并联焊接机器人结构设计研究

崔晓海， 周兴华

（1.黑龙江省机械科学研究院,哈尔滨 150040;2.中国航空工业江西景航航空锻铸有限公司，江西 景德镇 333400）

0 引言

工业机器人自诞生以来，多数应用在焊接领域。20世纪制造业发展期间，焊接技术做出了重要贡献，各个工业领域都应用到了焊接技术的优秀技术成果。其作为一门综合性应用技术，具有典型的多学科交叉融合的特点，传统的焊接工艺劳动强度大，工艺复杂，对某些质量、批量或操作环境有特殊要求的工作，就需要自动化、机械化强的焊接机器人代替人工作业。焊接自动化、柔性化与智能化的手段不仅能够减轻劳动作业强度，也极大地提高了焊接质量，降低了生产成本[1-3]。

1 焊接机器人主要优点和分类

世界上第一台工业机器人1962年诞生于美国，自投入使用以来，到1996年底，全世界已经先后有68万台工业焊接机器人投入生产使用，其中一大部分是焊接工业机器人。经过多年的发展，焊接机器人的核心自动化技术也不断提升，不仅满足了现代工业制造对产品质量、批量的要求，还大大解放了劳动力，改善了作业环境。正是由于工业焊接机器人的出现，使以往依靠手工焊的传统焊接方式发生了革命性的转变，使小批量焊接生产作业自动化成为可能。在中小批量焊接生产中，同一个焊接机器人可以同时进行多项焊接作业，而无需改变任何硬件，只要对其进行示教，即可以实现精准实现示教的每一项操作。焊接机器人的优点概括起来主要有以下几点[4]：可在有毒有害等高危条件下持续工作；显著提高焊接质量和稳定性；大大提高生产效率，对操作工人技术要求降低，可连续生产；降低生产设备投资，缩短准备周期。

根据用途不同可将焊接机器人分为弧焊机器人、点焊机器人；其中弧焊机器人应用最为广泛，它不只是一台简单的定速单机，而是在作业中焊枪能够跟踪工件的焊道的柔性焊接系统。点焊机器人更多地应用在汽车工业领域，目前在车体装配过程中，60的点焊都由焊接机器人作业，点焊机器人还可以完成定位焊作业。

根据结构坐标系的不同，焊接机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和全关节型。直角坐标型的位置空间（X,Y,Z）是由直线运动构成，运动模型简单，操作灵活，缺点是工作空间小；圆柱坐标型在基座上装有立柱，能够实现手臂的上下水平伸缩，但精准度较低；球坐标型焊接机器人运动更为灵活，控制系统相对复杂；全关节型机器人能够实现位置姿态全实现，结构紧凑灵活，占地小，工作空间大，是目前最为普遍应用的焊接机器人。

根据受控运动方式的不同，焊接机器人可分为点位控制（PTP）型机器人和连续轨迹控制（CP）型机器人，连续控制主要用于弧焊机器人。

2 并联焊机结构组成及其优点

并联焊机由以下几个部分组成[5]：

1）定平台。定平台是一个刚性箱体机架，上面安装固定工作台。

2）动平台。动平台通过伸缩杆和平行机构与定平台相连，动平台上安装焊头。

3）轴向可调的伸缩杆。伸缩杆连接定平台机架和动平台，通过伺服电动机和滚珠丝杠实现伸缩运动，完成对主轴的位置和姿态的控制。

4）控制系统及软件。与传统的串联焊机结构相比，并联焊机有以下优点[6]：结构简单，零件数目较比串联结构焊机大大减少，造价低；运动平台由几个简单铰链并联驱动，移动重量更轻，焊接速度高，且惯性低；几何误差累积和放大现象几乎不存在，焊接精度高；控制方便，功能转换容易。

图1 汽车工业上的焊接机器人

3 3-TPS并联焊机的组成

三杆并联机构，具有结构简单，运动学和动力学正反解计算方便、易于实现实时控制及作业空间大等优点。三根驱动杆两端用虎克铰以RRR方式连接动平台，在动平台和XY轴之间附加平行四边形约束结构（动平台回转轴A3A6平行于C1C2），移动副p丝杠通过电动机驱动，各个驱动杆通过轴线相互平行的回转副连接，其结构如图2所示。

4 3-TPS并联焊机主运动机构的运动学仿真

4.1 运动仿真的特点与流程

机构仿真主要包括两个过程：建立机构模型；添加驱动。模型建立过程即模拟装配和连接，与实际零件装配过程非常相似。机构仿真与零件装配的相似点是零部件放置操作窗口相同，装配关系相同。机构仿真与零件装配的不同点是：1）零件装配可直接定义零件之间装配约束，无相对运动；2）机构仿真不能直接定义装配约束，内部构件之间可存在相对运动，必须添加驱动器。机构运动仿真流程如图3所示。

图2 并联焊接机器人结构简图

图3 机构运动仿真工作流程

4.2 3-TPS并联焊机运动仿真及结果分析

3-TPS并联焊机的运动机构是在Pro/E软件下建模和仿真的，利用Pro/E建立三维模型，其中的连接结构采取刚性连接。其结构主要有动平台、定平台、驱动杆伸缩杆、焊头等部件组成。机构三维模型建立后，要对其添加驱动器。

先安装定平台（底座），接下来装配动平台。在装配过程中应先将驱动杆与上虎克铰、伸缩杆与下虎克铰连接，然后再将驱动杆与伸缩杆以圆柱的方式进行连接，主体安装完成后再进行平行构件系统的安装。

装配分析各个零件之间的连接方式，若采用装配约束就可完成的，只需要装配约束。若零部件之间可能产生相对运动，必须重新对其连接方式定义和约束。装配完成后的3-TPS并联焊机以及各零件之间的约束或连接的方式，如图4所示。

4.3 添加驱动器

Pro/E中的伺服电动驱动器主要有两种，不仅可以显示运动轨迹，还能够清楚地定义速度的时间函数。在定义伺服电动机的时候，考虑到平面平移、平面旋转选用几何伺服电动机，否则选用连接轴伺服电动机。以伺服电动机1为例，添加窗口操作及过程如图5所示，测量结果可以直接读出，伺服电动机1的工作曲线结果如图6所示。

图4 3-TPS并联焊机的仿真

图5 伺服电动机1定义对话框

图6 驱动电动机的速度与时间的关系图

图7 添加驱动器后的仿真图

同理,按同样的方法添加其他伺服电动机(其中参数的设置可根据实际的需要设置)。4个伺服电动机全部添加完毕后，模型中显示驱动器标志，如图7所示。

5 结果分析

利用Pro/E软件对3-TPS并联焊机的各个零件进行的实体建模，进行了整机的装配，在装配过程中进行了各零件之间的干涉检测以检查机构设计的合理性。

添加了4个伺服电动机，设置了各个电动机的运行参数，将仿真过程生成视频文件，最后绘制出3-TPS并联焊机末端执行器的位置、速度、加速度与时间的关系图。通过分析，确定该样机可行。