基于Matlab的鋁錠鑄造打渣機器人仿真研究

李佳慧，辛舟，唐國鑫，李建華

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

打渣是有色金屬鑄造過程中常見的工藝過程，通常為人工作業，其主要問題是高溫、粉塵、噪聲和工作強度大[1]。采用機器人作業可以有效地解決人工作業存在的各種問題，大幅降低人工的勞動強度，提高打渣作業的安全性。因此研究代替人力進行打渣作業的機器人系統具有重要意義[2]。

國內外對清渣、撈渣機器人的研究已有較大進展，主要應用在鋅、鐵、鉛等領域，但效率較為低下，仍有許多關鍵性技術問題未能解決。目前對于鋁錠澆筑過程中的打渣機器人研究依舊較少，針對這方面的研究還有很大的提升空間[3]。

1 機器人結構及坐標系建立

本文以工業機器人為本體，研究其進行打渣作業運動力學特性。首先建立打渣機器人三維模型[4]。

1.1 機器人三維結構建模

運用Solidworks軟件建立機器人三維裝配模型，設置好機器人材料屬性及各關節角度參數。機器人簡化模型由底座、腰部、大臂、肘部、小臂、腕部、手部等7個主要部分組成，手部末端連接渣鏟。

1.2 D-H參數法坐標系建立

在機器人各關節上建立各自的坐標系，各關節轉動軸方向如圖1所示。以轉動軸為z軸建立各關節上的坐標系，測量并計算D-H坐標系的各個參數[5]。ai-1為連桿i-1的長度，αi-1為連桿扭角，di為連桿之間的偏置，θi為連桿間的轉角，其中θi為變化量，ai-1、αi-1、di都為不變常量。機器人D-H參數如表1所示。

表1 打渣機器人D-H參數表

2 機器人逆運動學求解

機器人運動學分為已知各關節角度求解末端位姿的正運動學及已知末端位姿求解各關節角的逆運動學。

根據建立的連桿坐標系和相關參數即可算出各個連桿變換矩陣Ti(i=1,2,…,6)。工業6自由度打渣機器人各關節從基座坐標到末端坐標的齊次變換矩陣如下:

(1)

現已知打渣機器人工作時的運動坐標，可由逆運動學方程求解出機器人各關節運動時的關節角度。針對復雜的逆運動學求解，應用Matlab可求得最優解[5-6]。

3 機器人仿真模型建立

將Solidworks建立的機器人三維模型導入Matlab中，建立機器人仿真結構模型如圖1、圖2所示[7]。

圖1 機器人仿真模型

圖2 機器人動態仿真結果

在導入的機器人模型中對關節部分施加驅動信號，設定各關節的初始角度值，創建驅動子模型系統[8-9]。機器人撈渣過程主要分為以下幾個過程：

1)撈渣準備過程

機器人由原始工作位通過底座、腰部、大臂、小臂等關節的旋轉運動變換到鋁液槽上方工作位。

2)渣鏟浸入鋁液的撈渣過程

機器人由準備動作開始渣鏟下潛至鋁液表面高度，之后渣鏟在鋁液表面進行平撈推清除鋁液表面氧化渣，完成撈渣后渣鏟提起。撈渣過程中，鑄模橫向運行，渣鏟同步跟隨。

3)復位準備

機器人清卸完畢后重新回到起始位置，繼續進行下一時段的工作。

由仿真動態結果(圖2)觀察到機器人可按規劃好的路徑完成打渣作業過程。

根據打渣機器人的工作過程關鍵點位姿可設定各關節角度隨時間變化的運動輸入曲線(圖3)。根據生產需要，打渣機器人的工作過程總時長為10s。設定各關節處輸出量分別為速度、加速度，可得到機器人各關節的運動特性曲線。

圖3 機器人各關節運動輸入曲線

4 機器人運動學仿真分析

機器人各關節運動角速度、角加速度曲線如圖4、圖5所示。各關節運動轉矩變化曲線如圖6所示。其運動變化規律與運動學計算結果基本一致，驗證了理論計算與Matlab仿真的準確性和合理性。

圖4 機器人各關節運動角速度曲線

圖5 機器人各關節運動角加速度曲線

圖6 機器人各關節運動轉矩變化圖

觀察機器人各關節速度、加速度曲線可知機器人的運動過程，其運動過程連續，各關節角度變化平滑。分析其運動過程，工作過程開始及結束時的運動速度和加速度都為0，關鍵點(各工作過程開始及結束時的停頓點)處速度為0。加速度突變和轉矩突變最大都出現在3 s處，即渣鏟下潛至鋁液表面后開始撈渣時。此時，機器人末端運動方向由豎直向下轉變為水平向后(機器人底座方向)，速度方向發生改變，渣鏟減速到達液面后速度為0，而后加速進行下一步撈渣動作。3 s～6 s為渣鏟浸入鋁液的水平撈渣運動過程。此過程結束時各關節運動減速為0，然后繼續加速末端渣鏟向上運動。

觀察機器人各關節轉矩圖可得，機器人各關節運動加速度與轉矩變化趨勢基本一致，靠近基座部分的關節運動時轉矩較大，靠近末端的關節轉矩較小，加速度較大及機器人末端遠離基座、質心偏離較遠時，轉矩增大。

5 結語

本文運用D-H法及simulink仿真工具對6自由度打渣機器人進行了運動學分析及Matlab仿真建模。對打渣機器人的工作過程進行了動態可視化仿真分析，其結果為打渣機器人的動力學分析及運動軌跡優化提供了的理論參考。

為避免機器人工作時關節處出現較大沖擊，可在規劃其工作路徑時調整關鍵點周圍處的軌跡，使關節運動曲線更加平滑，減少沖擊，或適當加快平滑運動過程的速度，縮減工作時間，以提高打渣效率。