（机械电子工程专业论文）移动机器人角焊缝轨迹跟踪仿真及智能控制系统.pdf

摘 要 摘要 目前大型结构件的角焊缝跟踪主要是靠接触式传感器来实现的，接触式传感 器存在探头磨损大、易变形等问题。本文以旋转电弧为传感器的平面自主移动机 器人为平台实现平面弯曲角焊缝的跟踪。 首先针对原有基于汽车式原理的移动机器人机构的不足一机构复杂、难于控 制，重新设计了轮式机器人机构，采用了中间两轮差速驱动，前后对称布置一万 向轮的结构，增加了机构的灵活性并降低了控制的难度。 然后引入了虚拟样机技术，使用“p r o ew i i d f i r e + m e c h a n i s m p r o1 2 0 + m s c a d a m s1 2 0 十m a t l a b6 5 ”的软件组合，对新设计的轮式机器人进行仿真。 尝试了一种机械系统和控制系统共用一个模型的新的仿真方法。利用p r o e w i l d f i r e 强大的实体建模功能对新设计的移动机器人建模，然后通过 m e c h a n i s m p r o1 2 0 将模型导入m s c a d a m s1 2 0 环境下，以此作为m a t l a b6 5 s i m u l i n k 的控制系统模型中的对象模型模块进行联合仿真。本文在假定机器人 能准确识别焊缝的前提下分别对直线焊缝、斜线焊缝和曲线焊缝进行了运动控制 仿真。为控制算法的确立奠定了基础。 最后研究了以旋转电弧为传感器的角焊缝识别方法，着重考虑了熔敷铁水对 电弧扫描信号的影响，对理想情况下的仿真分析与检测信号进行比较，形成加权 数组。利用该数组对实际检测信号加权并通过频谱法分析以求得焊缝偏差信号。 利用仿真获得的控制方法对角焊缝进行跟踪控制，取得了良好的效果。 关键词：轮式机器人；角焊缝跟踪；控制仿真；a d i l m s ；虚拟样机 移动机器人角焊缝轨迹跟踪仿真及智能控俐糸轨 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ef i l l e tw e l d i n gs e a m t r a c k i n go f b i gw o r kp i e c em a i n l y d e p e n d so nt o u c h e ds e n s o gt h es h o r t c o m i n go fi t i sw e a r i n ga w a yq u i c k l ya n d d e f o r m a t i o ne a s i l y i nt h i sp a p e r , w ew a n tf i n daw a yt ot r a c kt h ef i l l e tw e l d i n gs e a n l b yu n t o u c h e ds e n s o r - - r o t a t i n ga r cs e n s o r , w h i c hi se q u i p p e do na l la u t o m a t i cm o v i n g w h e e l e dr o b o t t os o l v et h es t r u c t u r ep r o b l e mo fo u rl a b o r a t o r y sw h e e l e dr o b o tw h i c hb a s e d o nc a r st h e o r y , w er e d e s i g nan e ww h e e l e dr o b o t ，t h en e w l y - d e s i g n e dr o b o ti sd r i v e n b yt w om i d d l ew h e e l s ，a n dw ep l a c e dt w ou n i v e r s a lw h e e l si nt h ef r o n ta n dt h er e a ro f i tt ob a l a l i c et h er o b o tb o d y i tn o to n l ye n h a n c et h eq u i c k n e s so ft l l er o b o t b u ta l s o d e c r e a s et h ed i f f i c u l t yo f e o n t r 0 1 t h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r u s i n gt h e f o l l o w i n gs o f t w a r e ：p r o e n g i n e e rw i l d f i r e + m e c h a n i s n - g p r o1 2 0 + m s c a d a m s 1 2 0 + m a t l a b6 5 w es i m u l a t et h em o v e m e n tc o n t r o lo f t h er e d e s i g n e dr o b o t w e a t t e m p tt of i n dan e ww a yo fs i m u l a t i o nb yu s i n gt h es a l t l em o d e lo fm e c h a n i c a l m o d e la n dc o n t r o lm o d e l w eb u i l dt h em o b i l er o b o tm o d e li np o e n g i n e e rf o ri t s p o w e r f u lf u n c t i o no nm o d e lb u i l d i n 口t h e nt r a n s f e ri tt o d a m s1 2 0t h r o u g h m e c h p m1 2 o w er e g a r di ta sam o d e lm o d u l ei nm a t l a b6 5s i m u l a t i o ne o n t r o l s y s t e mw h e ns i m u l a t ew i t ha d a m sa n dm a t l a b s u p p o s i n gt h a tt h er o b o tc a r l i d e n t i f y 也ew e l d i n gs e a ma c c u r a t e l y , w es i m u l a t et h em o t i o nc o n t r o lo fm o b i l e r o b o t ss e a m t r a c k i n gi nd i f f e r e n tc o n d i t i o no fl i n s l a s ha n dc u r v e t h es i m u l a t i o n r e s u l tc a l lb et h ef o u n d a t i o no f c o n t r 0 1 a tl a s tt h i sp a p e ra n a l y z e st h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o df o rt h ef i l l e tw e l d i n g s e a r n t r a c k i n gu s i n gr o t a t i n ga r cs e n s o r i te s p e c i a l l ya n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h e m o l t e nm e t a li nt h em o l t e np 0 0 1 w eo b t a i na l la r r a yb yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo f t h ei d e a ls i g n a la n dm e a s u r e ds i g n a l a f i e rc o m p e n s a t i n gt ot h em e a s u r e ds i g n a lb y t h i sa r r a y , w ec a ng e tt h ew e l de r r o rb yt h ef i r s th a r m o n i ca p p r o a c h a tt h ee n do f t h e p a p e rw ed e s i g nac o n t r o lp r o g r a mt oc o n t r o lt h ef i l l e tw e l d i n gs e a t r a c k i n ga n dg e ta s a r i s f i e dr e s u l t k e y w o r d s ：w h e e l e d - r o b o t ；f i l l e tw e l d i n gs e a m t r a c k i n g ；c o n t r o ls i m u l a t i o n ； a d a m s ；v i r t u a lp r o t o t y p e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致i 身 的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者潞毛( ) 暾汤掰期：w 年6 月孑曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太学，有关保留、使用学位论文的规定， _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ 一 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适日本授权书) 学位论文作者签名：却t i i ；y _ 签字日期：刁年4 ) 月器日签字日期：班年占月凸日 学位论文作者毕业后去向 导师签名 p 胪司 电话：1 、。、7 节1 7 v 邮编：上p 叼 日 回，f 月年 西 朝日字签 辆 叔 嗡刚 鬻牺汛 茁 比 第一章绪论 1 1 本研究课题的学术背景 现代机器人技术综合了机械、电子、计算机、自动控制、信息处理等多领 域的技术，被广泛地应用在汽车、工程机械以及电机、电子等行业中。在我国， 人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工施焊时焊接工人经常会受到心理、 生理的变化及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳，难以 较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性，而焊接机器人则工作状态稳定，不会 疲劳。因此，选择焊接机器人进行焊接可以实现稳定一致的工艺条件1 1 。 弧焊机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大的提高 了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改 善了工人的劳动环境。但是，现在的手臂式机器人存在局限性：工作范围小，大 约两米半径左右。这种局限性使现有的弧焊机器人在大型油罐、船舶、压力管道 的结构件中应用很少。 移动焊接机器人由于其移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大 型焊接结构件自动化焊接的有效方法0 1 。但是自主移动机器人的实用化研究还不 尽人意，我们知道，移动机器人是解决无轨道，无导向，无范围限制的良好解决 方案。移动机器人采用的移动机构类型主要有：轮式、步行式、履带式等。轮式 具有移动平稳、机动性高、便于操纵等优点，但爬坡力差；步行式也能在凹凸不 平的地面上行走，具有较好的机动性，但存在稳定性差等问题。履带式能够在凹 凸不平的地面上行走，稳定性好，能全位置爬行。 随着大型重要构件越来越多，仅仅依靠手工焊焊接是难以满足焊接质量和焊 接效率要求，因此开发具有智能化的焊接机器人以取代人在危险恶劣的环境下难 以完成的工作，是人类梦寐以求的理想。本课题的主要研究的是大型结构件的角 焊缝跟踪技术，拟采用轮式移动机器人作为移动机构。 本课题得到了国家8 6 3 计划基金资助、国家自然科学基金资助、江西省科 技厅工业重点项目资助。 一一蔓塑塑墨叁塑塑竺垫垄! ! 璺堕墨墨塑堂塑型墨笙 1 2 国内外文献综述 1 2 1 角焊缝自动跟踪概况 焊接结构中，角焊缝是最常见的一种焊缝之一，在造船中，有8 0 的焊缝是 角焊缝。由于焊接热变形等因素的影响，在进行自动焊接时，必须进行焊缝跟踪。 焊缝跟踪的形式较多，跟踪方法的分类也有多种，如从跟踪原理上可将跟踪方法 分为机械跟踪、光电跟踪、激光跟踪和电磁跟踪；从跟踪头是否与工件接触可将 跟踪方法分为接触式跟踪和非接触式跟踪等。由于电弧焊焊接时电弧的弧光、热 能及电流的影响，因而给跟踪信号的准确取得带柬困难，这也是某些焊缝跟踪方 法不宜应用的主要原因。焊缝被机械跟 踪时，由于跟踪信号的取得较为直观、抗 干扰力强、容易制造和维修，因而较早被 人们所认识。浮头跟踪采用弹簧装置使 跟踪头和工件保持一定的距离而实现焊 枪高度的跟踪。由于安装复杂，要完成焊 缝的二维跟踪( 焊枪高度和纵向位置) 几乎不可能。中国南车集团武昌车辆厂。3 采用旋转浮头跟踪法改变传统浮头跟踪 的模式，将浮头设置为角向旋转方式( 图 卜1 ) ，在采用类似万向轴节的结构后即可 方便地实现焊缝的二维跟踪。1 9 9 9 年， 哈尔滨焊接研究所”! 根据光电传感原理 设计了一种新型的机械探头接触式焊缝 跟踪系统。该系统由传感器、控制电路、 执行机构等部分组成，具有两维跟踪功 能。试验结果表明：其抗干扰能力强、跟 图l l旋转浮头跟踪结构示意陶 图1 - 2f w t 型自动化焊接系列台车 踪精度高、经济效益显著。已成功地在国内一些厂家获得了广泛的推广应用，效 果良好。2 0 0 0 年，哈尔滨焊接研究所。1 开发了一种低成本、自动化角焊缝跟踪器 f w t 型自动化焊接系列台车( 圈1 2 ) ，可用于重、厚、长大件，也可用于轻、 薄、短小件的焊接，可以平焊、立焊、横焊，焊接速度无级可调，可以和厂家的 焊机和焊枪联用。 以上的跟踪方法主要是接触式的，结构简单，工作可靠，不受电弧干扰，成 本低。但是它的缺点是探头磨损大，易变形，不适于高速焊接。因此，国内外 也在大力发展非接触式传感器。在非接触式传感器中，电弧传感器是利用焊接电 弧现象本身( 电弧电压、电弧电流、弧光辐射等) 提供有关电弧轴线是否偏离焊 缝的信息来实时控制焊缝跟踪。电弧传感器实时| 陛好，不需要在焊枪上附加任何 装置，消除了传感器和焊枪之间的盲区，没有所谓的滞后误差，焊枪运动的可达 性和灵活性最好，成为目前使用最广泛，效果最理想的焊缝跟踪方式之一”。8 1 。 本课题是采用旋转电弧传感器来跟踪角焊缝的。关于电弧传感器的详细原 理可参考文献 6 ，这里就不多介绍。 1 2 2 焊缝跟踪控制 制造业是一个国家工业的基础，而制造技术又是制造业的技术支柱。目前， 以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。在这场新技术革命冲击 下，产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变，微电子技术、微计算机技术使 信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机 电一体化技术革命。目前，机电一体化技术越来越受到各方面的关注，已经应用 于多种行业，如机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、包装机械、印刷机械、 冶金机械、化工机械、以及工业机器人、智能机器人等。它在改善人民生活、提 高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。 机电一体化技术主要有以下五大关键组成部分： 1 ) 精密机械技术 2 ) 运动控制技术 3 ) 传感器检测技术 4 ) 信息处理与自动控制技术 5 ) 系统总体技术( 包括系统的总体设计和接口技术) 由此可见。要提高机电一体化技术水平，必须首先从提高这五大关键技术 入手。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分， 也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。 移动机器人秆j 焊缝轨迹跟踪仿真及智能控制系统 我国在该领域的发展很快，很多厂家都相继开发出了运动控制领域的产品，其中 包括控制器、执行机构、传动结构和检测元件等。 根据运动控制的特点和应用领域的不同，可以将运动控制分成以下几种形 式： j ) 点位运动控制：这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求，与运动的 中问过程即运动轨迹无关。相应的运动控制器要求具有快速的定位速度，在运动 的加速段和减速段，采用不同的加减速控制策略。在加速运动时，为了使系统能 够快速加速到设定速度，往往提高系统增益和加大加速度，在减速的末段采用s 曲线减速的控制策略。为了防止系统到位后震动，规划到位后，又会适当减小系 统的增益。所以，点位运动控制器往往具有在线可变控制参数和可变加减速曲线 的能力。 2 ) 连续轨迹运动控制：又称为轮廓控制，主要应用在传统的数控系统、切割 系统的运动轮廓控制。相应的运动控制器要解决的问题是如何使系统在高速运动 的情况下，既要保证系统加工的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时的切向速 度的恒定。对小线段加工时，有多段程序预处理功能。 3 ) 同步运动控制：是指多个轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全 程中进行同步，也可以是在运动过程中的局部有速度同步，主要应用在需要有电 子卤轮箱和电子凸轮功能的系统控制中。工业上有印染、印刷、造纸、轧钢、同 步剪切等行业。相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，通过白动 调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的 控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。 目前焊缝跟踪的控制算法主要有：经典控制方法、模糊控制方法、专家系统 和神经网络等方法。 1 2 2 1 经典控制方法 焊缝跟踪算法最早的也是最典型的算法是p i d 控制法。1 ，这种跟踪算法的实 质是通过测出焊炬相对于焊缝中心的位置，以此和期望值比较得到偏差量，通过 设计的控制器计算得到控制量来控制机器人的运动，使检测值和期望值更接近， 如此循环，保证焊缝偏差在允许的范围内。 4 经典的控制方法是建立在精确的数学模型基础上用微分或差分方程来 描述。因此不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。 1 2 2 2 模糊控制的方法 2 0 世纪9 0 年代起，由于人工智能的兴起，模糊控制，神经网络，专家系统 等先后出现，尤其是模糊控制理论比较成熟，引入焊缝跟踪后，取得较好效果“。 作为三大智能控制之一，模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手 段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学 诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方 法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。由于模糊控制有很好的鲁棒性和非 线性映射能力，而采用电弧传感器跟踪焊缝时，电弧电流和焊炬高度变化量之间 是时变非线性的关系，其精确的数学模型难以建立，因此模糊控制非常适合于电 弧传感跟踪控制。 1 9 9 2 年日本的横尾尚志研究了模糊控制和模糊专家系统“。大岛健司研究 了模糊控制宽度及焊缝跟踪控制的应用“，通过实验认为，用模糊控制可使焊接 熔池宽度保挣叵定，焊缝跟踪效果良好。原田章二介绍了用于铝焊接的模糊控制 m i g 焊机的规范自动给定以及模糊控制的效果“。 1 9 9 3 年，韩国学者j w k i m “”采用摆动电弧传感器进行了c o 。气体保护焊焊 缝跟踪实验，分别设计了简单模糊控制器和自组织模糊控制器，用拟合曲线法从 焊接电流信号中获取焊炬位置信息，并按角度偏差设计了系统控制规则。 清华大学的廖宝剑“5 1 以旋转电弧传感器为基础，研制了一套多自由度无轨轮 式焊接小车，采用8 0 9 8 单片机实现了焊接小车转弯跟踪焊缝的模糊控制。本课 题的控制算法也采用了模糊控制的方法。 1 2 。3 虚拟样机技术和机械控制仿真软件 建模与仿真技术在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，已经发 展形成了较完整的专业技术体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。它 与高性能计算一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世 界的重要手段“。 堡塾盟堂叁角焊缝轨迹跟踪仿真及智能控制系统 虚拟样机技术以先进的c a d 技术建立起来的模型为中心，将其扩展到产品生 命期的不同阶段，建立在一定程度上有物理样机相当功能的真实度的数字化仿真 模型，并对该模型进行评估和测试，将设计思路转化为正确的数字原型“。借助 于这项技术，可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模 拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统的设计与过 程。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设 计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚 至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只 有通过周而复始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程 是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵 活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证 产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞 争市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提 高，成本的降低和对市场的占有。而采用虚拟样机的设计方法，则可彳i 必浪费反 复制造和试验物理样机所需的时间，而在物理样机制造出来之前通过反复修改 系统动力学模型，进行预测、比较直至获得最优设计方案。”1 。 现在，成熟的机器人动力学仿真软件很少见，机器人运动学、动力学控制系 统联合仿真的软件还没有。对机构的动力学进行仿真的软件主要有：n u b e , v d v l ( 德) ， s y n ( 南) ，c a m s ( 保) ，a u t o l e v ( 美) ，d y n o c o m b s ( 荚) ，s p a c a r ( 荷) ，d i s c o s ( 美) ， d a d s ( 美) ，n e w e u l ( 德) ，m e d y n a ( 德) ，a u t o d l i ( 比) ，s i m p a c k ( 德) ， c o m p a m m ( 西) ，d y w k c ( 美) ，m es a v e r d e ( 德) ，a d a m s ( 美) ，p l e x u s ( 法) ，d a m s ( 美) ， e a s t 5 ( 美国) 等。 机械仿真软件众多的多体动力学软件都相继退出了市场，而a d a m s ，d a d s ， e a s y s 等仍然在市场上有上佳表现，并且都有所发展。下面分别对上述三个软件 的发展和其核心技术进行简单描述。 1 2 3 1a d a m s 美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的a d a m s ( a u t o m a t ic 绪论 d y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是世界上最具权威性的，使用 范围最广的机械系统动力学分析软件“。用户使用a d a m s 软件，可以自动生成包 括机、电、液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型， 能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、 试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到 缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于a d a m s 具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力， 所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 1 2 3 2d a d s d a d s 产品的全称是d y n a m i c sa n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 1 9 8 6 年，美国 c a d s i ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r ei n c ) 公司正式推出该产品。1 9 9 8 年 底，c a d s i 公司被比利时l m si n t e r n a t i o n a l 公司兼并。现在该公司利用了d a d s 软件的核心技术，重新包装并增加了新的功能，命名为l m sv i r t u a l l a b e l 9 8 年， 美国衣阿华大学( u n i v e r s i t yo fl o w a ) e d h a u g 教授推导出了全新的以欧拉四参 数坐标为参考系的多体动力学方程。美国陆军坦克司令部( t a c o m ) 决定在衣阿华 大学投资，由e d h a u g 教授带头开发通用的复杂多体机构的动力学计算机仿真软 件。e d h a u g 教授和其助手于1 9 8 2 年将软件交付给t a c o m ，它很快被应用到各种卡 车和坦克的动力学分析。1 9 8 3 年，c a d s i 从衣阿华大学独立出来，开发人员在原 软件的基础上添加了液压模块，控制模块以及柔体模块，使软件能够满足各种机 构的需要。1 9 8 6 年，软件正式开始对外销售。从1 9 8 9 年至u 1 9 9 1 年， 他们不断完 善软件，将它嵌入到各种c a d c a m 软件( i d e a s ，a r i e s ，p r o e ) 中。1 9 9 8 年1 1 月， 比利时公司l m s 与c a d s i 公司合并，l m s 将d a d s 软件与自己的c a e 软件相结合。2 0 0 2 年l m s 正式推出了l m sv i r t u a l l a b ，l m s v i r t u a l l a b 是世界上第一个功能品质工 程集成解决方案，用于振动，噪声，平顺性与操纵稳定性，舒适性，安全性，碰 撞，耐久性以及其他关键属性的分析。 1 2 3 3e a s y 5 e a s y 5 是由美n b o e i n g 公n 根据其工程需要开发的专业动态系统仿真分析软 堡垫! ! 墨垒塑生箜塾竺望堕堕基墨塑! 堕型墨堕 件a ( 注：e a s y 是e n g i n e e r i n ga n a y mss y s t e m 懈。) 它拥有简单易用的图形 化用户界面，基于呵执行代码程序进行仿真运算并提供了强大的专业应用库支 持，e a s y 5 几乎所有的功能都是通过库的应用来实现的。这些专业应用库, 是e a s y 5 的精华所在，也是它区别于同类软件的重要特征。e a s y s 任何一个专业库都包含 了该专业领域常用物理元件的数学模型。每一库元件对应一段高级语言代码子程 序( 可以理解为一个函数子程序) ，使用者仅需在元件的参数菜单中填入实际元件 的参数，即可迅速建立该元件的计算机模型。这些库元件代码全部从事该领域工 作的专家编写并经历t b o e i n g 及其他软件包用户的实践检验，有很强的工程实用 性和易用性。专业库的存在把工程师从烦琐的基本元件建模中解放了出来，使负 责工程师能够把精力集中在系统性能研究上：因而特别适合对大型复杂多学科动 态物理系统进行建模和仿真分析，如液压系统、气动系统、环境控制系统、机械 系统、热力系统、电力驱动系统、多相流系统、发动机及其控制器等等。 1 2 3 4 几种c a e 软件的比较 表1 1 是对目前广泛使用的几种c a e 软件从建模功能、机构分析、动力学 分析、运动过程仿真等几个方面进行比较。 表 - 1 几种c a e 软件的比较 功能 u gp r o ei - d e a sa d a m s a n s y s 建模具备各种建模具备各种具备各功能一般，不适功能强大 功能功能，功能强建模功能，种建模合复杂模型的建的有限元 人。功能强大。功能分析软件 机构内置a d a m s 模内置a d a m s具备基最强大的机构分 分析块，通过模块，能实本功能析软件，可分析 p a r o s o li d 格式 现大部分力和运动 与a d a m s 结合 机构分析 功能 运动 含有限元分析功能较少包含有可进行机构的动支持动力 学分 模块，支持弹性限元功力学分析，计算学和热力 析动力学和热力能力和加速度等变学分析 绪论 学分析 量 运动可模仿真实运可作干涉 可作机可作机构运动仿 过程动进行动态干检查，仿真 构运动真，仿真中可以 仿真涉检查，仿真中 中不能施 仿真施加力，不能做 不能施加力加力干涉检查 从上表可以看出，几种软件各有长处，因此结合软件各自的长处进行联合仿 真是目前很多人采用的一种方法，对一些复杂的机械系统，实体建模可采用专业 的三维造型软件，以弥补a d a m s 造型的不足。文献 2 1 利用i d e a s 软件建立 了某火炮的三维实体模型，通过接口程序将实体模型导入了a d a m s 中，基于多体 动力学理论建立了该火炮的虚拟样机。在运动控制仿真时，可将a d a m s 和m a t l a b 相结合，文献 2 2 建立了基于模糊控制的汽车主动悬架模型，用a d a m s 和m a t l a b 进行了联合仿真。 1 3 本实验室在利用电弧传感器焊缝跟踪已有的成果 1 9 9 3 年廖宝剑博士【2 3 1 创造了一种空心轴电机驱动的旋转扫描焊炬，并 获得国家专利2 ”。本实验室对旋转电弧传感器及其信号处理和控制方面做了大 量的工作。在手臂式机器入方面：文献 2 5 介绍了电弧传感的基本原理及旋转电 弧传感器用于焊接接头跟踪的工作原理。针对焊缝跟踪对传感器的要求，研制了 一种适用于焊接机器人的轻便、紧凑、高速旋转的电弧传感器。详细介绍了高速 旋转电弧传感器的旋转驱动电路、位置检测电路以及焊接电流采样电路。实验证 明所设计的电路抗干扰能力强，旋转速度稳定，测位脉冲可靠，焊接电流的采集线 性度好；文献 2 6 针对目前示教再现弧焊机器人存在的不足，研制了适合机器人 要求的旋转电弧传感器，研究了焊缝信息处理方法，提出了采用模糊控制方法，实 现了示教再现弧焊机器人在线焊缝纠偏，取得了较好的试验结果，提高了机器人 的智能化和适应性；文献 2 7 介绍了利用电弧传感器在平焊、横焊、立焊三种状 态的焊接工艺研究。在移动机器人方面，文献 2 8 将旋转电弧传感器安装在汽 车式原理的轮式机器人上，采用模糊一比例双模分段控制理论，研究了旋转电弧 传感器轮式机器人焊缝跟踪系统，给出了这种控制器的设计方法。对平面v 型坡 口焊缝跟踪试验表明，该系统具有良好的控制特性，能满足焊接工程应用的要 9 堡i ! i 竖垒堑塑笙塾堕望壁堕塞垄塑堂丝型墨竺 求。 1 4 本研究课题主要研究内容 本课题的目的是用旋转电弧传感器实现对平面弯曲角焊缝的跟踪。在充分吸 收本实验室已有成果基础上，茸先对本实验室已有的基于汽车原理的轮式机器人 的本体作改进，设计了新的移动机器人机构，使执行机构更灵活，控制更简单。 本课题引入了虚拟样机技术这一新的设计理念，尝试用“p r o e + a da ! m s m a t l a b ”几种软件相结合的方法对新设计的机器人的运动控制做联合仿真。从 上面综述也可以看出，在机械和控制领域中经过厂几十年的努力己经形成了一些 较为成熟的产品并且它们互相都给对方留下了接口，但是，将机械虚拟仿真和控 制仿真结合在起的软件还没有完全成熟，专门用于机器人虚拟仿真的软件更没 有出现。本文结合多体动力学软q q ：a d a m s 和控制仿真软件m a t l a b 各自的优点，存 假设机器人能准确识别焊缝的基础上对开发的轮式机器人运动控制进行仿真。 针对角焊缝的焊缝识别问题，本论文深入探讨了用旋转电弧传感器跟踪角焊 缝的信息处理方法，并结合仿真时确定的运动控制方法，编制了角焊缝跟踪控制 系统控制程序，通过控制实验验证。 第一章：绪论 第二章：移动机器人焊接系统简介，并介绍了机器人本体和十字滑块的设计。 第三章：机器人数学模型的建立，并用p r o e 进行实体建模并通过p r o e 和a d a m s 的接口将其导入a d a m s 环境卜，经初步实验验证模型的正确性。 第四章：机器人对焊接起点位姿的跟踪，以及利用a d a m s 和m a t l a b 联合对机 器人跟踪不同焊缝进行仿真。 第五章：对角焊缝焊接进行分析，分析熔敷金属对采集信号的影响并提出处 理方法，提出控制方案，编制控制程序，进行角焊缝跟踪实验。 壁塑塑壁垒鱼塑丝塾笙望壁墨竺 第二章移动机器人角焊缝轨迹跟踪系统 2 1 系统的总体介绍 为达到仅需在操作者监测下就能自动在大型工件上的角焊缝进行焊接，决定 系统由以下几部分组成啪3 ： 1 ) 轮式机器人机构； 2 )旋转电弧传感系统( 包括旋转焊炬、焊接电源、对信息处理原始数据 实时焊接电流的采集设备、送丝机、保护气体、以及相应的信号处理 器) ： 3 )控制系统，完成对各组成部分的协调控制与焊接程序控制。 2 2 系统的硬件构成 2 2 i 轮式机器人机构 2 2 1 i 机器人本体 由于主要针对平面大型工件的焊接，而轮式机器人运动灵活，可控性优于履 带式机器人，所以我们选用轮式机器人。过去本实验室采用的汽车原理的机器人 由前轮转向、后轮驱动，这样虽然对机器人的转向角度可以精确控制，但是由于： 1 ) 机构复杂，制造过程中容易造成误差积累。因此在控制过程中尤其是换 向的情况下，往往前轮的转向动作滞后。 2 ) 转弯半径有限制，不能原地转弯。 因此本系统采用新设计的中间两轮差速驱动，前后两轮为随动轮的四轮机器 人，在2 4 介绍了机器人本体的设计。 2 2 1 2 十字滑块 在焊接中，要求焊接机器人的焊炬必须精确地沿焊缝以恒定的焊接速度 焊接，而轮式移动机器人本体难以实现实时、准确地运动轨迹控制，因而不能采 望堂! ! 量垒鱼堡堡塾垄堡壁堕塞墨笪鐾丝型墨竺 用焊炬与轮式机器人本体相固接的机器人运动机构，为此，必须设计合理的机器 人运动机构，使得在机器人本体运动的基础上能够实现焊炬位置的精确控制，我 们采用t e e 移动机器人本体上加装快速反应十字滑块，焊炬与十字滑块同接的方 法，让轮式机器人本体在一定的误差范围内粗略跟踪焊缝，十字滑块实时准确的 跟踪焊缝。十字滑块分为上下方向和左右方向两部分，分别由一d c 伺服电机控 制，其运动必须在一定的范围内，当超过这个范围时，由于机构锁死而致 使电机电流急剧升高而烧毁电机，所以必需要有检测这种极限位置的传感 器，本系统安装了一位移传感器，位移传感器在2 4 2 节有详细的介绍， 不但能检测到极限位置，而且能实时检测到滑块的位移量，作为对机器人 控制的输入。当一旦达到限位位置，则必须让电机反向运动。 2 2 。2 旋转电弧传感器系统 旋转电弧传感系统由旋转扫描传感器、焊接电源、霍尔传感器、送丝机构等 细成。 2 2 2 1 旋转扫描传感器 旋转扫描传感器由旋转焊炬、测位电路和闭环调速驱动电路组成。本系统巾 旋转焊炬直接充当焊枪，其具备以下功能： 1 ) 扫描功能：使电弧在垂直于焊缝的方向上往复运动，要求其频率可调。 2 ) 电弧位置传感功能：检测、输出电弧扫描的瞬时位置，这是电弧信号处 理所必须参照量。 3 ) 普通焊炬的功能：包括导电、冷却、引导焊丝、保护气体等功能。 2 2 2 2 其它组成部分 焊接电源选用美国m le r 公司的恒压直流弧焊电源，其输出指标为： v o l t s ：3 8 v ；a m p e r e s ：4 5 0 a ；d u t yc y c l e ：1 0 0 ：m a xo c v4 8 ；v o t a g e r a n g e1 4 3 8 v 。送丝机选用漳州维德公司的g s 一8 8 b 半自动送丝机。保 护气体选用2 0 c o ：加8 0 a r 的混合气体。对信息处理原始数据实时焊接 电流的采集设备选用霍尔传感器，采用河源市雅达电子有限公司的霍尔电 移动机器人角焊缝轨迹跟踪系统 流传感器，型号为y d g h t d 一7 3 0 0 a ，输入为o 3 0 0 a ，输出为0 5 v ，工 作电压为宜流2 4 v 。这是一种卡口式的、孔径为2 5 m m 的传感器，安装方便。 2 2 3 控制系统 控制系统主要有工控机与控制箱构成，工控机中插有用来采集焊接电流的 a c l 8 2 0 a 卡和进行运动控制的g t 一4 0 0 _ s v _ p c i 四轴运动控制器，控制箱整合了运 动控制器端子板与各电机驱动器的连接。 2 2 3 1 工控机 在本系统中，计算机要负责信号的采集、存储、分析、处理以及纠偏 控制，因此是系统的核心环节。要实现实时的焊缝纠偏，首先要能实现实 时的电弧信号数字化采样，并且保证大量数据的存储和快速处理及运算， 并具有良好的i 0 功能，对单片机控制系统来说难以满足这些要求，所以 需要建立一个基于个人微型计算机的电弧传感信号实时处理控制系统。 z 2 3 2a d 采集卡 为了采集旋转电弧传感器的旋转速度信号和不同旋转位置对应的焊接电流 信号，采用了中国大恒公司生产的a c l 8 2 0 aa d 采集卡。 本系统采用了第0 和第l 两路采集通道，其中0 通道采集焊接电流， l 通道采集焊接位置起始点。 2 2 3 3 电机及驱动器 本系统运动驱动部分有四个电机，全部采用瑞士的m a x o n 直流伺服电机，电 机驱动器为k & x o n4 - q d c 伺服放大器。 2 2 3 4 四轴驱动运动控制器 本系统要求能够同时驱动四个电机，让十字滑块与机器人本体能够实时协调 运动，除能输出模拟量、数字脉冲外，还必须能对开关量进行响应，比如限位开 关信号，报警信号，要能方便的对这些响应提供中断或查询编程，选用了深圳固 移动机器人角焊缝轨迹跟踪仿真及智能控制系统 高公司的g t 一4 0 0 一s v p c i 运动控制器，它可以同步控制四个运动轴，实现复杂的 多轴协调控制。其核心是由a d s p 2 1 8 1 数字信号处理器和f p o a 组成，实现高性能 控制计算。该运动控制器提供c 语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这 些控制函数灵活地与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分 集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用对象的要求。 2 3 系统各部分连线示意图 图2 一l 给出了系统各部分连线示意图，本系统以工业控制计算机为核心，分 前向通道与后向通道，前向通道连数据采集卡( a c l 8 2 0 a ) ，其采集焊接电流信 旋转焊炬调i 触发 速电路板r 蕊 计算机主板 s a 插槽 p c i 插槽匕 p c i 插槽 工控机 机箱 麓i 咩传感器i li 塞 止 一l i p 11 ： a c l 8 2 0 a i i i ； i l p 2i ； 口i j c n l g t - 4 0 0 s v c n 2 转接板 继电器 各轴的限位开 关信号 n 1 4 端子板 口口口口 c n l 0c n 4c n 9c n l l c n 6 口 = c n 3c n s ! c n 8 焉 左轮伺服电机 驱动器 右_ 轮伺服电 机驱动器 控制柜 横向d c 伺 服驱动器 纵向d c 伺服 驱动器 图2 一l 系统各部分连线示意图 号( 来自霍尔传感器) 与转速信号( 来自调速电路板上的测速信号) ，采集方式 为触发采集，触发信号为传感器调速电路上的测位信号。 后向通道连运动控制 器，其与置于p c 外的一端子板相连，其中端子板的各接口描述为：c n 【为 4 移动机器人角焊缝轨迹跟踪系统 g t 一4 0 0 一s v 运动控制器的伺服控制接口；c n 2 为g t 一4 0 0 一s v 输入输出接口；c n 3 接外部电源，以保证c n 2 各引脚正常工作；c n 5 、c n 6 、c n 7 、c n 8 使用时与伺服 驱动器相连，c n 5 对应1 轴，与左轮伺服电机驱动器相连，c n 6 对应2 轴，与十 字滑块的左右d c 伺服电机驱动器相连，c n 7 对应3 轴，与右轮伺服电机驱动器 相连，c n 8 对应4 轴，与十字滑块的上下d c 伺服电机驱动器相连；c n 9 、c n l 0 对应于两个辅助编码器输入接口( 可选) ；c n l l 提供8 路模拟输入通道( 可选) ； c n l 2 、c n l 3 、c n l 4 用作专用及通用数字量输入输出，其中c n l 2 用作各轴的限 位开关信号输入，对限位开关信号的处理有查询与中断，在此为简化编程，采用 查询方式。c n l 3 上接出一线连到继电器上，控制送丝机自动送丝。 2 4 轮式机器人机构的 设计 在焊缝跟踪的执行机构 中，灵活性和稳定性是首要考 虑的问题。根据需要，轮式移 动机器人机构包括：机器人本 体、十字滑块、焊枪。 2 4 1 机器人本体设计 在综合比较了三轮机器 人、四轮机器人等多种机器人 优缺点的基础上，本机器人本 体的结构采用两轮独立驱动的 结构，并使形心和质心对地平 面的投影落于两个驱动轮轴线 上。驱动轮分别由一套直流伺 图2 - 2 轮式机器人本体的设计 服系统驱动，提供需要的转速或者力矩；前后对称于驱动轮轴线各布置一万向轮， 移