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)
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]。
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)模型簡單,操作靈活,缺點(diǎn)是工作空間?。粓A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。
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
三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單,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。
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)簡圖
圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真工作流程
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。
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。
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。