工業機器人虛擬仿真中的電纜物理特性應用

葉 暉

0 前言

隨著中國智能制造與自動化應用的日益廣泛，自動化生產線中應用工業機器人越來越多。在項目實施之前，對工業機器人進行應用的虛擬仿真是一個必不可少的環節。這樣做的目的是，在計算機中虛擬仿真一個與真實一模一樣的場景，對工業機器人的選型、布局和周邊設備的設置進行驗證。在工業機器人虛擬仿真軟件中引入物理特性功能，就是為了能夠獲得更好地虛擬仿真效果。在本文中就以實際應用物理特性中電纜的虛擬仿真進行描述的。

1 工業機器人虛擬仿真軟件的使用準備

工業機器人虛擬仿真軟件在開始進行項目之前，先對工業機器人虛擬仿真軟件進行一個說明。

在本項目中，選用ABB公司的工業機器人虛擬仿真軟件ROBOTSTUDIO，版本是6.05.02。更低版本的軟件不支持物理特性這個功能。

在ROBOTSTUDIO中，構建起工業機器人的工作站需要機器人及周邊配置設備的三維模型。其中軟件本身自帶工業機器人的三維模型，而周邊設備的三維模型，需要從其他三維軟件建模后，導入到ROBOTSTUIO進行使用[1]。而ROBOTSTUDIO所支持的三維模型格式如表1所示。

表1 ROBOTSTUDIO支持的三維模型格式

2 點焊機器人線纜包的電纜物理特性虛擬仿真應用

點焊機器人是工業機器人最廣泛最成熟的應用之一。在點焊機器人的應用中，點焊槍需要連接焊接電源、動力電源、反饋信號線、冷卻水回路和壓縮空氣回路（包含了典型的水、電、氣回路）。從機器人第六軸法蘭點焊槍到機器人底座這一段電纜工作要求是相當嚴苛的，機器人為了到達各種點焊姿態點，電纜都會經常性的發生接近小于90度角的彎曲，這是水、電、氣管路的柔性與長度提出了很高的設計要求。管路過短容易發生扯斷從而造成損壞，過長則容易造成在大范圍運動時發生纏繞。

在虛擬仿真中進行點焊機器人的項目仿真驗證時，電纜的物理特性仿真一直是一個難題，只能依靠工程師的經驗進行設定。當變更點焊槍相關的設計后，電纜的長度確定只能憑感覺，這樣的話，可能在實際使用后，發生電纜損壞后才能確認此次的電纜長度設計有不合理的地方存在了。

ROBOTSTUDIO的新功能——物理特性電纜仿真，就能很好地解決這個難題。

下面通過對ABB型號為IRB6700的點焊機器人進行電纜的設計仿真。

在ROBOTSTUDIO中打開一個IRB6700機器人三維模型，如圖1所示。

圖1 IRB6700點焊機器人

在圖1中，圖示的ABC三個方框的位置是電纜設計時需要考慮的部分。

首先對A部分的電纜進行設定。使用ROBOTSTUDIO中的尺寸測量功能，先確認電纜兩個端口的直徑，按照操作步驟得知直徑是69.99 mm，如圖2中所示。

在確認電纜的直徑以后，就開始使用ROBOTSTU?DIO中的“電纜”功能進行電纜的自動生成。操作流程如下。

可以根據將采用的線纜抵抗形變能力，進行楊氏模量的設定。

圖2 軸2軸3連接電纜直徑的獲取

圖3 選擇“電纜”功能與選擇“捕捉圓心”

圖4 連接電纜端口

楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。當一條長度為L、截面積為S的金屬絲在力F作用下伸長ΔL時，F/S叫應力，其物理意義是金屬絲單位截面積所受到的力；ΔL/L叫應變，其物理意義是金屬絲單位長度所對應的伸長量。應力與應變的比叫彈性模量。ΔL是微小變化量。楊氏模量（Young′smodulus），又稱拉伸模量（tensile modulus）是彈性模量（elastic modulusor modulusof elastic?ity）中最常見的一種。楊氏模量衡量的是一個各向同性彈性體的剛度（stiffness），定義為在胡克定律適用的范圍內，單軸應力和單軸形變之間的比。與彈性模量是包含關系，除了楊氏模量以外，彈性模量還包括體積模量（bulk modulus） 和剪切模量 （shear modulus） 等。Young′s modu?lus E，shear modulus G，bulk modulus K，和 Poisson′s ratio ν之間可以進行換算，公式為：E=2G(1+v)=3K(1-2v)。

需要調整一下這段電纜的顏色為黑色，使之與固定端一致。在線纜上點擊鼠標右鍵，在菜單中選擇“設定顏色..”，如圖5所示。

圖5 電纜設定顏色

在完成了A部分的電纜設定以后，以此類推，對B、C部分的電纜進行設定，如圖1所示。

全部電纜設定好的效果如圖6所示。

圖6 全部電纜設定好

接著下來，要在ROBOTSTUDIO中編寫一段用于測試電纜在機器人運動時的動態效果的RAPID程序。用于測試的程序主要是機器人的軸運動指令，重點以軸2、軸3和軸5的動作為主，并且要考慮到機器人在應用的過程需要達到的所有接近權限的位置，從而獲取電纜的關于最大張力、最大彎曲/扭曲張力和長度范圍數據。所以使用的RAPID的代碼節選如下：

MODULEModule1

CONSTjointtargetj10:=[[0,0,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj20:=[[0,45,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj30:=[[0,45,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

CONSTjointtargetj40:=[[0,0,45,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]];

PROCmain()

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!AXIS2

MoveAbsJj10NoEOffs，v2000，fine，tool0;

MoveAbsJj20NoEOffs，v2000，z20，tool0;

MoveAbsJj10NoEOffs，v2000，z20，tool0;

MoveAbsJj30NoEOffs，v2000，z20，tool0;

ENDPROC

ENDMODULE

使用ROBOTSTUDIO中的信號分析器功能，根據以往的經驗，C部分的電纜長度的設定是最難的。所以在這里，使用ROBOTSTUDIO中的信號分析器功能，對C部分電纜的最大張力、最大彎曲/扭曲張力和長度范圍數據進行分析。

圖7 信號設置

圖8 生成信號分析數據

在圖9中，發現長度最大值超過了對C部分電纜的長度設定，致使最大張力的最大值偏大，如果不對電纜的長度進行調整的話，在實際過程中，很快就會出現電纜折斷的情況。

根據分析數據，將電纜的長度調整為長度最大值1 352 mm。然后再進行一次虛擬運行來獲取電纜的信號分析。

圖9 C部分電纜數據分析

圖10 修改電纜的長度數值

在表2的信號分析中，能看到關于電纜的三個主要參數都得到了改善，特別是最大張力方面，最小值與最大值之間的差距在一個合理的范圍之內。至此，就完成了對C部分電纜的動態分析，獲取了一個合理的電纜長度數據。這個在點焊機器人的設計中是至關重要的。

根據與C部分電纜同樣的方法，就可以對A/B部分的電纜也進行虛擬仿真驗證，來完成電纜的設計了。最后得出的電纜長度數據如圖10。

表2 電纜長度數據

3 結論

使 用 了 ROBOTSTU?DIO軟件的物理特性的電纜虛擬仿真功能對點焊機器人的線纜進行動態的仿真與設計數據確定，大大節省了設計時間，并提高了電纜長度設計的準確性。很好地滿足了點焊機器人在高強度、高速度下對機器人電纜可靠性的要求。對今后類似的機器人項目中機器人與電纜的設計選型具有一定的借鑒意義。