崔曉海, 周興華
(1.黑龍江省機械科學(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,傳統(tǒng)的焊接工藝勞動強度大,工藝復(fù)雜,對某些質(zhì)量、批量或操作環(huán)境有特殊要求的工作,就需要自動化、機械化強的焊接機器人代替人工作業(yè)。焊接自動化、柔性化與智能化的手段不僅能夠減輕勞動作業(yè)強度,也極大地提高了焊接質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本[1-3]。
世界上第一臺工業(yè)機器人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68萬臺工業(yè)焊接機器人投入生產(chǎn)使用,其中一大部分是焊接工業(yè)機器人。經(jīng)過多年的發(fā)展,焊接機器人的核心自動化技術(shù)也不斷提升,不僅滿足了現(xiàn)代工業(yè)制造對產(chǎn)品質(zhì)量、批量的要求,還大大解放了勞動力,改善了作業(yè)環(huán)境。正是由于工業(yè)焊接機器人的出現(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)自動化成為可能。在中小批量焊接生產(chǎn)中,同一個焊接機器人可以同時進(jìn)行多項焊接作業(yè),而無需改變?nèi)魏斡布灰獙ζ溥M(jìn)行示教,即可以實現(xiàn)精準(zhǔn)實現(xiàn)示教的每一項操作。焊接機器人的優(yōu)點概括起來主要有以下幾點[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器人分為弧焊機器人、點焊機器人;其中弧焊機器人應(yīng)用最為廣泛,它不只是一臺簡單的定速單機,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)。點焊機器人更多地應(yīng)用在汽車工業(yè)領(lǐng)域,目前在車體裝配過程中,60的點焊都由焊接機器人作業(yè),點焊機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)是由直線運動構(gòu)成,運動模型簡單,操作靈活,缺點是工作空間小;圓柱坐標(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)型焊接機器人運動更為靈活,控制系統(tǒng)相對復(fù)雜;全關(guān)節(jié)型機器人能夠?qū)崿F(xiàn)位置姿態(tài)全實現(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)用的焊接機器人。
根據(jù)受控運動方式的不同,焊接機器人可分為點位控制(PTP)型機器人和連續(xù)軌跡控制(CP)型機器人,連續(xù)控制主要用于弧焊機器人。
并聯(lián)焊機由以下幾個部分組成[5]:
1)定平臺。定平臺是一個剛性箱體機架,上面安裝固定工作臺。
2)動平臺。動平臺通過伸縮桿和平行機構(gòu)與定平臺相連,動平臺上安裝焊頭。
3)軸向可調(diào)的伸縮桿。伸縮桿連接定平臺機架和動平臺,通過伺服電動機和滾珠絲杠實現(xiàn)伸縮運動,完成對主軸的位置和姿態(tài)的控制。
4)控制系統(tǒng)及軟件。與傳統(tǒng)的串聯(lián)焊機結(jié)構(gòu)相比,并聯(lián)焊機有以下優(yōu)點[6]:結(jié)構(gòu)簡單,零件數(shù)目較比串聯(lián)結(jié)構(gòu)焊機大大減少,造價低;運動平臺由幾個簡單鉸鏈并聯(lián)驅(qū)動,移動重量更輕,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)上的焊接機器人
三桿并聯(lián)機構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單,運動學(xué)和動力學(xué)正反解計算方便、易于實現(xiàn)實時控制及作業(yè)空間大等優(yōu)點。三根驅(qū)動桿兩端用虎克鉸以RRR方式連接動平臺,在動平臺和XY軸之間附加平行四邊形約束結(jié)構(gòu)(動平臺回轉(zhuǎn)軸A3A6平行于C1C2),移動副p絲杠通過電動機驅(qū)動,各個驅(qū)動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。
機構(gòu)仿真主要包括兩個過程:建立機構(gòu)模型;添加驅(qū)動。模型建立過程即模擬裝配和連接,與實際零件裝配過程非常相似。機構(gòu)仿真與零件裝配的相似點是零部件放置操作窗口相同,裝配關(guān)系相同。機構(gòu)仿真與零件裝配的不同點是:1)零件裝配可直接定義零件之間裝配約束,無相對運動;2)機構(gòu)仿真不能直接定義裝配約束,內(nèi)部構(gòu)件之間可存在相對運動,必須添加驅(qū)動器。機構(gòu)運動仿真流程如圖3所示。
圖2 并聯(lián)焊接機器人結(jié)構(gòu)簡圖
圖3 機構(gòu)運動仿真工作流程
3-TPS并聯(lián)焊機的運動機構(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)主要有動平臺、定平臺、驅(qū)動桿伸縮桿、焊頭等部件組成。機構(gòu)三維模型建立后,要對其添加驅(qū)動器。
先安裝定平臺(底座),接下來裝配動平臺。在裝配過程中應(yīng)先將驅(qū)動桿與上虎克鉸、伸縮桿與下虎克鉸連接,然后再將驅(qū)動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)生相對運動,必須重新對其連接方式定義和約束。裝配完成后的3-TPS并聯(lián)焊機以及各零件之間的約束或連接的方式,如圖4所示。
Pro/E中的伺服電動驅(qū)動器主要有兩種,不僅可以顯示運動軌跡,還能夠清楚地定義速度的時間函數(shù)。在定義伺服電動機的時候,考慮到平面平移、平面旋轉(zhuǎn)選用幾何伺服電動機,否則選用連接軸伺服電動機。以伺服電動機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,伺服電動機1的工作曲線結(jié)果如圖6所示。
圖4 3-TPS并聯(lián)焊機的仿真
圖5 伺服電動機1定義對話框
圖6 驅(qū)動電動機的速度與時間的關(guān)系圖
圖7 添加驅(qū)動器后的仿真圖
同理,按同樣的方法添加其他伺服電動機(其中參數(shù)的設(shè)置可根據(jù)實際的需要設(shè)置)。4個伺服電動機全部添加完畢后,模型中顯示驅(qū)動器標(biāo)志,如圖7所示。
利用Pro/E軟件對3-TPS并聯(lián)焊機的各個零件進(jìn)行的實體建模,進(jìn)行了整機的裝配,在裝配過程中進(jìn)行了各零件之間的干涉檢測以檢查機構(gòu)設(shè)計的合理性。
添加了4個伺服電動機,設(shè)置了各個電動機的運行參數(shù),將仿真過程生成視頻文件,最后繪制出3-TPS并聯(lián)焊機末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度與時間的關(guān)系圖。通過分析,確定該樣機可行。