（材料加工工程专业论文）弧焊机器人运动学规划及机器人变位机的运动仿真.pdf

摘要 本文分析了曲线焊缝焊接过程中弧焊机器人和变位机的运动协调关系。根据 d e n a v i t h a r t e n b e r 方法和机构坐标系统的变换原理，建立了基于k r 3 5 0 2 型机器 人和r p 2 型旋转倾斜变位机组成的同步工作站的运动学方程。研究了基于船形 焊缝约束的机器人和变位机的运动学解祸模型，并根据机器人机构运动连续性要 求，采用反变换方法对弧焊机器人和变位机的运动学方程进行了逆解析运算。 在以上研究的基础上，研究了弧焊机器人工作站的运动学规划及仿真系统原 型的实现，分析了系统的开发环境、总体结构、数据结构等关键技术。通过机器 人实体构型、信息定义提取、焊枪姿态的自动规划、2 1 2 作站运动学规划和焊接过 程仿真等模块，对典型焊缝( 包括直线焊缝、平面圆弧焊缝、空间一般曲线焊缝) 的焊接过程进行了模拟仿真，取得了正确的结果，为弧焊机器人和变位机系统的 离线编程的进一步研究打下了良好的基础。 关键词：弧焊机器人工作站运动规划运动仿真离线编程 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec o u p l e dr e l a t i o n s h i po fm o t i o nb e t w e e na r c w e l d i n gr o b o ta n d p o s i t i o n e ri sa n a l y s e dd u r i n gt h ew e l d i n go fs p a t i a lc u r v ew e l d i n g l i n ew i t hr e s p e c tt o k r 3 5 0 2r o b o ta n dr p 2p o s i t i o n e rw o r k s t a t i o n k i n e m a t i c se q u a t i o n so fs y n c h r o n o u s w o r k s t a t i o no fr o b o t - p o s i t i o n e rs y s t e ma r es e ti nt e r m so f d e n a v i t h a r t e n b e r gm e t h o d a n dt r a n s f o r m a t i o no fc o o r d i n a t es y s t e m ，a n dt h eu n c o u p l e dk i n e m a t i c a lm o d e lo f r o b o t - p o s i t i o n e rs y s t e mi sa l s os t u d i e d t h e n ，w i t hr e g a r dt ot h er e q u i r e m e n to f r u n n i n gc o n t i n u i t yo fa n g l ed i s p l a c e m e n t so fr o b o tj o i n t s ，t h ek i n e m a t i c se q u a t i o n s a b o u tw e l d i n gr o b o ta n dp o s i t i o n e rs y s t e ma r es o l v e db yt h em e t h o do fi n v e r s e t r a n s f o r m a t i o n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h eg e n e r a ls c h e m eo fk i n e m a t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o na b o u ta r c w e l d i n gr o b o t p o s i t i o n e rw o r k s t a t i o ni s s t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e d e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e s sa n a l y s i s ，w h o l es t r u c t u r e sa n a l y s i sa n dd a t as t r u c t u r e s a n a l y s i se t c f i n a l l y , t h r e ek i n d so ft y p i c a lw e l d i n g - l i n e ，i n c l u d i n gb e e l i n e w e l d i n g - l i n e ，p l a n ec u r v ew e l d i n g l i n ea n ds p a t i a lc u r v ew e l d i n g l i n e ，a r es i m u l a t e d s u c c e s s f u l l yb yu s i n gt h em o d u l e so fr o b o tm o d e l i n g ，d e f i n i t i o na n dp i c k i n g u po f w e l d i n g l i n e t h es i m u l a t i v er e s u l ts h o w st h ea b o v ew o r kw i l lg i v eag o o d g r o u n d w o r kf o rt h en e x tr e s e a r c ho fo f f - l i n ep r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：a r c w e l d i n gr o b o tw o r k s t a t i o n ，k i n e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ，k i n e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，o f f - l i n ep r o g r a m m i n g 第一帝绪论 第一章绪论 机器人的诞生和机器人学的建立是2 0 世纪人类科学技术的重大成就，是计算机科 学、控制论科学、机构学、信息学、传感技术、人工智能、仿生学等众多学科综合的结 果，是科学技术向现实生产力转化的里程碑式的产物，具有跨时代的意义。自从2 0 世 纪5 0 年代以来，机器人已经历了三代。第一代机器人只能算作一种自动化设备；第二 代机器人具有一定的触觉、视觉和听觉功能。机器人发展到现在已经进入了第三代即智 能机器人时代。机器人因其卓越的性能而旱已在许多国家产业化，机器人的这些性能主 要体现在两点。一、通用性：通用性是指机器人执行不同的功能和完成多种简单任务的 实际能力。机器人因其特殊的连杆结构而具有较高的通用性。二、适应性：适应性是指 机器人对环境的自适应能力，即机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务 执行过程中所发生的没有设计到的环境变化。这一能力要求机器人能够认识环境、识别 环境，而可编程技术赋予了机器人这种能力。总之一句话，机器人因为其可编程性而具 有了人的某方面的柔性的能力，从而具有一定的智能。 目前，工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、 工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、搬运、装配、加工、喷 漆、码垛等的作业。据统计，全世界已有1 0 0 多万台机器人投入使用，其中用于焊接作 业的机器人占全部机器人的4 5 以上| l “。机器人技术已成为世界各国竞相发展的高新 技术，其发展已成为衡量一个国家技术水平发展程度的重要指标之一。 焊接机器人是机器人家族中的主力军，能在恶劣的环境下连续工作并能提供稳定的 焊接质量不但提高了工作效率而且减轻了工人的劳动强度，降低了生产成本，是若干 年以来人类千方百计追求的目标。日本早在7 0 年代就已经将点焊机器人引进生产线， 弧焊机器人由于较点焊机器人复杂，其投入生产的进程晚了些。进入8 0 年代，弧焊机 器人的使用开始有了明显的增加。目前。点焊机器人仍主要用在汽车行业，丽弧焊机器 人已在汽车、船舶、铁路车辆、锅炉容器、金属制造、建筑机械、家用电器等行业获得 了广泛的应用，对降低成本，提高质量起到了重大的促进作用。 1 1 机器人弧焊的特点 机器人技术在焊接自动化过程中扮演了重要的角色，不仅减轻了工人的劳动强度， 而且提高了焊接效率、焊接质量和焊接稳定性，受到广泛重视。目前弧焊机器人大多以 示教或编程控制方式工作，其特点是： 1 ) 与一般自动焊接设备相比具有柔性，可通过编程用于不同任务： 姐焊机器人运动学舭划及机器人变位4 , jl 的运动仿真 2 ) 运动轨迹已知，由示教、编程决定： 3 ) 严格按照规定的运动参数施焊，控制精度高，稳定性好： 4 1 在工作情况已知的条件下焊接质量比手工焊接高； 5 ) 不能处理与程序描述不相符合的例外情况。 在配有传感器时，机器人可以表现出一定的智能，如自动跟踪焊缝、对电参数进行 自适应调节，但智能水平与人相差甚远。在传感方面人与机器人各有优势，如人可以综 合各方面的信息判断出机器尚无法得到的结果，但是机器人也可以监测出人不能感知的 内容。例如采用近距离弧区视觉传感技术可以使人不能分辨的熔池状况反映出来。人在 定量测量方面则不如机器。随着传感技术的进步，机器的传感能力越来越强。在运动执 行方面机器人占有很大的优势，它没有疲劳问题，也不像人受情绪等因素干扰。可以高 精度定量控制，因此焊接质量稳定性高，质量好【3 】。 1 2 弧焊机器人离线编程及其意义 焊接机器人作为一种智能化和自动化设备，其智能程度和自动化程度在很大程度上 取决于程序的编制。也就是说：机器人系统的编程能力极大地决定了具体机器人实用功 能的适应性、灵活性和智能程度。新一代机器人的进展至少部分是由于开发了新的软件 和发挥控制潜力的结果。机器人的工作能力基本上是由软件系统决定的。智能机器人的 研究与开发，就是机器人硬件、软件和智能有机结合的结果。 到目前为止，机器人编程主要有两类：一类是示教编程；另类是离线编程。其中 示教编程又分为两种：手把手示教，就是当机器人处于零力控制状态下，操作人员牵 引机器人末端焊枪对工件施焊，机器人适时记录整个示教轨迹及各种焊接工艺参数后， 机器人根据这些在线参数就能准确再现这一焊接过程；示教盒示教，其可以分三步： 第一步使用示教盒根据任务的需要把机器人的终端送到所需要的方位上去，然后把每一 位置的姿态存储起来。第二步编辑并再现示教过的动作。第三步如果示教正确，机器人 可重复运行示教的过程。示教编程的优点是不需要预备知识和复杂的计算装置，只需要 一个相对较小的存储空间纪录位姿信息，很容易掌握。示教编程很难规划复杂的运动轨 迹以及接受传感器的反馈信息，而且随着机器人应用到中、小批量生产，以及所完成任 务复杂程度的增加，用示教方式就很难满足要求。另一方面，在线示教效率低、劳动强 度大，同时占用了大量的生产线工作时间，降低了生产效率。 离线编程是指利用计算机图形学的成果，建立机器人及其工作的虚拟环境，利用一 些规划算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下对焊接过程进行规划和仿真。与 在线示教编程相比，离线编程系统具有如下优点： 1 ) 机器人不占用工作时间，当对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产线上 2 第一章耋荷论 工作： 2 ) 使编程者远离危险的工作环境； 3 1 适用范围广，离线编程系统可以对各种机器人进行编程； 4 ) 便于和c a d c a m 系统结合，做到c a d c a m r o b o t i c s 一体化； 5 ) 可对复杂任务进行编程和计算机仿真； 6 ) 便于修改机器人程序，从而满足中小批量的生产要求： 7 1 减小编程的劳动强度，提高工作效率。 离线编程技术不仅改善了劳动环境、减轻了劳动强度、提高了效率，还可以对编程 结果进行三维图形动画仿真以检验编程的正确性，提供最佳的执行代码，从而保证了 焊接产品的高质量。 1 3 机器人离线编程的研究现状 1 3 。l 国外的研究状况 国外早在7 0 年代末就开始了机器人离线规划和编程系统的研究，早期的离线编程 系统有i p a 程序、s a m m i e 软件包和g r a s p 系统等。通常一个完整的离线编程系统需 要满足以下功能：交互式的机器人系统c a d 建模环境：运动学、动力学方程的自 动生成；交互式的任务规划、编程及调试环境；碰撞检测；对传感器的仿真。但 是目前的许多应用系统往往不同时具有以上功能。h o m i c k 等研制的计算机辅助离线规 划和编程系统s t a r 能对机器人进行运动规划，任务描述和图形仿真h r 。但它对几何 模型的任何修改不是直接的，只能通过修改描述机器人和环境物几何模型的输入语言来 实现。s p e e d 报道了c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司研制的工业机器人离线编程系统，虽具有强 大的造型功能，不过它仍存在着些不足：没有提供高层的编程语言，无碰撞检测功能 和无法实现自动编程1 1 0 】。b u c h a l 等在s i l i c o n 图形工作站上开发的焊接机器人离线编程 系统a u t o w e l d 具有对凸体的碰撞检测和无碰路径规划的功能，能对机器人焊接工 作站进行自动编程。不过，对凹体的碰撞检测和无碰撞路径规划仍然有局限性1 1 ”。随着 传感器在机器人作业中起着越来越重要的作用，对传感器的仿真已成为离线编程系统必 不可少的一部分。c h e n 等对传感器驱动机器人系统的动画仿真进行了研究，建立了多 种传感器的仿真模型，包括接近觉传感器、p o i n t l a s e r r a n g e 传感器、l a s e r r a n g e d e p t h i m a g e r y 传感器和视觉传感器，实现了基于传感器的离线自动编程，大大提高了离线编程的效率， 增加了程序的可靠性和安全性f f “。离线编程系统从实验室开发出来后，并不能直接应用 于具体的工业机器人以完成作业任务，还必须解决软件的实用化问题，包括：机器人建 模，机器人对环境的不确定性抽取，传感器的建模及仿真等。 根据机器人离线编程系统的开发和应用情况，可将其分为三类：商品化通用系统、 河海大学坝，【学位论文弧焊机器人运动学规划，；5 乏机器人变位机的运动仿真 企业专用系统和大学研究系统。目前，商品化通用系统有：i g r i p 、w o r k p a c e 和r o b c a d 等，这些软件价格昂贵，多达数万美元。企业专用系统有：德国n i s 公司的r o b o p l a n 、 日本松下公司的d t p s i i 和日本n k k 公司的n e w b r i s t l a n 等。大学研究系统有： l o u g h b o m u g h 大学的w r a p s 和p o i t i e r s 大学的s m a r 等 1 3 - 1 4 1 ，表1 1 为国外主要机器 人离线编程和仿真系统。 表1 1 国外主要机器人离线编程与仿真系统 软件包开发公司或研究机构 r o b e x a n c h e n ，g e r m a n y g e o m a p t 0 k y o j a p a n g r a s p u n i v e r s i t yo f n o t t i n g h a m ，u k p l a c em c a u t om a n u f a c t u r i n g ，u s a r o b o v s l mc a l m ac o r p ，u s a r o b o g r a p h i x c o m p u t e rv i s i o nc o r p 。，u s a a u t o m o da n da u t 0 g r a ma u t os i m u l a t i o ni n c ，u s a i g r i p d e n e bi n c ，u s a r c o d e s r i u s a r o f a c es c i e n c em a n a g e m e n tc o r p ，u s a x p r o b ei b mr e s e a r c hc e n t e r , u s a r o b c a d t e c n o m a t r i xc o r p ，u s a r o b o c e l lm c m a s t e ru n i v e r s i t y , c a n a d a r o s ik a r i s r u b eu n i v e r s i t y , g e r m a n c i m s t a t i o ns i l m ai n c ，u s a w o r k s p a c e r o b o ts i m u l a t i o n si t i c ，u s a s m a r u n i v e r s i t yd ep o i t i e r s ，f r a n c e 由以上分析可知国外机器人的离线编程研究在总体方面较为成熟，尤其是传感器在 机器人作业中的应用。需要进一步改善的是：多传感器的融合技术建模与仿真，实现多 传感器的通讯，执行基于多传感器的操作：另一方面，其仅有的商品化通用系统的高昂 价格仍难于为国内用户所接受。 1 3 2 国内的研究状况 国内自2 0 世纪8 0 年代末开始离线编程的研究，目前可分为4 个级别：关节级、操 作级、对象级和任务级。关节级是最低级的，它用驱动各单个编码器的控制命令描述作 业任务，不直观。使用起来也不方便，而且不能方便地进行出错检查。第二级别的是操 作级，它在笛卡尔坐标空间而不是在关节空间控制机器人的位置和运动，比较直观。这 两个级别的语言属于显式编程语言，它不包含任何真实世界中的对象模型，不具有推理 能力，比较抽象，不易于后继对各个内部和外部系统的进一步集成，比如c a d 系统、 碰撞干涉模块、仿真模块等。对象级是更高一级的机器人编程，关于现实世界中对象的 知识在这里得到了体现，因为并不总是需要完整的对象模型，这种知t 的体现可以是部 分的。框( f r a m e ) 是用来描述对象的最初的也是最基本的手段。可以用相对框 ( r e l a t i v e f r a m e ) 的概念建立个机器人离线编程系统的层次结构化几何数据库，其具有 多方面的优点，能够实行基于框变量的推理，但是不能进行空间几何推理。为此，对象 的建模不仅使用了框变量同时也给出了被操作对象的几何形状信息。但仅有被操作物体 的以上信息并不足以使它自动地由初始状态向目标状态转化，因为它能够进行的几何推 理是相对于被操作对象而言的，只能在局部区域中进行，编程者仍需给出运动序列。不 过这一序列要比前两个级别的语言短得多，因为局部的几何推理功能能够使这种语言从 对象模型推导出一定的动作来。任务级语言能够理解与执行所描述的任务，从所给出 的作业任务的初始状态和终了状态，自动地规划机器人的运动，生成一组动作序列指令， 并把它转变成机器人操作级语言程序，这一级别是我们的追求目标。任务级智能化离线 编程系统涉及到计算机图形学、焊接工艺智能决策专家系统、机器人路径优化、无碰撞 路径优化、仿真技术等。近些年，清华大学、华中理工大学、沈阳自动化所、哈尔滨工 业大学和北京工业大学等多家单位做了大量的离线编程工作，但多数是针对装配、搬运 等用途的机器人【”j ，针对弧焊机器人工作站的离线编程系统相对较少。 在机器人离线编程中，机器人运动学规划是其重要组成部分。目前针对机器人运动 学规划的研究可以分为两类：一类是不考虑机器人和变位机的祸合；另一类是考虑机器 人和变位机的耦合，即同步工作站问题。前者，由于没有考虑耦合，一般仅用于简单焊 缝的焊接，其求解过程也相对简单：在对复杂焊缝进行跟踪焊接时，由于变位机和机器 人之间存在着很强的耦合关系，如何实现运动中两者的协调和解耦就变得非常重要。文 n 1 6 1 研究了机器人纂座与焊接路径之间的相对位置对焊接过程的影响，并对焊接路径 进行了规划，但它并没有解决焊接复杂焊缝时变位机和机器人之间的跟踪和协调关系； 文献 1 7 1 针对大型圆筒型工件的焊接，研究了多个3 自由度机器人之间的协调关系，但 对于复杂的空间焊缝此种方法并不适用。 当前，针对冗余机器人运动学规划中的逆运动学求解问题，算法主要有两类：基于 神经网络的方法和基于遗传算法的方法。这两种方法都是通过迭代，然后判断其收敛速 度，最终给出其局部或全局最优解。由于在迭代过程中消耗掉大量的机时，其效率相对 较低。文献 3 0 1 中综合考虑了运动平稳性、焊接位置对焊接质量和效率的影响、焊枪位 姿对焊接质量的影响及机器入和变位机关节位置等因数，并采用遗传模拟退火算法对弧 焊机器人系统协调路径规划进行了研究。由于遗传模拟退火算法是一种随机搜索迭代算 法，计算效率相对较低。在实验中，当焊缝被分成3 6 等份时，对焊缝进行协调路径规 划用时2 0 0 s ，当焊点增加时效率将更低。文献【3 1 用神经网络方法进行机器人逆运动学 求解，由于采用局部逼近方法，效率同样较低。 国内焊接机器人离线编程的研究尚处于研究阶段，各种规划算法的研究有待发展， 蚵海大学顺 学位论文 弧焊机器人运动学规划发机器人变位机的运动仿真 包括机器人的运动学规划、路径规划与优化和细微运动规划等；规划一方面要考虑到环 境的复杂性、不确定性，另一方面又要充分注意计算的复杂性，还要考虑焊接工艺智能 专家系统的同步发展等。 1 4 本课题的意义和研究内容 1 4 1 弧焊机器人运动学规划研究的意义 运动学规划包括机器人变位机系统的运动学耦合分析、解耦与计算建模和轨迹规 划，是整个离线编程系统的基础，是对焊接位置和焊枪的空间姿态进行准确控制、定位 和对焊缝正确跟踪的保证，其解决的好坏直接决定了焊接过程的效率和焊接质量。 机器人弧焊过程的计算机仿真是弧焊机器人离线编程系统必不可少的组成部分，对 检验编程代码的正确性和可靠性有重要的作用。 本文正是针对机器人弧焊过程中这两个重要问题，并结合k r 3 5 0 2 机器人工作站 展开了深入的研究。 1 4 2 本文的研究目标 本文的研究目标可以分为两个：一、实现同步工作站中机器人和变位机的运动协调 和解耦，同时给出具体的运动学规划方法；二、以a u t o c a d 2 0 0 0 作为机器人和工件的 建模工具和软件开发的应用支撑平台，在v c + + 6 0 平台上结合o b j e c t a r x 2 0 0 0 开发系 统的运动规划及仿真原型程序。 1 4 3 本文的研究内容 由于机器人离线编程系统涉及计算机图形学、软件技术、数据结构、焊接工艺、机 器人技术等各个领域，是多学科、多领域知识的综合和集成，工作量很大。针对目前国 内的研究现状和本实验室己有的研究基础，本文主要针对k r 3 5 0 2 型弧焊机器人和r p 2 型变位机组成的同步工作站进行了以下研究： 1 焊接机器人工作站坐标系统的建立及其坐标变换。坐标系的建立是进行机器人 运动学分析的基础，它直接关系到运动学求解的难易程度。 2 确立机器人和变位机的耦合关系，建立系统的运动协调方程。焊接过程中，机 器人和变位机构成同步工作站，其间存在很强的耦合关系。本文通过机构运动学分析确 立了其耦合关系，并在此基础上建立了机器人变位机系统的运动耦合方程。 3 机器人和变位机运动协调关系的解耦。通常，焊接空间焊缝时机器人只需要6 个自由度，而机器人和变位机组成的同步工作站却有8 个自由度，显然此系统是冗余的： 第一章结论 而冗余机器人的求解是一个比较复杂的问题，必须根据具体的应用要求和约束条件构造 问题的求解模型，并通过一定的算法得到满意解。本文通过船形焊约束、机构运动学分 析和对机器人变位机的功能进行划分，成功实现了两者的解耦。 4 求机器人和变位机的逆解。求逆解是运动学规划中重要的一步。求逆解的方法 如何直接关系到焊接时的工作效率。本文通过反变换方法成功地给出了机器人和变位机 的封闭解。 5 运动学规划及其仿真原型系统的丌发。 1 5 论文组织结构 论文由以下几个部分组成 第一章绪论 主要介绍机器人的发展状况，焊接机器人离线编程的意义、国内外发展现状， 弧焊机器人运动学规划的重要性及其研究现状，本文的研究目标和研究内容。 第二章焊缝位姿与焊枪位姿模型的分析与表达 分析了焊缝位姿和焊枪位姿与焊缝类型、焊接质量的关系，研究了焊缝位姿和 焊枪位姿的构造方法和空间表达，为焊缝、焊枪位姿参数的运动学规划奠定了基础。 第三章弧焊机器人工作站协调运动方程的建立 给出了k r 3 5 0 2 机器人工作站坐标系的建立方法，同时建立了工作站的协调 运动方程，为机器人工作站的解耦奠定了基础。 第四章曲线焊缝焊接过程机器人工作站的运动协调及解耦 通过采用船形焊约束以及机构运动分解和合成的方法，解决了变位机和机器人 的运动协调和解耦问题，为k r 3 5 0 2 机器人工作站的运动学规戈打下了基础。 第五章机器人工作站系统的运动规划研究 在第四章k r 3 5 0 2 机器人工作站协调运动解耦的基础上，用反变换方法给出 了变位机和机器人的逆解求解；同时根据运动平稳性，建立了它们的运动评价函数， 从而确定了工作站的解。 第六章k r 3 5 0 2 机器人工作站运动学规划及仿真系统的原型实现 针对空间复杂曲线焊缝，开发了k r 3 5 0 2 型机器人和r p 2 型旋转 顷斜变位机 组成的同步工作平台的运动学规划及仿真系统，并针对三种焊缝的焊接过程进行了 计算机模拟。 第七章论文总结 总结本课题的研究工作，提出课题中需要改进的方面和进一步研究的设想。 河海大学硕士学位论文 弧焊机器人运动学规划投机器人变位机的运动仿真 1 6 本章小结 介绍了焊接机器人的发展状况；焊接机器人离线编程的意义和国内外的发展现状： 运动学规划在离线编程中的地位、现实意义和研究现状，以及在此基础上提出了本课题 的研究目标和研究内容。 第二章焊缝位姿。7 焊枪位姿模型的分析与表达 第二章焊缝位姿与焊枪位姿模型的分析与表达 在弧焊机器人运动学规划中，焊缝和焊枪在空间的位姿不但影响到焊接质量，同时 也影响到焊接工艺的制定和焊接效率的提高。在机器人离线编程系统中，对焊缝和焊枪 的空间位姿进行定量描述是一项相当基础性的工作，对焊接任务的自动规划和机器人运 动分析具有重要的影响。本章分析了焊缝位姿和焊枪位姿对焊接质量的影响，以及它们 的定义和空间坐标系表示方法，该方法定量描述了两者位姿在空间的表达，为进一步的 弧焊机器人运动学舰划研究打下了基础。 2 1 焊缝位姿对焊接质量的影响 根据焊件焊缝所处的空间位姿，机器人焊接可以分为平焊、立焊、横焊和仰焊，不 同焊接方法形成焊缝的质量不同。 2 1 1 平焊特点 平焊是在水平面上进行焊接的一种操作方法，具有以下特点： 1 ) 焊接时熔滴金属主要靠自重自然过渡。 2 ) 熔池金属和熔池形状容易保持。 3 ) 可用较大电流进行焊接，生产效率较高。 4 ) 熔渣和铁水容易出现混在一起分不清的现象，或熔渣超前形成夹渣。 5 ) 在要求单面焊双面成形时，打底层容易产生透度不均，背面成形不良等现象。 2 1 2 立焊特点 立焊是在垂直方向进行焊接的一种操作方法，具有以下特点： 1 ) 铁水和熔渣因自重下坠，容易分离。但熔池温度过高时，铁水容易下流形成焊 瘤。 2 ) 容易掌握焊透情况。 3 ) 表面容易咬边，不宣焊得平整。 4 ) t 形接头立焊，焊缝根部易产生未焊透。 2 1 3 横焊特点 横焊是在垂直面上焊接水平焊缝的一种操作方法具有以下特点 1 ) 铁水因自重容易下坠至坡口上，形成未熔合和层间夹渣。 2 ) 铁水与熔渣易分清，略似立焊。 9 l 】海人学顺：j ：学位论文 弧焊机器人运动学规划及帆器人变位机的运动仿真 3 ) 采用多层多道焊能容易地防止铁水下坠，但外观不整齐。 2 1 4 仰焊特点 仰焊是焊缝位于燃烧电弧上方，焊工在仰视位置进行焊接，仰焊劳动强度大，是最 难焊接的一种焊接位置。它具有以下特点： 1 ) 铁水因自重易下坠滴落不宜控制熔池形状和大小，故容易出现未焊透、凹陷 现象。 2 ) 清渣困难，有时易产生层间夹渣。 3 ) 焊接困难，焊缝外观不如平焊整齐。 焊接时，焊缝姿态的选择是决定获得良好焊接质量和焊接工艺实现难易程度的关 键。根据经验和以上4 种焊接方法进行对比，可以看出熔化焊过程中，使焊缝各个焊点 的熔池始终处于水平或稍微下坡状态即焊缝处于平焊或船形焊位置最有利于保证焊接 质量，焊缝外观最平滑、最美观，焊缝偏离平焊位置越多，保证焊接质量就越困难，在 仰焊位置最难获得优质焊缝。 为了对焊缝的空间位姿进行定量描述，下面给出了描述焊缝位姿的坐标系的定义及 其空间表达。 2 ，2 焊缝位姿的定义与表达 焊缝的位姿包含焊缝当前焊点的位置和姿态两方面的含义，焊缝位置指焊缝当前焊 点在三维空间中所处的位置的三维坐标；焊缝姿态是指与当前焊点所固连坐标系的指 向。为了完整描述三维空间中的刚体的位姿，需要6 个自由度来定义。 2 2 1 焊缝坐标系的定义 为了对空问位姿进行定量描述，通常的做法是将刚体与参考坐标系固连，通过描述 坐标系在空间中的位置和姿态而实现对刚体的描述，如图2 1 所示。为了描述焊缝在空 闯中的位置和姿态，下面给出焊缝坐标系的定义。 对于角焊缝，建立如图2 1 所示的世界坐标系和焊缝坐标系如下： 世界坐标系6 0 r w y w z w ：建立在机器入基座上，昂轴铅直向上与重力力日速度方向相 反。 焊缝坐标系0 矗嘞y z 彬：以焊缝上当前焊点为原点，哳轴沿着焊缝切线指向焊接 方向，2 轴与工件表面法线之间的夹角为妒，与x 肼轴垂直，妒由焊接工艺参数确定； y 。根据右手定则确定e 焊缝坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵嚣丁具有下面的形式： 1 0 第二章焊缝位姿峙焊枪位姿模型的分析与表达 轷 紫” 其中，z 尺是焊缝坐标系在世界坐标系中的方位矩阵 世界坐标系中的位置矢量。 ( 2 1 ) ”，是焊缝坐标系原点在 了圆 一 y w 图2 1 世界坐标系与焊缝坐标系 2 2 2 船形焊位置的坐标系表示 为了易于焊接工艺的实现和保证焊缝的质量，在机器人焊接过程中一般要求焊缝位 置处于平焊或船形焊位置。为了对平焊或船形焊的位姿进行定量描述，下面对平焊或船 形焊位置的坐标系表示进行进一步的讨论。如图2 2 所示是一般焊缝位姿和船形焊位姿 的关系及其坐标系表示。其中图2 2 中a ) 为一般焊缝的位置和姿态；b ) 为经变位机变换 后的船形焊位置和姿态。 图2 2 中g 代表重力加速度方向，船形焊缝坐标系的z 。轴铅直向上并与重力加速 度的方向相反。平焊或船形焊坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵驷为： ，r 。| 支等群”“p 器、 倒1 l 01 j ( 2 3 ) ￥r ，m 人学f 卿l 学位论立瓶焊机器人运动学舭划及机器人变位机的运动仿真 a ) 一般焊缝b ) 船彤焊缝 图2 2 一般焊缝位姿和船形焊位姿的关系 其中： 瞰b o ；b “0 n ：w r “= f ”，b 。，b “o k b o a t 。：b “1 j f ”韶2 ip ，b o a l p ；“j ( 2 4 ) ( 2 5 ) 矩阵彤r 6 “和瞄b o a t 中的未知变量“、b e , a 1 、”：、o 夕、口；定、p ，b o “、 卫b “都可通过求解变位机的运动学方程而求得。 通过以上的分析可知，船形焊的位姿矩阵通常是机器人变位机运动规划的目标矩 阵之一。 2 3 焊枪位姿的定义与表达 焊枪位姿是指焊枪坐标系相对于焊缝坐标系的位姿，包含位置和姿态两个方面。焊 接过程中，焊枪的位姿同样对焊接质量产生重要影响。良好的空间姿态可以控制住铁水 与熔渣，使其很好分离，防止熔渣的超前现象和控制一定的熔深，使熔池成半圆形。由 于焊接电弧是个回转体，通常确定焊枪姿态的3 个独立变量中只有2 个( 焊枪的工作角口 和行走角口) 会影响到焊接质量，而焊枪自转角y 不予考虑。弧焊机器人运动学规划中 由于涉及到传感器的作用，因此此处考虑到了焊枪自转角y 的影响。 2 3 1 焊枪位姿的坐标系表示 为了说明焊枪在空间中的位置和姿态，在此给出焊枪姿态的定义如图2 3 所示。为 了对焊枪在空间中的位置和姿态进行定量表达，对相关的坐标系和参数描述如下： 1 2 竺三要生鐾些兰：! 堑丝些鉴堡型塑竺塑! ! 查竺 焊缝坐标系：符号为x 州，锄z 。：用于表达焊缝在空间的定量表示，具体定义见 2 2 ，l 中焊缝坐标系的描述： 焊枪坐标系：符号为0 m x 帅y m q z ，原点o n q 位于从导电嘴底端中心点沿其轴线向 外移动l o 处，。是起弧前焊丝从导电嘴伸出的长度，z i t q 轴与焊枪轴线重合，方向从焊 缝指向焊枪方向，y 曲轴的方向为2 蜥叉乘哳的方向，的方向由右手定则确定。 焊枪工作角：符号为口，从焊缝坐标系的。聊轴到焊枪轴线在焊缝法平面y w d 。= 。 上的投影绕焊缝坐标系的嘞轴所转过的角。 焊枪行走角：符号为，从焊枪轴线在焊缝法平面蜥上的投影到焊枪轴线 绕焊缝坐标系的轴所转过的角。 焊枪自转角：符号为，焊枪绕z 。轴旋转的角度。 图2 3 焊缝坐标系与焊枪坐标系 2 3 2 焊枪位姿的矩阵表达 焊枪坐标系在世界坐标系中的位姿矩阵兰7 具有下面的形式： 纷 紫”矧 其中： n h q o ：q a h q - 出r = l ”夕o y 脚日夕f n o n ( 2 6 ) ( 2 7 ) 瓶焊机器人运动学规划及机器人变位机的运动仿真 i i ”。，= i 矽i( 2 f 8 ) j 矿j 式( 2 6 ) 综合表达了焊枪的空间位置和姿态。z r 的各元素分别是焊枪坐标系 x 蛳y 均z 椭的各坐标轴在世界坐标系中的方向余弦。，中的各元素分别是焊枪坐标 系的原点在世界坐标系中的位置分量。 根据坐标系的定义，焊枪坐标系可以由焊缝坐标系经过旋转和平移变换得到，变 换次序为：由焊缝坐标系绕嘞轴转过a 角。绕y 坷轴转过尸角。绕z 。轴转过，角。 平移到与焊枪坐标系重合的位置。基于上面的分析，可以得出机器人运动学规划中当 焊缝处于船形焊缝位置时，焊枪相对于世界坐标系的位姿矩阵和焊缝相对于世界坐标系 的位姿矩阵的关系式( 2 9 ) 。 置7 1 = 等r “z 7 1 ( 2 9 ) 其中： 篇丁= t r a n s ( 毋) r o t ( y , f 1 ) r o t ( x ，口) r o t ( z ，y )( 2 1 0 ) 式中篇r 为焊枪坐标系相对于焊缝坐标系的位姿矩阵，t r a n s 代表平移算子： 乓。是焊枪坐标系原点在焊缝坐标系中的位置矢量，r o t 代表旋转算子。 2 4 本章小结 综上所述，本章建立了焊缝位姿和焊枪位姿的几何模型，分析了焊缝位姿和焊枪位 姿与焊缝类型、焊接质量的关系。研究了焊缝位姿和焊枪位姿的构造方法和空间表达， 为焊缝、焊枪位姿参数的运动学规划奠定了基础。 第三章弧焊机_ ； 人工作站幼- 谢运动方程的建立 第三章弧焊机器人工作站协调运动方程的建立 k r 3 5 0 2 机器人工作站是由k r 3 5 0 2 机器人和r p 2 型旋转倾斜变位机组成的闭式 运动链。焊接过程中由于焊接工艺的要求，两者的运动存在很强的耦合关系。如何实现 两者的运动协调是弧焊机器人运动学规划的基础。本章通过机构坐标变换建立了系统的 运动协调方程，解决了工作站的运动协调问题，为机器人工作站的解耦奠定了基础。 3 1k r 3 5 0 2 机器人工作站简介 k r 3 5 0 2 机器人工作站如图3 1 所示，由k r 3 5 0 2 型机器人系统、r p 2 型旋转倾斜 变位机及其相关辅助硬件和软件构成。 图3 1k r 3 5 0 2 机器人工作站 3 1 1k r 3 5 0 2 机器人介绍 r o b o ts y s t e mk r 3 5 0 2 机器人系统如图3 2 所示，主要由k r 3 5 0 2 机器人、r c 控 制系统、k 5 型示教器等组成。 k r 3 5 0 2 型机器入是6 轴坚固铝合金铸造结构，可立式安装或吊装。其肘节式的设 计和控制柜的优越的性能使其具有非常好的重复耩度和快速反应速度。使其在具备很大 的工作范围的同时，能保证在难以实臆的位置达到最佳的焊接角度。 所有轴均采用交流伺服电机驱动，配备绝对编码器。重新启动无需校正。用于安装 焊枪的机械手腕关节轴采用中空式设计，可以极大的提高机器人的灵活性，同时避免了 焊枪电缆和机械手手臂的缠绕。此优良性能尤其适用窄小空间和曲线焊缝的焊接。偏置 弧焊釉l 器人运动学胤划及机器人变位机的运动仿真 式第6 轴设计，既能避免焊枪电缆与机械手本体的缠绕，保证焊接过程稳定；又能使第 六轴具有较大的旋转角度，提高机械手的灵活性。并配备焊枪碰撞传感器。机器人、控 制柜、外部轴控制和定位实现全数字化控制，通过 i n t e r b u s s 和h e d a 总线进行数据交换。其最大优点在 于数据输送不受任何干扰信号的影响( 此为与模拟信号 的最大区别之一) 。同时大大加快了数据处理速度，实 现更加精确的控制，标准控制柜可实现1 6 轴联动控制。 其工作范围及主要性能参数如下： 工作范围：最大工作范围直径：4 2 8 0 毫米 主要性能： 承重：1 5 公斤； 各轴机械闸无需手动按键释放，通过示教器即 可以很容易的进行重新启动： 机器人本体重量：2 2 0 公斤； 三相电源3 x3 8 0 v 1 0 ：5 0 h z ： 所需电力容量约为2 4 k v a ；图3 2k r 3 5 0 2 型机器人 2 6 轴“苗条”设计，更加适合内腔焊缝焊接； 重复定位精度：o 1 毫米； 机器人各轴的工作范围和最大工作速度见表3 1 。 表3 1k _ r 3 5 0 2 型机器人各轴转动范围及速度 轴号转动霸度最大速度 1 轴 + ，- 1 8 5 0 1 5 2 0 秒 2 轴 + 11 0 。4 0 。 1 5 2 0 秒 3 轴 + 6 0 。- 1 8 4 01 5 2 0 秒 4 轴 + - 3 5 0 02 8 4 0 秒 5 轴+ - 1 3 5 02 9 3 。吣 6 轴 + f - 3 s 铲6 0 4 0 ，秒 3 1 2r p 2 型旋倾工作台介绍 r p 2 型旋转，倾斜工作台如图3 3 所示，具备两个旋转被，每个轴可以分剐转动。此 工作台包括一坚固的机座和一带有面板的可倾斜支架。压缩空气和控制电缆从空心轴中 穿过。旋转和倾斜通过齿圈行星齿轮和配备数字编码器的交流电机驱动。倾斜轴采用 第三章弧焊机端人工作站协谢运动方程的建节 气动定位。通过示教器可以非常方便的进行编程，具备自动和手动两种操作模式，所有 电缆采用双端插座连接。标准通过最大电流5 0 0 a 。r p 2 型旋倾工作台技术参数如表3 2 所示。 图3 3r p 2 型旋转倾斜工作台 表3 ，2r p 2 型旋转倾斜工作台的技术参数 载荷 面板转速【每分钟】最大力矩 n m 种类驱动 直径 倾斜 【d a n r o t a t i n gt i l t i n g 转动轴 【m m 轴 r p 2 5 0 0 a ，1 ( d a 1 ) a c5 0 07 5 0o 一600 3 71 1 0 0 2 0 0 0 3 2k r 3 5 0 2 机器人系统中点和坐标系的表示 3 2 1 空间点的描述 对于选定的直角坐标系即) ，空间任一点p 的位置可用3 x 1 的列矢量。p 表示，即用 位置矢量 协目 表示。其中p 。、 参考坐标系 a 。 ( 3 1 ) p ，、尸：是点p 在坐标系埘) 中的三个分量a 。p 的上标a 代表选定的 3 2 2 空间姿态的描述 为了规定空间某剐体b 的姿态，另设直角坐标系 b ) 与此刚体固接。用坐标系 口) 的三个单位矢量肖。、玩、z 。相对于坐标系即) 的方向余弦组成的3 x 3 矩阵 w 海人学一研| 二学位论文 弧焊机器人运动学规划及机器人瞳位机的运动仿真 或 口a r = “y f 。z 口 扣暖到 ( 3 2 ) 来表示刚体b 相对于坐标系似) 的方位，。a r 称为旋转矩阵。上标爿代表参考坐标系口) 下标b 代表被描述的坐标系 b ) 。 下面给出三个旋转变换矩阵，它们是机器人运送学方程中用到的基本矩阵。坐标系 b 绕坐标系弘 的三条坐标轴轴、】，轴、z 轴分别旋转角度0 后而得到的矩阵。 1 00 1 觚咿l 慧；：别 扭叫鞠 纽叫：强- s i n o 司 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 3 2 3 空间位姿的描述 为了完整描述刚体b 在空间的位姿，需要规定它的位置和姿态。将物体口与参考坐 标系 b ) 固联以后，物体相对于参考系弘) 的位置可用描述坐标系 b ) 的原点相对于即) 的 位置的位黉矢量。p 。来描述，而方位可用旋转矩阵( 。a 尺) 来描述。因此，坐标系 口) 完全 由“p 。和：r 描述。即 b ； b a r ，4 尸 ( 3 6 ) 空间位姿的描述概括了刚体位置和方位的描述。当表示位置时，式( 3 6 ) 中的旋转矩阵 。a 矗= j ( 单位矩阵) ：当表示方位时。式( 3 6 ) 中的位置矢量。p 。= 口。 一般情形下，坐标系 研的原点与坐标系口) 的原点既不重合， 彤的方位与埘) 的方 位也不相同。用位置矢量饥d 描述 脚的