利用SOLIDWORKS实现焊接机器人设计和仿真
2015-01-30 00:00:00   来源：中国机器人教育网的博客   评论：0 点击：

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，具有生产效率高且产品品质稳定，劳动力成本低廉，操作环境好等优点，主要用于工业自动化领域。随着社会的发展，我国已经出现了人口老龄化，劳动力成本不断上升。随着国内外机械行业竞争的不断加剧，对产品的质量要求更严格，焊接方式也急需由传统的手工焊接逐渐由传统的人工焊接转变向机器人焊接。国外厂商如FANUC、OTC、ABB和KUKA等对焊接机器人的研究较早，已经形成了系列化产品并投放占领大部分的国内外市场份额。国内在近几年才开始进行机器人技术的研究，起步较晚，机器人的性能和技术都和国外厂商有一定的差距。因此，国内市场也需要在借鉴国外同类型焊接机器人优点的基础上，立足于现有的加工制造业水平，从解决实际问题的角度出发，研究开发出满足中小企业实际需要的经济型可靠型焊接机器人。SOLIDWORKS2014是由美国SOLIDWORKS公司研究开发的基于造型的三维机械设计软件，其特点是易学易用，在企业内部推广成本低，SOLIDWORKSMotion是嵌在SOLIDWORKS中的运动仿真模块，依托其强大的运动分析功能，能比较精确地对焊接机器人进行工件运动位置及运动参数的计算，并以动画的形式计算出虚拟现实的动画演示，能很直观地解决六自由度焊接机器人的运动规律问题。通过建立虚拟仿真环境进行机器人的仿真实验研究，可以大幅度降低实验成本，提高实验效率，在运动状态下进行运动仿真，能有效地检查机器人本体结构设计的合理性等，对实际样机的设计具有重要的参考和指导价值。一、机器人本体结构设计1.机器人设计参数根据各种工况，焊接机器人可设定不同的运行程序，在工作状态中兼备高速动态响应和良好的低速稳定性的优点，在控制性能方面可以实现连续轨迹控制和点位控制。在调研了国内市场需求的情况下，根据机器人设计理论，调研参考国外同类型焊接机器人的性能指标，确定了焊接机器人系统中机器人本体的技术参数，如图1所示。图1 焊接机器人主要参数2.本体结构设计（1）建模思路。在SOLIDWORKS的环境下的设计思路一般为：确定好外型尺寸和技术参数的草图后（图2），根据草图规范好的尺寸范围和约束关系来设计零件和装配总装配体。?图2 机器人结构草图（2）零件设计。在三维设计环境下，机构设计和造型设计合为一体，利用SOLIDWORKS进行实体建模非常方便。根据部件的结构特点，通过草图约束、实体拉伸和旋转扫描等特征方式建立各个零件的模型，在建模过程中充分利用参数化约束的特点，结合同类型零件在不同机型上的尺寸变化趋势，利用多配置零件来减少同类型零件的建模工作。在建模过程中，利用零件之间的位置关系和装配关系，选择合适的草图平面、参考平面和特征（如拉伸到一面，拉伸到实体等）的生成方式，即通过分析零件和装配体的建模特点，优化零件之间的父子关系，减少定位尺寸以提高设计效率。主要的零件结构如图3所示。??图3 机器人零件图和典型草图（3）虚拟装配。在焊接机器人装配体的虚拟装配的过程中，建议先装配为子装配体，最后再用子装配进行装配形成机器人整机，再根据机器人的运动特点添加约束。在运动仿真中，可设定只计算顶层装配体的装配关系（运动副），子装配中的装配关系（运动副）不参与计算，这能有效地减少计算难度，减少计算错误（图4）。图4机器人子装图和总装图?二、机器人动力学仿真对于工作装置中各部件的驱动力（例如伺服马达扭矩的计算），目前多采用轨迹图法或根据几何约束关系建立力学方程组进行求解，计算起来不仅要耗费大量人力物力，而且结果比较粗糙。SOLIDWORKSMotion是嵌入SOLIDWORKS中的机械系统动力学分析软件，在机械行业内比较流行。其最大特点为简化了传统运动分析软件中比较难处理的各种运动副、接头等，并可使用基于事件的运动仿真方式，方便调整在仿真中设定的各类型马达的运动时间、距离等。利用SOLIDWORKS?Motion可以真实地预测机械系统的性能、运动轨迹、检查碰撞干涉和峰值载荷，并辅助工程师改进设计方案。焊接机器人在工作时可根据各种焊接工作的需要，实现不同的运动轨迹，在仿真中所求得的伺服系统峰值扭矩也各不相同。限于篇幅的原因，下面以焊接机器人从初始阶段（臂缩起）到开始工作（臂展开）阶段为研究对象，分析其中3个关节的峰值扭矩，为挑选电机和减速器等后续工作提供理论依据。1.建立基于事件的运动仿真算例在SOLIDWORKS中插入新的运动算例，并在下拉菜单中选择Motion进行运动分析，软件会将SOLIDWORKS中定义的装配关系自动映射为各类运动副。为3个关节添加选择马达，马达位置选择旋转轴的弧面，并指定相邻零件为参考运动的部件，运动方式选择伺服马达，控制方法为位移，如图5所示。图5 添加选择马达??在添加3个选择马达后，依次添加3个工作任务，分别对应3个旋转轴的旋转。此处设定3轴从0秒开始，在1秒内分别匀速旋转100°、80°和40°。也可以设定3轴依次进行旋转，其任务触发器则选择上一任务完成后延迟一定时间再开始，或上一任务完成后立即开始。图6中的黑线表示焊枪枪头的运动轨迹（此处焊枪的真实模型省略，使用6Kg配重块代替）。?图6基于事件的运动仿真示意图2.仿真结果在运动仿真算例成功运行后，可计算结果并添加图标，如图7所示添加3个马达的力矩图解。该图解基于时间，反映了在运动的过程中不同时间节点马达力矩的数值。根据计算出的峰值数值，结合电机输出扭矩、减速器减速比等各项指标统一考虑，选择更合适工况的电机，提高电机功率的利用率。??图7马达力矩图解三、结语本文利用SOLIDWORKS2014及其嵌入的SOLIDWORKSMotion运动仿真插件对某型号的焊接机器人进行三维建模、运动仿真。整个过程相关联，分析过程中所做的修改都会自动映射到仿真模型和工程图中，节省分析时间。其分析的理论结果能直观地传递给设计人员参考，为下一步的设计工作提供理论依据。通过在产品开放过程中使用SOLIDWORKS及相关软件，将CAD和CAE技术有机结合起来，验证了机构设计的合理性，为焊接机器人的实际样机的试制奠定了基础。??