工業機器人的系統分析與仿真探究

聶波

摘要：隨著改革開放政策不斷實施，工業技術已經取得了很大的發展，并且工業技術已經被廣泛應用于各個領域之中。機器人作為智能技術發展的重要內容，機器人技術在國內很多的行業均有所應用，隨著機器人技術逐漸成熟，其在工業生產中逐漸占據著非常重要的地位。我國的機器人技術起步較晚，目前和國外的機器人技術還有一定的差距，但相信經過我們長時間的發展和努力我國的機器人技術必然會出現技術突破，在世界機器人行業贏得一席之地。計算機技術已經成為了當代技術的發展主流，我們必須加快計算機相關產業和技術的發展研究，努力實現工業機器人技術的創新發展。該文針對工業機器人進行系統分析和仿真研究，為實現工業機器人的技術創新突破提供重要支持。

關鍵詞：工業機器人；系統分析；仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0260-02

工業機器人技術主要包含了：工程控制、機械控制、電子技術、傳感技術、計算機人工智能、計算機技術等多維一體融合技術。工業機器人技術具備較大的發展潛力，因為工業機器人可以替代人類做一些人類無法實現或者不方便做的事情。工業機器人技術已經變得日漸成熟，為工業實現自動化生產提供了重要支持，工業機器人技術相關產業也在不斷發展，且規模變得越來越大[1]。工業機器人技術為工業生產提供了重要的產品質量控制保障，為企業增產提供重要支持，對于有效提高工人的工作效率和生產量具有十分重要的意義。工業機器人的好處很多，就目前而言工業機器人為解放勞動力、提高生產效益和減少出錯率作用重大。

1 工業機器人研究現狀

1.1 國內工業機器人的研究現狀

目前，工業機器人的發展相當迅速，且每年呈現出兩位數大幅度增長量，我國的工業機器人的銷量已經達到了28萬臺。據世界工業機器人使用統計顯示，2015年全球的工業機器人的使用量已經達到了150萬臺，預計在2018年全球的工業機器人的使用量將會突破230萬臺[2]。自從2014年以來，我國已經成為了機器人消費和生產大國，在2014年的統計數據中，我國的工業機器人的生產量為5.4萬臺，同比2014年增長了55%，占全球的總量的1/4；同時比2004年增長了10余倍。2015年的工業機器人的生產量統計中顯示，我國在2015年機器人生產約為7.2萬臺，比2014年增長了25%，占全球總量的1/5；我國2016年工業機器人產量達到了28萬臺，比2015年增長了74.3%，占全球總量的3/10，；2017年的工業機器人的生產量達到了40萬臺，比2016年增長了30%，占全球總量的2/5，如表1所示。

由此可見，中國的工業機器人的生產量出現逐年增長的局面，但是面臨著工業對機器人的功能需求不斷提高，相關的機器人技術也正在發生著革命性變化。未來的中國工業機器人市場存在著巨大的發展潛力，伴隨著我國的工業企業不斷轉型，勞動力成本也正在不斷增長，發展工業機器人技術將變得可分可行，對于降低生產成本，提高生產效益顯得十分重要。

1.2 國外工業機器人的研究現狀

自從工業機器人的誕生以來，國外工業機器人的發展均已經具有了一定的規模。世界工業機器人的生產規模一直保持著十分良好的生長趨勢，年均工業機器人的生產率保持著10%的比例增長。主要的國際機器人公司有歐系、日系、美系以及中國制造的工業機器人。目前，世界的工業機器人主要被應用于工業生產、物流運輸、商業服務以及資源探測等重要領域。各國的工業機器人的生產工人數量也有很大的差異，工業機器人的分布國家和每個地區的工業發展水平差異，直接影響了工業機器人的生產銷售。工業機器人在主要工作包含點焊、弧焊、裝配、涂料、沖壓、物料搬運、噴涂以及材料上下等。

2 工業機器人多體系統動力學分析

工業機器人作為多體系統，其主要由多個系統組成，物體通運動連接著非常復雜的機械系統。工業機器人動力學根據多體系統的力學特性和剛體耦合多體系統動力學。多剛體系統主要指忽略系統中的物體彈性變形，將剛體作為處理系統，類似的系統則處于低速狀態。多柔性系統則主要指工業機器人系統中物體出現變形，必將通過柔性體進行處理；剛柔耦合多體系統則可以看做是柔性體系統中采用剛體來處理系統的一種模式[3]。

2.1 笛卡爾方法演變及應用

工業機器人系統在解決動力學建模和自動化問題的時候，提出了多剛體建模方法，這種建模方法以系統中的每個單元作為建模的坐標體系，剛體的相對位置作為一個公共參考。工業機器人系統建模過程中剛體坐標的基點的笛卡爾坐標為坐標系的方位坐標，然后根據動力學原理系統數學模型進行求解。笛卡爾方法中單個物體位置的坐標系中，二維有三個；三維有六個。由N個剛體組成的系統中，位置坐標陣個數為3N或者6N，因此其系統的動力學模型表達形式為：

，且?（q，t）=0。?表示位置的坐標，q表示約束方程，B則表示約束方程的雅克比矩陣。

2.2 工業機器人多剛體系統動力學分析

工業機器人的多剛體系統動力學分析和仿真，是在不考慮到各種傳動部件的情況下實施的對數字化仿真分析，其基本的流程為如圖1所示。

其中建設虛擬樣模型的方式很多，可以直接在Adams中建立，也可以通過其他的軟件建模之后導入到adams環境之中。工業機器人的模型建立會多次采用模型分析方式，在具體的仿真過程中必須對cosmoswork進行環境網格劃分和導入。注意在模型建立的時候應做好相應的改進工作，如前臂后臂焊接，可以有效減少adams中固定的約束，將電機安裝、電機、支架以及導軌建模時，模型采用碳鋼材質，其質量和電機的實際質量相符，以此確保仿真結果的正確性。將導軌、電機安裝、電機和回轉支架模型建立的時候，需去掉零件中不必要的圓角和倒角，以此來簡化模型，方便在ansys中劃分網格。

3 工業機器人的多剛體動力學仿真

3.1 設置重力加速度

工業機器人在仿真的時候，需考慮到其主要的載荷為貨物重量，而機器人的自身重量可以忽略，必須通過添加相應的重力加速度，才能夠實現動力系統運作。若將重力的加速度設為9.8m/s2，設置好重力加速度之后，將質量mass和質量慣性的力矩加入到部件之中[4]。

3.2 添加約束

當工業機器人的多個剛體動力學系統設置時，導入adams之后模型應添加相應的約束條件，重新添加約束條件之后，工業機器人的部件之間的約束主要由旋轉副、移動副。工業機器人的底座和銷軸也應添加固定副，以便于維持工業機器人的長期穩定運行。工業機器人的多剛體動力學仿真模型構建的時候，添加約束條件，主要有固定鉸、旋轉副以及平移副等約束。

3.3 材料的屬性設置

導入模塊之后對于各個部件的材料屬性必須設置，同時也應加入到模型之中。一般的工業機器人的材料屬性為鋁合金，工業機器人的搖桿、前臂、后臂以及下臂的材料一致。工業機器人操作的貨物材料也基本上為鋁合金，因此貨物的質量的控制恰好在50kg，其他的部件材料為Q235A。

3.4 摩擦力添加

工業機器人的各個部件之間存在著摩擦力，為了有效確保仿真，必須添加一定的摩擦力。通過摩擦力添加平衡系統的穩定，運動副添加摩擦力為工業機器人的運轉提供支持。一般，工業機器人的旋轉副添加摩擦力的系數為0.01。工業機器人添加摩擦力為了保證工業機器人在實際運行的過程中仿真更加真實，營造出機器人的實際運行環境。

3.5 添加驅動運動曲線

工業機器人具有四個自由度，需要向模型添加四個驅動，添加驅動分別選擇回轉支架和底座之間的旋轉副、豎向驅動滑塊和回轉支架之間的移動副、水平豎向驅動滑塊和回轉支架之間的移動副、抓手和端節之間的旋轉副。豎向驅動滑塊、回轉支架、水平驅動滑塊和抓手的運動曲線，需要將運動曲線添加到驅動中，運動曲線包括位移曲線、速度曲線和加速度曲線，這里選擇位移曲線。將四個位移曲線保存為txt格式，通過CUBSPL函數將位移曲線添加中驅動中。通過仿真得到的位移曲線的仿真時間為1.4s，采樣時間為0.01s在中的仿真時間也應設為1.4s，采樣時間設為0.01s。對于豎向驅動力矩，在t=0時刻，由于機械臂、貨物、連桿等部件的重量的存在，要保證重量平衡，所以有一個不小的力作用在豎向驅動滑塊上，豎向滑塊驅動來曲線與其加速度曲線相似[5]。考慮到系統的重量，上述兩者的變化規律略有不同；系統的運動曲線與豎向驅動力曲線相似，在初始階段，在工業機器人的水平運行方向上也有一個水平驅動力，當作用到驅動滑塊上時，水平滑塊驅動力變化規律與其加速度變化規律也相似。

4 結束語

目前和國外的機器人技術還有一定的差距，但相信經過我們長時間的發展和努力我國的機器人技術必然會出現技術突破，在世界機器人行業贏得一席之地。工業機器人技術為工業生產提供了重要的產品質量控制保障，為企業增產提供重要支持，對于有效提高工人的工作效率和生產量具有十分重要的意義。綜上所述，我們必須大力發展工業機器人技術，為我國的工業生產和國力提升有著十分重要的作用。未來的工業機器人的前景大好，隨著計算技術的日益成熟，實現工業機器人技術水平飛躍將不再是夢。

參考文獻：

[1] 楊亞.基于MFC控制程序的開放式工業機器人控制系統設計探究[J].內燃機與配件，2017（24）：18-19.

[2] 吳炳龍，曲道奎，徐方.基于力/位混合控制的工業機器人精密軸孔裝配[J].浙江大學學報：工學版，2018（01）：165.

[3] 朱紅娟.智能制造背景下高職工業機器人專業人才培養模式研究[J].機械制造與自動化，2017（06）：158-159+192.

[4] 葛鵬，胡小春.基于RecurDyn的串聯機器人剛柔耦合分析[J].機械工程師，2017（12）：40-42.

[5] 郭付龍.SolidWorks在工業機器人基礎教學中的應用[J].科技與創新，2017（22）：154-155.