運(yùn)用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)出六自由度焊接機(jī)器人系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，建立機(jī)器人靜力學(xué)平衡方程，分析了機(jī)器人的靜態(tài)應(yīng)力，繼而通過ANSYS Workbench 對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，最終給出了機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

　　引言

　　機(jī)器人技術(shù)毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術(shù)，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)的重要分支，在各種機(jī)器人中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較早，發(fā)展最為成熟。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步一直牽引著機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展，使機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)擴(kuò)展到軍用、空間、水下、醫(yī)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(jī)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(yīng)用越來越廣泛。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程自動(dòng)化提供了十分有利的技術(shù)基礎(chǔ)。近20 年來，在半自動(dòng)焊、專機(jī)設(shè)備以及自動(dòng)焊接技術(shù)等方面取得了許多研和應(yīng)用成果，表明焊接過程自動(dòng)化己成為焊接技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)之一。從21 世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求來看，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(shì)。

1、焊接機(jī)器人的現(xiàn)狀

　　焊接機(jī)器人是從事焊接的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO) 工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義: / 工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，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(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)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(jī)器人是機(jī)器人家族中的主力軍，能在惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作并能提供穩(wěn)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(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本和對(duì)工人操作技術(shù)的要求。

　　我國(guó)的焊接機(jī)器人學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用推廣工作開展大約有20 多年的歷史，同其他行業(yè)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的過程一樣，我國(guó)的焊接機(jī)器人走過了一條從引進(jìn)、消化到自行研制的過程，目前我國(guó)在焊接機(jī)器人研究和應(yīng)用方面雖然具有一定的規(guī)模，在某些方面甚至達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但仍然存在明顯不足。

　　目前國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人的技術(shù)研究現(xiàn)狀主要在以下3 個(gè)方面:

　　(1) 協(xié)調(diào)多臺(tái)焊接機(jī)器人和外圍設(shè)備的控制。這里的焊接機(jī)器人指的是焊接機(jī)器人系統(tǒng)或工作站，通常包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、焊機(jī)送絲裝置、變位機(jī)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(jī)器人在研制、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，而機(jī)器人又是多自由度、多連桿空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題十分復(fù)雜，計(jì)算難度和計(jì)算量都很大。若將機(jī)器人作為仿真對(duì)象運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、CAD 技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論在計(jì)算機(jī)中形成幾何圖形，并動(dòng)畫顯示，然后對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)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題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機(jī)器人過程中出現(xiàn)的問題。

2、機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　我們的研究對(duì)象是六自由度焊接機(jī)器人，機(jī)器人由6 個(gè)連桿和6 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。所有零件造型和整機(jī)組裝，是在三維造型軟件SolidWorks 中完成的。機(jī)器人結(jié)構(gòu)整體圖如圖1 所示，整機(jī)包括基座、大臂、肩部、肘部、小臂和手腕六大組件。機(jī)器人主體的回轉(zhuǎn)( 關(guān)節(jié)1) 是由基座內(nèi)部安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在大臂與基座的關(guān)節(jié)連接處，驅(qū)動(dòng)大臂作上下俯仰( 關(guān)節(jié)2) 。機(jī)器人的肘連接機(jī)器人的大臂與小臂，并由安裝在其內(nèi)部的電器驅(qū)動(dòng)小臂作上下俯仰( 關(guān)節(jié)3) ，腕部扭轉(zhuǎn)( 關(guān)節(jié)4) 電機(jī)直接安裝在肘部中，以節(jié)省空間。腕部俯仰( 關(guān)節(jié)5) 和腕部回轉(zhuǎn)( 關(guān)節(jié)6) 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均安裝在小臂的內(nèi)部，通過傳動(dòng)齒輪、帶輪驅(qū)動(dòng)將動(dòng)力傳遞給腕部。

圖1 焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與自由度示意圖

5、結(jié)束語

　　通過在CAD 軟件SolidWorks 中對(duì)焊接工業(yè)機(jī)器人的虛擬設(shè)計(jì)，并在ANSYS Workbench 對(duì)機(jī)器人的關(guān)鍵部位( 大臂) 進(jìn)行有限元分析，直觀地展現(xiàn)了大臂的應(yīng)力與位移分布，發(fā)現(xiàn)在初步設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的不足，分析結(jié)果并提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

　　由機(jī)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，通過查詢機(jī)械手冊(cè)知45# 鋼的屈服極限是355MPa，抗拉強(qiáng)度是610MPa，符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)比可知,優(yōu)化后的仿真結(jié)果明顯要優(yōu)于優(yōu)化之前。