1.背景介紹

　　桁架機器人是一種建立在直角X，Y，Z三坐標系統基礎上，對工件進行工位調整，或實現工件的軌跡運動等功能的全自動工業設備。其控制核心通過工業控制器（如：PLC，運動控制，單片機等）實現。通過控制器對各種輸入（各種傳感器，按鈕等）信號的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對各個輸出元件（繼電器，電機驅動器，指示燈等）下達執行命令，完成X，Y，Z三軸之間的聯合運動，以此實現一整套的全自動作業流程。

　　在機械、電氣、計算機等多學科技術的不斷發展下，桁架機器人得以迅猛崛起，并廣泛應用于柔性化智能制造生產線，如：搬運、噴鍍、焊接甚至極端制造的場合。

　　此外在工件搬運、焊接過程中，由于負載質量大、工作強度高、安全系數較低等特點，使得桁架機器人的優勢更加明顯。另外，重載桁架機器人還有可視化操作、批量化生產、重復編程使用等優點。目前，桁架機器人已成為柔性化智能制造生產線中不可或缺的組成部分，不僅使得各條生產線之間能夠做到無線對接，同時大大降低了企業的勞動力成本，另外生產效率也得到了明顯提高。

　　2.桁架機器人工作原理

　　桁架機器人的三維模型如下圖所示，擁有四個自由度，可沿XYZ軸移動，同時末端裝配搬運機械抓手，可沿著Z軸旋轉，另外抓手可通過調節兩卡爪之間的距離來搬運不同尺寸的物體。據生產線要求，該系統在快速搬運物體的同時，要盡可能避免因加速度突變導致的動態沖擊。

　　3.桁架機器人剛柔耦合模型仿真分析

　　桁架機器人在高速工況下運行時，由于主體框架的工字鋼以及橫梁結構的剛度較小，易發生彈性變形，構件的變形會影響重架機器人的運動精度。另外，單個工字鋼的受力和運動狀態也會受整個機構運動狀態的影響，從而使工字鋼內部應力應變的分布發生變化。純剛體模型無法考慮構件的變形，也無法記錄構件的受力狀態。由于柔性體動力學方程為偏微分方程，求解比較困難，若是將所有構件作柔性化處理，將導致計算機無法正常計算從而仿真失敗。基于此，案例將主體框架的工字鋼與橫梁結構單獨柔性化，然后組合成兩個剛柔耦合模型，分別比較高速情況下，柔性體的變形量對運動精度的影響。

　　ADAMS軟件平臺提供了三種建立柔性體的方式：

　　（1）利用ADAMS軟件平臺自帶的柔性梁連接。此方法先通過對剛性構件作離散化處理，將其分成多個小段，接著再通過柔性梁進行連接，不過其本質還是剛性體。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，并在軟件中設置好相應的參數，然后導出模態中性文件（MNF文件）。由于ADAMS軟件的前處理模塊可與其它軟件對接，因此只需將生成的MNF文件導入，即可建立相關桿件的柔性體。對于復雜的構件，這種方法是很有效的。

　　（3）利用ADAMS中的Make flexible功能。在剛性桿件的基礎上，通過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，不過利用該種方式創建的柔性體的幾何外形需要相對比較簡單。

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

　　仿真結果表明桁架機器人的橫梁系統受工作速度的影響較大，建議控制桁架機器人的運行速度，以保證生產精度要求。