陳鐵，閆九祥，孫潔，許兆霞，劉楷鋒，王其林

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省科學院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014)

工信部預計，2020年中國汽車保有量將超過2億輛，這樣的增長速度也必將會帶動剎車片等汽車零配件產(chǎn)業(yè)的同步發(fā)展，是剎車片行業(yè)發(fā)展的新契機，預計市場規(guī)模將達到400億元左右[1]。目前，全國共有近800家剎車片生產(chǎn)企業(yè)，其中80%以上屬于中小規(guī)模企業(yè)，主要集中在山東、湖北、河北等地區(qū)。隨著我國人口紅利逐年消失，剎車片生產(chǎn)模式面臨嚴峻挑戰(zhàn)，已經(jīng)無法滿足市場增長的需求，勞工成本的不斷攀升，其附加值利潤被大幅度壓縮。將機器人技術(shù)應用到汽車剎車片沖壓生產(chǎn)中，從而降低成本、提高生產(chǎn)效率，是剎車片制造行業(yè)解決目前難題的一條出路[2]。近年來，全球范圍內(nèi)對機器人技術(shù)的研究日益受到重視，機器人技術(shù)已經(jīng)成為對各個行業(yè)具有重要支撐作用的高新技術(shù)之一。工業(yè)機器人被廣泛運用于噴漆、熱處理、碼垛檢測等作業(yè)中，已成為制造設(shè)備的重要組成部分。設(shè)計自動上下料機器人以替代部分人工作業(yè)，可以避免過度依賴人力，提高生產(chǎn)效率[3-4]。

國內(nèi)外各大機器人公司針對沖壓機器人做了大量適應性改進，應用于汽車相關(guān)零件、配件等生產(chǎn)領(lǐng)域。比如KUKA公司的KR-P系列機器人，主要應用于中大型件的搬運；ABB公司研發(fā)的沖壓機器人IRB6660可為線上壓機管理提供快捷的機器人解決方案，采用ABB的第七軸專利技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立運動，使生產(chǎn)線的平面布置更為靈活[5]。為了打破國外在機器人市場的壟斷局面，國內(nèi)部分企業(yè)也開始研制工業(yè)機器人，如沈陽新松機器人有限公司、哈工大博實機器人公司等[3]。與國外先進技術(shù)相比，國產(chǎn)沖壓上下料機器人在節(jié)拍速度、承載能力、性價比及定位精度方面均存在差距。

通過對國內(nèi)外各類沖壓機器人機構(gòu)運行學相關(guān)技術(shù)進行研究，本文結(jié)合汽車剎車片沖壓生產(chǎn)的節(jié)拍速度、定位精度及性價比要求，對上下料機器人的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。將上下料機器人機構(gòu)化簡為運動桿系，運用D-H法求解出機器人運動學數(shù)學模型，基于三維建模軟件建立了上下料機器人三維模型，在ADAMS軟件中進行了仿真驗證，分析了機器人運動機構(gòu)的運動學特性，為后續(xù)計算機運動學仿真、軌跡規(guī)劃及控制算法設(shè)計等提供了理論依據(jù)。

1 機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與布局

1.1 機器人總體設(shè)計

1 機架；2 升降關(guān)節(jié)；3 中心旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；4 前后伸縮關(guān)節(jié)；5 擺動關(guān)節(jié)圖1 沖壓機器人結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of a stamping robot

本文設(shè)計的機器人主要應用于汽車剎車沖壓生產(chǎn)環(huán)節(jié)，作為沖壓機輔助設(shè)備實現(xiàn)自動上料及下料功能。要求機器人本體結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，機器人前端應能到達工作范圍內(nèi)的各個位置，同時又要在保證剛度的前提下減輕力臂質(zhì)量，減小回轉(zhuǎn)軸承受的轉(zhuǎn)動慣量，運行平穩(wěn)且定位精度高[6]。通過分析對比各類機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點，結(jié)合剎車片沖壓生產(chǎn)工藝要求，剎車片沖壓上下料機器人采用4自由度圓柱坐標式結(jié)構(gòu)，機器人結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

沖壓機器人主要由機架、升降關(guān)節(jié)、中心旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、前后伸縮關(guān)節(jié)、擺動關(guān)節(jié)組成。機器人驅(qū)動方式采用電機驅(qū)動，各運動軸由交流伺服電機驅(qū)動，各軸傳動方式采用同步齒形帶加減速機構(gòu)傳動。升降關(guān)節(jié)采用伺服電機驅(qū)動，同步齒形帶與絲杠螺母傳動[6]；中心旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用伺服電機驅(qū)動，RV減速器傳動；前后伸縮關(guān)節(jié)采用伺服電機驅(qū)動，行星減速器、同步齒形帶與線性模組傳動；末端擺動關(guān)節(jié)采用伺服電機，行星減速器與同步齒形帶驅(qū)動。

1.2 機器人安裝布局

結(jié)合剎車片沖壓生產(chǎn)工藝要求及上下料機器人機械結(jié)構(gòu)特點，將沖壓機器人布置于剎車片沖壓機與工件存儲工作臺之間，其中，剎車片沖壓機、上下料機器人相對安裝位置固定。由于剎車片型號眾多，且不同型號剎車片對應模具及模內(nèi)定位方式不同。為了避免機器人末端抓取工具與沖壓模具發(fā)生干涉，在確定沖壓機及上下料機器人相對位置尺寸時，需綜合考慮不同型號剎車片沖壓模具的幾何尺寸，沖壓機器人與沖壓機安裝布局如圖2所示。

1工件臺；2 沖壓機器人；3 沖壓機床；4 沖壓模具圖2 沖壓機器人布局簡圖Fig.2 Layout of a stamping robot

2 機器人運動學建模

2.1 D-H法建立機器人坐標系

以機構(gòu)各關(guān)節(jié)作為坐標原點，建立坐標系，在坐標空間中描述機器人末端抓取裝置的位置與姿態(tài)。根據(jù)變量不同，可將機構(gòu)分為驅(qū)動空間、關(guān)節(jié)空間、位姿空間。機器人的運動學問題可以理解為求解機器人運動學數(shù)學模型正解與逆解的求解過程，機器人機構(gòu)的空間幾何特點決定了各驅(qū)動空間、關(guān)節(jié)空間與位姿空間的數(shù)學映射關(guān)系[7]。

將機器人臂架機構(gòu)進行簡化，根據(jù)其構(gòu)件幾何特點，將機器人抽象為機構(gòu)學上容易分析的機構(gòu)桿系，建立機器人的連桿坐標系。機器人末端抓取裝置的位置與姿態(tài)由各個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角及桿件幾何尺寸確定，建立的坐標系分別為：O0-X0Y0Z0，O1-X1Y1Z1，O2-X2Y2Z2，O3-X3Y3Z3，O4-X4Y4Z4。定義關(guān)節(jié)角為θi(i=1,2)，i為連桿標號，di(i=0,1,2,3,4)為兩連桿距離，沖壓機器人連桿坐標系如圖3所示。

圖3 沖壓機器人連桿坐標系簡圖Fig. 3 Diagram of the stamping robot link coordinates

2.2 機器人運動學建模

通過齊次變換可得到機器人各個關(guān)節(jié)的坐標系相對原點坐標系的空間位置坐標。本文中，選取關(guān)節(jié)角的正方向為逆時針方向，αi為桿件扭角，ai為連桿長度關(guān)節(jié)角，機器人末端位姿矩陣為[xyzθv]，則沖壓機器人連桿i相對連桿i-1的坐標系變換矩陣i-1Ti為[8]：

(1)

末端抓取裝置坐標相對基系坐標的位姿矩陣T為：

0T5=0T11T22T33T44T5。

(2)

由桿件幾何參數(shù)、關(guān)節(jié)運動參數(shù)可得D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 沖壓機器人機構(gòu)D-H參數(shù)表

根據(jù)沖壓機器人D-H參數(shù)表、機器人連桿坐標系的構(gòu)件幾何關(guān)系以及關(guān)節(jié)坐標變換矩陣，可推導出沖壓機器人末端抓取裝置相對原點系坐標位姿矩陣[9-10]。將參數(shù)帶入公式，則位姿矩陣為:

(3)

式中：si=sinθi,sij=sin (θi+θj),cij=cos (θi+θj),sijk=sin (θi+θj+θk)，cijk=cos (θi+θj+θk),ci=cosθi。

抓取裝置在坐標系O4-X4Y4Z4中的位置坐標為：4Q=[0 0 0 1]，則相對于基系坐標的位置為0Q=0T44Q，將式(2)結(jié)果代入可得：

(4)

(5)

3 機器人運動學仿真

3.1 虛擬樣機仿真模型

ADAMS是一種可實現(xiàn)三維建模及運動仿真的虛擬樣機軟件，用戶可方便地對運動機構(gòu)進行運動學分析及動力學分析。利用SolidWorks三維軟件對沖壓機器人進行三維建模，其簡化模型需包含關(guān)節(jié)、桿件尺寸等關(guān)鍵信息。將SolidWorks三維模型導入ADAMS機構(gòu)運動學仿真軟件中，在ADAMS仿真環(huán)境中對仿真模型各個關(guān)節(jié)進行約束，并對各個關(guān)節(jié)添加對應的驅(qū)動信息。為了方便對比運動學計算的結(jié)果與 ADAMS 仿真結(jié)果，在 SolidWorks 中建立機器人的裝配體模型時需要將機器人的底座中心固定在 SolidWorks 中的全局坐標原點，機器人底座的底面需要與Z軸垂直，而小臂指向則需要沿Y軸正方向與Y軸重合，虛擬樣機模型如圖4所示[5]。

圖4 沖壓機器人三維模型Fig.4 Three-dimensional model of a stamping robot

建立機器人虛擬樣機運動學仿真模型，還需要對ADAMS運動學仿真軟件的仿真環(huán)境參數(shù)進行預先設(shè)置。需預先設(shè)置的軟件參數(shù)主要有：(1)仿真環(huán)境的單位制式設(shè)置為國際單位MMKS組合，工作柵格方向設(shè)置為全局XY的方向，菜單欄中選擇系統(tǒng)設(shè)置，將坐標設(shè)置為笛卡爾坐標并忽略重力加速度的影響；(2)將仿真模型材料設(shè)置為45號鋼，在所建立的虛擬樣機仿真模型構(gòu)件之間，根據(jù)機器人幾何特點對模型施加約束；(3)將機器人底座與仿真環(huán)境中的大地施加固定約束，腰部關(guān)節(jié)設(shè)置為轉(zhuǎn)動副，大臂關(guān)節(jié)與小臂關(guān)節(jié)設(shè)置為移動副，腕部關(guān)節(jié)設(shè)置為轉(zhuǎn)動副，機器人各個關(guān)節(jié)添加完畢后，在設(shè)置好的關(guān)節(jié)中添加關(guān)節(jié)驅(qū)動，并編寫關(guān)節(jié)驅(qū)動函數(shù)。

3.2 機器人仿真分析

在抓取裝置末端設(shè)置一個測量標記點，在ADAMS仿真模型中該點命名為LiaoJia.CM，位于機器人抓取裝置末端位置。在ADAMS中設(shè)置仿真參數(shù)為25 s，500步，對機器人模型進行運動學仿真。仿真周期結(jié)束后，對標記點MARKER_1點進行測量，輸出機器人各個構(gòu)件、關(guān)節(jié)及末端測量點相關(guān)仿真結(jié)果。選取LiaoJia.CM為測量點，測量結(jié)果選取位移，得到在X、Y、Z分量上的位移測量值，在ADAMS中處理繪制并得到其位移曲線，如圖5所示。

圖5 末端點位移曲線Fig.5 Endpoint displacement curve

圖5中LiaoJia.CM_Postion.X、LiaoJia.CM_Postion.Y、LiaoJia.CM_Postion.Z代表測量點在笛卡爾坐標系中X、Y、Z坐標方向上位移測量值。將所得數(shù)據(jù)結(jié)果帶入沖壓機器人運動學數(shù)學模型中，其結(jié)果與機器人在虛擬樣機中末端位姿信息一致。仿真結(jié)果驗證了上下料機器人機械設(shè)計的合理性及運動學數(shù)學模型的正確性。

圖6 末端點速度曲線Fig.6 Endpoint velocity curve

圖7 末端點加速度曲線Fig.7 Endpoint acceleration curve

在上下料機器人末端測量點LiaoJia.CM運動學仿真測量結(jié)果集中，分別選取測量特性為平移速度、加速度，再分別將選取的測量特性依次在笛卡爾坐標中選取X、Y、Z方向的結(jié)果輸出?？梢缘玫綑C器人測量點相應速度和加速度曲線，其結(jié)果如圖6、圖7所示。由圖 6、圖7可以看出，沖壓機器人末端測量點在機器人運動過程中，其運行速度曲線整體上光滑平穩(wěn)，在運行初始點以及運行停止點無突變，機器人末端點加速度在初始點和停止點突變較小，機器人末端有柔性沖擊，但其末端不存在較大的剛性沖擊，驗證了機器人機械設(shè)計的合理性。

4 結(jié)論

針對目前剎車片沖壓生產(chǎn)存在的問題，提出采用機器人替代人工實現(xiàn)剎車片的沖壓生產(chǎn)自動上下料。根據(jù)剎車片沖壓工藝及上下料功能需求，對上下料機器人進行了總體設(shè)計，并基于SolidWorks軟件建立了機器人三維模型。基于D-H位移矩陣法建立了上下料機器人運動學數(shù)學方程，通過ADAMS對機器人進行運動仿真，得到了上下料機器人末端的軌跡、位姿及關(guān)節(jié)速度信息，驗證了設(shè)計的正確性和準確性，為下一步上下料機器人的運動控制及軌跡規(guī)劃等問題奠定了基礎(chǔ)。