基于Adams的焊接機(jī)械手的軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)仿真

陸青松，汪 洋

(安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院,安徽 合肥 230011)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)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(dòng)化設(shè)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(fù)性高、危險(xiǎn)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)焊接的可靠性也有較強(qiáng)的技術(shù)要求[4-6]。這種環(huán)境下人們渴望一種自動(dòng)化程度更高的機(jī)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(jī)械手正是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生[7-9]。

針對(duì)某生產(chǎn)線中對(duì)鈑金件的焊接作業(yè)及工況環(huán)境要求，設(shè)計(jì)出了一款五自由度的焊接機(jī)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(biāo)法，建立焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，同時(shí)利用Admas軟件完成對(duì)機(jī)械手焊接路徑規(guī)劃，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了理論校核，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)多自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

1 焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

文中主要針對(duì)生產(chǎn)作業(yè)中鈑金件的焊接設(shè)計(jì)，由于作業(yè)空間有限，要求機(jī)械手具有一定的靈活性，適應(yīng)在不同工況下的作業(yè)需求，同時(shí)為了提高工作效率可以連續(xù)針對(duì)兩組不同工位的工件進(jìn)行焊接作業(yè)。結(jié)合實(shí)際作業(yè)及成本需求，文中借鑒傳統(tǒng)的多自由度的機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，將焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)為五自由度，底座借助伺服電機(jī)和渦輪蝸桿配合的傳動(dòng)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(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，保證各個(gè)關(guān)節(jié)能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。具體如下圖所示：

圖1 設(shè)計(jì)方案圖

1.2 工況要求

結(jié)合實(shí)際工況，要求焊接機(jī)械手能夠連續(xù)焊接兩個(gè)不同的工位，兩個(gè)工位之間角位差為90度。同時(shí)為保證焊接過(guò)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(zhǎng)度為800 mm。

2 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.1 薩哈D-H參數(shù)數(shù)學(xué)模型建立

目前針對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立，主流方法主要采用標(biāo)準(zhǔn)型D-H坐標(biāo)法、改進(jìn)型D-H坐標(biāo)法和薩哈D-H坐標(biāo)法，其中薩哈D-H坐標(biāo)法是利用前一個(gè)坐標(biāo)變換矩陣的參數(shù)表示下一個(gè)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，方便用戶理解記憶和對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制程序校核，受到眾多設(shè)計(jì)者的青睞[10-12]。文中主要采用薩哈D-H坐標(biāo)法針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行分析。

結(jié)合上述模型和薩哈D-H坐標(biāo)法的特點(diǎn)，建立其動(dòng)力學(xué)分析模型。其中為方便后期調(diào)用數(shù)據(jù)，文中以機(jī)械臂末端的焊接執(zhí)行點(diǎn)的坐標(biāo)建立坐標(biāo)系x6y6z6。其余坐標(biāo)點(diǎn)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(biāo)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(jī)械手薩哈D-H參數(shù)

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立

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

(1)

(2)

(3)

(4)

利用Matlab計(jì)算從而得到坐標(biāo)系x6y6z6相對(duì)坐標(biāo)系x1y1z1對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的初始值分別為π/2、π/2、0。

3 Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

文中主要借助Adams軟件對(duì)焊接機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。將機(jī)械手的三維模型保存為Adams識(shí)別的三維通用格式.x_t格式，以便導(dǎo)入Adams中進(jìn)行仿真處理[15]。并將圖2中x1y1z1坐標(biāo)移動(dòng)至Adams坐標(biāo)系中坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，同時(shí)將模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)處理使其x1y1z1的各軸方向與Adams中系統(tǒng)坐標(biāo)各對(duì)應(yīng)軸系的方向一致。

三維模型導(dǎo)入Adams中后，結(jié)合三維模型各軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分別在各關(guān)鍵之間建立旋轉(zhuǎn)副，同時(shí)其各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副的坐標(biāo)位置和上圖中2中的坐標(biāo)位置相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，在機(jī)械手的末端建立尾端坐標(biāo)系x6y6z6，并給予各關(guān)節(jié)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下所示：

對(duì)應(yīng)圖2中x1y1z1的y方向的驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)圖2中x1y1z1的z方向的驅(qū)動(dòng)為：

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

其余移動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)方向的驅(qū)動(dòng)均設(shè)為0。仿真時(shí)間為9秒，步數(shù)為900步，結(jié)束后分別調(diào)取坐標(biāo)系x2y2z2、x3y3z3和x5y5z5所在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系所在的位置的角速度運(yùn)動(dòng)曲線并將其轉(zhuǎn)化為樣條驅(qū)動(dòng)曲線。

圖3 關(guān)節(jié)2、3、5的旋角速度

上述仿真結(jié)束后，分別對(duì)圖2中對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)，如下表2所示：

表2 各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)

設(shè)置完畢后在仿真界面中，將仿真時(shí)間設(shè)置為9秒，步數(shù)為900步對(duì)模型進(jìn)行再次仿真處理，仿真結(jié)束后，利用Admas提供點(diǎn)的軌跡捕捉功能，將末端點(diǎn)所在的位置x6y6z6的點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)出，如下圖4所示。

圖4 末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

同時(shí)在Adams后處理中調(diào)取末端點(diǎn)相對(duì)系統(tǒng)坐標(biāo)系，即圖2中x1y1z1的位移曲線如下圖5所示。

圖5 末端點(diǎn)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(shí)x6y6z6相對(duì)于x1y1z1的坐標(biāo)值為(1 162,0,1 322)。

為驗(yàn)證其設(shè)計(jì)理論的合理性，利用Admas的測(cè)量功能分別測(cè)得關(guān)節(jié)1～5處個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如下圖6所示。

圖6 各關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移

由圖6中可以看出，各個(gè)關(guān)節(jié)中只有關(guān)節(jié)1處的角度轉(zhuǎn)動(dòng)了-π/2，其余轉(zhuǎn)動(dòng)角度相對(duì)初始位置均為零，即表1中只有θ1由原來(lái)π/2轉(zhuǎn)動(dòng)至0度，其余角度均為初始角度，沒(méi)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(diǎn)的終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)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(yàn)證了焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足設(shè)計(jì)要求及理論要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)出了焊接機(jī)械手的三維模型，基于薩哈D-H坐標(biāo)法對(duì)焊接機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行了搭建，完成了對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)理論分析。同時(shí)借助Adams軟件完成了對(duì)焊接機(jī)械手特定工況下軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了理論驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，可以為后期對(duì)機(jī)械手的研究提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。