热门关键词:
位置:首页 > 机械学术资料 > 

焊接机器人虚拟样机的设计及运动仿真

  • 该文件为pdf格式
  • 文件大小:241.03KB
  • 浏览次数
  • 发布时间:2014-08-04
文件介绍:

本资料包含pdf文件1个,下载需要1积分

新技术新工艺 2013年 第 9期焊接机器人虚拟样机的设计及运动仿真赵彦博,刘剑雄,周红权(昆明理 工大学 机 电工程 学院,云南 昆明 650500)摘 要:随着焊接机器人技术的成熟,产生了很多值得去发展和研究的领域;同时,也为今后更好地改善工人的工作条件,提高生产率和产品质量,增强企业的竞争力,打下了坚实的基础。本文首先在 AD—AMS软件中完成 了机器人的虚拟样机建模 ;然后 ,添加 了各个部件之 间的约束,通过分析机 器人 多体动力学模型当中的动力学理论 ,对理论进行 了相关求解,进一步将得到的数据进行 了分析,实现 了机 器人运动学仿真;最后,得到 了机械手各个部位的运动学仿真数据。通过研究各个部位在运动过程 中的关键力学性能,为焊接机器人的设计、研制及工作效率的提高提供了重要参考依据。

关键词 :焊接机器人 ;虚拟样机;ADAMS;运动仿真 ;多体动力学中图分类号 :TH 391.72 文献标志码 :AWelding Robot Virtual Prototype Design and Movement SimulationZHA0 Yanbo,LIU Jianxiong,ZHOU Hongquan(Faculty of Mechanical Engineering,Kunming University of Science and technology,Kunming 650500,China)Abstract:With the development of welding robot technology becoming mature,it has a lot to US to develop and re—search,at the same time,a better use of it in the future to improve workers working conditions can be made including in—creasing productivity,improving the quality of the product,and finally enhancing the competitiveness of enterprises to a sol—id foundation.This paper firstly completed the virtual prototype model of the robot in the ADAM S software,then added theconstraints between different parts,through the analysis of the dynamics of robot multi—body dynamic model of the theory,the related theory to the solution was did.According to the data for further analysis,robot kinematics simulation was real—ized.By studying the key mechanical properties in the process of each part in the sports and the analysis and research of thesystem had important significance for the welding robot design,development and improve work efficiency.

Key words:welding robot,virtual prototype,ADAMS,motion simulation,multi—body dynamics2O世纪 9O年代以来,随着我国国民经济的快速增长,一些企业加快了焊接机器人技术的研发 ,焊接机器人的使用价值也越来越凸显出来。它不但能够降低工人的劳动强度,同时,还能保证焊接的质量和较高的工作效率;所以,大多数工厂开始采用焊接机器人来完成焊接工作,目前其主要被应用于喷漆和点焊等生产 环节。其 主要 特点有 :1)生产 效率高;2)对工作环境要求较低;3)降低了对操作技术的要求;4)劳动产品改型换代的周期缩短。

目前,焊接机器人技术已经从二维图样电子化发展到以三维实体建模、动力学仿真和有限元为主导的虚拟样机技术时代。虚拟样机的发展摆脱了以往对物理样机的依赖 ,实现了一种全新 的、全面的和更可靠的研发模式;同时,它不但可以在工程领域得到迅速的发展,而且必将给企业带来深远的影响_1]。

l 虚拟样机技术概述虚拟样机技术一般分为以下 4个过程 。

1)概念设计 。在 ADAMS软件中完成实物实体的建模,或者也可以从其他的软件中导人,导入之后,经过添加约束和转矩等系统模型,建立整体的实体样机模型。在 ADAMS软件中,可 以快速形成相关的运动学方程,并且完成快速求解过程 ,从而得 出可靠 的结论。

2)细致化设计 。在完成虚拟样机的设计之后 ,通过相关的运动学特性测试 ,对虚拟样机模 型进行相关改进与细化。

3)验证设计 。利用 ADAMS软件检验 虚拟样机的工作性能 ,通过不同的输入,得到一系列不 同的运动过程,有效避免了工程预算的增加或工期 的延长 。

4)再现工作状态。ADAMS软件可 以实现对虚拟样机系统故障的诊断,例如产品出现操作性失灵和没有必要的振动时,就可 以利用 ADAMS软件进行建模并求解,实现其故障的再现,进而对故障的原因进行细致化的分析与处理 。

2 虚拟样机的实体建模根据焊接机器人 的工艺要求 ,本文设计 的焊接机器人主要包括底座、躯干、肩、手臂、手腕和机械手56 l 《新技术新工艺》设计计算与试验研究设计计算 试验研究部分 ,它们之间的连接处均具有旋转 自由度 ,用户能够利用 ADAMS软件完成整体机械系统虚拟样机模型的建立 。在 ADAMS软件环境中建立起的机器人虚拟样机模型如图 1所示 。

’■■_ —一 图 1 机器人虚拟样机 的建模3 多体动力学模型的建立与运动仿真求解20世纪 80年代 以来 ,多体动力学 等学科 得到了快速的发展,产生了以 ADAMS软件和 DADS软件为代表的动力学仿真分析软件,它们是计算机辅助工程技术的重要组成部分_4]。

ADAMS软件中的多刚体系统是通过拉格朗日方程来建立多体动力学方程的,用刚体质心坐标和刚体方位坐标作为广义 的坐标 ,即刚体 B (i一1,2,?
,N)的广义坐标列阵记为:q 一[z,Y,z, ,0,] ,它的力学系统的广义坐标列阵记为:q一[g ,? ,q ] 。设用 个独立的广义坐标 q (s一1,2,?
, )来确定 N 个刚体组成动力学 系统 的位形 ,为了方便计算 ,令 m(m一6N—n)个独立广义坐标标记为q + ,有 个理想双面完整的约束,其方程为:(q,t)一 0 ( 一 1,2,? ,m ) (1)Y/个双面的非线性完整的约束方程为:(q,q,t)一 0 (卢一 1,2,?, ) (2)用式 2作为前提 ,把式 1加在坐标变分上 :∑ q 一0 (3) 三
1 a qi由式 3可知 ,对速度空间位移起到限制的条件为:∑ ==0 (4)i=1 qi由拉格朗 日方程变分的基本原理得 :塞
i= 1
(筹一 d aT+Q!)曲 一。 ㈣由式 3~式 5,再通过拉格朗日方程的乘子法,得到如下方程 :d aT
一 OT
一 耋 3qi一妻v=l 一Q(i一 1,2,? ,m + ) (6)求解式 6所采取的计算方法为:1)用微分代数方程求解,使用 的是变系数 BDF(backward differ—entiation formulation),即 自动变步长和变阶的预估校正法;2)用微分方程的坐标减缩求解算法,AD—AMS软件提供的ABAM(adams bash forth and ad—ams—moulton)积分程序是一种微分方程的坐标减缩求解算法,它采用坐标分离的方法,将微分方程缩减成为广 义独立 坐标表 示 的纯微分 方程 ,再 利用ABAM程序进行积分求解。

在机器人 系统中,虚拟建模采取躯干与底座 以固结副相连 ,肩与躯干、肩与手臂 、手腕与手臂、手腕与机械手均以转动副相连。在系统 中,用 1个 固结副减去 2个 自由度 ,用 4个转动副减去 8个 自由度。

自由度计算公式如下[5]:卅 NDoF一6NB一 > (n O ) (7)一 1式中,N。为刚体数 目;O 为某一个特定约束度 的数目 为第i个刚体约束数减去其自由度数的差。

由式 7可得 ,焊接机器人的 自由度 NⅨ 一6×6一 (1×2+4×2)一26,施加完约束的机器人虚拟模型如图 2所示 。

图 2 施加完约束的机器人虚拟模型通过选择独立的广义坐标来建立系统多体运动学方程,这种方程可以用来表示刚体之间的相对运动,对于机器人系统中的5个约束 ( 一1,2,?,5),定义(s一1,?,N,)为 的各个转动轴的单位矢量,定义(s=:1,?,NI)为 相关联刚体之间转动的广义坐标,于是得到转轴列阵 以及各个广义坐标列阵 。

fP 一 [ 。 ]l P ==[ ]P。一 [ P。 ] (8)lP 一[ 43,P 42,P 1]lP 一 [p P P P ]fql一 1-01,]I qz—E0z ]q。一 E0 0。 ] (9)l q4— 1-043,042,041]lq5一 Eo54,053'052, 1]各个刚体的角加速度及角速度如下 :《新技术新工艺》设计计算与试验研究 I 57新技术新工艺 2013年 第 9期(1O)∑户 +叫。

∑ + 。

,一 1∑ +∞。 (11)∑ + 。

∑ +叫。

4 焊接机器人的动力学仿真建立 了机器人的动力学虚拟模 型后 ,通过 AD—AMS软件的仿真模块 ,可以给出焊接机器人机械手的角速度 、角加速度以及受到作用力后 随时 间的变化曲线 ,如图 3~图 1O所示。这有利于分析机器人各个构件 的情况,也便于及时发现 由于设计 的失误所造成的构件不合理等问题 。

58黾\ 删嘏l lI I1时间/s图 3 机械手部末端 X轴 方向角速 度,。 、 , 、f { / I.} } } |‘. 2 { } \f / /
j O00- l 0善 0一 3 O晨 ’5 0嘏 .6.0-7 0- 8 0R猷I,. .. ^
\ 一 \ V 、。时间/s 。 ·。

图 5 机械手部末端 X轴方 向角加速 度I ^l I 4:V 一I,. ’: {f} ¨
{ U :l|¨lf
:f :I l
I l
IJ^ I ,i 一1, Y
:lI。’。 。。 。时间,s ·。 。 ·。

图 6 机械手部末端 y轴方向角加速 度u - f I- I |苹 || | | | |J| | | | |,? .

00目 00辩一 0-O. 0时间/s图 7 机械手 X轴受力i_, I\ I f l { / \ , I | 、i7 / 、 【 / 、 I
~,,,,,/ 、I、l 、 } ,
l \ l f\0.0 l 0 2 0 3.0 4 0 5 0时间/s图 8 机械手 y轴 受力厂 、 八 {
| i、 I / t \. 1『 |
\ /| , } } l / } | i
, t | t | t \/ \/ ~0.0 1.0 2.0 3 0 4.0 5.0时间/s图 9 机械手 X轴 受转矩时间/s图 4 机械 手部末端 y轴方 向角速度《新技术新工艺》设计计算与试验研究. ++~g r,p
∑. ++一q 丁 ,p
∑. +∞+一g 丁 ,
∑. +十一q 丁 ,
∑O 5 O 5 O 5 0 5 O 52 t l 0 0 0 l l 2 2 畸BJ/ 嚣蠼.
叫++~q 丁 ,
∑川O O 9 9 8 8 7 7 6 N/R.p 援设计计算液压挖掘机 反铲 装置虚拟样机仿真研究周红权 ,刘剑雄,赵彦博试验研究(昆明理工大学机 电工程学院,云南 昆明 650500)摘 要:为解决液压挖掘机反铲装置作 业时,工作 范围尺寸与挖掘力 出现 的问题 ,首先 ,运 用 Pro/E软件 ,建立液压挖掘机的三维实体模型,并导入虚拟样机分析软件 ADAMS,合理地添加约束与驱动;然后,在 ADAMS中进行运动学仿真,获得液压挖掘机的主要工作 范围尺寸,并经过 国家标准检验 ,验证 了系统设计的合理性 ;最后 ,在特 定工况下 ,对反铲装置各铰 点的受力情 况进行动 力学仿真,获得其 变化规律 ,较精确地得到反铲装置各铰点所受的最大载荷,并提 出了相应的改进措施 ,为进一步进行有限元分析与优化设计奠定了基础。

关键词 :反铲装置;虚拟样机 ;ADAMS;仿真研究中图分类号 :TU 621 文献标志码 :AResearch on Virtual Prototype Simulation of Backhoe Device of Hydraulic ExcavatorZHOU Hongquan,LIU Jianxiong,ZHAO Yanbo(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)Abstract:To solve the problems that the working scope and digging force of hydraulic excavator backhoe device duringworking,there—dimensional physical model of hydraulic excavator was established by using Pro/E software,and imported itinto virtual prototype analysis software ADAMS,rationaly added restrictions and drives.In ADAMS,main working scopesize of excavator were acquired through kinematics simulation,and the rationality of design was verified through the inspec—tion of national standard,at the same time,force variation rules on each articulated point of the backhoe device under speci—fied conditions were obtained by the ADAMS dynamic simulation,the maximum load of each articulated point of the backhoedevice were obtained accurately and improvement measures were put forward,which laid the foundation for further finite ele—ment analysis and optimization design.

Key words:backhoe device,virtual prototype,ADAMS,simulation research随着社会经济的快速发展 ,未来对工程机械的性能要求日趋严格。液压挖掘机作为工程机械的代表,具有质量轻、结构紧凑、传动平稳、卸载精确、易实现无级变速与控制等优点,被广泛应用于建筑、采矿、水利、电力及国防等工程,并对保证工程质量和加快建设速度具有重要意义。液压挖掘机的工作范围和挖石 e 蛤 ; 写 石 \! 分 冒啦 ^
J’、, 、 『图 1O 机械手 y轴受转矩5 结语通过利用 ADAMS软件的建模功能,完成了焊接机器人虚拟样机模型的建立;同时,利用其运动仿真分析功能,分析并研究了焊接机器人在各种运动中的特征。例如,机器人可接受的角加速度、角速度,以及受力情况随时间的变化等。通过这种方式,为焊接机器人今后的拓展与研发提供了更真实的仿真数据 ,减少了研制的经费 ,缩短了研发的时间 ,提高了产品的生产效率。

参考文献[1]唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势I-J].电焊机,2006,36(4):43—46.

[2]李粤,张永波.虚拟样机技术的内涵及其在机械产品开发中的实现EJ-1.华南热带农业大学学报,2006,12(1):65—68.

[3]郭柏林,胡正义.基于 ADAMS的搬运机械手轨迹规划与仿真[J].湖北工业大学学报,2007,22(4):37—39.

[4]洪嘉振.计算多体系统动力学[M].北京:高等教育出版社,1999.

[5]肖佩,熊智文,李刚炎.基于虚拟样机的一体化设计技术及其应用[J].机械工程师,2006,16(10):58—59.

作者简介 :赵彦博 (1987一),男 ,硕士研究 生 ,主要从事机 电系统理论及计算机仿真等方面的研究。

收稿 日期 :2013年 O1月 30日责任编辑 李思文《新技术新工艺》设计计算与试验研究 59

正在加载...请等待或刷新页面...
发表评论
验证码 验证码加载失败