淺析焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化仿真

摘要：隨著自動(dòng)化制造的滲透率不斷提高，以焊接機(jī)器人為代表自動(dòng)化生產(chǎn)方式，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造領(lǐng)域基本已達(dá)到較高應(yīng)用水準(zhǔn)，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)逐漸意識(shí)到焊接機(jī)器人課題研究的重要性。文章以實(shí)際生產(chǎn)過程為切入點(diǎn)，以理論聯(lián)系實(shí)際的方式，運(yùn)用虛擬樣機(jī)對(duì)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，切實(shí)推進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的全面提升。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)路徑；路徑優(yōu)化；仿真

1 焊接機(jī)器人的分類與結(jié)構(gòu)

1.1 焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

（1）焊接機(jī)器人本體。所謂本體，主要指的是構(gòu)成機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（2）驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接機(jī)器人，在驅(qū)動(dòng)方式上具有一定可選擇性優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)方式較為多樣化，常見的主要包括以下兩種，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，其在實(shí)際使用過程中還涵蓋多種電機(jī)類型，如，直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)等等。

（3）控制器。在焊接機(jī)器人實(shí)際運(yùn)用過程中，控制器所充當(dāng)?shù)慕巧愃迫祟惖摹按竽X”，主要肩負(fù)著對(duì)處理相關(guān)信息內(nèi)容的主要職責(zé)，并且焊接機(jī)器人機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的規(guī)律，在某種程度上受控制器的影響。

（4）焊接設(shè)備，各類焊槍等等。

1.2 焊接機(jī)器人的分類

從類型上來(lái)看，焊接機(jī)器人生主要可以劃分為弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人兩種，在兩種不同類型中，弧焊機(jī)器人實(shí)際載重相對(duì)較低，通常情況下，所夾持的焊槍重量嚴(yán)格控制在10KG以下，這種荷載重量較輕的情況下，以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)為主要驅(qū)動(dòng)方式的焊接機(jī)器人可輕松完成。而相較于弧焊機(jī)器人，點(diǎn)焊機(jī)器人在載重方面的具有較高的要求。一般情況下，點(diǎn)焊接機(jī)器人的焊接動(dòng)作的有效完成，必須確保其夾持重量在35KG以上，無(wú)形中增加了對(duì)點(diǎn)焊接機(jī)器人抓舉能力的要求，為確保整個(gè)系統(tǒng)工作能力的全面提升，應(yīng)采取功率相對(duì)較大的電機(jī)或者液壓結(jié)構(gòu)。

2 焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹

在機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為呈應(yīng)用最為廣泛的一門新興技術(shù)類型，與傳統(tǒng)技術(shù)形式不同，虛擬樣機(jī)技術(shù)在某種程度上可與生產(chǎn)準(zhǔn)備階段達(dá)成相互配合機(jī)制，并在雙方共同作用下完成對(duì)三維數(shù)據(jù)的建立，并在此基礎(chǔ)上形成具備一定創(chuàng)新性質(zhì)的動(dòng)力學(xué)模型，虛擬樣機(jī)技術(shù)在系統(tǒng)中的廣泛運(yùn)用，可以站在動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真，將虛擬仿真過程中所得到的一系列有效數(shù)據(jù)，應(yīng)用至對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的精確計(jì)算，為其提供更加科學(xué)、有效及合理的理論依據(jù)，以供后期實(shí)體樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供豐富的參考途徑，不僅能夠在成本不充足的情況下，開展對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的不斷優(yōu)化與完善，并且可在借鑒機(jī)不同設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)質(zhì)量、成本、性能以及制作周期進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

2.2 焊接機(jī)器人模型的建立及導(dǎo)入

建立。目前，Adams已被應(yīng)用與建模過程和裝配過程中，但出于模型建立和轉(zhuǎn)配的復(fù)雜程度，Adams的實(shí)際應(yīng)用范圍僅局限于簡(jiǎn)單的模型比較以及基礎(chǔ)的功能演示。在此次研究過程中，對(duì)于模型的建立采用的是CATIA的方式，具體建模過程中，應(yīng)站在更加全面、更加簡(jiǎn)化的角度，有效分析系統(tǒng)模型，將其中部分功能性不大，或者可有可無(wú)經(jīng)的零件有效刪除或隱藏，最大限度的縮短仿真時(shí)間，提高成功的可能性，其中，軸承、螺栓、螺釘?shù)刃〔考扇縿h除。

導(dǎo)入。本文對(duì)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化主要采用Adams，但由于CATIA與Adams兩者之間尚未建立相互對(duì)接的接口，無(wú)法通過信息技術(shù)傳輸方式將CATIA文件傳輸至Adams軟件內(nèi)，只能借助SolidWorks的中間作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的相互轉(zhuǎn)換。值得注意的是，在保存CATIA文件時(shí)，應(yīng)將其最終保存格式切換為stp格式，通過文件格式的重命名，可機(jī)構(gòu)有效降低文件傳輸過程中，丟失各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料的可能性，然后將文件在SolidWorks中打開，并以Parasolid（x_t）的格式覆蓋原來(lái)文件格式，在Adams中創(chuàng)建ROBOT_1 文件，將CATIA文件轉(zhuǎn)換成Parasolid（x_t）之后方可進(jìn)行導(dǎo)入，選選取文件夾中已經(jīng)被轉(zhuǎn)換完成的文件，便可直接在Adams重導(dǎo)入CATIA中建好的焊接機(jī)器人三維模型。

2.3 焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

（1）焊接機(jī)器人模型定義。通過對(duì)ADAMS剛性運(yùn)動(dòng)學(xué)的全面分析得知，機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行性能的有效性，在某種程度上與零件材料無(wú)直接關(guān)系，但當(dāng)機(jī)械零件處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性將遭受不同程度材料屬性的影響，因而，當(dāng)虛擬樣機(jī)進(jìn)入仿真階段后，現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員應(yīng)在充分考慮焊接機(jī)器人材料特性的基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的技術(shù)模擬，并將材料進(jìn)行重新定義。此外，在完成對(duì)焊接機(jī)器人可達(dá)空間的一系列驗(yàn)證之后，方可開展虛擬樣機(jī)的有效模擬仿真，并且確定焊接機(jī)器人可達(dá)空間的實(shí)際范圍之后，全面分析并合理其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）焊接機(jī)器人路徑的優(yōu)化。當(dāng)處于仿真環(huán)境中時(shí)，尤其是在焊點(diǎn)分配過程張，應(yīng)將可焊接機(jī)器人納入首要考慮范圍之內(nèi)，針對(duì)這些點(diǎn)的分配，在規(guī)劃階段就應(yīng)考慮到在時(shí)間上錯(cuò)開。例如，圖3中假設(shè)機(jī)器人1焊接焊點(diǎn)1～3，機(jī)器人Ⅱ焊接焊點(diǎn)4～6，由于焊點(diǎn)4兩臺(tái)機(jī)器人都可以達(dá)到，從而造成在該點(diǎn)可能發(fā)生機(jī)器人碰撞。因此，在考慮工藝流程時(shí)，應(yīng)使機(jī)器人Ⅰ焊接順序從焊點(diǎn)1向焊點(diǎn)3方向運(yùn)行；機(jī)器人Ⅵ焊接順序從焊點(diǎn)4向焊點(diǎn)6方向運(yùn)行，在時(shí)間上加以錯(cuò)開，避免碰撞。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過運(yùn)用ADAMS軟件，對(duì)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真模擬，不僅可實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的充分融合，且能夠從問題根本角度出發(fā)，切實(shí)解決焊接機(jī)器人在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的一系列問題。盡管目前國(guó)家在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，在許多環(huán)節(jié)仍存在一定弊端，但對(duì)于其未來(lái)發(fā)展應(yīng)樹立更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)，運(yùn)用現(xiàn)代發(fā)展目光重新審視國(guó)內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)國(guó)內(nèi)工業(yè)化健康穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周昌令，方曉慶，蘇先樾，等.HT120 點(diǎn)焊機(jī)器人柔性臂動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)度分析[J].工程力學(xué)，2004，21（05）：111115+135.

[2]侯國(guó)柱，孔慶忠，武新偉.五自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015，15（02）：228230.

[3]王玉，王旗華，趙建光，等.焊接機(jī)器人虛擬樣機(jī)軌跡模擬和運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，09（04）：109112.

作者簡(jiǎn)介：吳楓（1986），男，漢族，洪湖人，畢業(yè)華中科技大學(xué)，助教。