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基于ADAMS的桁架机器人刚柔耦合分析

2022-11-29 608

1.背景介绍

桁架机器人是一种建立在直角X,Y,Z三坐标系统基础上,对工件进行工位调整,或实现工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备。其控制核心通过工业控制器(如:PLC,运动控制,单片机等)实现。通过控制器对各种输入(各种传感器,按钮等)信号的分析处理,做出一定的逻辑判断后,对各个输出元件(继电器,电机驱动器,指示灯等)下达执行命令,完成X,Y,Z三轴之间的联合运动,以此实现一整套的全自动作业流程。在机械、电气、计算机等多学科技术的不断发展下,桁架机器人得以迅猛崛起,并广泛应用于柔性化智能制造生产线,如:搬运、喷镀、焊接甚至极端制造的场合。此外在工件搬运、焊接过程中,由于负载质量大、工作强度高、安全系数较低等特点,使得桁架机器人的优势更加明显。另外,重载桁架机器人还有可视化操作、批量化生产、重复编程使用等优点。目前,桁架机器人已成为柔性化智能制造生产线中不可或缺的组成部分,不仅使得各条生产线之间能够做到无线对接,同时大大降低了企业的劳动力成本,另外生产效率也得到了明显提高。

2.桁架机器人工作原理

桁架机器人的三维模型如下图所示,拥有四个自由度,可沿XYZ轴移动,同时末端装配搬运机械抓手,可沿着Z轴旋转,另外抓手可通过调节两卡爪之间的距离来搬运不同尺寸的物体。据生产线要求,该系统在快速搬运物体的同时,要尽可能避免因加速度突变导致的动态冲击。

3.桁架机器人刚柔耦合模型仿真分析

桁架机器人在高速工况下运行时,由于主体框架的工字钢以及横梁结构的刚度较小,易发生弹性变形,构件的变形会影响重架机器人的运动精度。另外,单个工字钢的受力和运动状态也会受整个机构运动状态的影响,从而使工字钢内部应力应变的分布发生变化。纯刚体模型无法考虑构件的变形,也无法记录构件的受力状态。由于柔性体动力学方程为偏微分方程,求解比较困难,若是将所有构件作柔性化处理,将导致计算机无法正常计算从而仿真失败。基于此,案例将主体框架的工字钢与横梁结构单独柔性化,然后组合成两个刚柔耦合模型,分别比较高速情况下,柔性体的变形量对运动精度的影响。

ADAMS软件平台提供了三种建立柔性体的方式:

(1)利用ADAMS软件平台自带的柔性梁连接。此方法先通过对刚性构件作离散化处理,将其分成多个小段,接着再通过柔性梁进行连接,不过其本质还是刚性体。因此,这种方法不建议使用。

(2)利用ANSYS等其它的有限元分析软件平台,并在软件中设置好相应的参数,然后导出模态中性文件(MNF文件)。由于ADAMS软件的前处理模块可与其它软件对接,因此只需将生成的MNF文件导入,即可建立相关杆件的柔性体。对于复杂的构件,这种方法是很有效的。

(3)利用ADAMS中的Make flexible功能。在刚性杆件的基础上,通过ADAMS/Auto Flex模块,可以直接生成MNF文件,接着替换之前的刚性体即可,不过利用该种方式创建的柔性体的几何外形需要相对比较简单。

在ADAMS仿真中,为了仿真计算的有效性,需简化模型和减少约束。另外为便于测量数据,特将机器人的纵轴最下端平面的中心位置作为桁架机器人的末端。设定桁架机器人搬运工件时的质量恒定,同时依据重载桁架机器人常用工作速度,设置了五种不同的速度,分别为200mm/s,400mm/s,600mm/s,800mm/s,1000mm/s。由于重载桁架机器人在实际工作时,启动加减速时间极短,可忽略不计,仿真总时间即行程除以工作速度,仿真步数设置为2000,仿真行程设置为8000mm,得到不同工作速度下桁架机器人末端振幅的变化。

仿真结果表明桁架机器人的横梁系统受工作速度的影响较大,建议控制桁架机器人的运行速度,以保证生产精度要求。

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