1.背景介紹

　　桁架機(jī)器人是一種建立在直角X，Y，Z三坐標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)工件進(jìn)行工位調(diào)整，或?qū)崿F(xiàn)工件的軌跡運(yùn)動(dòng)等功能的全自動(dòng)工業(yè)設(shè)備。其控制核心通過(guò)工業(yè)控制器（如：PLC，運(yùn)動(dòng)控制，單片機(jī)等）實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制器對(duì)各種輸入（各種傳感器，按鈕等）信號(hào)的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對(duì)各個(gè)輸出元件（繼電器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，指示燈等）下達(dá)執(zhí)行命令，完成X，Y，Z三軸之間的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)一整套的全自動(dòng)作業(yè)流程。

　　在機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)的不斷發(fā)展下，桁架機(jī)器人得以迅猛崛起，并廣泛應(yīng)用于柔性化智能制造生產(chǎn)線，如：搬運(yùn)、噴鍍、焊接甚至極端制造的場(chǎng)合。

　　此外在工件搬運(yùn)、焊接過(guò)程中，由于負(fù)載質(zhì)量大、工作強(qiáng)度高、安全系數(shù)較低等特點(diǎn)，使得桁架機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)更加明顯。另外，重載桁架機(jī)器人還有可視化操作、批量化生產(chǎn)、重復(fù)編程使用等優(yōu)點(diǎn)。目前，桁架機(jī)器人已成為柔性化智能制造生產(chǎn)線中不可或缺的組成部分，不僅使得各條生產(chǎn)線之間能夠做到無(wú)線對(duì)接，同時(shí)大大降低了企業(yè)的勞動(dòng)力成本，另外生產(chǎn)效率也得到了明顯提高。

　　2.桁架機(jī)器人工作原理

　　桁架機(jī)器人的三維模型如下圖所示，擁有四個(gè)自由度，可沿XYZ軸移動(dòng)，同時(shí)末端裝配搬運(yùn)機(jī)械抓手，可沿著Z軸旋轉(zhuǎn)，另外抓手可通過(guò)調(diào)節(jié)兩卡爪之間的距離來(lái)搬運(yùn)不同尺寸的物體。據(jù)生產(chǎn)線要求，該系統(tǒng)在快速搬運(yùn)物體的同時(shí)，要盡可能避免因加速度突變導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)沖擊。

　　3.桁架機(jī)器人剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治?/strong>

　　桁架機(jī)器人在高速工況下運(yùn)行時(shí)，由于主體框架的工字鋼以及橫梁結(jié)構(gòu)的剛度較小，易發(fā)生彈性變形，構(gòu)件的變形會(huì)影響重架機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。另外，單個(gè)工字鋼的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)受整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，從而使工字鋼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布發(fā)生變化。純剛體模型無(wú)法考慮構(gòu)件的變形，也無(wú)法記錄構(gòu)件的受力狀態(tài)。由于柔性體動(dòng)力學(xué)方程為偏微分方程，求解比較困難，若是將所有構(gòu)件作柔性化處理，將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無(wú)法正常計(jì)算從而仿真失敗。基于此，案例將主體框架的工字鋼與橫梁結(jié)構(gòu)單獨(dú)柔性化，然后組合成兩個(gè)剛?cè)狁詈夏Ｐ停謩e比較高速情況下，柔性體的變形量對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。

　　ADAMS軟件平臺(tái)提供了三種建立柔性體的方式：

　　（1）利用ADAMS軟件平臺(tái)自帶的柔性梁連接。此方法先通過(guò)對(duì)剛性構(gòu)件作離散化處理，將其分成多個(gè)小段，接著再通過(guò)柔性梁進(jìn)行連接，不過(guò)其本質(zhì)還是剛性體。因此，這種方法不建議使用。

　　（2）利用ANSYS等其它的有限元分析軟件平臺(tái)，并在軟件中設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，然后導(dǎo)出模態(tài)中性文件（MNF文件）。由于ADAMS軟件的前處理模塊可與其它軟件對(duì)接，因此只需將生成的MNF文件導(dǎo)入，即可建立相關(guān)桿件的柔性體。對(duì)于復(fù)雜的構(gòu)件，這種方法是很有效的。

　　（3）利用ADAMS中的Make flexible功能。在剛性桿件的基礎(chǔ)上，通過(guò)ADAMS/Auto Flex模塊，可以直接生成MNF文件，接著替換之前的剛性體即可，不過(guò)利用該種方式創(chuàng)建的柔性體的幾何外形需要相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

　　在ADAMS仿真中，為了仿真計(jì)算的有效性，需簡(jiǎn)化模型和減少約束。另外為便于測(cè)量數(shù)據(jù)，特將機(jī)器人的縱軸最下端平面的中心位置作為桁架機(jī)器人的末端。設(shè)定桁架機(jī)器人搬運(yùn)工件時(shí)的質(zhì)量恒定，同時(shí)依據(jù)重載桁架機(jī)器人常用工作速度，設(shè)置了五種不同的速度，分別為200mm/s，400mm/s，600mm/s，800mm/s，1000mm/s。由于重載桁架機(jī)器人在實(shí)際工作時(shí)，啟動(dòng)加減速時(shí)間極短，可忽略不計(jì)，仿真總時(shí)間即行程除以工作速度，仿真步數(shù)設(shè)置為2000，仿真行程設(shè)置為8000mm，得到不同工作速度下桁架機(jī)器人末端振幅的變化。

　　仿真結(jié)果表明桁架機(jī)器人的橫梁系統(tǒng)受工作速度的影響較大，建議控制桁架機(jī)器人的運(yùn)行速度，以保證生產(chǎn)精度要求。