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焊接机器人各部件危险姿态与受力分析

时间：2017-11-13 来源：机器人在线阅读：10634

焊接机器人各部件危险姿态与受力分析

本文中采用ADAMS软件进行动力学分析的主要目的是获取机器人各部件不同姿态下的受力，为后续的有限元分析提供边界条件。分析PR1400型焊接机器人的结构特点可知，各部件的最大受力部位为各关节处。其中，腕部的受力与JS轴的转动相关，小臂的的受力受J4轴的转动影响，肘部关节的受力与J3轴的转动相关。气而大臂、肩部的受力与肘部J3轴的转动以及大臂J2轴俯仰均相关，因此需要进行J2轴与J3轴的联合仿真。J1轴是在水平面内的旋转，仅对机器人姿态产生影响。各关节设计转动角度如表2.2所示，需要注意的是ADAMS中规定逆时针方向为负，顺时针方向为正，与机器人设计角度方向相反。

腕部危险姿态分析

(1)腕部危险姿态确定

腕部(JS轴)的设计运动范围为-60度到210度，而且其不同时刻其受到的力与力矩均不同，因此需要遍历其整个设计运动范围。仿真开始位置设置为腕部的上限位点即210度的位置，驱动速度为1°/s，则仿真时间设为270s。腕部(JS轴)仿真驱动设置如图所示，由于ADAMS中规定逆时针方向为负，顺时针方向为正，与机器人设计角度方向相反，图2.12中设置的-210度的位置即为腕部上限位。仿真结束后得到如图2.13所示腕部不同姿态下所受力与力矩曲线。

由图中数据可知，腕部所受力与力矩均成类正弦曲线变化，力的幅值变化较小仅为0.0007，力矩幅值变化很大，而且两者极值出现在不同时刻。综合考虑力矩与力大小，当腕部转动过120s，此时腕部所受力矩最大，为腕部危险姿态，此时腕部处于水平位置。

(2)腕部危险姿态下受力分析

腕部位于水平位置时主要承受末端负载对其的作用力、力矩以及自身的重力。自身重力己知，只需测出此姿态下负载对腕部的作用力即可。将其调水平位置，仿真得到负载(包括法兰)对腕部的作用力如图2.14所示，力矩曲线如图2.15所示。

由图2. 14可知当腕部处于危险姿态时，负载对腕部X轴方向作用力为ON, Y轴方向作用力为-86.98N, Z轴方向作用力为0N。

由图2. 15可知负载对腕部X轴方向作用力矩为-36.88N.mm, Y轴方向作用力矩为ON.mm, Z轴方向作用力矩为2618.9165N.mm。其中负号表示力矩方向为逆时针，反之为顺时针。

小臂危险姿态分析

(1)小臂危险姿态确定

在确定小臂的危险姿态时，首先要先将腕部固定在其危险姿态即水平位置。其过程与腕部危险姿态确定过程相似，J4轴的运动范围为-180度到180度，即可以360度旋转。设置仿真位置为-180度，驱动速度为1°/s，仿真时间为360s。小臂在J4轴转动各角度所受力与力矩曲线如图2. 16所示。

由图可看出，小臂受力在整个运动过程中几乎保持不变，而力矩成类正弦曲线。当其位于初始位置或转过180度时为受力及力矩最大的位置，此时小臂处于竖直或水平状态。

(2)小臂危险姿态下受力分析

小臂承受其腕部对其的作用力、力矩及自身的重力。自身的重力保持不变，因此只要测出此姿态下腕部对小臂的作用力及力矩即可。将肘部调到最危险姿态，得出手腕体对小臂作用力如图2. 17所示，作用力矩曲线如图2. 18所示。

由图2.17可知小臂在最危险姿态下，腕体对小臂X方向作用力力为ON, Y方向作用力为-94. 08N, Z轴方向作用力为0N。其中负号表示为压应力。

由图2. 18可知小臂在最危险姿态下，腕部对小臂X方向作用力矩为4648N. mm,Y轴方向作用力矩为ON. mm, Z轴方向作用力矩为10568N. mm，其中力矩方向均为顺时针。

肘部危险姿态分析

(1)肘部危险姿态确定

先将肘部之前的装配体调整至危险姿态，J3轴的运动范围为-87. 5度到77. 8度，而设置的仿真开始位置为上极限位置即在ADAMS中设置为-77.8度，仿真速度0.1°/s。为由下图可看出当，J3轴运动778s后，即J3轴转过77. 8度时，是肘部受力最危险的姿态，此时肘部处于水平位置。肘部在J3轴转动各角度受力与力矩曲线如图2. 19所示: