基于ADAMS的攪拌摩擦點焊機器人動力學仿真分析

張松，喬鳳斌，劉玉來，張華德

(上海航天設備制造總廠，上海200245)

基于ADAMS的攪拌摩擦點焊機器人動力學仿真分析

張松，喬鳳斌，劉玉來，張華德

(上海航天設備制造總廠，上海200245)

ADAMS軟件在分析機構的運動學和動力學方面有著強大的功能；針對攪拌摩擦點焊機器人的設計問題，首先建立其動力學模型，然后利用Pro／E軟件建立了機器人的三維實體模型，將其導入到ADAMS中進行動力學分析，給各個關節運動副加上相應的軌跡曲線方程，使其按照指定的運動方式運動。通過仿真得到并分析了機器人各關節在運動過程中各階段的動力學特性，為電機系統的精確選型及控制系統的設計等進一步研發攪拌摩擦點焊機器人設備提供了可靠有力的依據，對于保證其機械系統的性能以及提高其可靠性等具有十分重要的意義。

攪拌摩擦點焊；動力學模型；ADAMS；仿真分析

0 前言

攪拌摩擦點焊FSSW(Friction Stir Spot Welding)是在攪拌摩擦焊基礎上研究開發的一種創新的固相焊接技術，眾多優點使得攪拌摩擦點焊方法成為目前最合適用于輕金屬合金薄板裝配單點連接的固相連接技術[1]。攪拌摩擦點焊機器人設備的研制，可以替代傳統的電阻點焊接、沖壓鉚接等，實現典型鋁合金關鍵構件的優質、高效、綠色點焊連接。

借助于ADAMS虛擬樣機技術研發攪拌摩擦點焊機器人設備，對于保證其機械系統的性能以及提高其可靠性具有十分重要的意義。該設備的研制對提高我國重大基礎制造裝備的技術水平和研發能力具有重要作用和現實意義[2]。

1 攪拌摩擦點焊機器人的動力學模型

目前，機器人動力學的研究方法很多，如拉格朗日方法、牛頓－歐拉方法、高斯方法、凱恩方法、羅伯遜－魏登堡法、旋量方法等。其中以牛頓－歐拉法和拉格朗日法運用較多。從計算量方面考慮，使用牛頓－歐拉方法，在原有算法的基礎上，將所有桿件的速度、加速度、慣性矩陣、質心位置、力和力矩等都表示在各桿的坐標系中，從而使計算更加簡單，使計算關節驅動力矩的時間不僅與機器人關節數成線性比例，而且與點焊機器人的構型無關[3]。

首先從連桿1到連桿n向外遞推計算各連桿的速度和加速度，計算出每個連桿的慣性力和力矩。第二步，從連桿n到連桿1向內遞推計算各連桿內部相互作用力和力矩、關節驅動力和力矩[4]，見圖1。

圖1 連桿受力分析Fig.1 Connecting rod stress analysis

(1)向外遞推(i：0→n－1)。

連桿i＋1的角速度

連桿i＋1的角加速度

連桿i＋1的線速度

連桿i＋1的線加速度

作用于連桿i＋1質心上的力

作用于連桿i＋1質心上的力矩

(2)向內遞推(i：n→1)。

作用于連桿i質心上的力

作用于連桿i質心上的力矩

關節驅動力矩

機器人動力學模型的建立，可以在已知各關節位移、速度和加速度的情況下，求得各關節所需要的驅動力和力矩，為機器人的動力學仿真提供依據[5]。

2 攪拌摩擦點焊機器人虛擬樣機模型的建立

虛擬樣機仿真技術在機械工程中的應用就是機械系統的動態仿真技術。該技術的使用，讓用戶能夠用虛擬樣機代替大多數的物理樣機進行模擬試驗。虛擬樣機技術軟件ADAMS具有非常強的動力學仿真功能，可以把在Pro／E中建立的三維模型通過接口轉換成能夠進行動力學分析的模型，并且通過確定各關節角的運動軌跡進行動力學仿真。根據設計參數利用Pro／E軟件設計出機器人零件，然后進行裝配，從而形成了機器人的本體結構模型，如圖2所示。在進行零件設計的時候就要完成對零件材料的定義。完成了零件的設計后，在進行裝配工作時要注意把沒有相對運動的零件裝配成一個組件，這樣可以為后續的定義剛體做好準備。定義剛體是在ADAMS中進行的，ADAMS和Pro／E有一個共同的接口Mechanical／Pro可以實現兩者間的無縫連接，可以方便地完成模型的轉換[6]。

圖2 攪拌摩擦點焊機器人模型Fig.2 FSSW robot model

3 攪拌摩擦點焊機器人動力學仿真分析

虛擬樣機仿真模型建立好后，在ADAMS／View中調用ADAMS／Solve模塊，即可進行動態仿真。在仿真過程中，要使機器人按照一定的規律運動，需要給各個關節運動副加上相應的軌跡曲線方程，關節才能按照指定的運動方式運動[7]。可重復設定輸入值和精度，重復地對系統進行仿真，直到獲得所需要的結果，對結果進行分析，了解這種結果產生的原因，并且能夠得到數據的輸出，為攪拌摩擦點焊機器人的結構設計以及控制系統提供條件。

根據實際需要的工作軌跡，通過多次虛擬試驗，綜合考慮技術指標中各關節的速度和加速度要求得到各關節的角位移函數，角位移曲線如圖3所示。

圖3 各關節輸入的角位移曲線Fig.3 Input angular displacement curves of each joint

將圖3所示的角位移曲線轉變為樣條函數(Spline)，作為ADAMS的輸入，即各關節的驅動函數，仿真得到點焊機器人實際工作軌跡中各關節的角速度、角加速度和力矩變化曲線，其曲線分別如圖4、圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，點焊機器人在整個運動過程中各關節速度、加速度變化較平緩，沒有突變，且都符合技術指標中對速度和加速度的要求。

圖4 點焊機器人各關節的角速度曲線Fig.4 Angular speed curve of FSSW robot's Each joint

圖5 點焊機器人各關節的角加速度曲線Fig.5 Angle acceleration curve of FSSW robot's each joint

(1)關節1的角速度和角加速度在7.5～9.5 s之間較大，其他時間段普遍較小，這是因為該時間段內要轉移到另外一點進行焊接，主要依靠關節1的旋轉動作，并且要求動作迅速、平穩，因此關節1的角速度和角加速度都應較大，仿真結果與實際分析相符。

(2)關節2的角加速度在0～1.5s、3.5～4.0s和5.5～7.5s之間較大，在其他時間段內較小。因為在0～1.5s內，點焊機器人空載運行，機械臂應迅速到達要求焊接的工件上方，所以要有較大的角加速度和角速度；而在3.5～4.0 s和5.5～7.5 s內關節2完成焊接，在焊接的瞬間及整個焊接過程中，加速度也較大，在3.5～4.0 s內雖然加速度較大，但由于時間非常短，所以角速度并不大，仿真結果與實際分析相符。關節3和關節5配合關節2完成相應動作，動作過程相似，其仿真結果也相似。

(3)關節4和關節6的動作較少，都是為了完成特定動作；關節4的動作主要是協助完成轉移到指定位置時的位姿調整；關節6的動作主要是旋轉，避免在焊接復雜工件時發生碰撞。因此都是在特定的動作時間段內有較大的角速度和角加速度，仿真結果與實際分析相符[8]。

對點焊機器人各關節的力矩進行統計可知，點焊機器人在實際工作中，最開始由于點焊機器人空載運行，所以各關節驅動力矩相對都比較小，其中關節2的力矩值較大，這是因為該階段關節2的動作幅度最大，加速度值比較大。在進行焊接時各關節的力矩普遍都很大，最大力矩出現在關節2上，因為此時機器人手臂伸展長度最大，關節2處的重力矩達到最大值，并且在提取的瞬間加速度值也較大。在轉移到另外焊接點時，除了有加速動作的關節1和關節4外，其他各關節的力矩都處于穩定輸出狀態。

圖6 點焊機器人各關節的力矩曲線Fig.6 Torque curves of FSSW robot's each joint

4 結論

借助虛擬樣機技術，建立了攪拌摩擦點焊機器人的三維實體模型后，應用ADAMS軟件進行動力學仿真分析，通過仿真得到并分析了運動過程中機器人各關節的動力學特性，為進一步研發攪拌摩擦點焊機器人設備提供了可靠有力的依據，對于保證其機械系統的性能以及提高可靠性具有十分重要的意義。

[1]秦紅珊，楊新歧.攪拌摩擦點焊技術及在汽車工業應用前景[J].汽車技術，2006(1)：1－4.

[2]Fujimoto M，Inuzuka M，Koga S.Development of friction spot joining[J].Welding in the World，2005(3，4)：18－21.

[3]Takeshi K，Toshiaki M.Application of friction stir welding to construction of railway vehicles[J].Series A，2004(3)：23－28.

[4]陳美宏，焦恩璋.空間焊縫的位姿參數與放置規劃研究[J].電焊機，2011，41(4)：24－28.

[5]譚一炯，周方明，王江超，等.焊接機器人技術現狀與發展趨勢[J].電焊機，2011，41(3)：6－10.

[6]王立權，王小東.基于虛擬樣機的控制系統仿真研究[J].機器人，1994(16)：129－132.

[7]張國棟，李志遠.低合金高強鋼焊縫針狀鐵素體轉變動力學及其仿真[J].電焊機，2002，32(6)：9－12.

[8]沈紅芳，宋又廉.基于ADAMS的弧焊機器人動力學仿真[J].機械設計與研究，2005，21(6)：50－52.

The analysis of kinematic simulation of friction stir spot welding robot based on ADAMS

ZHANG Song，QIAO Feng－bin，LIU Yu－lai，ZHANG Hua－de
(Shanghai Spaceflight Manufacture(Group)Co.，Ltd，Shanghai 200245，China)

The software ADAMS has powerful function on the analysis of the institutions of the kinematics and dynamics.According to friction stir welding robot dynamic problems in design process，established its dynamics model，and using Pro／E software built its 3D entity model into ADAMS for dynamic analysis.Give the track of the corresponding vice curve equation to each joint movement，and make it movement according to specified movement way.Get and analysis the dynamic properties of each joint of the robot by the simulation and of the movement process，which provides a reliable powerful basis for further research and development of the friction stir welding robot equipment such as the accurately and selection of the motor system and the design of the control system.Have a very vital significance to ensure the performance of mechanical system and its reliability.

FSSW；dynamics model；ADAMS；simulation analysis

book=6,ebook=54

TG409

A

1001－2303(2012)06－0113－05

2011－11－28

上海市科委資助項目(10DE2250300)

張松(1985—)，男，河南信陽人，工程師，碩士，主要從事機械結構設計與仿真分析等方面的工作。