基于SolidWorks和ANSYS Workbench的六自由度焊接機器人的建模與優(yōu)化設計
運用SolidWorks 軟件設計出六自由度焊接機器人系統的虛擬樣機，建立機器人靜力學(xué)平衡方程，分析了機器人的靜態(tài)應力，繼而通過(guò)ANSYS Workbench 對機器人關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，最終給出了機器人優(yōu)化設計方案。
引言
機器人技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)是未來(lái)的戰略性高技術(shù)，充滿(mǎn)機遇和挑戰。工業(yè)機器人是機器人技術(shù)的重要分支，在各種機器人中，工業(yè)機器人應用較早，發(fā)展最為成熟。同時(shí)，工業(yè)機器人技術(shù)的不斷進(jìn)步一直牽引著(zhù)機器人學(xué)科的發(fā)展，使機器人的應用領(lǐng)域從工業(yè)擴展到軍用、空間、水下、醫療、服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域。焊接是制造業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一。它在機械制造、核工業(yè)、航空航天、公共交通、石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數控及機器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過(guò)程自動(dòng)化提供了十分有利的技術(shù)基礎。近20 年來(lái)，在半自動(dòng)焊、專(zhuān)機設備以及自動(dòng)焊接技術(shù)等方面取得了許多研和應用成果，表明焊接過(guò)程自動(dòng)化己成為焊接技術(shù)增長(cháng)點(diǎn)之一。從21 世紀先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求來(lái)看，焊接自動(dòng)化生產(chǎn)已成為制造業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的趨勢。
1、焊接機器人的現狀
焊接機器人是從事焊接的工業(yè)機器人。根據國際標準化組織( ISO) 工業(yè)機器人術(shù)語(yǔ)標準的定義: / 工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動(dòng)控制操作機，具有3 個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。0，為了適應不同的用途，機器人最后一個(gè)軸的機械接口通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱(chēng)末端執行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人末軸的法蘭裝接焊鉗或焊( 割) 槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人是機器人家族中的主力軍，能在惡劣的環(huán)境下連續工作并能提供穩定的焊接質(zhì)量，不但提高了工作效率而且減輕了工人的勞動(dòng)強度，降低了生產(chǎn)成本和對工人操作技術(shù)的要求。
我國的焊接機器人學(xué)術(shù)研究和應用推廣工作開(kāi)展大約有20 多年的歷史，同其他行業(yè)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的過(guò)程一樣，我國的焊接機器人走過(guò)了一條從引進(jìn)、消化到自行研制的過(guò)程，目前我國在焊接機器人研究和應用方面雖然具有一定的規模，在某些方面甚至達到了國際先進(jìn)水平，但仍然存在明顯不足。
目前國內外焊接機器人的技術(shù)研究現狀主要在以下3 個(gè)方面:
(1) 協(xié)調多臺焊接機器人和外圍設備的控制。這里的焊接機器人指的是焊接機器人系統或工作站，通常包括機器人本體、機器人控制柜、焊機送絲裝置、變位機和夾具等部件。
( 2) 研究焊縫跟蹤技術(shù)。由于焊接環(huán)境等因素的不同，實(shí)際焊接時(shí)的軌跡頻繁變動(dòng)。
(3) 仿真技術(shù)。機器人在研制、設計和試驗過(guò)程中，經(jīng)常需要對其運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及進(jìn)行軌跡規劃設計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構，其運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題十分復雜，計算難度和計算量都很大。若將機器人作為仿真對象運用計算機圖形技術(shù)、CAD 技術(shù)和機器人學(xué)理論在計算機中形成幾何圖形，并動(dòng)畫(huà)顯示，然后對機器人的機構設計、運動(dòng)學(xué)正反解分析、操作臂控制以及實(shí)際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問(wèn)題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機器人過(guò)程中出現的問(wèn)題。
2、機器人總體結構設計
我們的研究對象是六自由度焊接機器人，機器人由6 個(gè)連桿和6 個(gè)轉動(dòng)關(guān)節組成。所有零件造型和整機組裝，是在三維造型軟件SolidWorks 中完成的。機器人結構整體圖如圖1 所示，整機包括基座、大臂、肩部、肘部、小臂和手腕六大組件。機器人主體的回轉( 關(guān)節1) 是由基座內部安裝的電機驅動(dòng)，驅動(dòng)電機安裝在大臂與基座的關(guān)節連接處，驅動(dòng)大臂作上下俯仰( 關(guān)節2) 。機器人的肘連接機器人的大臂與小臂，并由安裝在其內部的電器驅動(dòng)小臂作上下俯仰( 關(guān)節3) ，腕部扭轉( 關(guān)節4) 電機直接安裝在肘部中，以節省空間。腕部俯仰( 關(guān)節5) 和腕部回轉( 關(guān)節6) 的驅動(dòng)電機均安裝在小臂的內部，通過(guò)傳動(dòng)齒輪、帶輪驅動(dòng)將動(dòng)力傳遞給腕部。
圖1 焊接機器人的機械結構與自由度示意圖
5、結束語(yǔ)
通過(guò)在CAD 軟件SolidWorks 中對焊接工業(yè)機器人的虛擬設計，并在A(yíng)NSYS Workbench 對機器人的關(guān)鍵部位( 大臂) 進(jìn)行有限元分析，直觀(guān)地展現了大臂的應力與位移分布，發(fā)現在初步設計時(shí)出現的不足，分析結果并提供優(yōu)化設計的方案，優(yōu)化前后參數對比見(jiàn)表1。
表1 優(yōu)化前后參數對比
由機器人大臂優(yōu)化后的綜合形變可知，大臂的綜合形變量最大值為0.1297 mm，向的形變量為0.0558mm，通過(guò)查詢(xún)機械手冊知45# 鋼的屈服極限是355MPa，抗拉強度是610MPa，符合設計要求。對比可知,優(yōu)化后的仿真結果明顯要優(yōu)于優(yōu)化之前。
