（机械设计及理论专业论文）导管架焊接接头空间轨迹规划研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、针对管道相贯接头的特点及焊接工艺的要求，进行t 、y 、k 型管道接头的自动焊接焊枪坐标系路径规划研究。在s o lid w o r k s 中 进行了规划结果的仿真。通过对管道接头的数学建模，提出了一种4 自由度移动式管道机器人方案，进行了运动学及逆运动学分析。并进 行机器人自动焊接仿真。 二、针对k 型管道接头的特点，提出k 型管道自动焊接的碰撞检 测及避障方案。采用该方法可在保证焊枪坐标系变化不大的基础上完 成机器人的无碰撞自动焊接。 摘要 本文针对海洋平台导管架建造中管接头焊接的特点，通过理论分析，建立机 焊枪坐标系路径规划数学模型，推导了机器人工作空间路径分布方程。在此 上利用s o l i d w o r k s 的二次开发软件进行焊枪坐标系路径规划仿真。 根据t 型接头的结构形式，采用支管角度投影离散的方法计算了t 型接头路 迹点分布数据。通过计算t 型接头相贯线上的路径点切线方向及t 型接头空 线法平面与支管、主管交线的切线方向，建立了t 型接头的路径规划数学模 建立了管道空间接头自动焊接机器人模型，采用三角几何法建立了机器人逆 运动学运算的数学模型，并用圆弧曲线插值的方法进行了焊枪等线速度移动情况 下机器人各关节角速度、角加速度的求解研究。通过建立中间坐标系u v w 对y 、 k 型接头路径及轨迹规划。根据k 型接头形式计算出了支管1 避障角和支管2 避 障角，有效的解决了k 型管道接头狭小工作空间的避障问题。 为验证该机器人方案可行性，在s o l i d w o r k s 的a p i 二次开发环境下编制了 机器人离线编程仿真程序。仿真结果表明该机器人方案可以满足k 型管道接头自 动焊接的要求，并可实现安全避障。 关键词：机器人焊枪路径规划管接头数学模型逆运动学避障问题 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o o r d i n a t ep a t hp l a n n i n gf o rr o b o t w e l d i n gt o r c hw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f w e l d i n gp i p ej o i n t sf o r t h em a n u f a c t u r i n gg u i d e - p i p ef r a m eu s e di no f f s h o r ep l a t f o r m t h em a t h e m a t i c a l e q u a t i o n sf o rc o o r d i n a t ep a t hp l a n n i n go fr o b o tw e l d i n gt o r c hw e r ed e d u c e da n dt h e n u m e r i c a lr e s u l t so fs p a c ep a t hp l a n n i n gw e r ea c q u i r e db yf u r t h e rd e v e l o p m e n to f s o l i d w o r k ss o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o no f t j o i n t ，t h ed i s t r i b u t i n gd a t ao f t j o i n tp a t h p o i n t sw a sc a l c u l a t e db yd i s c r e t em e t h o df o ra n g l ep r o j e c t i o n t h et a n g e n td i r e c t i o no f p a t hp o i n t so nt h etj o i n ti n t e r f a c el i n ea n dt h et a n g e n td i r e c t i o nf o rt j o i n ts p a t i a l c u r v en o r m a lp l a n ew i t hb r a n c ht u b ea n dm a i nt u b e si n t e r f a c el i n ew e r eb o t h d e t e r m i n e db yt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n ，m o r e o v e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft i o i n t p a t hp l a n n i n gw i l l se s t a b l i s h e d t h ea r i t h m e t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rr o b o tr e v e r s e k i n e m a t i c sw a sf o u n db yt r i a n g l eg e o m e t r y b ym e a n so f c i r c u l a ra r c c u r v e i n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，t h ea n g u l a rv e l o c i t ya n da n g u l a ra c c e l e r a t i o no f r o b o tj o i n t sw e r e c a l c u l a t e du n d e rt h ei d e n t i c a lm o v i n gs p e e df o rr o b o tw e l d i n g t o r c h ，a n dt h em o d e lo f a u t o m a t i cw e l d i n gr o b o tf o rs p a c ep i p ej o i n t sw a sb u i l t t h ep a t ha n dt r a c kp l a n n i n g w e r ec a r d e do u tb ye s t a b l i s h i n gm i d d l eu v w c o o r d i n a t e t h ea v o i d a n c ea n g l e so f b r a n c ht u b e1a n db r a n c ht u b e2w e r ec o m p u t e do nt h eb a s i so fy j o i n tc o n f i g u r a t i o n ， a n da v o i d a n c ep r o b l e mw a se f f e c t i v e l ys o l v e dw h i l ew e l d i n gt o r c ho p e r a t e di n i n c l i n i n gp o s i t i o n f i n a l l y , t h en u m e r i c a lr e s u l t so fa l lm a t h e m a t i c a lm o d e lw e r es i m u l a t e db ya p i f u r t h e rd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k ss o f t w a r ew i t hv b a p r o g r a m k e yw o r d s ：r o b o tw e l d i n gt o r c hp a t hp l a n n i n gt u b ej o i n tm a t h e m a t i c a l m o d e lr e v e r s ek i n e m a t i c sa v o i d a n c ep r o b l e m 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景及研究意义。l 1 2 焊接设备国内外发展现状与趋势1 1 3 机器人规划的基本概念2 1 4 离线编程系统的研究4 1 5 本课题研究的主要内容8 第二章t 型管道接头的路径规划数学建模9 2 1t 型接头空间轨迹数学理论模型的建立9 2 1 1 路径点的运算9 2 1 2 各路径点对应焊枪姿态的规划1 1 2 2t 型管道接头自动焊接路径规划程序编制16 2 3 本章小结l8 第三章管道空间接头自动焊接机器人建模1 9 3 1 海洋导管架平台移动式焊接机器人1 9 3 2t 型接头焊接机器人结构1 9 3 3 管道焊接机器人正运动学2 0 3 4 管道机器人逆运动学2 2 3 5 等线速度情况下的各关节角速度、角加速度2 5 3 6 本章小结2 9 第四章y 、k 型接头路径及轨迹规划3 l 4 1y 型接头路径点算法3 l 4 2y 型接头路径焊枪规划点算法3 2 4 3 y 型接头自动焊接仿真3 6 4 4y 型管道接头离线编程操作界面的编制3 7 4 5k 型管道接头的避障策略3 9 4 5 1 支管l 简避障角的计算3 9 4 5 2 支管2 简避障角的计算。4 l 4 6k 接头自动焊接规划及仿真。4 3 4 7 k 型管道接头离线编程操作界面的编制4 5 4 8 本章小结4 6 第五章结论”4 7 参考文献”4 9 在校期间发表论文和参加科研情况5 3 致谢5 5 度，具有十分重要的经济意义。 t 型、y 型、k 型管道接头是管道结构件安装工程中常见的组装形式。目前， 由于技术条件限制一般采用手工焊。虽然导管架桩管壁厚，口径大，焊缝金属填 充量大，但这些都属于规则焊缝，具备实现自动化的条件，再结合现有自动焊技 术开发应用的经验，就可以实现导管架桩管海上施工的自动化焊接。为将自动焊 技术引入t 型、y 型、k 型管道接头焊接工作中，需要首先针对导管架空间接头的 空间轨迹规划进行研究，以达到控制机器人进行自动焊接的目的。 1 2 焊接设备国内外发展现状与趋势 近年来，我国自动焊接装备制造行业的技术水平取得了很大的进步。焊接设 备的成套性、自动化程度以及制造精度和质量明显提高，应用范围也正在逐渐扩 大。但从先进技术应用的广度和深度、焊接自动化率、焊接机器人拥有量、大型 复杂焊接系统的自主开发能力、原创性科研成果数量、劳动生产率和生产管理水 平等方面看，我国还不是一个焊接强国。在每年举办的国际埃森焊接设备展览会 上，国内厂商的参展设备大多还是焊接电源、焊材及焊接辅机等低端产品，而国 外的参展产品大多是自动化程度很高的自动化装备。 1 天津工业大学硕士学位论文 随着我国制造业和基础建设的快速增长，我国对各类相贯曲线自动焊接装备 的需求越来越大。我国海上石油开采量迅猛增加，空间相贯曲线的自动焊接装备 在海洋工程上有广泛的市场前景。在造船、输油输气管道，以及国家石油天然气 储备建设等各行业，空间相贯曲线的自动焊接设备也有着非常迫切的需求。国内 目前相贯曲线焊缝的自动、半自动焊接主要有两种形式，一是采用通用的焊接机 器人，二是采用专用的基于机械靠模等曲线控制技术的自动半自动焊接专机。 这两种方式在焊接应用场合或轨迹控制精度上都受到一定的限制。而且对于像t 型，y 型，k 型这样复杂的空间曲线焊缝，一般还是采用手工的方式进行焊接。 国内也有某些单位利用机械凸轮仿形原理或利用p l c 控制技术开发复杂空间曲 线焊缝的自动焊接控制系统。但这些控制系统自动化水平比较低，在实际运行时 焊接效率低。有些单位从国外引进了一些设备，但这些设备价格非常昂贵，而且 多数设备出现故障无法修复，使我国引进的机器人中有4 5 以上不能很好地应用 于生产。因此开发基于数控技术的空间相贯曲线焊接技术是实现该类复杂曲线自 动焊接的迫切需求。 在工业发达国家，自动焊接设备的发展非常迅速，在欧洲、美国、日本、韩 国等国家都有相当规模、开发能力强的焊接设备生产企业。而且大多数焊接设备 均采用了最先进的自动控制系统、智能控制系统和网络控制系统等。当今世界自 动化焊接设备的发展趋势，可以概括为如下几个特点： ( 1 ) 高效的焊接方法 ( 2 ) 自适应全数字控制 ( 3 ) 智能化和焊接工艺参数的优化 ( 4 ) 管控一体化 ( 5 ) 柔性化 ( 6 ) 多功能集成 1 3 机器人规划的基本概念 轨迹规划是机器人控制问题的重要方面，是其完成指定作业的基础。这里的 任务既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作。机器 人轨迹规划是使机器人在规定时间内，按一定的速度及加速度，从初始状态移动 到目标状态。智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。对工业机器人 来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的，而且一般的工业机器 人也不具备力的反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功 能。 2 第一章绪论 轨迹规划的目的是将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹 描述。 机器人的工作过程是通过规划，将任务变为期望的运动和力，由控制环节根 据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和 力，从而完成期望的任务。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级 和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正。 r 用户接口 8 九大功能模块 描述机器人系 程序及编辑器 图形仿真和 统的数据结构 同固固 试验 、，一 离线编程系统 、少 通信接口 机器人及环境的几 苴 、 何信息 机器人控制器 机器人稃序的描述 。维几何造型 仿真和程序的试验 机器人系统的图形 轨迹规划 模型 传感器及碰撞检测 通信 、n 程序的修改和优化 f 厂n 图1 - 1 机器人控制系统框图 虽然工业机器人自身的定位精度很高，但作业精度是由机器人自身的定位精 度与作业对象的定位精度相配合才能得以实现。在实际工业应用中，由于工作环 境的限制，机器人的作业对象的定位并不高，这直接影响了机器人的最终作业精 度。同时由于机器人运动轨迹是先经过操作者示教编程确定后，再进行再现运行， 如此机器人的作业精度也会受到人为因素的影响，想要获得很高的加工精度对机 器人的操作者要求也非常高，所以对焊接机器人进行轨迹规划十分有必要。 机器人轨迹规划是在机械手运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛 卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。所谓轨迹是指机械手在运动 过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期 的运动轨迹。即对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述，实时计算出机器人 运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。 3 天津工业大学硕士学位论文 轨迹规划涉及3 个问题： 1 任务描述：对末端执行机构的运动路径和轨迹进行确定； 2 利用计算机语言描述所确定的轨迹； 3 实时计算，即根据位置、速度及加速度生成运动轨迹。 轨迹规划可以在关节空间中进行，也可以在直角坐标空间进行。在关节空间 中进行轨迹规划时，将关节变量表示为时间的函数。在直角坐标空间中进行轨迹 规划时，机器人末端执行器在直角坐标空间作某种定义的函数轨迹的规划，它将 机械手位姿、速度、加速度表示为时间的函数，而相应的关节位置、速度及加速 度由机械手信息导出。 轨迹规划方法一般是在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内 插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列“控制设定点。路径端点一般是在 笛卡儿坐标中给出的。如果需要某些位置的关节坐标，则可调用运动学逆问题求 解程序，进行必要的转换。 在给定的两端点之间，常有多条可能的轨迹。而轨迹控制就是控制机器人手 端沿着一定的目标轨迹运动。因此，目标轨迹的给定方法和如何控制机器人手臂 使之高精度地跟踪目标轨迹的方法是轨迹控制的两个主要内容。 1 4 离线编程系统的研究 在任务级的离线编程系统中，结合了自动编程技术，即采用任务级语言编程 的离线编程系统，允许使用者针对工作任务所要达到的目标直接下命令，而不需 要规定机器人的每一个动作细节，最终规划出一条运动的路径，并做到与周围任 何一个障碍物不发生碰撞。任务级离线编程系统最大限度地降低了编程者的劳动 强度，但任务级的程序必须转化为执行级程序执行。 机器人弧焊任务级离线编程的思想是由j a c o br u b i n o v i t z 和r i c h a r da w y s k 提出的。它是通过任务规划将用户任务转化成机器人级程序。任务规划可以解决 两方面的问题：一是焊接顺序，焊接顺序规划的目标是使焊缝之间的焊枪移动时 间最短，从而使焊接生产率最大化并控制热变形；二是从当前焊缝移到下条焊缝 的过程中焊枪应走什么样的路径，考虑碰撞如何避免。 针对于任务级弧焊机器人离线编程系统，日本大阪大学的前川仁等人也进行 了研究。研究针对5 或6 自由度弧焊机器人，解决了干涉检查与避免碰撞的问题。 但对于机器人和变位机协调情况还没有研究，也没有在实际焊接中应用。 英国l o u g h b o r o u g h 大学于8 0 年代末开发的w r a p s 系统是一个典型的焊接 机器人离线编程与专家控制系统。该系统主要由造型模块、编程模块、接口模块 4 第一章绪论 和专家控制模块组成。不但拥有离线编程功能，而且可以利用专家系统实时控制 机器人焊接过程。 美国的d a s s a u l ts y s t e m e s 公司推出的交互式机器人离线编程软件d e l m i a ， 可以用于机器人工作单元布置、仿真及离线编程工作。可完成多机器人工作单元 的建模和离线编程工作。利用i g r i p 可快速和图形化地构造各种应用工作单元 作业，如焊接、喷漆、搬运、打磨和装配等。该软件可以进行机器人的逆运动学 运算，具有奇异性分析功能，并具备机器人防撞和干涉检验功能。i g r i p 内置工 业上广泛使用的机器人库，可以建造各种复杂设备，完备的仿真能力在大大提高 程序精度的同时，空前降低了工程准备时间。该软件可以进行单机器人及多机器 人的离线编程仿真，以提高制造质量、精度和效益幢3 。 w o r k s p a c e 是r o b o ts i m u l a t i o n s 公司开发的第一个商品化的基于微机的机 器人仿真与离线编程软件。该软件最新版本采用了a c l s 作为建模核心，与一些 基于微机的c a d 系统如a u t o c a d 做到t * t l 好的数据交换口】。 以色列的c o m p u c r a t f 开发的离线编程软件- - r o b o t w o r k s 是一种集成到 s o l i d w o r k s 中的机器人模拟器，其最大的特点是价格低廉。主要用于在喷涂或 倒角等用途单独使用机器人的客户。由于与s o li d w o r k s 进行了集成，因此 r o b o t w o r k s 的界面为在s o l i d w o r k s 的画面中追加了专用对话框。制作机器人的 控制程序步骤非常简单，读入机器人模型和工作形态后，基本上只需4 个步骤即 可完成。首先，选择安装到机器人上的工具。然后选择工具的作业路径。在路径 中可以直接设定为s o l i d w o r k s 生成的线、面及曲线。之后，运行模拟器，将其 转换成机器人控制程序。运行模拟器时，可随时设置详细的条件。如果工具需要 通过设置在路径上的多个点来动作，那么就可以随意地设置点与点之间的间隔。 另外在喷涂工序使用的话，对于工作上设置的路径，还可以设置工具在什么方向， 移动多少距离，以多大的角度动作。在按照设置条件工作时，中途如果受到干扰， 还可以显示警告画面。此时可以手动调整机器人的位置。该模拟器可以生成日本 f a n u c 、安川电机、川崎重工业、瑞典a b b 、德国k u k a 及法国s t a u b l i 生产的机 器人程序。同时这6 家公司，分别备有其主要产品的机器人模型，可免费下载、 在模拟器中使用。 a b b 机器人公司开发的r o b o t s t u d i o 系统是基于w i n d o w s 操作系统的离线编 成软件，用户操作方便。这组软件与其他同类的软件相比操作起来更简单和快速， 对专业的背景知识要求不高。用户群不再局限于具有专业知识的技术工程师和软 件专家。复杂的虚拟机器人工作单元可以通过其向导自动生成。其特点主要有： 节省t g j 建机器人仿真单元的时间；借助向导五步就能创建3 d 的虚拟机器人工 作单元；仿真程序的自动生成；能自动计算工作空间的大小和工作周期；能预定 s 天津工业大学硕士学位论文 义机器人的工作路径；机器人运动的3 d 动态呈现以及图形化的工作效果分析。 这样使销售工程师在向客户介绍a b b 机器人产品及方案的时候更加形象、生动 和具体舢5 1 。 图1 2r o b o t s t u d i o 焊接机器人工作站 f a n u c 公司研究开发的弧焊机器人离线编程系统r o b o g u i d e ，具有f a n u c 公 司各种型号机器人的模型，此系统在w i n d o w s 环境下运行，大大的方便了用户 模型的输入。该机器人系统工具是为生产和维护机器人系统专门研发的。它既可 以用于办公室也可以用于工厂。包括四大模块：建模模块、布局模块、编程模块 和仿真模块。可以完成包括建模、布局、仿真，与控制柜数据传输等多种功能， 软件提供通用图形数据标准i g e s 和d x f 接口。可以和主流三维c a d 软件进行模 型转换。但此软件不具备自主路径规划功能。在其最新版本的软件中可以实现多 机器人的离线编程仿真。 ”oo7 p * ，# 6 功能。该系统任务级的功能较弱，适用的工作单元也比较少，算法只适用某九自 由度弧焊机器人系统，并且只有在任务级语言转换为执行级程序时才能进行编 辑，使用不方便n 4 。1 7 1 。 北京工业大学在s o l i d e d g e 平台上进行二次开发，研制了一套离线编程系统， 此系统可以完成对m o t o m a ns k 一6 焊接机器人的运动仿真，碰撞检测，离线示教 和程序下载功能。实验表明此离线编程系统可以很好用于仿真焊接机器人对马鞍 型焊缝工件的焊接工作n 蝴1 。 南京理工大学研制的w r o b c a m 解决了a u t o c a d 局限性大，功能写弓等问题，其 在自主开发三维造型与仿真系统基础上兼容了p a r a s o l i d 内核的三维图形。该系 统可以导入u g 或s o l i d e d g e 中绘制的工件模型。并建立了机器人正、逆运动学 方程：提供了计算机辅助焊接工艺规划。实现了焊缝特征自动识别、弧焊机器人 路径( 含姿态) 规划与轨迹规划。可以较完备的满足机器入离线编程各功能的需 要2 心1 。 上海交通大学开发了基于p c 的交互式三维可视化离线编程和动态仿真系 统。系统的三维几何建模基于o p e n g l 三维图形功能，研究了机器人运动轨迹的 自动规划和编程并实现了图形化动态仿真。对单道焊采用交互式三维虚拟示教， 对多层多道焊提出了“宏”编程技术。系统侧重于建模、仿真、规划方面的研究 【z s - z s l o 7 天津工业大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的主要内容 鉴于我国在t 型，y 型，k 型曲线自动焊接技术方面的落后局面，本课题对 t 型，y 型，k 型曲线自动焊接接头空间轨迹数控技术进行了较深入的研究。具 体研究内容包含以下几个方面。 1 、建立导管架焊接接头空间轨迹数学理论模型 2 、建立导管架焊接接头空间轨迹线速度和小管环向及轴向运动的数学模型， 给出实现编程的数学表达式及流程图 3 、建立导管架焊接接头空间轨迹上焊枪角度变换数学模型，给出实现编程 的数学表达式及流程图 4 、焊接过程中任意一点起弧工作的定位数学理论模型，给出实现编程的数 学表达式及流程图 该课题的研究，为我国t 型，y 型，k 型曲线自动焊接技术提供了技术理论 基础，改善了我国焊接自动化水平不高的状况，使焊接自动化水平得到明显提高， 具有较大的社会意义和经济意义 8 t 型管道接头焊接路径属于空间曲线形式，其路径计算的难点是如何根据管 道接头空间焊缝形状，选择合适的空间曲线离散方法，使各路径点间距相差不大。 2 1 1 路径点的运算 、 图2 - 1 t 型管道及模型 9 天津工业大学硕士学位论文 与平面类型焊缝不同，t 、y 型管道接头空间焊缝各路径点三维坐标值不会 出现同一水平面的情况。因此管道空间焊缝的焊接过程中焊枪的位置不断变化并 且为保证焊接工艺的要求，其焊枪坐标系姿态也会发生变化。 在t 型管道数学建模过程中用到的参数表如下： r 。一支管半径 r2 一主管半径n 一单象限路径点数目 x ( i ) 一路径点x 坐标y ( i ) 一路径点y 坐标z ( i ) 一路径点z 坐标 n ，( i j 一路径点焊枪坐标系 n 。( i ) 一路径点焊枪坐标系 n ：( i ) 路径点焊枪坐标系 o 。( i ) 一路径点焊枪坐标系o 。( i ) 一路径点焊枪坐标系o ：( i ) 一路径点焊枪坐标系 a x ( i ) 一路径点焊枪坐标系a ，( i ) 一路径点焊枪坐标系a ：( i ) 一路径点焊枪坐标系 d x l 轴方向各x 轴路径点间的等间距 图2 - 2 工件模型及坐标系的建立 t 型管道接头工件坐标系的建立方法为：y 轴由主管方向决定，z 轴由支管 方向决定，x 轴垂直于y o z 平面根据右手定则确定。 则t 型管道工件中，两圆柱相贯曲线方程可表达为： ( 2 1 ) 首先求曲线上的点坐标，为解决路径曲线的均匀离散问题，可采用投影法计 算各曲线路径点在工件坐标系上的x 轴坐标。x 点坐标的求解公式为： x i i ) = r 1 掌c o s ( i 宰，【2 n ) ( 2 2 ) 其中i 的取值范围为0 到n - 1 。x 点坐标的符号根据所在象限决定，在一、四 象限为正，在二，三象限为负。并规定x 点的取值顺序为绕z 轴正方向取值。求 得x 点坐标后可以根据公式( 1 ) 求得相应点的y ，z 坐标。y 坐标的符号为在一、 2 2 巧砭 = = 旷乎 + + 2 2 x x ，【 第二章t 型管道接头的路径规划数学建模 二象限为正，在三、四象限为负。z 坐标为正。y 、z 坐标可根据公式( 1 ) ，将 计算的各x 坐标依次代入获得。 p2 峰塑 ( 2 - 3 ， i z ( f ) = 吃2 一x 2 ( f ) 图2 - 3 马鞍形曲线的求解 2 1 2 各路径点对应焊枪姿态的规划 根据管道接头形状并结合焊接工艺要求选取合适的焊枪姿态计算方案，使得 焊枪以合适的方向，渐变的姿态对各路径点进行自动加工。与路径点数据结合使 用，指导机器人各关节电机运行，自动示教机器人按照加工方案进行焊接工作。 描述焊枪空间姿态的参数可用n x 、n y 、n ：、0 ，、o , i 、0 ：、a 。、a y 、a z 表达。其 齐次坐标矩阵为： l q ql lb 哆 哆i ( 2 4 ) l 吃 哆 呸- j 设各点在曲线上的切线方向为焊枪移动方向，由于切线方向有两个方向，所 以设切线绕z 轴正方向旋转为正。 由空间曲线切线方程求解的理论可知： lf ( x ，y ，z ) = 0 如果空间曲线方程为2 1 g ( x ，少，z ) = 0 天津工业大学硕士学位论文 则其切线方程为： x 一 y y q 一圣二圣q 其法平面方程为： l 专i f zi 一( x - x o ) + i 乏爱l 。c y 一，+ l 主孑i o q 一气，= 。 则对于管道接头空间焊缝曲线过点( x ( i ) ，y ( i ) ，z ( i ) ) 的切线方程可为通过对公式( 1 ) x x ( f ) ( 2 - 5 ) 则其切线向量为( n 。，n ，n ：) = ( - y ( i ) z ( i ) ，x ( i ) z ( i ) ，x ( i ) y ( i ) ) ，此直线方向也为自动焊 接过程中机器人焊枪移动方向，则焊枪坐标系x 轴方向。 图2 4 焊枪坐标系姿态规划 2 2 x x ( 。o 力i 卜少一y t z 十1 1 2 2 x x ( 。3 2 y ( oi)ic z z c ，= 。t 2 6 ， 一x - x ( i ) 2黯y-y(i)2翮z-z(i)0 2 z ( i )2 z ( i ) 2 x ( i 2 x ( i ) 0 - y ( i ) x ( i ) x ( o z ( i ) ( 2 - 8 ) lli) iii。 喝 l x ( 力z ( f )一y ( ，) x ( ，) i ly ( ，) z ( f ) ii y ( f ) z ( f ) 一 i 其方向向量为：( 1 i , m l ，n 1 ) = ( y ( i ) z ( i ) 2 ，y ( i ) x ( i ) 2 斗y ( i ) z ( i ) 2 ，- z ( i ) x ( i ) 2 ) 图2 - 6 支管切线方向 天津工业大学硕士学位论文 _ _ _ _ - _ _ - _ _ l - 一 定义l r 为该点法平面a r 与支管曲面相交形成曲线在该点的切线。则相交曲 线方程为： ix 2 + y 2 气1 2 譬。2 三，l c x x c ，+ 1 2 2 0 。主要；j c y 一灭，+ i i 二 2 2 j ：l c z z c ，= 。2 9 其方向向量为：( 1 2 , m 2 ，n 2 ) = ( x ( i ) y ( i ) 2 ，y ( i ) x ( i ) 2 ，z ( i ) y ( i ) 2 + z ( i ) x ( i ) 2 ) ( 2 1 0 ) 图2 - 7 主管切线方向 l r 与l r 两条直线为以该点为起点的直线，所以两条直线可确定一个平面， 并且两直线夹角的角平分线就为焊枪的指向方向，即焊枪坐标系的z 轴方向。 设焊枪坐标系z 轴方向向量为( a x , a y , a ：) 。 则焊枪坐标系z 轴与l r 所成角度为： 1，a+ma+na1x 1 y i 蚂2 再霉雹鬲i 。霄心+ q j + n ：心l i + 峨七嚆 同理焊枪坐标系z 轴与l r 所成角度为： 1 2 a x + m 2 a v + n 2 a z c o s 0 2 - 丽毒青赫 jj 一，7 、以；+ 口；+ 口；牙+ 嘎+ 噶 设m = f + 砰+ 砰= g + 砖+ 砖 由c o s o , = c o s 0 2 1 4 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) a z = a 1 8 2 - a 2 b l ( a ) 焊枪坐标系z 轴方向 ( b ) 焊枪坐标系y 轴方向 图2 - 8z 轴，y 轴在基准坐标系下的投影矢量 由右手定则可以得到y7 轴在基准坐标系下的投影矢量为： 天津工业大学硕士学位论文 一一 i j 七 ( o x ，o y ，0 ：) = l 以 i q 仇 他 n y n ： = ( q 哆一na y ，吃q 一致嘭，以嘭一侈q ) ( 2 2 0 ) 将所计算的( n ，o ，a ) 向量单位化，就得到所求焊枪坐标系转换矩阵。 r = = q q 、 巳 q l o zn z ) 根据以上分析过程就可在s o l i d w o r k sa p l 环境下开发v b a 程序，进行管道接 头的路径规划。规划结果如图2 9 ： 图2 - 9t 型接头相贯焊缝轨迹规划结果 2 2t 型管道接头自动焊接路径规划程序编制 根据前面的规划结果编制相应的程序并绘制流程图，针对管道接头的特点， 编制相应的操作界面。t 型管道接头的主要参数有主管及支管半径及各管道尺 寸。在操作界面中输入相应的路径点数，就可以得到期望数据量的管道接头路径 坐标系数量，如图2 1 0 。 第二章t 型管道接头的路径规划数学建模 图2 _ 1 0t 型管道路径规划界面 i 输入支管和主管圆柱尺寸r l 、r 2 匝塑墓趣数目 f 进入f o r 循环 根据公式2 计算x ( i ) 点 _。+。11。一 i 根据公式3 计算y ( i ) z ( i ) 点i l 根据公式5 计算焊枪坐标系i x 轴方向向量 i 根据公式l8 计算焊枪坐标 系z 轴方向向量 f 根据公式2 0 计算焊枪坐标i 系y 轴方向向量 i l 三 ” 图2 - 1 1t 型管道接头路径规划程序 1 7 天津工业大学硕士学位论文 一 2 3 本章小结 1 根据t 型接头形式采用支管角度投影离散的方法计算t 型接头路径点数 据。通过计算各路径点在图形上的切线方向及法平面与支管、主管交线的切线 方向，寻找各路径点的焊枪最优姿态规划方案。 2 在s o l i d w o r k s 的a p i 二次开发环境下用v b a 语言编制了计算程序及相 关仿真程序 第三章管道空间接头自动焊接机器人建模 第三章管道空间接头自动焊接机器人建模 3 1 海洋导管架平台移动式焊接机器人 目前国内外很多公司及学校都选用导轨加行走小车的方式设计管道机器人 的机械系统。文献汹1 为北京石油化工学院设计的移动焊接机器人系统。类似的机 械结构在文献m 3 1 1 中也有提及。其他种类移动机器人由于本体结构或自由度种类 限制不能满足管道空间接头的自动焊接要求，所以需要针对管道空间接头特征设 计一种专用机器人，满足海洋平台导管架自动焊接的要求婚m 3 。 焊接小车行走机构及焊接轨道具有以下特点：采用摩擦传动方式不存在打 滑、丢转以及跑偏等问题。具有快速装卡和拆卸的功能。导向轮可转动调节适应 不同管桩的焊接。考虑道海上作业施工的特殊环境，在保证小车行走功能以及结 构强度的前提下，要实现快速安装，紧固装卡。导轨采用半柔性轨道形式、质量 轻、有一定的强度和硬度。采用紧定螺钉安装在管桩上。行走机构采用齿轮传动 方式。由伺服电机驱动，通过蜗轮蜗杆减速箱改变齿轮转动方向。通过轴带动主 齿轮旋转。再通过行走驱动摩擦轮与导轨上的轮齿啮合，达到行走的目的。考虑 到现场施工环境，以及提高工作效率，导轨可采用多组紧定螺钉与管桩锁紧。螺 栓的数量视导轨、小车及机械臂等弧焊机器人本体重量确定。导轨采用半柔性环 形式。 本文选用了轨道、小车配合多自由度机械臂的方式。其中导轨小车结构可视 为一个自由度。以小车为基础在其上面加装一个关节型机械臂，这样既满足了焊 接机器人需要绕支管3 6 0 0 转动以对空间焊缝进行焊接的要求；又可满足焊枪在 焊接时的姿态调整需要。 3 2t 型接头焊接机器人结构 通过前一章分析对于t 型管道接头的自动焊接系统，机器人焊接一条完整的 t 型空间曲线需要有四个自由度完成。该管道机器人由两个关节型机器人及两个 直角坐标自由度组成其自由度分布如下图： 天津工业大学硕士学位论文 图3 - 1t 型管道焊接机器人结构示意图 由于该机器人拥有两个关节自由度变量及两个直角坐标自由度属于圆柱坐 标机器人，所以该机器人也可以用进行y 、k 型管道接头的自动焊接。其第一个 自由度是在中间工件坐标系下绕支管轴线圆周转动的自由度，此自由度用来控制 机器人完成对焊枪坐标系中x ，y 两个算子的空间描述；第二个直角坐标自由度 为移动自由度用来完成对焊枪坐标系中的z 算子的空间描述；第三自由度用来调 整焊枪姿态；第四自由度为直角坐标自由度用来调节焊枪方向干伸长。 表1 机器人嗍参数 3 3 管道焊接机器人正运动学 当机器人焊接工程中发生未知故障或事故，进行急停操作后，需要恢复到急 停前工作状态，并继续进行焊接工作，其难点是机器人发生急停后的位置复位问 题。 机器人运行中途，遇到未知事故，急停后机器人电机返回控制器各关节转角 数据，其末端执行器所在位置可由机器人正运动学求得。对应待焊路径点p ( x ，y ，z ) 数据求解过程为： 根据e1 计算机器人主体即小车部分所在位置，可通过下图中p 1 点的求解确 定。其计算过程为 图3 - 2 机器人正运动学求解 整个复位过程流程图如下： 2 1 ( 3 1 ) 图。 标。 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 天津工业大学硕士学位论文 读入机器人关节数据及 机器人本体参数 l 机器人正运动学计算机 器人关键点p l 、p 2 i 根据p l 、p 2 计算路径点p 图3 - 3 起弧工作定位程序流程图 3 4 管道机器人逆运动学 管道机器人的主要尺寸有工件坐标系与轨道平面主圆心距离为h ，机器人本 体0 位姿情况下，焊枪轴线与支管轴线( 即工件坐标系z 轴) 距离为r ，这里我 们暂且称其为小车转角线。机器人上臂l 1 ，下臂l 2 。此机器人为四自由度机器人， 其第一自由度为行走小车绕支管轴线旋转的旋转自由度o1 ，0 度角为焊枪坐标系 z 轴、工件坐标系z 轴和工件坐标系轴在同一平面内。第二自由度为上臂的移 动自由度1 1 ，第三自由度为下臂相对与上臂末端的旋转自由度92 ，第四自由度 为下臂的移动自由度1 3 。由于本文机器人模型主要完成在圆柱坐标中的焊接工 作，所以本文中采用三角几何法进行机器人本体的逆运动学运算。 r _ e p 寸 一 ( a ) 机器人关键尺寸( b ) 机械臂部关键尺寸 图3 - 4 机器人模型的建立 向 图3 - 6 机器人各关键点示意 由图3 - 6 可知p p 2 ，p 2 p 1 相交于点p 2 。其中p p 2 也就是焊枪坐标系的z 轴方 丕堡三些奎兰堡主堂垡笙塞 一一 - _ _ _ _ _ i - i _ _ i - l - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - 一一一 fx l ( i ) ：x 2 ( i ) 点p z 的坐标为。1y 1 ( i ) = y 2 ( i ) ( 3 - 5 ) 由平面几何可知： 枷槲：盟a = 学a = 掣a(3-6)z v 由上一章所求( q ，口，哆) 及x 2 ( i ) ，y 2 ( i ) e pn - - j 求得z 2 ( i ) 由点p z p 2 p 就可以得到1 1 ( i ) 、1 2 ( i ) 。 j l ( i ) 2 竺! ! ! ! 兰：! ! 兰：竺坚! ! ! ：! ! 翌：二! ! ! ! ! ：兰：! ：) ) 2 ( 3 7 ) 1 1 2 ( i ) = 4 ( x 2 ( i ) - x ( i ) ) 2 + ( y 2 ( i ) y ( i ) ) 2 + ( z 2 ( i ) 一z ( i ) ) 2 设直线p i p 为1 3 则1 3 ( i ) = ( x l ( i ) - x ( i ) ) 2 + ( y 。( i ) - y ( i ) ) 2 + ( z ，( i ) 。z ( i ) ) 2 ( 3 - 8 ) 根据三角形余弦定理可得 c o s ( 噼一 降9 ， 删) ：a r c c o s ( 訾) ( 3 - 1 0 ) 通过以上运算即可得到机器人各关节变量数值，然后将这些数值代入机器人 控制系统就可以进行机器人软件的离线编程仿真及机器人实际控制。 图3 7 机器人逆运动学运算流程图 3 5 等线速度情况下的各关节角速度、角加速度 机器人不同的运动类型决定了其运动方式，对于t 、y 、k 型空间焊缝焊接轨 迹来说，当路径点选取比较密集时可采用直线插补作为其运动类型，也就是机器 人在两相邻路径点见沿直线运动。但是因为机器人本体及控制系统的影响，实际 情况下应采取比较接近的圆弧运动方式。 一丕望三些奎堂堡主堂堡垒茎 图3 - 8 机器人轨迹运行方式示意图 在焊枪焊接线速度保持不变的情况下其各关节