焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

黃 瑞,張敬修,王 鵬,王 軻,畢 薇

(合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院 工學(xué)院,安徽 合肥 230031)

工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)、加工和裝配等[1]。不同種類(lèi)的工業(yè)機(jī)器人具有不同的功能,其中能夠?qū)崿F(xiàn)焊接功能的機(jī)器人稱(chēng)為焊接機(jī)器人。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,絕大多數(shù)的焊接機(jī)器人都是關(guān)節(jié)型機(jī)器人。且焊接機(jī)器人一般都具有六個(gè)自由度,前三個(gè)自由度可以實(shí)現(xiàn)不同的空間位置的定位,后三個(gè)自由度可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器不同的空間姿態(tài)的定位[2]。國(guó)外的焊接技術(shù)相比國(guó)內(nèi)較先進(jìn),焊接質(zhì)量較好,工作穩(wěn)定性也比較高,并占有了大部分市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)對(duì)焊接機(jī)器人的研究較晚,不管是焊接質(zhì)量,還是焊接工作穩(wěn)定性都不太理想?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的高端焊接機(jī)器人絕大部分都依賴(lài)于進(jìn)口[3]。我國(guó)作為工業(yè)大國(guó),焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展直接影響了國(guó)家整體的工業(yè)制造業(yè)水平。因此,在研究國(guó)外六自由度焊接機(jī)器人優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上,為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)實(shí)際焊接生產(chǎn)的需求,考慮人工焊接作業(yè)危險(xiǎn)性大,焊接效率低,勞動(dòng)成本高等問(wèn)題,研究設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)型和可靠型生產(chǎn)加工類(lèi)的焊接機(jī)器人,對(duì)于加強(qiáng)企業(yè)生產(chǎn)焊接競(jìng)爭(zhēng)力,完成企業(yè)全自動(dòng)焊接技術(shù)目標(biāo),滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)焊接企業(yè)的實(shí)際需求具有至關(guān)重要的意義。

本文設(shè)計(jì)用于焊接工作的六自由度焊接機(jī)器人,包括基座、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、大臂、連接臂、小臂、腕部和末端執(zhí)行器部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4],并在SolidWorks軟件中進(jìn)行焊接機(jī)器人的三維幾何建模,運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析,利用ADAMS軟件得到的焊接機(jī)器人力矩曲線(xiàn)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選取,利用SolidWorks Simulation模塊對(duì)焊接機(jī)器人關(guān)鍵部位進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析,最后再對(duì)焊接機(jī)器人基座進(jìn)行模態(tài)分析,以便設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人在焊接工作過(guò)程中機(jī)械強(qiáng)度滿(mǎn)足安全要求[5]。

1 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

1.1 本體結(jié)構(gòu)型式

具有焊接功能的機(jī)器人大部分都為關(guān)節(jié)型機(jī)器人,在關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人中,具有六個(gè)軸的機(jī)器人較為常見(jiàn),六軸關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人具有六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)低副,即具有六個(gè)自由度。關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種:平行四邊形結(jié)構(gòu)和串聯(lián)式結(jié)構(gòu)。與平行四邊形結(jié)構(gòu)相比,串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性在于焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)臂工作空間大,末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)范圍廣。因此,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,具有串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人適用范圍更廣。

結(jié)合市場(chǎng)需求對(duì)焊接機(jī)器人提出的如下要求:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、焊接范圍廣、靈活度好。綜合考慮不同結(jié)構(gòu)形式的焊接機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn),最終確定出串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人。該焊接機(jī)器人大體機(jī)械結(jié)構(gòu)為:基座、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、大臂、連接臂、小臂、腕部和末端執(zhí)行器部分。焊接機(jī)器人一起設(shè)計(jì)有由六個(gè)伺服電機(jī)分別控制的六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),即具有六自由度的焊接機(jī)器人[6],最大負(fù)載為5kg。焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,如圖1所示。

圖1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

該六自由度焊接機(jī)器人采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接每個(gè)核心部件,J1-J6分別表示機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。J1轉(zhuǎn)動(dòng)連接基座與轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái),J2轉(zhuǎn)動(dòng)連接轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)與大臂,J3轉(zhuǎn)動(dòng)連接大臂與連接臂,J4轉(zhuǎn)動(dòng)連接連接臂與小臂,J5轉(zhuǎn)動(dòng)連接小臂與腕部,J6轉(zhuǎn)動(dòng)連接腕部與末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)由相鄰部件的關(guān)節(jié)間豎直距離與水平距離確定。六自由度焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)表,如表1所示。

表1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)表 mm

1.2 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

焊接機(jī)器人要求在復(fù)雜布局地面上,安裝精度要滿(mǎn)足要求,并且要實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的絕對(duì)定位精度高與重復(fù)定位精度高,穩(wěn)定性好的功能,從而提高精密件的焊接質(zhì)量水平,實(shí)現(xiàn)焊接運(yùn)動(dòng)精度誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償,保證焊接運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到市場(chǎng)需求。為達(dá)到生產(chǎn)企業(yè)對(duì)不同焊接工件的焊接質(zhì)量提出的要求,根據(jù)機(jī)器人相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)及理論,最終設(shè)計(jì)出焊接機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)參數(shù),如表2所示。

表2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

利用SolidWorks三維軟件繪制出六自由度焊接機(jī)器人核心部件三維模型,并對(duì)核心部件三維模型進(jìn)行裝配。六自由度焊接機(jī)器人三維模型,如圖2所示。

2 六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

2.1 焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求解

在研究機(jī)器人在焊接工作中的運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí),不僅要考慮關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸,而且還要利用齊次坐標(biāo)及坐標(biāo)變換法來(lái)研究部件與部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。其中,最為常見(jiàn)的方法是D-H方法,即將焊接機(jī)器人當(dāng)成是多個(gè)連桿由多個(gè)關(guān)節(jié)相連。運(yùn)用D-H方法時(shí),需要建立D-H坐標(biāo)系,D-H坐標(biāo)系也可以叫做連桿坐標(biāo)系,即描述相鄰連桿間關(guān)系[7]。研究相鄰連桿間關(guān)系時(shí),需要運(yùn)用齊次變換矩陣,齊次變換矩陣也可以叫做A矩陣,即研究?jī)蓚€(gè)相鄰坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和方向。得到了齊次變換矩陣,就可以采用連續(xù)相乘的原則得到焊接機(jī)器人總的變換矩陣。

針對(duì)本文的六自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究,現(xiàn)利用D-H方法建立連桿坐標(biāo)系。該六自由度焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。綜合該焊接機(jī)器人的所有坐標(biāo)系,現(xiàn)創(chuàng)建設(shè)計(jì)出的整個(gè)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系?，F(xiàn)結(jié)合圖1所示的坐標(biāo)系、表1所示的機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)及表2所示機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù),列出該焊接機(jī)器人后運(yùn)動(dòng)連桿相對(duì)于前運(yùn)動(dòng)連桿的位姿變換矩陣通式如式(1)所示。

(1)

式(1)中,i為機(jī)器人的后一連桿,i-1為與機(jī)器人后一連桿相對(duì)的前一連桿,i的取值范圍為1至6;αi-1分別為各關(guān)節(jié)繞X軸旋轉(zhuǎn)的角度,(°);θi分別為各關(guān)節(jié)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度,(°);di分別為各關(guān)節(jié)沿坐標(biāo)系Z軸移動(dòng)的位移量,mm;ai-1為各關(guān)節(jié)沿坐標(biāo)系X軸移動(dòng)的位移量,mm。坐標(biāo)系如圖1所示。

焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,即通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角,參照表2,機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù),運(yùn)用連桿變換矩陣,求出末端執(zhí)行器的姿態(tài)和位置?，F(xiàn)利用連桿變換通式得出的各連桿變換矩陣如式(2)-式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

現(xiàn)連續(xù)相乘各連桿變換矩陣,得出焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿如式(5)所示。

(5)

式(5)中,

nx=c1c23(c4c5c6-s4s6)-s23s5c6-s1(s4c5c6+c4s6)

ny=s1c23(-c4c5c6-s4s6)+s23s5c6+c1(-s4c5c6+c4s6)

nz=s23(c4c5c6-s4s6)+c23s5s6

ox=c1c23(-c4c5c6-s4s6)+s23s5c6-s1(-s4c5c6+c4s6)

oy=s1c23(-c4c5c6-s4s6)+s23s5c6+c1(-s4c5c6+c4s6)

oz=s23(-c4c5c6-s4s6)-c23s5s6

ax=c1(-c23c4s5-s23c5)+s1s4s5

ay=s1(-c23c4s5-s23c5)-c1s4s5

az=-s23c4s5+c23c5

px=c1(-s23d4+c2a2)+s1d2

py=s1(-s23d4+c2a2)-c1d2

pz=c23d4+s2a2

si=sin(θi),ci=cos(θi),s23=sin(θ2+θ3),c23=cos(θ2+θ3)

其中:px、py、pz為焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的空間位置;d2、d4為機(jī)器人連桿長(zhǎng)度。式(5)中左上角的3×3階矩陣表示該焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于基座的姿態(tài)變量。

2.2 焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的驗(yàn)證

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果的驗(yàn)證,根據(jù)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的不同,運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證可以分為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證,比較常用的是采用對(duì)比法進(jìn)行驗(yàn)證[8]。

本文設(shè)計(jì)的六自由度焊接機(jī)器人,只進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的驗(yàn)證,現(xiàn)運(yùn)用對(duì)比法進(jìn)行驗(yàn)證。給定各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小來(lái)推算焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作時(shí)其末端執(zhí)行器的位置?，F(xiàn)給定各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小分別為:θ1=45°,θ2=30°,θ3=-90°,θ4=60°,θ5=-45°,θ6=-30°,代入六自由度焊接機(jī)器人的方程矩陣(5),計(jì)算出結(jié)果如式(6)所示。

(6)

然后再將六自由度焊接機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小代入Matlab的Robotic Toolbox模塊中,進(jìn)行求解,最終求解變換矩陣結(jié)果如式(7)所示。

(7)

將兩種方法的結(jié)果式(6)和式(7)進(jìn)行對(duì)比,表明計(jì)算結(jié)果相同且可以保持一致性,所以該六自由度焊接機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型所做推算是正確的。

3 ADAMS仿真分析

ADAMS虛擬仿真軟件通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)內(nèi)嵌的力庫(kù)、零件庫(kù)、約束庫(kù)和交互式圖形環(huán)境,可以建立出幾何模型,并且可以使幾何模型具有完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)。

ADAMS虛擬仿真軟件的求解器通過(guò)采用拉格朗日方程方法,創(chuàng)建出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,從而可以精確的對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析,最終得到虛擬機(jī)械系統(tǒng)的位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩以及反作用力仿真曲線(xiàn)[9]。ADAMS虛擬仿真軟件的仿真可有助于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍以及機(jī)械系統(tǒng)的峰值載荷等方面。

3.1 虛擬樣機(jī)建立

本文利用ADAMS虛擬仿真軟件,對(duì)設(shè)計(jì)的六自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。

進(jìn)行焊接作業(yè)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真前,要對(duì)六自由度焊接機(jī)器人構(gòu)建虛擬樣機(jī)。因?yàn)楹附訖C(jī)器人包含大臂、小臂、法蘭盤(pán)、螺釘與墊片等眾多碎小零件,所以不能直接將SolidWorks中所建立的機(jī)器人三維模型直接導(dǎo)入,需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。去除多余的螺釘與墊片等碎小零件,待簡(jiǎn)化處理后,保留主體構(gòu)件導(dǎo)入ADAMS中,再進(jìn)行關(guān)節(jié)角度傳感器、工作環(huán)境、載荷、布爾運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量屬性等一系列的設(shè)置[10]。最后建立起焊接機(jī)器人的虛擬樣機(jī),并驗(yàn)證所建立模型的合理性,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。焊接機(jī)器人虛擬樣機(jī),如圖3所示。

圖3 焊接機(jī)器人虛擬樣機(jī)

3.2 機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為保證焊接機(jī)器人各關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核,綜合考慮機(jī)器人常用材料的選取,對(duì)材料進(jìn)行評(píng)估,最終選取焊接機(jī)器人各部件材料為鑄造碳鋼。其材料屬性,如表3所示。

表3 材料屬性

焊接機(jī)器人基座安裝于地面,在進(jìn)行焊接工作進(jìn)程中,焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器先由靜止?fàn)顟B(tài)下降至距離地面0.3m處到達(dá)焊接起點(diǎn),再由焊接起點(diǎn)旋轉(zhuǎn)50°運(yùn)動(dòng)至焊接終點(diǎn),同時(shí)焊接高度上升0.2m,焊接工作時(shí)間為6s,最后快速返回運(yùn)動(dòng)至初始狀態(tài),結(jié)束一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期作業(yè)。機(jī)器人末端執(zhí)行器位移圖,如圖4所示。機(jī)器人末端執(zhí)行器速度圖,如圖5所示。機(jī)器人末端執(zhí)行器加速度圖,如圖6所示。

圖4 機(jī)器人末端執(zhí)行器位移圖

圖5 機(jī)器人末端執(zhí)行器速度圖

圖6 機(jī)器人末端執(zhí)行器加速度圖

從仿真結(jié)果可以得出,所設(shè)計(jì)的六自由度焊接機(jī)器人執(zhí)行焊接任務(wù)的末端執(zhí)行器的位移、速度和加速度曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出平滑與連續(xù)狀態(tài),并沒(méi)有出現(xiàn)突變的情況。說(shuō)明在進(jìn)行焊接工作的6s內(nèi),末端執(zhí)行器的焊接運(yùn)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的情況,從而滿(mǎn)足了焊接工藝要求,也保證了該焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

3.3 機(jī)器人J1關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)仿真

J1關(guān)節(jié)是焊接機(jī)器人中最核心的關(guān)節(jié),現(xiàn)對(duì)J1關(guān)節(jié)的ADAMS虛擬仿真分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)闡述。

J1關(guān)節(jié)處所承受的負(fù)載最大,對(duì)于焊接機(jī)器人而言,需要對(duì)J1關(guān)節(jié)處進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。焊接機(jī)器人J1關(guān)節(jié)處經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)分析后,由仿真結(jié)果生成線(xiàn)圖,得到J1關(guān)節(jié)扭矩圖,如圖9所示。圖9中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)有助于電機(jī)的選型。

對(duì)圖9中J1關(guān)節(jié)扭矩圖進(jìn)行分析,可得出J1關(guān)節(jié)處在2s時(shí)的扭矩最大值為60N·m?，F(xiàn)進(jìn)行電機(jī)的選擇,電動(dòng)機(jī)輸出扭矩計(jì)算公式如式(8)所示。

T=M/iη

(8)

式(8)中,T代表電動(dòng)機(jī)輸出扭矩,M代表最大驅(qū)動(dòng)力矩,i代表諧波減速器傳動(dòng)比,η為傳動(dòng)效率,可以取η為0.97。

經(jīng)計(jì)算,再比較電機(jī)型號(hào)與諧波減速器型號(hào),考慮穩(wěn)定性與安全性,最終確定J1關(guān)節(jié)處的諧波減速器的型號(hào)為BCS-14-80-U-I,額定輸出扭矩為7.3N·m,最大啟停扭矩為23N·m。最終確定J1關(guān)節(jié)處的電機(jī)型號(hào)為80ST-M01330,額定扭矩為1.3N·m,最大輸出扭矩為3.8N·m。

4 焊接機(jī)器人的有限元分析

4.1 機(jī)器人大臂靜力學(xué)分析

焊接機(jī)器人在進(jìn)行焊接工作過(guò)程中,機(jī)器人大臂受力情況也比較復(fù)雜。機(jī)器人大臂的運(yùn)動(dòng)精度會(huì)直接影響到末端執(zhí)行器焊接工作的精度,現(xiàn)對(duì)大臂進(jìn)行有限元分析。現(xiàn)進(jìn)行機(jī)器人大臂受力計(jì)算,由公式計(jì)算大臂所受重力如式(9)所示。

G=mg

(9)

式(9)中,m代表大臂所承受的總體質(zhì)量,g=10N/kg。焊接機(jī)器人大臂后端部件總體質(zhì)量為60kg,當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器最大負(fù)載為5kg時(shí),則大臂所承受的總體質(zhì)量為65kg。大臂所受力為650N。大臂的材料為鑄造碳鋼,彈性模量為200000MPa,屈服強(qiáng)度為248.168MPa。在SolidWorks Simulation模塊中打開(kāi)機(jī)器人大臂三維模型,先設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)為42810,單元數(shù)為34280,再設(shè)置大臂的材料特征與約束,最后進(jìn)行有限元分析。機(jī)器人大臂應(yīng)力分布云圖,如圖8所示。機(jī)器人大臂應(yīng)變分布云,如圖9所示。

圖8 機(jī)器人大臂應(yīng)力分布云圖

圖9 機(jī)器人大臂應(yīng)變分布云

機(jī)器人大臂應(yīng)力最大值為上端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處,應(yīng)力最大值為7.46MPa,大臂下端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處應(yīng)力值也較大。大臂兩側(cè)面從上端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)到下端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),應(yīng)力值由大到小分布,大臂的其余部位應(yīng)力較小,可以忽略。大臂選用的材料屈服應(yīng)力為248.2MPa,應(yīng)力最大值為7.46MPa遠(yuǎn)小于該值。機(jī)器人大臂應(yīng)力最大值為上端轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處,應(yīng)變的最大值為2.901×10-5mm,其余部位應(yīng)變較小,可以忽略,所以設(shè)計(jì)的機(jī)器人大臂應(yīng)變滿(mǎn)足要求。

4.2 機(jī)器人基座模態(tài)分析

為了確定焊接機(jī)器人基座的固有頻率和振型,從而使設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人避免發(fā)生共振,利用SolidWorks Simulation分析模塊對(duì)焊接機(jī)器人基座進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是一種計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù),是最基本的動(dòng)力學(xué)分析方法,也是響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、諧響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。

對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài),最直接的是可以根據(jù)分析結(jié)果得到機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率和振型。根據(jù)得到的固有頻率、振型和激勵(lì),從而可以推出機(jī)械模型在特定激勵(lì)下是否會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象?，F(xiàn)對(duì)焊接機(jī)器人基座進(jìn)行4階模態(tài)分析,推出焊接機(jī)器人基座的各階振型及頻率。進(jìn)行焊接機(jī)器人基座分析時(shí),設(shè)置焊接機(jī)器人基座材料為45鋼,設(shè)置焊接機(jī)器人基座彈性模量為200MPa,焊接機(jī)器人基座的泊松比為0.3,密度為7890kg/m3。焊接機(jī)器人基座分析前,約束條件設(shè)置為機(jī)器人基座底端固定在基面。焊接機(jī)器人基座1-4階振型圖,如圖10-圖13所示。

圖10 機(jī)器人基座第1階振型圖

圖12 機(jī)器人基座第3階振型圖

圖13 機(jī)器人基座第4階振型圖

焊接機(jī)器人基座的第1階振型,頻率為9139.4Hz,振動(dòng)幅度最大處為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處和兩相對(duì)的頂側(cè)。振動(dòng)幅度隨機(jī)器人基座從上端到下端逐漸減小,機(jī)器人基座其他部位的振動(dòng)幅度忽略不計(jì)。機(jī)器人基座的第2階振型,頻率為9138.7Hz,振動(dòng)幅度最大處與第1階振型類(lèi)似,也為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處和兩相對(duì)的頂側(cè)。機(jī)器人基座的第3階振型,頻率為10062Hz,振動(dòng)幅度最大處為頂部的四周凸端側(cè)。機(jī)器人基座的第4階振型,頻率為11794Hz,振動(dòng)幅度最大處與基座的第3階振型類(lèi)似,也為頂部的四周側(cè),其他部位的振動(dòng)幅度忽略不計(jì)。

該焊接機(jī)器人的工作頻率為8500Hz,所以該焊接機(jī)器人基座在進(jìn)行焊接作業(yè)過(guò)程中,這些頻率不會(huì)與使用頻域相重合,不會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人基座產(chǎn)生共振。從而保證了焊接機(jī)器人上部工作的穩(wěn)定性。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)人工焊接作業(yè)過(guò)程中,易出現(xiàn)人工焊接作業(yè)危險(xiǎn)性大,焊接效率低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種六自由度焊接機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人基座、大臂等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成了各部件的三維建模并裝配成焊接機(jī)器人。采用D-H參數(shù)法與代數(shù)法建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解模型,并利用MATLAB軟件驗(yàn)證了模型的正確性。通過(guò)ADAMS虛擬仿真軟件進(jìn)行了機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)器人J1關(guān)節(jié)處的動(dòng)力學(xué)仿真,根據(jù)仿真結(jié)果確定了J1關(guān)節(jié)處電動(dòng)機(jī)的選型。再在SolidWorks Simulation模塊中對(duì)機(jī)器人大臂進(jìn)行靜力學(xué)分析和機(jī)器人基座的模態(tài)分析,不會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人基座產(chǎn)生共振,從而保證了焊接機(jī)器人上部工作的穩(wěn)定性。驗(yàn)證所設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的合理性。該研究為焊接工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造提供了理論基礎(chǔ)和方法依據(jù)。