焊接機器人運動路徑優(yōu)化分析

1、焊接機器人運動路徑優(yōu)化仿真分析摘 要 本課題針對的主要研究對象是工業(yè)上應(yīng)用非常普遍的六自由度工業(yè)焊接機器人。把工廠的實際生產(chǎn)過程，與焊接機器人相關(guān)的理論結(jié)合，運用虛擬樣機對焊接機器人的運動進行仿真并且優(yōu)化從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 本文針對六自由度焊接機器人路徑優(yōu)化角度出發(fā)，詳細的介紹了工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)的描述方法，包括了空間的描述，機器人坐標系的建立，及焊接機器人運動方程的正解及逆解的求解。運用D-H方法建立數(shù)學模型，并對運動路徑進行優(yōu)化。闡明了焊接機器人虛擬樣機的模擬過程，例如，焊機機器人虛擬樣機模型的導入，模型在ADAMS中的前期處理步驟，焊接機器人模型的檢測，為接下來進行的仿真過程做好了

2、準備。然后，利用機器人運動學理論和虛擬樣機技術(shù)，從焊接工藝出發(fā)，依據(jù)焊接任務(wù)要求，結(jié)合相關(guān)虛擬模擬軟件ADAMS及ANSYS聯(lián)合對機器人的焊接運動過程完成了仿真分析求解及驗證。最后，在工廠現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上對焊接的運動的軌跡進行驗證焊接機器人的結(jié)構(gòu)(1) 焊接機器人本體。焊接機器人的本體就是機器人的機械手機構(gòu)或者可以叫做操作機，也就是焊機機器人的機械部分。(2) 驅(qū)動器。工業(yè)機器人在驅(qū)動方式的選擇上有幾種驅(qū)動方式，一般有伺服電機驅(qū)動和液壓的驅(qū)動方式，在本課題中采取的驅(qū)動方式為伺服電機驅(qū)動。(3) 控制器?？刂破髯鳛楣I(yè)機器人的“大腦”，它承擔著對工業(yè)機器人所有信息的處理功能，用來控制工業(yè)機器人的

3、機械手的運動。(4) 焊接設(shè)備，各類焊槍等等。1.基座，是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種，本文采用固定式2.腰部，是連接大臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運動在家長上臂部的平面運動，就能使手腕做空間運動3.大臂，連接腰部與小臂，組件包括大臂和傳動部件，在用以驅(qū)動小臂做俯仰運動4.小臂，用以連接大臂與手腕，組件包括小臂、傳動部件、傳動軸等5.手腕，與末端執(zhí)行器相連，主要功能是帶動末端執(zhí)行器完成預(yù)定姿態(tài)6.末端執(zhí)行器，是機器人直接進行工作的部分，用來安裝焊槍焊接機器人本體的構(gòu)成焊接機器人本體的構(gòu)成機器人運動學理論坐標系機器人運動學理論坐標系的運動學理論中經(jīng)常使用的坐標系主要分

4、為以下幾種形式：(1) 參考坐標系，就是坐標系的方向和位置不會隨著機器人的運動而產(chǎn)生移動變化，在一個機器人運動學系統(tǒng)中，參考坐標系的作用是起到一個定位的作用，所以通常也被叫做固定坐標系。本文的參考坐標系為基座的坐標。(2) 關(guān)節(jié)坐標系，在工業(yè)機器人的運動學系統(tǒng)中，通常用來描述工業(yè)機器人各個機械臂的關(guān)節(jié)坐標，來定義各個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)問題。(3) 工具坐標系，也就是位于工業(yè)機器人末端坐標系，在整個機器人的空間系統(tǒng)中，工具坐標系就是焊槍端點的坐標系。工具坐標系的原點坐標都會隨著機器人的運動產(chǎn)生位置和角度上的變化。(4) 用戶坐標系，自定義的坐標系存在于空間的任意一個物體，我們可以通過坐標系的定義從而

5、對這個物體進行描述，關(guān)于具有多個關(guān)節(jié)的串聯(lián)機器人來說，有眾多的空間坐標系，所以在討論各個空間坐標系之間的關(guān)系時應(yīng)該如何表示，那么就需要討論坐標系的變換問題機器人坐標變換機器人坐標變換關(guān)于具有多個關(guān)節(jié)的串聯(lián)機器人來說，有眾多的空間坐標系，所以在討論各個空間坐標系之間的關(guān)系時就需要討論坐標系的變換問題，主要的變換有平移變換、旋轉(zhuǎn)變換和復合變換平移變換 旋轉(zhuǎn)變換 復合變換AABBPRPOABABPPPOAAABBBppR p將復合變換轉(zhuǎn)換成等價的齊次變換并寫成矩陣的形式 即轉(zhuǎn)化為了 的形式該矩陣稱為T矩陣，綜合表示了平移變換和旋轉(zhuǎn)變換如果要求齊次變換的逆變換，則可以通過矩陣求逆方法來獲取1101OA

6、AABBBRpppX T X11TXTT XIX轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連桿D-H表示 對于有多個自由度的機器人，有多個關(guān)節(jié)，所以需要對每個關(guān)節(jié)建立坐標系，然后通過前面所講的坐標變換的方法來建立各個坐標系之前的關(guān)系，這里我們運用一種D-H法，是一種矩陣的方法，能為關(guān)節(jié)連中的每個連桿建立坐標系。D-H法的X方向是由當前軸和相鄰的下一軸來確定的。如圖，兩個連桿的連接關(guān)系為轉(zhuǎn)動關(guān)系，機構(gòu)中存在三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，先確定Z軸方向，根據(jù)己有的Z軸得出X軸。構(gòu)建機器人連桿坐標系構(gòu)建機器人連桿坐標系利用齊次坐標變換矩陣，可表示相鄰兩連桿的相對位置和方向的關(guān)系，這種矩陣成為A矩陣。如果存在任意兩個連桿坐標系i-1和i，i-1可以經(jīng)

7、過旋轉(zhuǎn)-平移-平移-旋轉(zhuǎn)四次變換后與i完全重合，那么A矩陣為：i 1iiiii(z , )Trans(0,0,d )Trans(a ,0,0)Rot(x ,a )iARot00001iiiiiiiiiiiiiiiiiics cs scsc cc ssAscd 展開可得機器人的運動學正解與逆解機器人的運動學正解與逆解機器人運動學正解就是已知機器人各關(guān)節(jié)變量，計算機器人的末端姿位。也可說是求解運動學方程，即得到機器人各關(guān)節(jié)坐標。將D-H參數(shù)帶入到A矩陣中，可得到六個齊次變換矩陣A1 A2 A3 A4 A5 A6則最后機器人執(zhí)行端點相對于空間坐標系的變換方陣就是將這六個矩陣作積T6= A1*A2*A

8、3*A4*A5*A6T6即為機器人運動輸出端位置姿態(tài)矩陣60001xxoxyyyyzzzznoapnoapTnoap逆運動學是在給定機器人末端姿位和結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，求解該位姿態(tài)條件下的各關(guān)節(jié)變量的值。機器人運動學的逆解是正解的逆過程。求解方法主要用到矩陣求逆及求反三角函數(shù)的方法機器人的動力學方程機器人的動力學方程機器人的動力學也可以分為正向和逆向兩個方面。正向運動學研究的主要目的就是在機構(gòu)關(guān)節(jié)運動副處施加力與力矩的前提條件下，對機械結(jié)構(gòu)中的關(guān)節(jié)進行位移、速度及加速度的求解。而逆運動學的研究主要目的就是已知對一個點施加一個位移、速度、加速度的情況下，求整個機構(gòu)的關(guān)節(jié)所受的力矩。機器人的動力學方

9、程求解分為以下幾個步驟1.求各機械桿的動能和傳動系統(tǒng)的總動能K2.求各機械桿的總勢能P（傳動部分的機械裝置所占的勢能相對于整個機械系統(tǒng)中所占的比例很小，所以在整個系統(tǒng)中，這一部分的勢能可以忽略不計）3.建立機器人系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)方程L=K-P4.對拉格朗日函數(shù)求導，得出動力學方程666111ii jjaiiijkjkijjkD qI qD q qD我們可通過用ADAMS，對焊接機器人各連接臂主慣性矩進行求解。當給導入ADAMS中的模型添加材料特性后，ADAMS就可以自動求解，能夠準確的得到每一個關(guān)節(jié)的主慣性矩。所有機械手的空間坐標、空中姿態(tài)、重心位置與質(zhì)量，都可以通過ADAMS軟件對模型中的

10、數(shù)據(jù)進行體現(xiàn)關(guān)節(jié)Ixx（kg-mm2）Iyy（kg-mm2）Izz（kg-mm2）16.0496869767E+0054.6576037283E+0053.2913681705E+00521.4403864201E+0061.4274630881E+0061.5782727779E+00533.5106951362E+0042.356268148E+0042.2621741005E+00443.1597161571E+0053.159685654E+0051.4618315709E+00452.7214076993E+0042.5374717272E+0041.6752203243E+0046

11、6.0623686626E+0045.5782682519E+0049.6337348559745E +003關(guān)節(jié)重心（mm）質(zhì)量（kg）123456-18.88, 56.77, 676.96-41.28, -146.59, 657.65350.0, -3 700.0, 0.052.34, 86.11, 1 320.80800.0, -1 150.0, 0.0-398., -396.21, 1 249.3889.3724.6368.8926.925.388.80機器人的空間機器人的空間機器人空間主要分為可達工作空間、關(guān)節(jié)空間和靈活工作空間，這三個空間與機器人的控制問題緊密相連*可達工作空間也就

12、是機器人末端能到達的空間所有點的集合。*靈活工作空間即工業(yè)機器人能夠可以使用任何一種位姿狀態(tài)所達到的空間所有點的集合*關(guān)節(jié)空間即機器人各關(guān)節(jié)角度的變化范圍三種空間之間的關(guān)系三維模型的建立三維模型的建立Adams雖然可以進行建模和裝配了，但是模型的建立和裝配比較麻煩，只適用于模型比較簡單和一些基本的功能演示。本文中使用了CATIA進行模型的建立。在建立模型時，我們要對系統(tǒng)模型進行分析前的簡化，可以將一些無關(guān)緊要的零件刪掉或者在系統(tǒng)中隱藏，這樣仿真的時間就會大大縮短，成功率也會大大的提高，例如：軸承、螺釘、螺栓等一些小部件都可以刪掉。CATIA中的三維建?？蛇_空間的驗證可達空間的驗證在進行虛擬樣機

13、的模擬仿真之前，我們需要對焊接機器人的可達空間進行驗證，在可達空間的運動范圍確定后才能對運動軌跡進行合理有效的分析，根據(jù)所給的各個關(guān)節(jié)的角度范圍參數(shù)可確定焊接機器人的可達空間關(guān)節(jié)名稱關(guān)節(jié)運動范圍/關(guān)節(jié)1-170170關(guān)節(jié)2-80110關(guān)節(jié)3-6070關(guān)節(jié)4-170170關(guān)節(jié)5-18050關(guān)節(jié)6-350350 關(guān)節(jié)角度范圍參數(shù)焊接機器人最大可達空間本篇文章主要應(yīng)用Adams對焊接機器人進行運動優(yōu)化，可是CATIA與Adams之間沒有接口，CATIA文件不能直接導入到Adams軟件中，在這里會用到中間軟件SolidWorks進行中間步驟的轉(zhuǎn)換。在CATIA中將文件另存為stp格式的文件，這樣可以最

14、小的減少文件在轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)的丟失，然后用SolidWorks打開，然后另存為Parasolid（x_t）類型的文件，在ADAMS中創(chuàng)建ROBOT_1文件，在導入時將CATIA文件轉(zhuǎn)換成stp文件，再用SolidWorks轉(zhuǎn)成Parasolid（x_t）文件，然后從文件夾中選取所轉(zhuǎn)換的文件，就可以在Adams中導入CATIA中建好的焊接機器人三維模型。導入到Adams中的模型Adams三維模型的導入三維模型的導入1.焊接機器人模型定義在ADAMS剛性運動學分析中，零件的材料屬性不會影響到整個機械系統(tǒng)的運動性能分析，但是，如果在具有運動速度的情況下，整個機械系統(tǒng)模型的材料屬性就會對整個機械系統(tǒng)的

15、動力學特性產(chǎn)生影響，所以在虛擬樣機仿真的過程中，我們必須根據(jù)實際焊接機器人的材料特性進行模擬2.添加運動副參照給定的各關(guān)節(jié)的角度范圍參數(shù)，為機器人的各關(guān)節(jié)添加運動副，六個關(guān)節(jié)全部為旋轉(zhuǎn)Adams運動仿真運動仿真添加完運動副的幾何模型3.添加驅(qū)動副在對Adams模型進行仿真首先需要解決的問題就是如何添加焊接機器人各個關(guān)節(jié)處的驅(qū)動，參照給定的各關(guān)節(jié)角度范圍參數(shù)， 運用Adams的點驅(qū)動方式General Point Motion添加驅(qū)動運用 General Point Motion 模塊，在焊接機器人虛擬樣機中焊槍端點處添加點驅(qū)動的命令，對該點的六個運動方向進行約束，定義端點在X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)方

16、向位姿不發(fā)生變化，剩下三個關(guān)于X、Y、Z三個方向的自由度，就可以利用編輯STEP函數(shù)進行軌跡的創(chuàng)建。STEP函數(shù)形式為：T-獨立變量，X0-特殊的函數(shù)值，代表函數(shù)的起點X1-特殊的函數(shù)值，代表函數(shù)的末點H0-函數(shù)的初始值H1-函數(shù)的結(jié)束值由數(shù)組 T 中的 x 值擬合生成函數(shù)中點（X0，H0） 和點（X1,H1） 之間的階躍曲線，并返回一個 y 值的數(shù)組0011(,)STEP Txhxh 階躍曲線示意圖對于X向平移，Y向平移，Z向平移的定義如下：Tra X: step(time,0,0,2,500)+step(time,2,0,4,0)+step(time,4,0,6,0)+step(time,

17、6,0,10,50*sin(0.2*PI*time) Tra Y: step(time,0,0,2,0)+ step(time,2,0,4,800)+ step(time,4,0,6,0) +step(time,6,0,10,50*cos(0.2*PI*time)Tra Z: step(time,0,0,2,0)+ step(time,2,0,4,0)+ step(time,4,0,6,400) +step(time,6,0,10,0)4.模型驗證在仿真前還有必須的一個步驟，就是對模型的驗證，檢測對模型的定義是否正確，可以通過Adams中Model Verify 命令，進行驗證ADAMS軟件中

18、提供了虛擬樣機移動部件的總數(shù)、固定副的多少、自由度的個數(shù)、驅(qū)動的個數(shù)、旋轉(zhuǎn)副的個數(shù)以及模型的正確驗證信息。5.仿真進入仿真模塊，我們將模擬時間定為10秒，把模擬的步驟分為300步來做，當運行分析完成后，我們就可以在ADAMS中對焊槍的端點進行軌跡跟蹤仿真成功后，就可以利用ADAMS中的運動動畫模塊觀察焊接機器人的運動變化，也可以根據(jù)ADAMS的后處理模塊，這時每個運動關(guān)節(jié)和每個焊接機器人的零件都可以根據(jù)此模塊查看各種分析數(shù)據(jù)焊接機器人仿真得到的軌跡六個關(guān)節(jié)角度變化曲線6.仿真數(shù)據(jù)處理完成仿真之后， ADAMS中的ADAMS/Postprocessor模塊就能夠?qū)δM的數(shù)據(jù)進行處理與對比，機器人

19、六個自由度的角速度和角加速度值，能夠在這個模塊中直接產(chǎn)生關(guān)節(jié)1-6的角加速度、角速度及角度值的曲線根據(jù)Adams仿真測量及各個關(guān)節(jié)處生成的數(shù)據(jù)，可以看出機器人的運行狀況基本平穩(wěn)，速度、角速度及角加速度的時間曲線都比較平順，但是，在焊接機器人剛剛啟動時，關(guān)節(jié)的角加速度及力矩值都有突變的過程，也就是機器剛剛啟動的時候有較大力矩的產(chǎn)生，也驗證了剛開機時候有較大振動產(chǎn)生。根據(jù)Adams對數(shù)據(jù)的處理可知，關(guān)節(jié)5處存在最大力矩，數(shù)值為136N.m，同樣可以看出在關(guān)節(jié)4處存在第二大的力矩值，這樣就可以斷定在大臂處存在較大的力分布，受到較大的慣性力矩及重力的影響，再剛剛啟動時會存在較大的震動.所以需要專門對大

20、臂進行應(yīng)力與形變的分析剛?cè)峄旌夏M也可以理解為機構(gòu)的瞬態(tài)動力學分析，在確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力載荷的作用下，整個機構(gòu)會受到阻尼效應(yīng)以及慣性效應(yīng)的影響。同前面ADAMS模擬中剛體動力學不同的是，在這種分析條件下，整個結(jié)構(gòu)不僅僅有剛性體，也有柔性體，也正因為如此可以獲得應(yīng)變和應(yīng)力的結(jié)果。所以通過ANSYS軟件，可求得大臂在運動瞬態(tài)的最大應(yīng)力響應(yīng)的情況大臂處大臂處ANSYS剛?cè)峄旌夏M剛?cè)峄旌夏M利用ANSYSY與AMAMS對大臂進行剛?cè)峄旌夏M仿真，將焊接機器人導入到ANSYS分析軟件中，首先定義各個零件的材料特性，其次定義六個關(guān)節(jié)處的連接方式，全部為旋轉(zhuǎn)，再就是在每個旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動。在前面詳細介紹了A

21、DAMS的仿真過程，我們通過機器人運動學求逆解的方式，已經(jīng)求得六個驅(qū)動電機的驅(qū)動方式，然后將ADAMS中求得的運動參數(shù)輸入到ANSYS中，這樣就可通過ADAMS和ANSYS的聯(lián)合仿真對大臂處進行校核。 焊接機器人模型導入到ANSYS經(jīng)ANSYS分析軟件模擬運行后，可得到機器人大臂有限元分析結(jié)果 焊接機器人大臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖焊接機器人大臂變形云圖焊接機器人大臂X、Y、Z方向的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖焊接機器人大臂X、Y、Z方向的變形云圖求解后可知焊接機器人大臂的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、最大形變參數(shù)通過以上的數(shù)據(jù)，對比材料的屈服極限和拉伸極限，可知我們在ADAMS中設(shè)計的運動軌跡不會對焊接機器人的大臂在應(yīng)力和變形方面產(chǎn)生影響，也驗證了焊接軌跡的合理性。 參數(shù)名稱總體X向Y向Z向 最大應(yīng)力/MPA7.342.233.344.56 最小應(yīng)力/MPA0.610.130.