并聯(lián)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

崔曉海， 周興華

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院,哈爾濱 150040;2.中國航空工業(yè)江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333400）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人自誕生以來，多數(shù)應(yīng)用在焊接領(lǐng)域。20世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展期間，焊接技術(shù)做出了重要貢獻(xiàn)，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都應(yīng)用到了焊接技術(shù)的優(yōu)秀技術(shù)成果。其作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有典型的多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的焊接工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大，工藝復(fù)雜，對(duì)某些質(zhì)量、批量或操作環(huán)境有特殊要求的工作，就需要自動(dòng)化、機(jī)械化強(qiáng)的焊接機(jī)器人代替人工作業(yè)。焊接自動(dòng)化、柔性化與智能化的手段不僅能夠減輕勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，也極大地提高了焊接質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本[1-3]。

1 焊接機(jī)器人主要優(yōu)點(diǎn)和分類

世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人1962年誕生于美國，自投入使用以來，到1996年底，全世界已經(jīng)先后有68萬臺(tái)工業(yè)焊接機(jī)器人投入生產(chǎn)使用，其中一大部分是焊接工業(yè)機(jī)器人。經(jīng)過多年的發(fā)展，焊接機(jī)器人的核心自動(dòng)化技術(shù)也不斷提升，不僅滿足了現(xiàn)代工業(yè)制造對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、批量的要求，還大大解放了勞動(dòng)力，改善了作業(yè)環(huán)境。正是由于工業(yè)焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，使以往依靠手工焊的傳統(tǒng)焊接方式發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，使小批量焊接生產(chǎn)作業(yè)自動(dòng)化成為可能。在中小批量焊接生產(chǎn)中，同一個(gè)焊接機(jī)器人可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)焊接作業(yè)，而無需改變?nèi)魏斡布?，只要?duì)其進(jìn)行示教，即可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)示教的每一項(xiàng)操作。焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)概括起來主要有以下幾點(diǎn)[4]：可在有毒有害等高危條件下持續(xù)工作；顯著提高焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性；大大提高生產(chǎn)效率，對(duì)操作工人技術(shù)要求降低，可連續(xù)生產(chǎn)；降低生產(chǎn)設(shè)備投資，縮短準(zhǔn)備周期。

根據(jù)用途不同可將焊接機(jī)器人分為弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人；其中弧焊機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛，它不只是一臺(tái)簡(jiǎn)單的定速單機(jī)，而是在作業(yè)中焊槍能夠跟蹤工件的焊道的柔性焊接系統(tǒng)。點(diǎn)焊機(jī)器人更多地應(yīng)用在汽車工業(yè)領(lǐng)域，目前在車體裝配過程中，60的點(diǎn)焊都由焊接機(jī)器人作業(yè)，點(diǎn)焊機(jī)器人還可以完成定位焊作業(yè)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的不同，焊接機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和全關(guān)節(jié)型。直角坐標(biāo)型的位置空間（X,Y,Z）是由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)單，操作靈活，缺點(diǎn)是工作空間小；圓柱坐標(biāo)型在基座上裝有立柱，能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的上下水平伸縮，但精準(zhǔn)度較低；球坐標(biāo)型焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更為靈活，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜；全關(guān)節(jié)型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)位置姿態(tài)全實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊靈活，占地小，工作空間大，是目前最為普遍應(yīng)用的焊接機(jī)器人。

根據(jù)受控運(yùn)動(dòng)方式的不同，焊接機(jī)器人可分為點(diǎn)位控制（PTP）型機(jī)器人和連續(xù)軌跡控制（CP）型機(jī)器人，連續(xù)控制主要用于弧焊機(jī)器人。

2 并聯(lián)焊機(jī)結(jié)構(gòu)組成及其優(yōu)點(diǎn)

并聯(lián)焊機(jī)由以下幾個(gè)部分組成[5]：

1）定平臺(tái)。定平臺(tái)是一個(gè)剛性箱體機(jī)架，上面安裝固定工作臺(tái)。

2）動(dòng)平臺(tái)。動(dòng)平臺(tái)通過伸縮桿和平行機(jī)構(gòu)與定平臺(tái)相連，動(dòng)平臺(tái)上安裝焊頭。

3）軸向可調(diào)的伸縮桿。伸縮桿連接定平臺(tái)機(jī)架和動(dòng)平臺(tái)，通過伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)主軸的位置和姿態(tài)的控制。

4）控制系統(tǒng)及軟件。與傳統(tǒng)的串聯(lián)焊機(jī)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)焊機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)目較比串聯(lián)結(jié)構(gòu)焊機(jī)大大減少，造價(jià)低；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由幾個(gè)簡(jiǎn)單鉸鏈并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)重量更輕，焊接速度高，且慣性低；幾何誤差累積和放大現(xiàn)象幾乎不存在，焊接精度高；控制方便，功能轉(zhuǎn)換容易。

圖1 汽車工業(yè)上的焊接機(jī)器人

3 3-TPS并聯(lián)焊機(jī)的組成

三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)正反解計(jì)算方便、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制及作業(yè)空間大等優(yōu)點(diǎn)。三根驅(qū)動(dòng)桿兩端用虎克鉸以RRR方式連接動(dòng)平臺(tái)，在動(dòng)平臺(tái)和XY軸之間附加平行四邊形約束結(jié)構(gòu)（動(dòng)平臺(tái)回轉(zhuǎn)軸A3A6平行于C1C2），移動(dòng)副p絲杠通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿通過軸線相互平行的回轉(zhuǎn)副連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 3-TPS并聯(lián)焊機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

4.1 運(yùn)動(dòng)仿真的特點(diǎn)與流程

機(jī)構(gòu)仿真主要包括兩個(gè)過程：建立機(jī)構(gòu)模型；添加驅(qū)動(dòng)。模型建立過程即模擬裝配和連接，與實(shí)際零件裝配過程非常相似。機(jī)構(gòu)仿真與零件裝配的相似點(diǎn)是零部件放置操作窗口相同，裝配關(guān)系相同。機(jī)構(gòu)仿真與零件裝配的不同點(diǎn)是：1）零件裝配可直接定義零件之間裝配約束，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)；2）機(jī)構(gòu)仿真不能直接定義裝配約束，內(nèi)部構(gòu)件之間可存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須添加驅(qū)動(dòng)器。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真流程如圖3所示。

圖2 并聯(lián)焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真工作流程

4.2 3-TPS并聯(lián)焊機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析

3-TPS并聯(lián)焊機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是在Pro/E軟件下建模和仿真的，利用Pro/E建立三維模型，其中的連接結(jié)構(gòu)采取剛性連接。其結(jié)構(gòu)主要有動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)桿伸縮桿、焊頭等部件組成。機(jī)構(gòu)三維模型建立后，要對(duì)其添加驅(qū)動(dòng)器。

先安裝定平臺(tái)（底座），接下來裝配動(dòng)平臺(tái)。在裝配過程中應(yīng)先將驅(qū)動(dòng)桿與上虎克鉸、伸縮桿與下虎克鉸連接，然后再將驅(qū)動(dòng)桿與伸縮桿以圓柱的方式進(jìn)行連接，主體安裝完成后再進(jìn)行平行構(gòu)件系統(tǒng)的安裝。

裝配分析各個(gè)零件之間的連接方式，若采用裝配約束就可完成的，只需要裝配約束。若零部件之間可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須重新對(duì)其連接方式定義和約束。裝配完成后的3-TPS并聯(lián)焊機(jī)以及各零件之間的約束或連接的方式，如圖4所示。

4.3 添加驅(qū)動(dòng)器

Pro/E中的伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器主要有兩種，不僅可以顯示運(yùn)動(dòng)軌跡，還能夠清楚地定義速度的時(shí)間函數(shù)。在定義伺服電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，考慮到平面平移、平面旋轉(zhuǎn)選用幾何伺服電動(dòng)機(jī)，否則選用連接軸伺服電動(dòng)機(jī)。以伺服電動(dòng)機(jī)1為例，添加窗口操作及過程如圖5所示，測(cè)量結(jié)果可以直接讀出，伺服電動(dòng)機(jī)1的工作曲線結(jié)果如圖6所示。

圖4 3-TPS并聯(lián)焊機(jī)的仿真

圖5 伺服電動(dòng)機(jī)1定義對(duì)話框

圖6 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度與時(shí)間的關(guān)系圖

圖7 添加驅(qū)動(dòng)器后的仿真圖

同理,按同樣的方法添加其他伺服電動(dòng)機(jī)(其中參數(shù)的設(shè)置可根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)置)。4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)全部添加完畢后，模型中顯示驅(qū)動(dòng)器標(biāo)志，如圖7所示。

5 結(jié)果分析

利用Pro/E軟件對(duì)3-TPS并聯(lián)焊機(jī)的各個(gè)零件進(jìn)行的實(shí)體建模，進(jìn)行了整機(jī)的裝配，在裝配過程中進(jìn)行了各零件之間的干涉檢測(cè)以檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

添加了4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，設(shè)置了各個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，將仿真過程生成視頻文件，最后繪制出3-TPS并聯(lián)焊機(jī)末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系圖。通過分析，確定該樣機(jī)可行。