葉 暉

0 前言

隨著中國(guó)智能制造與自動(dòng)化應(yīng)用的日益廣泛，自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人越來越多。在項(xiàng)目實(shí)施之前，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用的虛擬仿真是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。這樣做的目的是，在計(jì)算機(jī)中虛擬仿真一個(gè)與真實(shí)一模一樣的場(chǎng)景，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的選型、布局和周邊設(shè)備的設(shè)置進(jìn)行驗(yàn)證。在工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件中引入物理特性功能，就是為了能夠獲得更好地虛擬仿真效果。在本文中就以實(shí)際應(yīng)用物理特性中電纜的虛擬仿真進(jìn)行描述的。

1 工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件的使用準(zhǔn)備

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件在開始進(jìn)行項(xiàng)目之前，先對(duì)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件進(jìn)行一個(gè)說明。

在本項(xiàng)目中，選用ABB公司的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件ROBOTSTUDIO，版本是6.05.02。更低版本的軟件不支持物理特性這個(gè)功能。

在ROBOTSTUDIO中，構(gòu)建起工業(yè)機(jī)器人的工作站需要機(jī)器人及周邊配置設(shè)備的三維模型。其中軟件本身自帶工業(yè)機(jī)器人的三維模型，而周邊設(shè)備的三維模型，需要從其他三維軟件建模后，導(dǎo)入到ROBOTSTUIO進(jìn)行使用[1]。而ROBOTSTUDIO所支持的三維模型格式如表1所示。

表1 ROBOTSTUDIO支持的三維模型格式

2 點(diǎn)焊機(jī)器人線纜包的電纜物理特性虛擬仿真應(yīng)用

點(diǎn)焊機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人最廣泛最成熟的應(yīng)用之一。在點(diǎn)焊機(jī)器人的應(yīng)用中，點(diǎn)焊槍需要連接焊接電源、動(dòng)力電源、反饋信號(hào)線、冷卻水回路和壓縮空氣回路（包含了典型的水、電、氣回路）。從機(jī)器人第六軸法蘭點(diǎn)焊槍到機(jī)器人底座這一段電纜工作要求是相當(dāng)嚴(yán)苛的，機(jī)器人為了到達(dá)各種點(diǎn)焊姿態(tài)點(diǎn)，電纜都會(huì)經(jīng)常性的發(fā)生接近小于90度角的彎曲，這是水、電、氣管路的柔性與長(zhǎng)度提出了很高的設(shè)計(jì)要求。管路過短容易發(fā)生扯斷從而造成損壞，過長(zhǎng)則容易造成在大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生纏繞。

在虛擬仿真中進(jìn)行點(diǎn)焊機(jī)器人的項(xiàng)目仿真驗(yàn)證時(shí)，電纜的物理特性仿真一直是一個(gè)難題，只能依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)變更點(diǎn)焊槍相關(guān)的設(shè)計(jì)后，電纜的長(zhǎng)度確定只能憑感覺，這樣的話，可能在實(shí)際使用后，發(fā)生電纜損壞后才能確認(rèn)此次的電纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)有不合理的地方存在了。

ROBOTSTUDIO的新功能——物理特性電纜仿真，就能很好地解決這個(gè)難題。

下面通過對(duì)ABB型號(hào)為IRB6700的點(diǎn)焊機(jī)器人進(jìn)行電纜的設(shè)計(jì)仿真。

在ROBOTSTUDIO中打開一個(gè)IRB6700機(jī)器人三維模型，如圖1所示。

圖1 IRB6700點(diǎn)焊機(jī)器人

在圖1中，圖示的ABC三個(gè)方框的位置是電纜設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的部分。

首先對(duì)A部分的電纜進(jìn)行設(shè)定。使用ROBOTSTUDIO中的尺寸測(cè)量功能，先確認(rèn)電纜兩個(gè)端口的直徑，按照操作步驟得知直徑是69.99 mm，如圖2中所示。

在確認(rèn)電纜的直徑以后，就開始使用ROBOTSTU?DIO中的“電纜”功能進(jìn)行電纜的自動(dòng)生成。操作流程如下。

可以根據(jù)將采用的線纜抵抗形變能力，進(jìn)行楊氏模量的設(shè)定。

圖2 軸2軸3連接電纜直徑的獲取

圖3 選擇“電纜”功能與選擇“捕捉圓心”

圖4 連接電纜端口

楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。當(dāng)一條長(zhǎng)度為L(zhǎng)、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長(zhǎng)ΔL時(shí)，F(xiàn)/S叫應(yīng)力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力；ΔL/L叫應(yīng)變，其物理意義是金屬絲單位長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量。應(yīng)力與應(yīng)變的比叫彈性模量。ΔL是微小變化量。楊氏模量（Young′smodulus），又稱拉伸模量（tensile modulus）是彈性模量（elastic modulusor modulusof elastic?ity）中最常見的一種。楊氏模量衡量的是一個(gè)各向同性彈性體的剛度（stiffness），定義為在胡克定律適用的范圍內(nèi)，單軸應(yīng)力和單軸形變之間的比。與彈性模量是包含關(guān)系，除了楊氏模量以外，彈性模量還包括體積模量（bulk modulus） 和剪切模量 （shear modulus） 等。Young′s modu?lus E，shear modulus G，bulk modulus K，和 Poisson′s ratio ν之間可以進(jìn)行換算，公式為：E=2G(1+v)=3K(1-2v)。

需要調(diào)整一下這段電纜的顏色為黑色，使之與固定端一致。在線纜上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在菜單中選擇“設(shè)定顏色..”，如圖5所示。

圖5 電纜設(shè)定顏色

在完成了A部分的電纜設(shè)定以后，以此類推，對(duì)B、C部分的電纜進(jìn)行設(shè)定，如圖1所示。

全部電纜設(shè)定好的效果如圖6所示。

圖6 全部電纜設(shè)定好

接著下來，要在ROBOTSTUDIO中編寫一段用于測(cè)試電纜在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)效果的RAPID程序。用于測(cè)試的程序主要是機(jī)器人的軸運(yùn)動(dòng)指令，重點(diǎn)以軸2、軸3和軸5的動(dòng)作為主，并且要考慮到機(jī)器人在應(yīng)用的過程需要達(dá)到的所有接近權(quán)限的位置，從而獲取電纜的關(guān)于最大張力、最大彎曲/扭曲張力和長(zhǎng)度范圍數(shù)據(jù)。所以使用的RAPID的代碼節(jié)選如下：

MODULEModule1

CONSTjointtargetj10:=[[0,0,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj20:=[[0,45,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj30:=[[0,45,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj40:=[[0,0,45,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

PROCmain()

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!AXIS2

MoveAbsJj10NoEOffs，v2000，fine，tool0;

MoveAbsJj20NoEOffs，v2000，z20，tool0;

MoveAbsJj10NoEOffs，v2000，z20，tool0;

MoveAbsJj30NoEOffs，v2000，z20，tool0;

ENDPROC

ENDMODULE

使用ROBOTSTUDIO中的信號(hào)分析器功能，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，C部分的電纜長(zhǎng)度的設(shè)定是最難的。所以在這里，使用ROBOTSTUDIO中的信號(hào)分析器功能，對(duì)C部分電纜的最大張力、最大彎曲/扭曲張力和長(zhǎng)度范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 信號(hào)設(shè)置

圖8 生成信號(hào)分析數(shù)據(jù)

在圖9中，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度最大值超過了對(duì)C部分電纜的長(zhǎng)度設(shè)定，致使最大張力的最大值偏大，如果不對(duì)電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整的話，在實(shí)際過程中，很快就會(huì)出現(xiàn)電纜折斷的情況。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，將電纜的長(zhǎng)度調(diào)整為長(zhǎng)度最大值1 352 mm。然后再進(jìn)行一次虛擬運(yùn)行來獲取電纜的信號(hào)分析。

圖9 C部分電纜數(shù)據(jù)分析

圖10 修改電纜的長(zhǎng)度數(shù)值

在表2的信號(hào)分析中，能看到關(guān)于電纜的三個(gè)主要參數(shù)都得到了改善，特別是最大張力方面，最小值與最大值之間的差距在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。至此，就完成了對(duì)C部分電纜的動(dòng)態(tài)分析，獲取了一個(gè)合理的電纜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。這個(gè)在點(diǎn)焊機(jī)器人的設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。

根據(jù)與C部分電纜同樣的方法，就可以對(duì)A/B部分的電纜也進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，來完成電纜的設(shè)計(jì)了。最后得出的電纜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)如圖10。

表2 電纜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

使 用 了 ROBOTSTU?DIO軟件的物理特性的電纜虛擬仿真功能對(duì)點(diǎn)焊機(jī)器人的線纜進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，并提高了電纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。很好地滿足了點(diǎn)焊機(jī)器人在高強(qiáng)度、高速度下對(duì)機(jī)器人電纜可靠性的要求。對(duì)今后類似的機(jī)器人項(xiàng)目中機(jī)器人與電纜的設(shè)計(jì)選型具有一定的借鑒意義。