùn)用較多。從計算量方面考慮，使用牛頓－歐拉方法，在原有算法的基礎(chǔ)上，將所有桿件的速度、加速度、慣性矩陣、質(zhì)心位置、力和力矩等都表示在各桿的坐標(biāo)系中，從而使計算更加簡單，使計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的時間不僅與機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)成線性比例，而且與點(diǎn)焊機(jī)器人的構(gòu)型無關(guān)[3]。

首先從連桿1到連桿n向外遞推計算各連桿的速度和加速度，計算出每個連桿的慣性力和力矩。第二步，從連桿n到連桿1向內(nèi)遞推計算各連桿內(nèi)部相互作用力和力矩、關(guān)節(jié)驅(qū)動力和力矩[4]，見圖1。

圖1 連桿受力分析Fig.1 Connecting rod stress analysis

(1)向外遞推(i：0→n－1)。

連桿i＋1的角速度

連桿i＋1的角加速度

連桿i＋1的線速度

連桿i＋1的線加速度

作用于連桿i＋1質(zhì)心上的力

作用于連桿i＋1質(zhì)心上的力矩

(2)向內(nèi)遞推(i：n→1)。

作用于連桿i質(zhì)心上的力

作用于連桿i質(zhì)心上的力矩

關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩

機(jī)器人動力學(xué)模型的建立，可以在已知各關(guān)節(jié)位移、速度和加速度的情況下，求得各關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動力和力矩，為機(jī)器人的動力學(xué)仿真提供依據(jù)[5]。

2 攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型的建立

虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用就是機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)仿真技術(shù)。該技術(shù)的使用，讓用戶能夠用虛擬樣機(jī)代替大多數(shù)的物理樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件ADAMS具有非常強(qiáng)的動力學(xué)仿真功能，可以把在Pro／E中建立的三維模型通過接口轉(zhuǎn)換成能夠進(jìn)行動力學(xué)分析的模型，并且通過確定各關(guān)節(jié)角的運(yùn)動軌跡進(jìn)行動力學(xué)仿真。根據(jù)設(shè)計參數(shù)利用Pro／E軟件設(shè)計出機(jī)器人零件，然后進(jìn)行裝配，從而形成了機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。在進(jìn)行零件設(shè)計的時候就要完成對零件材料的定義。完成了零件的設(shè)計后，在進(jìn)行裝配工作時要注意把沒有相對運(yùn)動的零件裝配成一個組件，這樣可以為后續(xù)的定義剛體做好準(zhǔn)備。定義剛體是在ADAMS中進(jìn)行的，ADAMS和Pro／E有一個共同的接口Mechanical／Pro可以實(shí)現(xiàn)兩者間的無縫連接，可以方便地完成模型的轉(zhuǎn)換[6]。

圖2 攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人模型Fig.2 FSSW robot model

3 攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人動力學(xué)仿真分析

虛擬樣機(jī)仿真模型建立好后，在ADAMS／View中調(diào)用ADAMS／Solve模塊，即可進(jìn)行動態(tài)仿真。在仿真過程中，要使機(jī)器人按照一定的規(guī)律運(yùn)動，需要給各個關(guān)節(jié)運(yùn)動副加上相應(yīng)的軌跡曲線方程，關(guān)節(jié)才能按照指定的運(yùn)動方式運(yùn)動[7]?？芍貜?fù)設(shè)定輸入值和精度，重復(fù)地對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，直到獲得所需要的結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行分析，了解這種結(jié)果產(chǎn)生的原因，并且能夠得到數(shù)據(jù)的輸出，為攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制系統(tǒng)提供條件。

根據(jù)實(shí)際需要的工作軌跡，通過多次虛擬試驗(yàn)，綜合考慮技術(shù)指標(biāo)中各關(guān)節(jié)的速度和加速度要求得到各關(guān)節(jié)的角位移函數(shù)，角位移曲線如圖3所示。

圖3 各關(guān)節(jié)輸入的角位移曲線Fig.3 Input angular displacement curves of each joint

將圖3所示的角位移曲線轉(zhuǎn)變?yōu)闃訔l函數(shù)(Spline)，作為ADAMS的輸入，即各關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)，仿真得到點(diǎn)焊機(jī)器人實(shí)際工作軌跡中各關(guān)節(jié)的角速度、角加速度和力矩變化曲線，其曲線分別如圖4、圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，點(diǎn)焊機(jī)器人在整個運(yùn)動過程中各關(guān)節(jié)速度、加速度變化較平緩，沒有突變，且都符合技術(shù)指標(biāo)中對速度和加速度的要求。

圖4 點(diǎn)焊機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角速度曲線Fig.4 Angular speed curve of FSSW robot's Each joint

圖5 點(diǎn)焊機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角加速度曲線Fig.5 Angle acceleration curve of FSSW robot's each joint

(1)關(guān)節(jié)1的角速度和角加速度在7.5～9.5 s之間較大，其他時間段普遍較小，這是因?yàn)樵摃r間段內(nèi)要轉(zhuǎn)移到另外一點(diǎn)進(jìn)行焊接，主要依靠關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)動作，并且要求動作迅速、平穩(wěn)，因此關(guān)節(jié)1的角速度和角加速度都應(yīng)較大，仿真結(jié)果與實(shí)際分析相符。

(2)關(guān)節(jié)2的角加速度在0～1.5s、3.5～4.0s和5.5～7.5s之間較大，在其他時間段內(nèi)較小。因?yàn)樵?～1.5s內(nèi)，點(diǎn)焊機(jī)器人空載運(yùn)行，機(jī)械臂應(yīng)迅速到達(dá)要求焊接的工件上方，所以要有較大的角加速度和角速度；而在3.5～4.0 s和5.5～7.5 s內(nèi)關(guān)節(jié)2完成焊接，在焊接的瞬間及整個焊接過程中，加速度也較大，在3.5～4.0 s內(nèi)雖然加速度較大，但由于時間非常短，所以角速度并不大，仿真結(jié)果與實(shí)際分析相符。關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5配合關(guān)節(jié)2完成相應(yīng)動作，動作過程相似，其仿真結(jié)果也相似。

(3)關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6的動作較少，都是為了完成特定動作；關(guān)節(jié)4的動作主要是協(xié)助完成轉(zhuǎn)移到指定位置時的位姿調(diào)整；關(guān)節(jié)6的動作主要是旋轉(zhuǎn)，避免在焊接復(fù)雜工件時發(fā)生碰撞。因此都是在特定的動作時間段內(nèi)有較大的角速度和角加速度，仿真結(jié)果與實(shí)際分析相符[8]。

對點(diǎn)焊機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力矩進(jìn)行統(tǒng)計可知，點(diǎn)焊機(jī)器人在實(shí)際工作中，最開始由于點(diǎn)焊機(jī)器人空載運(yùn)行，所以各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩相對都比較小，其中關(guān)節(jié)2的力矩值較大，這是因?yàn)樵撾A段關(guān)節(jié)2的動作幅度最大，加速度值比較大。在進(jìn)行焊接時各關(guān)節(jié)的力矩普遍都很大，最大力矩出現(xiàn)在關(guān)節(jié)2上，因?yàn)榇藭r機(jī)器人手臂伸展長度最大，關(guān)節(jié)2處的重力矩達(dá)到最大值，并且在提取的瞬間加速度值也較大。在轉(zhuǎn)移到另外焊接點(diǎn)時，除了有加速動作的關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)4外，其他各關(guān)節(jié)的力矩都處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

圖6 點(diǎn)焊機(jī)器人各關(guān)節(jié)的力矩曲線Fig.6 Torque curves of FSSW robot's each joint

4 結(jié)論

借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人的三維實(shí)體模型后，應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，通過仿真得到并分析了運(yùn)動過程中機(jī)器人各關(guān)節(jié)的動力學(xué)特性，為進(jìn)一步研發(fā)攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人設(shè)備提供了可靠有力的依據(jù)，對于保證其機(jī)械系統(tǒng)的性能以及提高可靠性具有十分重要的意義。

[1]秦紅珊，楊新歧.攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)及在汽車工業(yè)應(yīng)用前景[J].汽車技術(shù)，2006(1)：1－4.

[2]Fujimoto M，Inuzuka M，Koga S.Development of friction spot joining[J].Welding in the World，2005(3，4)：18－21.

[3]Takeshi K，Toshiaki M.Application of friction stir welding to construction of railway vehicles[J].Series A，2004(3)：23－28.

[4]陳美宏，焦恩璋.空間焊縫的位姿參數(shù)與放置規(guī)劃研究[J].電焊機(jī)，2011，41(4)：24－28.

[5]譚一炯，周方明，王江超，等.焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電焊機(jī)，2011，41(3)：6－10.

[6]王立權(quán)，王小東.基于虛擬樣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)器人，1994(16)：129－132.

[7]張國棟，李志遠(yuǎn).低合金高強(qiáng)鋼焊縫針狀鐵素體轉(zhuǎn)變動力學(xué)及其仿真[J].電焊機(jī)，2002，32(6)：9－12.

[8]沈紅芳，宋又廉.基于ADAMS的弧焊機(jī)器人動力學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2005，21(6)：50－52.

The analysis of kinematic simulation of friction stir spot welding robot based on ADAMS

ZHANG Song，QIAO Feng－bin，LIU Yu－lai，ZHANG Hua－de
(Shanghai Spaceflight Manufacture(Group)Co.，Ltd，Shanghai 200245，China)

The software ADAMS has powerful function on the analysis of the institutions of the kinematics and dynamics.According to friction stir welding robot dynamic problems in design process，established its dynamics model，and using Pro／E software built its 3D entity model into ADAMS for dynamic analysis.Give the track of the corresponding vice curve equation to each joint movement，and make it movement according to specified movement way.Get and analysis the dynamic properties of each joint of the robot by the simulation and of the movement process，which provides a reliable powerful basis for further research and development of the friction stir welding robot equipment such as the accurately and selection of the motor system and the design of the control system.Have a very vital significance to ensure the performance of mechanical system and its reliability.

FSSW；dynamics model；ADAMS；simulation analysis

book=6,ebook=54

TG409

A

1001－2303(2012)06－0113－05

2011－11－28

上海市科委資助項(xiàng)目(10DE2250300)

張松(1985—)，男，河南信陽人，工程師，碩士，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析等方面的工作。