（机械电子工程专业论文）空间复杂焊缝焊接机器人设计及其控制系统研究.pdf

摘要 随着2 l 世纪制造业的高速发展，焊接生产的自动化已是必然趋势，它不仅 可以大大提高焊接效率，更重要的是可以确保焊接质量，改善操作环境。现代焊 接加工正在向着机械化、自动化、智能化的方向发展，采用机器人焊接已成为焊 接自动化技术现代化的主要标志。 本文针对卫浴行业不锈钢管件的焊接特点，设计能够适用于各种空间复杂曲 线焊缝的直角坐标型与关节型相结合的自动焊接机器人，采用示教再现的工作 模式，使其具有较好的通用性，同时又具有专用焊机的高效率，主要内容如下： 第一章，对焊接自动化技术及其发展现状和发展方向进行阐述，在此基础上， 提出了本文的主要研究内容和关键技术。 第二章，根据焊接机器人的设计要求，将焊接机器人结构划分为以直角坐标 型结构作为位置机构和以关节型结构作为姿态机构两部分进行分析与计算，这种 结构方案既结合了直角坐标式结构和关节式结构各自的优点，又互补了各自的缺 点。并根据经济型焊接设备的要求，为位置机构提出一种新的高性价比的驱动方 案：直流无刷电机+ 磁栅尺的伺服控制系统。同时，研究了焊接工艺参数的反馈 控制，介绍了一种简便的功率反馈闭环控制机构。最后用s o l i d w b r k s 软件对整 个焊接机器人的三维模型进行虚拟装配。 第三章，首先，运用d h 法建立焊接机器人的运动学方程，利用其姿态机 构手腕姿态的变化引起的空间位置的变化与位置机构的映射关系，运用解析法求 出其运动学逆解，此方法不仅不需要进行大量矩阵逆运算，而且简单、直接、高 效。其次，结合弧焊机器人焊接的特点，进行了焊缝轨迹规划的研究。 第四章，首先，采用虚拟样机技术，运用a d 剐s 软件进行焊缝轨迹的运 动学仿真分析；其次，对位置机构伺服控制进行控制系统原理与算法研究，利用 a d a m s 和m a t l a b 软件对构建的伺服控制系统进行动力学联合仿真分析。 第五章，根据焊接机器人的系统组成，设计了运动控制系统的硬件系统和软 件系统。 第六章，对全文的研究工作进行总结。阐述了主要研究结论，并对课题的后 续研究提出了展望。 关键词：焊接机器人；运动学；动力学；联合仿真；控制系统 a b s t r a c t a l o n g 丽m 吐l er a p i dd e v e l o p m e n to fm 砒m f - a c 嘶n gi l l2 1s tc e 哪，w e l d i i l g a u t o m a t i o ni sm ei i l e v i 讪i l e 仃e n d ，w k c hn o to i l l y 啪伊e a t l yi i i l p r o v em ew e l d i n g e 伍c i e n c y ，b u tm o s t l yi m l ) 0 r t a i l t l yi s t 0 伽l s u r en l ew e l d i n gq u a l i 够，i m p r o v et l l e o p e r a l i l l ge n v i r 0 姗e n t m o d e mw e l d i n gp r o c e s si sd e v e l o p i i 培t 0m e c h 狐z a t i o 玛 a l l t o m a t i z a t i o 玛i i l t e l l i g e n c e t h eu s eo f 、e l d i i l gr o b o ti l a sb e c o m em em a i l ls 弘n b o lo f m o d e h l i z a t i o no fw e l d i i 玛a 吡o m a t i o nt e c l l l l o l o g y t h ep 印e r f o c u s e so nm ew e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs t a i m e s ss t e e lp i p ei n s a m t qi n d u s 仃y ，t od e s i 印觚a u t o m a t i cw e l d i n gr o b o t 蛳c a l lb e 印p l i e dt oav 撕e t ) ， 0 fs p a c ec o m p l e x 埘s e 锄锄dc o m b i n e sc a r t e s i a ng 咖c t u r 。e 锄dj o i n ts t m c t u r e 加l d u s e st e a c l l i n r e p r o d l l c t i o n 、o r k j r 培m o d e ，i tn o t0 1 1 l yh a sag o o dv e r s a t i l i 够，b u ta l s o h a st l l el l i 曲e m c i e n c yo fs p e c i a lw e l d i n gm a c h i i l e 1 km a i nc o n t e r i t sa r e 嬲f o l l o w s ： i nc h 印t e r1 ，m ew e l d i n ga u t o m a t i o nt e c l l i l o l o g ) ，a i l di t sd e v e l o p m e n ts 倒= u sa i l d d i r e c t i o na r eb r i e n yi 1 1 t r o d l l c e d t h e nt h em a i l lr e s e a r c hc o m e m s 锄dk e yt e c l l i l o l o g y s a r e p u t f o r v ，a r d i i lc h 印t e r2 ，d i v i d e s 、l d i i 培r o b o ts t l l j c t u r ei n t 0p o s i t i o nm e c h a l l i s mi l s i l l g c a r t e s i a n 蛐n j c t u r e 锄dp o s t u r em e c h a i l i s mu s i n gj o 证t 鼬r l l c t u r ef o ra n a l y s i s 锄d c a l c u l a t i o 玛a c c o r d i n gt 0 也ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft l l ew e l d i n gr o b o t t 1 1 i s 舭t u r e 1 1 0 to i l l yc o m b i r l e s 吐1 ea d v 锄t a g e so fc a r t e s i a n 咖t u r ea n dj o i ms t l l j c t u r e ，b l na l s o c o m p l e m e n t sm e i ro w nd i s a d 【v 锄_ t a g e s a c c o r d i n gt 0t l l ee c o n o m i cr e q u i r e m e n t s0 f w e l d i n ge q u i p m e n t ，an e wc o s t - e a e c t i v ed r i v es o l u t i o ni sp r o p o s e df o rt l l ep o s i t i o n m e c l l a i l i s m ：s e r v 0c o n n 0 ls ys c e m 诵t l lb m s l l l e s sd cm o t o ra i l dm a g n e t i c 面dm l e r 1 1 1 咖d i e s 雠f e e d b a c kc o m r o lo fw e l d i n gp a 姗e t e r s ，锄di n 仃o d u c e sas i l n p l e p o w e rf e e d b a c kc l o s e d - l o o pc o r l t r o lm e c l 瑚1 i s m f i n a l l y ，b u i l d sn l e3 dm o d e lo f w e l d 吨r o b o tf o rv i m 脚邪s 锄b l y 、) l ，i t l ls o l i d w o r k ss 0 觚a r e i i lc 1 1 a p t e r3 ，f i r s t l y ，e s t a b i i s l l sh n e r n a t i ce q 删i o 璐o fm ew e l d 啦r o b o t 晰t l ln l e m e t l l o do fd - h u t i l i z e dn l em 印p i r 培o fp o s i t i o nc l 姗g e so ft h ew r i s tc a u s e db yi t s p o s t u r ec h 趾g e s 锄dp o s i t i o nm e c h a i l i s m ，n l e nu 跎s 龇1 a l y t i c a lm e m o dt 0s o l v em e i n v e r s e 虹n e m a t i c s t l l i sm e t l l o dn o t0 1 1 1 yd o e s n tr e q u i r eal a 玛em u n b e ro fm 纳瞅 i i i i n v e r s e ，b u ta l s 0s i m p l e ，d i r e c ta n de m c i e m s e c o n d l y ，r e s e a r c l l s o nt l l ew e l d n 司e c t o 巧p 1 枷n ga c c o r d i n gt ow e l d i i l gc h a r a c t e r i s t i c so fa r cw e l d i n gr o b o t i i lc h a p t e r4 ，丘r s t l y ，u s e s 谵n l a lp r o t o 帅i n gt e c l l i l o l o g yt os i m u l a t et l l e w e l d n 匈e c t o 巧晰t 1 1a d a m s ；s e c o n d l y ，r e s e a r c l l so nc o n t n d lm e o 巧觚da l g o r i t l l i l lo fm e p o s l t l o ns 咖c o n n d ls y s t e m ，t l l e nd o e sc 0 - s i i i l u l a t i o no n 1 es e 0c o n 仃0 ls v s t e m 晰t l la d a m sa i l dm a t l a bs o n w 畿 i nc h 印t e r5 ，d e t e n i l i n e st h eh a r d 眦鹏a i l ds o r 靴嘴s o l u t i o i l so ft l l e c o n 仃0 l s y s t 锄a c c o r d i n gt 0 舭c o n 啪n e 鹏o fw e l d i n gr o b o ts y s t 锄 m c h a p t e r6 ，t t l em a i nw o r ko ft h i sp 印e ri ss 嘲撕z e d c o n c l u s i o n sp o i n t sa r e i m r o d u c e d f i n a l l y ，t l l es u b s e q u e mr e s e a r c ho nt i l ew e l d i i l gr o b o ti sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：w e l d i n gr 0 b o t ；k i n e m a t i c s ；d y n 锄i c s ；c o s i m u l a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m 致谢 本学位论文是在导师孔晓武副教授的不断指导下完成的，导师渊博的学识、 严谨的工作态度以及不断创新的精神，都一直激励着我刻苦钻研，积极努力，让 我的科研能力与专业技能有了长足的进步。至此论文完成之际，谨向孔老师致予 崇高的敬意和由衷的感谢! 感谢杭州泛康控制技术有限公司在课题过程中给予的支持和帮助。在此，向 王振先生、林高峰先生、赵杰先生等表示衷心的感谢。 感谢杭州德泰电液系统工程有限公司岳艺明高工对本课题结构方案的指导 和帮助 感谢实验室邓业民硕士、李葳硕士、马冲硕士，凌振飞硕士、满珍硕士、刘 志才硕士、蒲曾坤硕士、万刚硕士、李世振硕士、谢英太硕士、黄家海博士、杜 衡博士、国凯博士等，在我的硕士期间日常生活和学习上给予的无私支持和帮助， 感谢他们经常与我讨论、给我解答课题上的各种问题。祝他们万事如意、事业顺 利! 感谢寝室同学朱晓军硕士、赵攀峰硕士和吴君和硕士对我日常生活无微不至 的关怀和照顾，大家在一起开心地度过了短暂而美好的三年校园时光。祝他们工 作顺利、前程似锦。 尤其要感谢我的母亲2 5 年来对我的无限关爱和付出，感谢所有家人对我学 业的全力支持和鼓励。没有他们一直在背后的默默奉献与支持，就不会有我今天 的进步! 感谢浙江大学这所百年学府对我的培养，浙江大学求是创新、学以致用的灵 魂精神必将让我受益终生。 最后，再次向所有支持和关心我的老师、同学、朋友和亲人致以最诚挚的谢 意! 郑祥格 二零一二年一月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 焊接自动化技术简介 第1 章绪论 焊接是制造业中传统的、重要的加工工艺方法之一，广泛应用于机械制造、 航空航天、能源交通、石油化工、建筑以及电子等行业。随着制造业的高速发展， 传统的手工焊接已经不能满足现代高科技产品制造的质量和数量要求，而信息技 术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用，也正在彻底改变传统焊接的面貌， 焊接生产过程的自动化已经成为一种迫切的需求，它不仅可以大大提高焊接生产 率，更重要的是可以确保焊接质量，改善操作环境，现代焊接加工正在向着机械 化、自动化的方向发展【l 】。 焊接自动化主要是指焊接生产过程的自动化，它有两方面的含义：一是焊接 工序的自动化，二是焊接生产的自动化。焊接工序的自动化主要是指焊接过程及 焊接装备的自动控制问题，包括焊接程序的自动控制、焊接参数的自动控制、焊 接夹具的自动控制、上下料的自动控制等。焊接生产的自动化主要是指焊接产品 的生产过程，包括从备料、切割、焊接、检验等工序组成的焊接生产全过程的自 动化，只有实现了焊接生产全过程的自动化，才能得到稳定的焊接质量和均衡的 焊接生产节奏以及较高的焊接生产率。 1 1 2 国内外焊接自动化技术的发展现状 国外发达国家的焊接自动化研究起步较早，早在上世纪4 0 年代末美国已经 开始从事焊接机械化、自动化技术的研究。在5 0 年代，研制的“自动焊机”功能 还比较简单，仅能实现焊丝的自动送进、焊枪的简单摆动、焊接小车的自动行驶， 焊枪自动引弧，维持电弧电压( 或焊接电流) 的稳定等功能【2 1 。进入7 0 年代，随着 微计算机技术应用，焊接自动控制技术进入了一个全新的发展阶段。典型的如法 国的焊管机专业公司p o l y s o u n d 生产的a u t o t i g l 4 0 型焊机【3 1 ，其焊接程序 可以直接由面板上的键盘编写，记忆焊接程序可以达到2 4 套。美国的w 色l d l a g i c ，i n c 公司生产的管道全位置焊接设备，采用全微机控制，可以存储多段、多 参数的焊接程序，拥有友好的人机界面，用户可以方便的进行操作，此类设备功 能强大，可以实现自动引弧，自动焊接，甚至能够自动检测设备的故障和分析焊 l 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 接质量【4 】。日本小松研制的具有光电传感器的计算机数控自动焊机，采用微机对 焊缝轨迹进行预调，由光电传感器检测、反馈误差以实现焊缝的自动跟踪，从而 实现了焊接的自动化【5 】。随着微计算机和自动控制技术的进一步发展，研制一套 完整的自动化焊接系统，使之能够对整个焊接过程进行综合智能自动控制焊 接机器人成了焊接生产自动化研究的重要方向之一，自1 9 6 2 年美国推出世界第 一台u i l i m a t e 型和v e r s a t m 型工业机器人以来，1 9 9 6 年底全世界已有大约3 4 万 台工业焊接机器人投入生产应用【6 1 。焊接机器人的应用是焊接过程高度自动化的 一个标志嘎 目前，我国的焊接自动化率低于3 0 ，同发达工业国家近8 0 的自动化率 相比，我国的焊接自动化整体水平还比较低，而且起步较晚，发展很不平衡【8 】。 但随着中国三峡工程、航天工程、西气工程、船舶工程等国家大型基础工程的建 设，有力地促进了我国焊接自动化技术的发展与进步，焊接产业也逐步走向“高 效、自动化，智能化”。2 0 世纪7 0 年代末，中国在引进国外技术的基础上，开 始了焊接自动化技术的研究。在7 0 年代末，上海电动工具研究所与上海电焊机 厂合作研制的直角坐标型机械手，成功应用于上海牌轿车底盘的焊接【9 1 。上海交 通大学研制成功的“上海l 号”、“上海2 号”示教型机器人具有弧焊和点焊的功能 【1 0 1 。1 9 9 9 年7 月1 5 日，国家8 6 3 计划智能机器人主题专家验收通过了由“一汽， 集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的h t - 1 0 0 a 型点焊机器人 【1 1 】。1 9 9 9 年山东工业大学利用凸轮仿形原理对焊接设备自动化技术进行了专题 研究，研制的焊接设备是机械控制，柔性较低【1 2 1 。2 0 0 0 年北京石油大学与清华 大学联合研制的球罐全位置焊接机器人，采用两点式视觉伺服反馈系统，选用工 业控制级可编程控制器作为其核心控制器件，从而实现对五自由度球罐焊接机器 人协调联动、跟踪控制和焊枪摆动控制，并使之满足焊接过程的要求【1 3 】。 纵观当今国内外焊接自动化技术的发展现状，可以看到其发展趋势集中体现 在一下五个方面： ( 1 ) 高精度、高速度、高质量、高可靠性 由于焊接加工越来越向着“精细化”加工方向发展，因此，焊接自动化系统也 向着高精度、高速度、高质量，高可靠性方向发展。这就要求系统的控制器( 例 如计算机) 以及软件有很高的信息处理速度，而且要求系统各运动部件和驱动控 2 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 制具有高速响应特性。同时，要求其电气机械装置具有很好的控制精度。 ： ( 2 ) 集成化、模块化 ： 焊接自动化系统的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技 术的集成。现代焊接自动化系统的机构都采用模块化设计，根据用户需要可以提 供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能。同时，集成化、模块化也使系统 功能的扩充、更新以及升级更为方便。 ( 3 ) 智能化、网络化 将先进的传感技术、计算机技术和人工智能技术引入焊接设备就形成了焊接 设备的智能控制系统。智能化的焊接自动化系统，不仅可以根据指令完成自动焊 接过程，还可以根据焊接的实际情况，自动优化焊接工艺、焊接参数。 通过网络，利用计算机技术、远程通信技术等，将生产管理和焊接生产自动 控制一体化，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修，应用网络技术，还可以进 行多台焊机控制器的集中控制，例如焊接参数的修改、备份，焊接过程、焊接设 备的实时监测，故障报警与监控等。 ( 4 ) 标准化、通用化 系统结构、硬件电路芯片、接口的标准化、通用化不仅有利于系统的扩展、 外设的兼容，而且有利系统的维修。 ( 5 ) 柔性化 大型自动化焊接设备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接设备时 必须考虑柔性化。形成柔性制造系统，以充分发挥设备的效能，满足同类产品不 同规格工件的生产需要。 1 1 3 自动焊接设备的发展方向 目前国内外的自动焊接设备存在两个发展方向：一是高度智能化、通用化的 自动焊接设备；二是用途各异的专用化自动焊接专机。 通用化的自动焊接设备目前主要是模拟人手动作的六自由度关节型焊接机 器人( 如图1 1 ) ，利用机器人的高度智能化，以在线示教再现或离线编程的工 作模式模拟人工焊接进行自动焊接。六自由度机械手的通用性好、灵活性强、工 作空间大，可在狭小空间内作业，对工件外形结构没有特殊的要求，只要在其作 业空间区域内，就能够实现对任意空间复杂曲线的焊缝进行焊接，被广泛的应用 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 于汽车行业。其缺点是与一些专用焊接设备相比，焊接效率较低，价格较高，且 后期维护成本也较高，目前很难在国内的中低端市场得到普及。 专用的自动焊接设备是针对各行业焊接工件的几何特征、材料及焊接要求选 择焊接工艺，设计专门的运动机构和控制系统的数控机床为主( 如图1 2 ) 。例 如面向管道类工件而设计的环缝自动焊接机床，面向平面薄板类工件设计的纵缝 自动焊接机床，这种类型的设备特点是生产效率高，缺点是对工件和焊缝形状有 特殊要求，无法焊接异形工件或复杂空间曲线的焊缝。随着c n c 数控技术的发 展，出现了一些采用类似于通用型机械手的示教再现控制系统的可编程平面曲线 自动焊机，这类焊机通过在线示教的方法能够对任意平面曲线焊缝进行焊接。 j 、 汴 图1 1 通用化六自由度式焊接机械手图l - 2 专用化数控焊接机床 目前，国产的自动焊接设备都是自动化程度较低，功能单一，如车床式小型 环缝自动焊机、薄板纵缝自动焊机、型钢自动焊机以及管道对接自动焊机等焊接 专机。在实际生产中，随着我国工业的快速发展，我国自动焊接设备在品种、技 术水平、自动化程度以及高新技术的应用上都己经不能适应我国工业现代化发展 的需求。例如，复杂空间曲线接缝的焊接任务( 如卫浴水龙头钢管的焊接、管与 管之间以任何角度的焊接等) 在实际生产应用中占有很大的比例，但目前没有国 产的自动焊接设备能够完成这种复杂的焊接任务，有实力的企业一般购买价格昂 贵的六自由度关节型焊接机器人进行作业。六自由度关节型焊接机器人作为标准 的柔性系统，虽然具有高度的多适用性，但由于其昂贵的初期投入以及后期运行 维护费用，令众多用户望而却步，因此对于此类焊接任务中小企业一般采用手 工焊接的方式，致使生产效率较低，焊接质量较差4 l 。 4 ，j孓，一唾， 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 研究目标与意义 浙江苏泊尔不锈钢制品股份有限公司围绕“环保、节能、健康这一时代发展 主题，结合自身优势，着力打造顶级的不锈钢卫浴产品。在其生产过程中，不锈 钢管件的焊接工艺是决定其产品质量的重要环节。由于批量大、焊缝复杂多样、 同时对焊缝有严格的质量要求，因此迫切需要研制自动化的专用焊接设备替代人 工焊接，以提高产品的质量和生产效率。本课题正是基于这一市场需求而提出。 本课题的研究目的是研制开发一台能够实现复杂空间曲线接缝焊接的、在一 定范围内是通用型的、适合不同的加工需要的、直角坐标型与关节型相结合的多 功能自动焊接机器人。不锈钢卫浴产品的焊接精度要求较高，多采用氩弧焊工艺， 且焊缝复杂多样，有平面曲线，也有空间曲线，有环形焊缝也有线性焊缝，有些 工件是多种类型焊缝组合成的三维空间复杂焊缝。因此要实现此类工件的自动焊 接，若基于现有设备只能采用六自由度关节型焊接机械手，考虑到六自由度关节 型焊接机械手的成套设备价格昂贵，维护成本高，且生产效率与专用设备相比较 低的问题，并非最佳选择。本课题针对卫浴行业不锈钢管件的这一特点，采用线 性运动模组和回转关节运动模组相结合的方法，设计能够适用于各种空间复杂曲 线焊缝的直角坐标型与关节型相结合的自动焊接机器人，控制系统采用示教再 现的工作模式，使其具有较好的通用性，同时又具有专用焊机的高效率特点，这 种焊接机器人对于提高焊接质量、降低功耗、提高效率上都将发挥积极作用。由 于不锈钢卫浴产品对焊缝的质量要求高，同时焊缝可能为空间复杂曲线，因此针 对这一需求所研制的自动焊接机器人在功能上具有很大的通用性，由此可推广到 其它行业，具有广泛的应用前景。 1 3 主要研究内容与关键技术 本课题主要针对研制的复杂空间焊缝自动焊接机器人进行以下研究工作： ( 1 ) 综合本课题焊接机器人的结构特点、作业特点和工作空间要求，确定 机器人的性能参数与结构方案，并利用s o l i d 础软件构建一个七自由度悬挂式 自动焊接机器人的三维模型。 ( 2 ) 结合本课题焊接机器人的结构与焊接特点，进行有针对性的运动学与 焊缝轨迹规划研究。 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 ( 3 ) 根据构建好的机械结构模型建立虚拟样机模型，并运用a d a m s 软件 进行焊缝轨迹的运动学仿真分析；对单关节传动系统及其位置伺服控制系统进行 研究，并运用a d a m s 和m a t l a b 软件进行伺服控制系统的动力学联合仿真分 析。 ( 4 ) 根据焊接机器人的系统组成，确定运动控制系统的硬件系统和软件系 统方案。 本课题研究的复杂空间焊缝自动焊接机器人必须解决以下关键问题和技术 难点： ( 1 ) 研究多维运动焊缝轨迹跟踪运动控制。氩弧焊的焊接质量对焊缝与焊 枪之间的间距十分敏感，要求焊枪对焊缝的轨迹跟踪精度达到o 1 m m 以内，因 此如何确定一个经济的、合理的闭环控制系统是本课题的一个重点。同时，由于 本课题所设计的自动焊接机器人具有7 维运动模组联动的特点，在运动控制系统 的设计上就必需研究多维运动的连续插补和轨迹规划问题，这需要在控制系统硬 件和软件两方面进行综合分析和研究。 ( 2 ) 研究焊接工艺参数的实时检测与反馈控制。氩弧焊的质量不仅与焊枪 的轨迹跟踪精度有关，同时还受到周围环境的影响。具体包括：环境温度、焊接 电压、焊接电流、工件温度等。为了对这些干扰因素进行补偿，首先需要对其进 行检测。可以考虑的检测手段包括对焊接电流、焊接电压的检测和对焊接火焰的 图像采集和分析。具体采用何种检测手段，以及如何利用检测得到的信息对焊枪 轨迹进行修正是本项目的关键技术。 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章焊接机器人结构方案的确定 2 1 概述 第2 章焊接机器人结构方案的确定 焊接机器人是一个机电一体化的设备，按用途来分，焊接机器人可分为以下 两类： ( 1 ) 弧焊机器人：在弧焊作业中，机器人末端夹持焊枪，使其以特定的速度 和姿态沿焊缝运动，并不断溶化金属或是填充金属形成焊缝，因此运动过程中速 度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。 ( 2 ) 点焊机器人：点焊机器人系统的一个典型应用就是汽车工业，主要应用 于增强焊作业和定位焊作业，主要特点是工作空间大、持重大、示教简单、定位 精度高、具有小节距移动后的快速定位能力。 本课题研究的是焊接机器人属于弧焊机器人，与一般机器人相比，弧焊机器 人在结构设计时有其自身的特殊性【1 5 】： ( 1 ) 弧焊机器人的结构设计要充分考虑所采用的焊接工艺。采用的弧焊工 艺的不同决定了末端执行器的种类及其是否配备送丝机构，弧焊工艺主要有自熔 焊、加丝焊两种工艺。焊接工艺的要求，确定了机器人的轨迹精度、末端执行器 的规格、机器人的负载及末端执行器的运行速度等参数，这些都是本课题焊接机 器人结构设计的依据。 ( 2 ) 弧焊机器人的结构设计要充分考虑其在焊接机器人系统中的布局。机 械手在焊接机器人系统中的布局主要有立式和悬挂式两种。立式结构便于机械手 的安装和维修，但占用地面空间，悬挂式结构机械手不会和工件和其它辅助设备 形成干涉，但需要制作悬挂固定结构，有时还需要机器人移动装置，结构较复杂， 具体采用何种布局方式要视具体的使用场合而定。比女口 在汽车行业焊接流水线 上的弧焊机器人多采用立式布局，而在对结构件进行焊接的独立焊接机器人工作 站上的弧焊机器人多采用悬挂式。 ( 3 ) 弧焊机器人的结构设计要充分考虑焊接机器人结构形式的选择。焊接 机器人按结构形式的不同可分为以下四类：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、 全关节型。直角坐标型结构由三个直线运动构成，其定位精度高、运动学求解简 单、结构单，但机构较庞大，工作空间小，操作灵活性较差；全关节型机器人的 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方纂的确定 位置和姿态全部由旋转运动实现，其机构紧凑，灵活性好，占地面积小，工作空 间大，但其运动学模型复杂，高精度控制难度大。目前的弧焊机器人大多采用全 关节型的结构形式。 ( 4 ) 弧焊机器人的结构设计要充分考虑焊接机器人其它方面的问题。比如， 弧焊机器人焊缝跟踪方案的不同，就决定了机器人运动机械结构的不同；焊接工 艺参数的实时检测与反馈控制方案的不同，也决定了机器人的机械结构的不同。 2 2 焊接机器人的设计要求 本文课题来自于企业的实际生产实践，焊接作业对象及要求如下： 图2 1 水龙头图2 2 角阀 焊接作业对象是如图2 1 、2 2 所示的不锈钢卫浴产品，材质为不锈钢，材料 的厚度尺寸3 5 n u n ，焊接机器人的任务就是要完成两支钢管的焊接。采用t i g 自熔焊、加丝焊两种不同工艺，要求焊接后卫浴产品密封、牢固、外形美观。 要求该焊接机器人工作范围大，动作灵活，通用性强，结构较紧凑，协同合 作单位根据不锈钢卫浴产品焊接特点提出如下技术参数： 绝对作业范围：2 0 0 3 0 0 3 0 0 m m ： 额定负荷质量( 含末端执行器) ：5 埏； 移动关节最高移动速度：0 1 m s ，单轴加速时间0 1 s ； 转动关节最高转动速度：l r s ，单轴加速时间o 1 s ； 轨迹重复精度：士o 1 m m ： 最高焊接速度：2 4 0 0 m 州m i n 。 浙江大学硕士学位论文 第2 章焊接机器人结构方案的确定 2 3 机器人结构方案的研究 本课题所要研制的自动焊接机器人可实现一定范围内对任意复杂空间曲线 形式的焊缝进行焊接。理论上3 维空间任意曲线轨迹有6 个自由度就可以实现 【1 6 1 。对六关节机器人，当后三个关节轴线交于一点时，前三个关节变量决定了 机器人末端执行器在空间的位置，将前三个关节连同杆件称为位置机构；后三个 关节变量决定了机器人末端执行器在空间的姿态，将后三个关节连同杆件称为姿 态机构。本课题研制的焊接机器人利用直角坐标型结构定位精度高、运动学求解 简便、缃简单的特点来作为其位置机构的运动形式，利用全关节型结构动作灵 活、工作空间大、结构紧凑的特点来作为其姿态机构的运动形式，这样不仅结合 了直角坐标式结构和关节式结构各自的优点，同时互补了各自的缺点。 2 3 1 位置机构的分析与选择 相对机器人操作机的姿态机构( 手腕) ，前三个自由度决定了机器人末端执行 器在空间的位置，称其为位置机构j 位置机构可基本确定整个机器人操作机的空 间工作范围。 根据位置机构3 个关节的不同运动组合形式，可分为以下四类【1 7 18 1 ： ( 1 ) 直角坐标型 直角坐标型位置机构到达空间位置的三个运动( z y z ) 是由三个互相垂 直的移动关节( p p p ) 构成，其结构简图如图2 3 所示。该类位置机构定位精度高、 运动学求解简单、结构单，但操作灵活性较差，当工作空间相同时，机构所占空 间体积庞大。 图2 3 直角坐标型图2 4 圆柱坐标型 浙江大学硕士学位论文 第2 章焊接机器人结构方案的确定 ( 2 ) 圆柱坐标型 圆柱坐标型位置机构是由两个移动关节一个转动关节( p r r ) 来实现空间位置 变化，其结构简图如图2 4 所示。这种位置机构结构简单，几何计算简单，占用 空间体积较小于直角坐标型机构，通常用于搬运机器人。 ( 3 ) 球( 极) 坐标型 球( 极) 坐标型位置机构用两个转动关节和一个移动关节( i u 口) 来实现空间 位置变化，其结构简图如图2 5 所示。这种位置机构结构紧凑，占地面积小，工 作空间较大，但移动关节不易防护，目前应用较少。 图2 5 球( 极) 坐标型 ( 4 ) 关节型 图2 6 关节型 关节型位置机构是模拟人的上臂而构成的，其前三个关节是三个转动关节 ( i 珊1 ) ，其结构简图如图2 6 所示。利用顺序的三次圆弧运动来实现空间位置 的变化，其机构紧凑，灵活性好，占地面积小，工作空间大，但其运动学模型复 杂，运动学反解困难，高精度控制难度大 由于卫浴钢管焊缝空间不大，该机器人要求的作业空间不是很大，位置机构 作为机器人的主运动，可基本确定整个操作机的空间工作范围，位置机构的精度 也很大程度上决定整个机器人的精度。而直角坐标型操作机结构紧凑简单，易于 实现高定位精度，空间轨迹易于求解，因此本文的机器人采用直角坐标型位置机 构。 目前，直角坐标型位置机构通常有两种框架类型： ( 1 ) 高架桥式结构 l o 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 工作台固定，采用双墙式结构支撑横梁，导轨固定在高架桥上表面，横梁在 导轨上运动19 1 ，高架桥式结构如图2 7 所示。 5 1 支撑墙2 x 轴模组3 z 轴模组4 y 轴轨模组5 横梁 图2 7 高架桥式 ( 2 ) 龙门式结构 工作台固定，导轨安装在工作台两侧，横梁固定在可沿导轨移动的立柱上， 龙门式结构2 8 所示。 1 - y 轴模组2 立柱3 横梁4 x 轴模组5 z 轴模组 图2 8 龙门式结构 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 与传统的高架桥式结构相比，龙门式结构刚性较低，但其却具有更大的工作 空间，可以更好的解决直角坐标型结构占地空间大的缺点，鉴于此，本项目位置 机构采用龙门式结构，如图2 1 3 所示为建立的龙门式结构位置机构的实体模型， 由x 轴组件、y 轴组件、z 轴组件组成。 2 3 2 姿态机构的分析与选择 焊接工艺不仅对焊枪的空间位置有要求，同时还要对焊枪的姿态进行控制。 手腕的功能就是利用自身的活动使机器人末端执行器能够达到确定的工作空间 姿态，因此手腕称为机器人的姿态机构，是机器人中最重要也是结构最复杂的部 件，手腕的灵活度直接决定了机器人能够完成任务的种类和复杂程度。 机械手手腕可分为单自由度，两自由度和三自由度手腕三种，其中三自由度 手腕因其高灵活度而被称为“万向”型手腕，焊接工艺对手腕姿态要求很高，因此 本课题焊接机器人选择三自由度手腕。如图2 9 所示，三自由度手腕的结构形式 还分为汇交型和偏交型两种结构【2 0 之1 1 。 謦l 、一7 夕 t ) 普通弘交理 b ) 琢型魏：交骥 。 c ) 謦通偏交锻 d ) 中空偏交骥 图2 9 三自由度手腕结构形式 如图2 9 - a 和2 9 - b 所示，汇交型结构又包括普通汇交型和球形汇交型两种 类型，由于其三个自由度a 、p 、丫轴线相交于一点，其位置和姿态是解耦的，所 以其逆运动学分析简单，汇交型结构三自由度手腕得到广泛运用。如图2 9 c 和 口厂，。，一k 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 2 9 d 所示，偏交型结构又可分为普通的偏交型和中空偏交型两种类型，偏交表 现为手腕最末端偏置在小臂中线的一侧，偏交型结构三自由度手腕结构紧凑，三 个关节几乎都没有机械结构上的限制，因此三个关节转动角度均能达到3 6 0 0 以 上，具有非常高的灵活度口2 乏3 1 。由于汇交型手腕位置和姿态是解耦以及逆运动学 分析简单等优点，决定采用三自由度普通汇交型手腕，如图2 1 3 所示为建立的 普通汇交型手腕实体模型由a 、b 、c 三个关节组成。三个自由度的转动关节分 别为手臂转动关节a 、手腕摆动关节b 、手腕转动关节c ，三个转动关节都由独 立电机驱动，可实现三个自由度的连续转动，结构紧凑。a 方向旋转角度范围 3 6 0 。，b 方向旋转角度范围一9 0 6 9 0 。，c 方向旋转角度范围3 6 0 。，基本可以使 连接在手腕上的末端执行器达到任意的空间姿态，与位置机构( 前3 个自由度) 配合即能到达任意工作空间进行作业【2 4 1 。 2 3 3 焊接工艺参数反馈机构 对已有焊机的分析知道，仅仅完成对焊枪的运动控制、精确跟踪焊缝是不够 的，焊接的质量还与焊接电流、电压等因素密切相关，有必要对这些焊接工艺参 数进行实时检测，这是实现焊接过程自动控制的必要条件之一【2 5 1 。焊接是非常 复杂的过程，为了获得良好的焊接质量，控制系统应具有抗各种干扰能力。干扰 的形式包括焊件厚度的变化、焊接速度的变化、对接缝隙的变化、焊接材料的改 变等不确定因素闭。所以对焊枪的运动轨迹进行修正补偿，进行闭环机构反馈 控制，从使焊接的品质对周围环境和工件外形尺寸的干扰具有很强的鲁棒性。 不熔化电极的惰性气体保护电弧焊t i g 中，电源一般具有恒流外特性，而 送丝速度一定，在这种情况下，焊接电压是随着电弧长度的变化而变化的，要理 解电弧长度的意义要先了解电弧的静特性曲线。 电弧静特性曲线是指电弧引烧时，两极间稳态的电流和电压之间的关系曲 线，一般的电弧静特性曲线如图2 1 0 所示。从曲线上看，有三个不同的工作区 域：在a 区，电流较小，电弧呈现负阻抗特性，电压随着电流的增加而减小；在 b 区，当电流增大时，电弧呈平特性，电压基本保持不变；在c 区，当电流继续 增大时，电弧呈上升特性，电压随着电流的增加而升高。不熔化电极的惰性气体 保护电弧焊t i g 中，电弧工作在静特性曲线的c 区，电弧呈上升特性【2 7 之9 】。 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 图2 1 0 电弧静特性曲线 电弧引烧时，总的电弧电压包括阴极电压、弧柱压降和阳极压降三部分2 8 1 ： = + + 乩 ( 2 1 ) 其中：乩电弧电压，阴极压降，弧柱压降，叽阳 极压降。 影响电弧静特性曲线的因素很多，但其中电弧长度的影响最大，当电弧长度 发生变化时，主要是弧柱压降发生变化： = e 乞 ( 2 2 ) 其中：卜电弧电场强度，厶电弧长度。 若焊接工况时，焊接电源恒流，则电弧长度厶增加时，弧柱压降增加， 电弧电压眈也随着增加，如图2 1 0 中的曲线厶和上2 ，电弧长度厶大于厶，电弧 静特性曲线上升。同理，若是电弧长度厶减少时，电弧静特性曲线下降。 氩弧焊的焊接质量对焊缝与焊枪钨极之间的距离十分敏感，而焊缝与钨极之 间的距离可以看作就是电弧长度厶。为了得到稳定的焊接质量，必须要求在焊 接过程中焊缝与钨极之间的距离保持一定，即电弧长度厶一定。若电弧长度厶恒 定，由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知，电弧电压虬一定，而焊接电源恒流，所以需要保 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 证焊接过程焊接功率恒定。 本课题采用检测焊接过程的焊接功率，配合一个直线移动模组与控制系统形 成一个功率反馈闭环控制系统，其结构原理图如图2 1 1 所示。 图2 1 1 功率反馈闭环控制系统 2 3 4 驱动方案的分析与选择 通常，机器人驱动方式有液压、气动、电动三种。液压系统具有较大的功率 体积比，成本较高，且不容易维护，通常大负载时选用液压驱动；气动系统简单， 成本低，但只适合负载小、精度要求不高场合；电动系统适合中等负载，且特别 适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人。 机器人电动系统的执行元件一般有步进电动机、直流电动机、交流伺服电动 机三种。 ( 1 ) 步进电动机 步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转 换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电机的输出步 数总是和输入指令的电脉冲相等，因此它可以作为开环位置系统工作。可直接实 现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能 对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力( 变磁阻式) 和保持转矩( 永磁式) 的能力，有利于控制系统的定位【3 0 1 。但步进电机基本上不具 有过载能力，保持转矩会随着转速增加而极具减少，功率偏大者，体积较大；并 且其空间分辨率较低；功率较小，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。 ( 2 ) 直流伺服电动机 直流伺服电动机容易控制( 在磁场恒定时，输出转矩正比于电流) ，输出的 传动力矩与其位置和速度无关【3 1 1 ，具有良好的机械特性和调速特性，启动力矩 淅江大学硕士学位论文第2 章焊接机器人结构方案的确定 又大，并且控制技术成熟所以被广泛应用于机器人、数控机床等领域。但其结构 复杂、体积偏大、转速低、成本较高，特别是其存在电刷和换向器的滑动接触， 使直流伺服电动机维护麻烦，且影响电机工作的可靠性。 ( 3 ) 交流伺服电动机 交流伺服电机是一种微型交流无刷电动机，因为无刷，不需要定期维护，可 靠性更高；也不需要考虑因电刷机械磨损而限制电动机转速，有更高的转速；同 时克服了大电流在机械式换向器换向时的困然，可以制造更大容量的电动机，它 克服了直流伺服电动机的缺点，并保留了直流伺服电动机的优点，所以近年来直 流伺服电动机逐步被交流伺服电动机所取代。但交流伺服电机昂贵的成本也限制 了其在多数低成本场合的应用。 由于本课题研究的焊接机器人是经济型焊接设备，其腕部所需传动功率较 小，机器人的定位精度主要取决于位置机构的定位精度，手腕的精度要求较低， 可以采用混合式步进电动机开环驱动。位置机构要求运动速度快、动态特性好、 传动功率较大、定位精度高，最理想的是采用交流伺服电动机驱动方案，但其价 格昂贵，不符合本课题经济型焊接设备的要求，本文提出一种新的高性价比的驱 动方案：直流无刷电机+ 磁栅尺的伺服控制系统。直流无刷电机是用晶体管开关 电路和霍尔效应元件来代替直流伺服电动机的电刷和换向器，这使其不仅具有直 流伺服电动机的机械特性和调速特性，又具有交流伺服电动机