1.背景介绍

　　桁架机器人是一种建立在直角X，Y，Z三坐标系统基础上，对工件进行工位调整，或实现工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备。其控制核心通过工业控制器（如：PLC，运动控制，单片机等）实现。通过控制器对各种输入（各种传感器，按钮等）信号的分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件（继电器，电机驱动器，指示灯等）下达执行命令，完成X，Y，Z三轴之间的联合运动，以此实现一整套的全自动作业流程。

　　在机械、电气、计算机等多学科技术的不断发展下，桁架机器人得以迅猛崛起，并广泛应用于柔性化智能制造生产线，如：搬运、喷镀、焊接甚至极端制造的场合。

　　此外在工件搬运、焊接过程中，由于负载质量大、工作强度高、安全系数较低等特点，使得桁架机器人的优势更加明显。另外，重载桁架机器人还有可视化操作、批量化生产、重复编程使用等优点。目前，桁架机器人已成为柔性化智能制造生产线中不可或缺的组成部分，不仅使得各条生产线之间能够做到无线对接，同时大大降低了企业的劳动力成本，另外生产效率也得到了明显提高。

　　2.桁架机器人工作原理

　　桁架机器人的三维模型如下图所示，拥有四个自由度，可沿XYZ轴移动，同时末端装配搬运机械抓手，可沿着Z轴旋转，另外抓手可通过调节两卡爪之间的距离来搬运不同尺寸的物体。据生产线要求，该系统在快速搬运物体的同时，要尽可能避免因加速度突变导致的动态冲击。

　　3.桁架机器人刚柔耦合模型仿真分析

　　桁架机器人在高速工况下运行时，由于主体框架的工字钢以及横梁结构的刚度较小，易发生弹性变形，构件的变形会影响重架机器人的运动精度。另外，单个工字钢的受力和运动状态也会受整个机构运动状态的影响，从而使工字钢内部应力应变的分布发生变化。纯刚体模型无法考虑构件的变形，也无法记录构件的受力状态。由于柔性体动力学方程为偏微分方程，求解比较困难，若是将所有构件作柔性化处理，将导致计算机无法正常计算从而仿真失败。基于此，案例将主体框架的工字钢与横梁结构单独柔性化，然后组合成两个刚柔耦合模型，分别比较高速情况下，柔性体的变形量对运动精度的影响。

　　ADAMS软件平台提供了三种建立柔性体的方式：

　　（1）利用ADAMS软件平台自带的柔性梁连接。此方法先通过对刚性构件作离散化处理，将其分成多个小段，接着再通过柔性梁进行连接，不过其本质还是刚性体。因此，这种方法不建议使用。

　　（2）利用ANSYS等其它的有限元分析软件平台，并在软件中设置好相应的参数，然后导出模态中性文件（MNF文件）。由于ADAMS软件的前处理模块可与其它软件对接，因此只需将生成的MNF文件导入，即可建立相关杆件的柔性体。对于复杂的构件，这种方法是很有效的。

　　（3）利用ADAMS中的Make flexible功能。在刚性杆件的基础上，通过ADAMS/Auto Flex模块，可以直接生成MNF文件，接着替换之前的刚性体即可，不过利用该种方式创建的柔性体的几何外形需要相对比较简单。

　　在ADAMS仿真中，为了仿真计算的有效性，需简化模型和减少约束。另外为便于测量数据，特将机器人的纵轴最下端平面的中心位置作为桁架机器人的末端。设定桁架机器人搬运工件时的质量恒定，同时依据重载桁架机器人常用工作速度，设置了五种不同的速度，分别为200mm/s，400mm/s，600mm/s，800mm/s，1000mm/s。由于重载桁架机器人在实际工作时，启动加减速时间极短，可忽略不计，仿真总时间即行程除以工作速度，仿真步数设置为2000，仿真行程设置为8000mm，得到不同工作速度下桁架机器人末端振幅的变化。

　　仿真结果表明桁架机器人的横梁系统受工作速度的影响较大，建议控制桁架机器人的运行速度，以保证生产精度要求。