曹銀冬

摘 ?要：智能化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的作用，工藝裝備制作的好壞直接決定著生產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量的高低。由于制作工藝步驟繁瑣復(fù)雜，因此提高工作效率是非常重要的事情。其中的設(shè)備中以串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)構(gòu)可以最有效的方式來實現(xiàn)加工過程，智能化極大地提高了工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)構(gòu);模具;加工機(jī)器人;六自由度;運(yùn)動學(xué)仿真

在國內(nèi)、外汽車制造領(lǐng)域中，汽車的零件和車身的加工占著重要的地位。加工機(jī)器人已經(jīng)成為自動化加工零件中的中間力量并有著非常廣泛的應(yīng)用。加工機(jī)器人具有快速加工、自動化程度高、工作效率高、加工質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)。車身模具設(shè)計、制造與加工在生產(chǎn)過程中具有十分重要的位置。因此本文在詳細(xì)了解串并聯(lián)機(jī)構(gòu)各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人。該加工機(jī)器人具備串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合優(yōu)勢，融合了加工噴槍，能夠?qū)Υ笮推嚫采w件模具進(jìn)行加工，并且在理想的工作空間內(nèi)進(jìn)行加工，從而提高其工作效率和質(zhì)量。

本文基于這種思想提出基于混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人，串并聯(lián)機(jī)構(gòu)以 6-UPS 并聯(lián)平臺為基礎(chǔ)，將并聯(lián)平臺的定平臺固定在X-Z軸固定導(dǎo)軌上，同時將二自由度旋轉(zhuǎn)擺動噴頭串聯(lián)固定在并聯(lián)平臺的動平臺上，通過串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相互組合的方法，使得該機(jī)器人最終實現(xiàn)八自由度的加工運(yùn)動。其中包括6-UPS 并聯(lián)平臺自身的六自由度運(yùn)動以及旋轉(zhuǎn)擺動噴頭的二自由度運(yùn)動。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺為噴頭提供位置平臺。六自由度平臺由上平臺、下平臺以及六個支腿組成，上、下平臺分別與支腿兩端鉸接，并聯(lián)機(jī)構(gòu)定平臺通過固定桿滑板與z軸上導(dǎo)軌相連接。

機(jī)器人的動平臺通過六個相同的分支與定平臺相聯(lián)接，每個分支有一個移動副（即驅(qū)動桿）和兩個球面副（胡克鉸或球鉸）。為了描述平臺的運(yùn)動，建立兩個坐標(biāo)系，分別在動、定平臺上建立動坐標(biāo)系 R'：O'--x'y'z和定坐標(biāo)系 R：O--xyz。通過驅(qū)動桿的伸出和縮回運(yùn)動，動平臺可以進(jìn)行三個旋轉(zhuǎn)自由度和三個平動自由度共六個自由度的運(yùn)動。

機(jī)器人加工工作中形成的運(yùn)動軌跡，運(yùn)動軌跡是呈圓錐型螺旋下降的趨勢在加工的過程中，使得在加工中可以更好的使模具均勻的填涂，被遺漏的部分稀少，甚至可以達(dá)到整體的效果。

本文中在三維實體軟件Pro/E，建立三維模型，虛擬樣機(jī)模型包括三部分：水平和豎直移動的二自由度平臺、六自由度并聯(lián)平臺、二自由度旋轉(zhuǎn)擺動噴頭。通過以上的分析可以得出并聯(lián)機(jī)構(gòu)在定姿態(tài)下的工作空間。

求解工作空間中，工作運(yùn)動方程在坐標(biāo)軸方向上逐漸增量，在逐漸增量的情況下使得動平臺能夠理想邊界范圍中工作空間。在步長和仿真時刻的設(shè)置中進(jìn)行仿真計算，由伺服電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行運(yùn)動，所得的運(yùn)動軌跡曲線為理想工作范圍。在動平臺的接觸點(diǎn)為中心點(diǎn)的位置為噴嘴的安裝位置，加工軌跡由噴頭的運(yùn)動和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動相結(jié)合而產(chǎn)生，定平臺的參考點(diǎn)固定不動與地面參考點(diǎn)相重合，由軟件自動生成軌跡曲線，并保存結(jié)果。

從運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果來看，通過對并聯(lián)平臺的動平臺進(jìn)行驅(qū)動函數(shù)的添加，平臺可以按照給定的函數(shù)運(yùn)動，在X、Y 與Z軸方向做一定規(guī)律的正弦運(yùn)動。動平臺的數(shù)值函數(shù)中得到的六個分支桿的位移曲線變化規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動函數(shù)變量，在運(yùn)動過程中的加工運(yùn)動具有相對距離的變量，可以看出在設(shè)定的加工運(yùn)動過程中軌跡的變化是可以預(yù)測出來的，并聯(lián)定平臺提供動力的伸縮桿的運(yùn)動是具有運(yùn)動變化的，六個分支桿同時進(jìn)行驅(qū)動也是十分準(zhǔn)確的，并聯(lián)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型建立是為噴頭運(yùn)動提供一定的運(yùn)動自由度，使得其在工作總可以很好的完成加工任務(wù)。在沒有發(fā)生約束冗余的情況下說明機(jī)構(gòu)是合理有效的，完全是可以按照人們的設(shè)想去運(yùn)動工作，從而達(dá)到理想的工作空間和提高工作效率。

動平臺在驅(qū)動函數(shù)的變量中得到的六個分支桿的位移曲線變化來帶動二自由度噴頭運(yùn)動中的相結(jié)合的運(yùn)動過程中，可以得到動平臺中心點(diǎn)速度、加速度變化規(guī)律曲線，噴頭末端的位移、角度變化曲線。在與模具之間在加工過程中，由于相對距離的變量一定，可以看出在設(shè)定的軌跡運(yùn)動過程中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)動、定平臺提供動力的伸縮桿的伸縮量在運(yùn)動過程中，是相互協(xié)作的。六個分支桿同時進(jìn)行驅(qū)動是可靠的，并聯(lián)平臺的虛擬樣機(jī)模型建立是正確的，在約束冗余沒有發(fā)生情況下，說明機(jī)構(gòu)是有效的加工機(jī)構(gòu)，完全是可以按照人們的設(shè)想去運(yùn)動工作，提高工作效率。

結(jié)束語：

本文利用三維繪圖軟件PRO/E和仿真軟件 SOLIDWORKS 共同對基于混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析并通過幾何法運(yùn)動學(xué)方程的計算進(jìn)行了研究。在對串并聯(lián)機(jī)構(gòu)相結(jié)合運(yùn)動下，進(jìn)行相互耦合優(yōu)勢，并在PRO/E軟件中進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入 SOLIDWORKS 軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，對機(jī)器人的工作空間進(jìn)行分析，并且得到運(yùn)動過程中并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺的運(yùn)動學(xué)分析曲線和理想的工作空間。

該機(jī)器人由水平、豎直移動平臺和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和二自由度噴頭構(gòu)成。分別可以在水平、豎直上移動，而且六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與二自由度噴頭相結(jié)合，從而進(jìn)行多自由度加工運(yùn)動，在給機(jī)構(gòu)添加了移動驅(qū)動、點(diǎn)驅(qū)動、轉(zhuǎn)動驅(qū)動的情況下，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。然后由幾何法得到的該機(jī)器人的運(yùn)動空間與加載了驅(qū)動的三維建模加工機(jī)器人得到的運(yùn)動空間進(jìn)行運(yùn)動學(xué)工作空間相互比較分析。通過對運(yùn)動學(xué)幾何方法結(jié)果的對比分析，對噴嘴的相互運(yùn)動軌跡進(jìn)了相互驗證。從而并聯(lián)機(jī)構(gòu)stewart的運(yùn)動空間和二自由度噴頭的工作運(yùn)動空間是混聯(lián)八自由度加工機(jī)器人的復(fù)合運(yùn)動空間，通過驗證是完全可以達(dá)到理想運(yùn)動空間和提高工作效率的要求。

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