（机械工程专业论文）汽车副车架的机器人焊接离线编程技术研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、提出双机器人间关系的五点标定法，并提出基于用户坐标系 的三点工件标定法，更具有实用性。 二、在r o b o t s t u d i o 中成功验证汽车副车架的双机器人焊接离线 编程，采用主从手关系法，实现船形焊的要求。 摘要 根据我国弧焊机器人在汽车零部件生产中的应用情况和发展需要，机器人离 线编程技术越来越受到生产厂家和科研机构的重视。本文针对弧焊机器人在汽车 副车架焊接中利用离线编程技术来实现自动化生产进行了研究。 本文以汽车副车架为研究对象，重点分析了焊接路径提取及焊枪姿态规划、 标定技术和双机器人协调仿真等弧焊机器人离线编程关键技术。 在焊接路径提取及焊枪姿态规划中，选用三维c a d 软件s o li d w o r k s 对汽车 副车架的三维模型进行分析。利用s o l i d w o r k s 的功能和己知信息得到焊接曲线， 并将其离散，得到离散焊接点。得到焊接离散点后对路径点进行焊枪姿态规划。 以a b b 公司生产的型号为i r b6 6 4 0 的机器人来做标定实验。在工_180_25 5 具坐标系标定上采用四点标定法。提出基于用户坐标系的三点工件标定法，解决 弧焊机器人离线编程中实际环境与仿真环境一致性的问题。对双机器人间位置关 系标定采用五点标定法。并做出了部分标定实验结果，误差较小，基本满足精度 要求。 本文采用双机器人协调方式，其中一个机器人装卡焊枪称之为工具机器人， 另一机器人装卡汽车副车架工件称之为工件机器人，以工件机器人为主手，工具 机器人为从手，工件在焊接时保持船形焊的形态，焊枪追踪工件上的焊接曲线， 来达到协调的要求。分析了双机器人焊接系统中协调的理论基础，并对机器人 i r b 6 6 4 0 建模，分析其运动学和逆运动学方程。最后利用a b b 公司的离线编程软 件对双机器人协调进行仿真，并得到焊接程序。 关键词：汽车副车架离线编程标定双机器人协调运动r o b o t s t u d i o a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n to f a r cw e l d i n gr o b o ti n t h ep r o d u c t i o no fa u t op a r t s ，r o b o t i ca r cw e l d i n go f f - l i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yh a s b e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt om o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s t h es t u d i e so fc a rs u bf r a m eo fr o b o t i ca r cw e l d i n go f f - l i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y a r ec a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h i sp a p e r , i ti sd i s c u s s e do fc a rs u bf l a m e , a i m i n ga tt h et e c h n o l o g i e so f r o b o t i ca r cw e l d i n go f f - l i n ep r o g r a m m i n g , w h i c hi n c l u d e s ：p i c k i n gu pa n dp l a n n i n g w e l d i n gp a t h ，c a l i b r a t i o na n ds i m u l a t i o no fd u a lr o b o tc o o r d i n a t i o n i np i c k i n gl l pa n dp l a n n i n gw e l d i n gp a t h ，s e l e c t i n gs o l i d w o r k sa n a l y z et h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ec a rs u bf l a m e u s i n gs o l i d w o r k sa n ds o m en o t e s w h i c hw eh a v ek n o w na n do b t a i n i n gw e l d i n gc u r v e ，t h e nw ed i s c r e t et h ec u r v e ，a n d g e tw e l d i n g d a t a a f t e rt h a tw ep l a nt h et o r c hp o s i t i o na n do r i e n t a t i o no f t h ep o i n t s w ed oc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t su s i n gi r b6 6 4 0 1 8 0 2 5 5w h i c hi sp r o d u c e db y a b b c o m p a n y c a l i b r a t et h et o o lc o o r d i n a t es y s t e m ，u s i n g t h e4p o i n tm e t h o d t h e3 p o i i l tc a l i b r a t i o nm e t h o d o l o g yo fw o r kp i e c e ，b a s e do nu s e rc o o r d i n a t es y s t e m ，i s b r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hs o l v e dt h ep r o b l e ma b o u tt h ec o n s i s t e n tb e t w e e np h y s i c a l e n v i r o n m e n ta n dt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti no f f - l i n ep r o g r a m m i n g c a l i b r a t et h e b a s ef r a m eo ft h et w or o b o t s ，u s i n g5p o i n tm e t h o d a tl a s t , w eh a v ed o n es o m e e q u i p m e n t sa n d t h ee r r o ri ss m a l l ，b a s i c a l l ym e e tt h ep r e c i s i o n i nt h i sp a p e r , w eu d u a lr o b o tc o o r d i n a t em e t h o d o n er o b o tp i c k i n gu p w e l d i n gg u nn a m e dt o o lr o b o ta n dt h eo t h e rr o b o tp i c k i n gu pc a rs u bf r a m en a m e d w o r kp i e c er o b o t w eu s et h ew o r kp i e c er o b o tt ob em a s t e rh a n da n dt h et o o lr o b o tt o b es l a v eh a n d i nw e l d i n g ，k e 印t h ew o r kp i e c et ob ep o s t u r es h i pa n dw e l d i n gg u n t r a c k i n gt h ew e l d i n g c u r v eo nt h ew o r kp i e c e f i r s t ，a n a l y s i st h et h e o r yo fd u a lr o b o t s y s t e m c o o r d i n a t i o nm o t i o n , a n db u i l dt h em o d e lo fr o b o ti r b 6 6 4 0 ，a n a l y s i s k i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n s a tl a s t , s i m u l a t i o nt h ec o o r d i n a t i o n m o t i o no f t h ed u a lr o b o t , a n do b t a i nt h ew e l d i n gp r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：e a rs u bf r a m e o f f - l i n ep r o g r a m m i n gc a l i b r a t i o nd u a lr o b o t e o o r d i n a t i o nm o t i o nr o b o t s t u d i o 目录 第一章绪论l 1 1 国内外焊接机器人发展及应用概况1 1 1 1 国内焊接机器人发展概况2 1 1 2 国外焊接机器人发展概况3 1 1 3 焊接机器人发展趋势3 1 2 国内外焊接机器人离线编程技术在汽车零部件制造中的应用及发展趋势一4 1 2 1 焊接机器人在汽车零部件制造中的应用4 1 2 2 国内外焊接机器人离线编程的应用概况 6 1 3 本文主要研究内容一7 第二章汽车副车架焊接路径提取及焊枪姿态规划9 2 1 引言9 2 2 焊接路径曲线的获取1 0 2 3 焊接曲线的离散1 3 2 4 焊枪姿态规划1 3 2 5 本章小结1 6 第三章双机器人系统标定1 7 3 1 机器人标定的定义及分类1 7 3 2 双机器人系统标定的理论基础1 8 3 2 1 工具坐标系标定1 8 3 2 2 工件坐标系标定1 9 3 2 3 双机器人之间位姿变换关系标定2 0 3 2 4 双机器人系统标定2 3 3 3 标定实验2 4 3 3 1 机器人基坐标系标定2 4 3 3 2 工具坐标系标定2 5 3 3 3 工件坐标系标定2 6 3 4 本章d 、结2 8 第四章双机器人焊接协调理论及仿真2 9 4 1 工业机器人连杆参数及其齐次变换矩阵 4 1 1 工业机器人连杆参数及连杆坐标系的建立 2 9 o o 。 2 9 4 1 2 连杆坐标系之间的变换矩降一3 1 4 1 3 工业机器人运动学方程3 1 4 2 i r b 6 6 4 0 机器人建模和逆运动学求解3 2 4 2 1i r b 6 6 4 0 机器人建模3 2 4 2 2 i r b 6 6 4 0 机器人的逆运动学求解j 一3 4 4 3 双机器人协调理论分析一 4 3 1 双机器人协调定义。 4 3 2 双机器人协调理论分析 3 7 3 7 3 9 4 4 双机器人协调仿真- 4 0 4 4 i r o b o t s t u d i o 简介4 0 4 4 2 双机器人协调仿真4 1 4 5 r a p i d 语言及机器人程序分析：一4 3 4 5 1 r a p i d 基本数据一- 4 4 4 5 2 r a p i d 基本移动指令- 4 5 4 5 3 机器人系统坐标转换关系一- 4 5 4 6 本章小结4 8 第五章结论4 9 参考文献5 l 攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况说明 附录 附录1 附录2 附录3 附录4 - 致谢。 5 5 5 7 5 7 5 9 6 1 6 5 6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外焊接机器人发展及应用概况 从机器人诞生到现在，机器人技术经历了示教再现、离线编程和自主编程三 个阶段，随着计算机技术、微电子技术、网络技术、智能技术等的快速发展，机 器人技术也得到了飞速发展。而据权威组织的不完全统计，世界上使用的工业机 器人中大约有超过5 0 的工业机器人用于各种形式的焊接加工任务【i j 。焊接机 器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人，在机器人末端加 上焊接工具( 焊枪等) 就成为了焊接机器人，焊接机器人应用中最普遍的有点焊 和弧焊两种方式。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多 数的焊接机器人是在通用的工业机器人末端法兰盘上装卡焊接工具而构成的。在 某些环境中，一台机器人通过变换末端工具可以完成包括焊接在内的抓取、搬运、 安装、卸料等多种任务，根据任务要求，自动更换机器人末端的工具，完成相应 的任务，如可以在末端法兰盘上安装焊枪，则机器人成为焊接机器人；如果安装 喷涂工具，则成为喷涂机器人。 焊接机器人在工业生产中一般有以下几种工作方式，图1 1 为单机器人运动 模式，图1 2 为双机器人协调运动模式，图1 3 为多机器人运动模式。在图1 2 中，第一幅图是两焊接机器人对同一工件进行焊接，其地位是同等的；中间的图 是另一种形式的焊接；第三幅图则是本文所要研究的形式，其中一个机器人装卡 工件，作用类似于变位机，另一机器人跟踪焊接。 图1 1 单机器人焊接、机器人变位机焊接系统 天津工业大学硕士学位论文 图1 2 双机器人焊接系统 图1 3a b b 机器人在汽车生产线上和多机器人协调系统 图1 3 表示的是多机器人的运动方式，第一幅图是在焊接生产线上，所有的 机器人统一控制，各尽其责，既是独立，也是协调合作的模式；第二幅图表明， 两机器人共同抓取同一工件，第三个机器人对工件焊接。 1 1 1 国内焊接机器人发展概况 我国的工业机器人从8 0 年代“七五”科技攻关开始起步，到现在已基本掌握 了机器人设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术， 开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。我国焊接机器人在制造业中的 应用主要是在2 0 世纪9 0 年代，在经历了摸索阶段后焊接机器人的数量增加很快。 2 0 0 5 年，我国工业机器人拥有量达到7 0 0 0 台。近年来新增工业机器人的台数和 总量都在快速增长，截止2 0 0 9 年年末，我国己有工业机器人3 1 4 0 0 刨2 。 总的来看，我国的工业机器人技术及其应用的水平和国外比还有一定的距 离，如：机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线技术与国外比有差距。 我们还没有形成自己特色的机器人产品，重要的零部件如电机等还需要进口，价 格居高不下，与国外相比没有竞争力。产品关键技术还处于摸索阶段，可靠性和 第一章绪论 精度低，并且是为厂家量身定做，没有形成规模。 1 1 2 国外焊接机器人发展概况 目前，世界上比较著名的焊接机器人公司有日本的m o t o m a n 、f a n u c 、 y a s l ( w 巩德国的k u k ar o b o t c r ，瑞典的a b b ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、a m e r i c a n r o b o t ，意大利的c o m a u ，英国的a u t o r e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e r n a t i o n a l r o b o t i c s ，以色列的r o b o t g r o u p t e k 公司，中国的新松机器人公司等等【3 】。 在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价 格的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。在减少员工投资与增加机器人 的设备投资费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利润显然要比采用人工所 带来的利润大，既提高了生产设备的自动化水平，也提升了企业的产品质量，同 时提高企业的整体竞争力。虽然在购买机器人时投资比较大，但它的后期费用与 它所产生的效益远比完成同样任务所消耗的人工费用要小。所以从长远来看，产 品的生产成本还会大大降低。生产成本降低带来的结果是机器人价格的降低，这 就使得机器人在更多企业使用，最终结果是，工业机器人在各行各业得到飞速发 展。 1 1 3 焊接机器人发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器 人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化 方向发展。总结起来有以下四个方面：焊接导引与焊缝跟踪、焊接机器人离线编 程控制、焊接机器人远程控制和焊接机器人焊接质量控制州。 ( 1 ) 焊接机器人进行视觉传感的初始焊位识别及路径规划，是利用传感技 术的典型应用。这方面的应用有日本安川机器人公司出品的带有焊接起点捡出功 能的焊接机器人。k i m 等研制了一套带有视觉系统的移动焊接机器人，用来进行 焊缝跟踪和焊接环境的识别。哈尔滨工业大学利用自行研制的激光扫描三维视觉 传感器己实现了对未知空间曲线焊缝的自主跟踪控制。多信息融合技术将把焊接 机器人与传感器更好的结合起来，解决焊接机器人存在的很多难题。 焊缝跟踪就是在焊接时实时检测出焊缝的偏差，将偏差信息送回控制柜，进 行焊接路径和焊接参数调整，以保证焊接路径的正确性和焊接质量的可靠性。目 前，英国的m e t a 公司已经成功将主动视觉技术开发出焊缝跟踪激光传感器， 其产品已应用到世界知名焊接机器人品牌的过程控制中。 ( 2 ) 机器人离线编程系统是在图形学的基础上，建立起机器人、工件、工 具及工作环境的三维模型，利用规划算法，对机器人进行轨迹规划，得到程序。 天津工业大学硕士学位论文 该系统在三维图形环境中运行，界面友好，通过虚拟示教得到焊接路径，得到焊 接程序，快速、方便，大大提高了生产效率。国内较好的离线编程软件有哈尔滨 工业大学开发的一脚c a d 。国外己形成商业化产品，比如a b b 公司的软件 r o b o t s t u d i o ，就是一款很完善的离线编程软件。 ( 3 ) 在危险的工作环境下，如海洋资源的勘探开发、空间探索、恶劣换进 下的工作，用到机器人时，需要远程控制。利用网络技术和遥控技术己成为必要。 ( 4 ) 焊接过程是一个复杂的过程，近年来，借助计算机技术和预测重要产 品的焊接质量己成为重要课题。由于传统的现代控制理论方法依赖于建模，而焊 接过程的影响因素太多，不能将所有因素都加入对象模型中，针对这个问题提出 智能控制系统。智能控制系统在焊接领域提出基于模糊逻辑的智能控制、基于神 经网络的智能控制和模糊决策与神经网络的结合。 1 2 国内外焊接机器人离线编程技术在汽车零部件制造中的应用及发 展趋势 机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环 境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况 下进行轨迹规划【5 】。在弧焊机器人系统中应用离线编程技术能节约大量的时间， 能在线示教，能充分利用传感器的作用，能使生产线更现代化、自动化，提高焊 接质量和效率，拓宽焊接机器人的是信用范围，改善工人的工作环境，更好的将 c a d c a m 技术发挥出来，使c a d c a m r o b o t i c s 融为一体。而在现代制造 业中，汽车制造可以说是一个标志性产业，将机器人离线编程技术应用其中，实 现了汽车制造的自动化，节省了大量的物力、财力。汽车零部件的生产中，大多 都用到了焊接机器人，成为焊接机器人的重要用户。 1 2 1 焊接机器人在汽车零部件制造中的应用 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几 个主要行业，汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。据统计，汽车制 造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的7 6 。在汽车行 业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3 ：2 【6 】。2 0 世纪9 0 年代以前，国内的汽 车零部件生产，基本是以手工焊为主，劳动强度大、作业环境恶劣、焊接质量不 易保证，是普遍存在的问题。很少考虑工件搬运和装卡的自动化、焊接参数的显 示与自动调节导致焊接质量没有一个确切的评估，完全依靠经验等。因此，无法 适应现代汽车零部件大批量、高质量生产、高效节能方式的需要。近几十年，国 第一章绪论 内的汽车零部件生产厂家，开始与汽车装配厂积极配合，大力引进包括焊接机器 人在内的零部件生产线，辅以先进的离线编程系统，多机器人协作技术，从而大 力保障了产品质量，提高效益，使我国汽车零部件的生产也迈进了现代化、自动 化的新阶段。 在汽车制造领域，除了汽车整装厂大量使用焊接机器人外，座椅骨架、导轨、 消声器、液力变矩器等，汽车底盘中的后桥、副车架、摇臂、悬架和减震器等， 这些零部件在焊接中均使用了机器人焊接r 7 1 ，在汽车底盘焊接生产中最常见，底 盘件的副车架总成、左右控制臂总成、左右后拖拽臂总成等甚至都用上了焊接生 产线，如图1 4 、1 5 、1 6 所示【8 】。在汽车零部件焊接中，常见的有，汽车底梁采 用c 0 2 气体保护弧焊机器人，汽车桥架、桥壳采用m i g 、c 0 2 气体保护焊，汽 车消声器、排气系统采用c 0 2 气体保护焊、点焊、t i g 焊，汽车传动轴、轴类零 件采用旋弧气体保护焊，汽车燃油箱采用油箱环缝焊、内隔板点焊、注放油螺母 凸焊、汽车车轮圈采用轮圈闪光焊、轮辐c 0 2 气体保护焊，还有就是汽车齿轮 零部件采用的激光焊接等陟1 1 j 。 国外，焊接机器人在汽车零部件制造业中应用十分普遍。发达国家，焊接车 间大量使用柔性焊接系统和高水平全自动焊接系统。从2 0 世纪8 0 年代以来，日、 美、英、德等工业发达国家，看准了汽车制造业支柱产业的作用，大幅投资，支 持高新技术推广应用于汽车制造业。历经二三十年的发展，国外在汽车制造业中， 工业机器人的应用已处在使用普及、技术成熟阶段。在年产3 0 万辆以上的汽车 制造厂家中，其车身普遍采用焊接机器人柔性生产线。 图1 4 汽车副车架 天津工业大学硕士学位论文 图1 5 控制臂图1 6 后拖拽臂 1 2 2 国内外焊接机器人离线编程的应用概况 国外机器人离线编程的研究从2 0 世纪7 0 年代开始，并在8 0 年代中期到9 0 年代中期推出商品化离线编程系统。从2 0 世纪9 0 年代中期，国内外一些大学、 研究所针对弧焊参数制定、机器人与变位机协调焊接等问题对弧焊离线编程与仿 真技术进行研究。 2 0 世纪8 0 年代中期，美国n a s a 和r o c k w e l l 国际科学中心合作将离线编 程技术用于航天飞机的主发动机的机器人弧焊中【1 2 】。此后，美国s i m a 公司在 c i m s t a t i o n 基础上开发扩展版本，用来进行机器人程序自动优化和机器人与变位 机之间的协调运动【1 3 1 。英国l o u g h b o r o u g h 大学k h g o h 和j e m i d d l e 开发一个 机器人弧焊的离线编程工具以及与焊接工艺选择和优化有关的专家系统，包括建 模、编程、在线编辑和专家数据库管理等四个模块。该系统功能有限，无碰撞检 测功能，无焊接路径规划功能，焊接参数专家系统开发也不完善【1 4 】。此后，j a c o b r u b i n o v i t z 和r i c h a r da w y s k 首次提出了机器人弧焊任务级离线编程系统的思 想，通过任务规划将用户任务转化成机器人级程序【l 习。日本大阪大学的前川仁等 人则研究了弧焊机器人离线编程系统，针对五或六自由度弧焊机器人，焊接处理 分为四个级别：任务级、工具级、机器人级和机器人代码级，在每一级，所需的 信息都来自外部文件【1 6 1 。加拿大安大略大学的r o b u c h a l 等人开发了一个用于 机器人焊接工作站自动编程的原型系统a u t o w e l d ，该系统在s g l 工作站上 用f o r t r a n 语言完成，主要研究了工作站的建模、干涉、运动学、自动焊接参 数选择和轨迹规划等技术【7 1 。法国的f e b i e n n er e y n i e r 和j e a n y v e sh a s c o e t 开发 了一个图形支持的焊接机器人离线编程软件a c tw e l d ，该软件通过自动编程 产生机器人程序【1 8 1 。土耳其中东技术大学的t u n ab a l k a n 等人在a u t o c a d 平台 上用a d s 方式开发了一个交互式图形焊接机器人离线编程软件p r o w e l d 1 9 】。 南京理工大学针对s k 6 弧焊机器人设计研究了弧焊机器人离线编程系统，并对 第一章绪论 日文软件m r c w o r d 进行了二次开发，系统包括建模及几何特征提取、姿态规 划、焊接参数规划、机器人程序自动生成、机器人仿真及通讯等6 个模块【2 0 1 。南 京理工大学后又自主开发了通用i g m 弧焊机器人工作站离线编程系统，基于c s 结构的包含o l e 的机器人工作站，通过c o m 接口实现焊接工件三维图形及几 何拓扑信息集合，以一种新的方式实现三维图形的仿真l 2 。 北京工业大学在w i n d o w s 平台上，利用v c + + 6 0 及o p e n g l 开发了一套离 线编程系统，系统包括三维图形处理、简易c a d 、焊缝信息提取、焊接任务规 划、焊接路径优化、焊接参数优化、图形仿真、模型标定和焊接加工文件的自动 生成功甜2 2 1 。北京工业大学也还以m o t o m a ns k 6 机器人为研究对象，在 s o l i de d g e 平台上研制了弧焊机器人图形仿真系统。对机器人、变位机、工件进 行几何造型，模型仿真，再现碰撞检测，生成机器人程序，并与控制柜通信【2 3 】。 上海交通大学提出了一种基于p c 的交互式三维可视化离线编程系统。利用 o p e n g l 三维图形功能建模，并研究了机器人自动规划和编程、仿真【2 4 j 。哈尔滨 工业大学的机器人弧焊任务级离线编程在a u t o c a d 2 0 0 0 上开发了焊接工件特征 建模，开发了用于机器人弧焊的焊接参数规划器，分析了弧焊机器人系统的冗余 自由度特点，提出了一种关于机器人系统各关节运动变化的权值计算方法，研究 了焊缝放置规划和机器人与变为记系统协调的焊接路径【2 5 1 。而后以s o l i d w o r k s 为平台，开发了一个机器人弧焊离线编程系统，研究了焊接结构的特征建模技术， 机器人放置规划技术，焊接曲线拟合技术以及多机器人编程与仿真技术闭。 1 3 本文主要研究内容 随着焊接机器人在汽车零部件制造中日益广泛的应用，机器人焊接离线编程 技术己引起更多的关注。本课题以汽车副车架为研究对象，离线编程为研究方法， 主要分析汽车副车架的机器人焊接离线编程相关技术。具体表现为采用双机器人 协调合作方式，其中一个机器人装卡焊枪，另一机器人装卡汽车副车架，工件在 焊接时处于船形焊状态，焊枪跟踪工件上的焊接曲线，来实现协调的要求。在查 阅大量的资料文献，借鉴前人研究方法及成果的基础上，对汽车副车架机器人焊 接离线编程关键技术进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 研究焊接曲线的提取及焊枪规划技术。从汽车副车架三维模型和部分 相关资料开始，在s o l i d w o r k s 中提取焊接曲线，对曲线进行编辑，然后将曲线 离散，得到焊接离散点。在己知离散点数据的情况下，对焊枪位姿进行规划，取 焊枪移动方向为x 轴，船形焊状态下z 轴与重力方向相反，y 轴方向由右手法 则确定。并用v b 编制规划程序。 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究机器人离线编程关键技术之一一标定。对工具坐标系标定采用四 点标定法，对工件坐标系的标定采用基于用户坐标系的三点标定法，对双机器人 间位置关系标定采用五点标定法。第三章有关标定的内容采用，先分析各个标定 方法的理论基础，然后以a b b 公司型号为i r b 6 6 4 0 的机器人来做标定试验两部 分内容的方式来展开。 ( 3 ) 第四章主要分析了双机器人协调的理论基础和仿真。建立了i r b 6 6 4 0 机器人的d h 模型，分析了其运动学方程和运动学逆解。以工件机器人为主手， 以工具机器人为从手，工件在焊接时处于船形焊姿态，焊枪跟踪焊接曲线，实现 协调的要求。探讨了双机器人协调坐标系的建立、矩阵转换等内容。最后，在 a b b 机器人离线编程软件上进行仿真验证，仿真表明，该方法确实可行。 第二章汽车副车架焊接路径提取及焊枪姿态规划 2 1 引言 第二章汽车副车架焊接路径提取及焊枪姿态规划 本文的主要目的就是将数模中网格化的圆形工件焊接到槽型工件中，采取 m a g 焊，工件为大众汽车副车架零件。 图2 1 网格化圆形工件( 二维)图2 2 槽形工件( 三维) 图2 3 槽形工件( 二维) ( 图中数字1 、2 、3 和4 分别代表第一、二，三和四段) 在槽形工件的二维图中，我们还知道了工件上的5 2 个点的数据：表2 1 即 为已知的5 2 个点的数据。 天津工业大学硕士学位论文 表2 - 1 工件上已知的5 2 个点的坐标 序号 xyz 序号xyz l ( 第一段) 2 9 4 1 0 42 4 5 9 3 51 3 4 52 72 5 2 3 5 21 8 6 5 8 1- 1 3 4 4 9 22 9 0 9 0 3- 2 4 5 8 4 一1 3 4 52 82 5 5 5 3 61 8 6 1 5 2- 1 3 4 4 9 32 8 7 7 0 3- 2 4 5 3 4 8- 1 3 4 52 9 2 5 8 7 4 7 - 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 42 8 4 5 0 2- 2 4 5 0 5 1- 1 3 4 53 02 6 1 9 6 1- 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 52 8 i 3 0 1- 2 4 4 7 5 6 - 1 3 4 53 12 6 5 1 7 6- 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 62 7 8 i- 2 4 4 4 6 1- 1 3 4 5 3 2 2 6 8 3 9 - 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 72 7 4 9- 2 4 4 1 6 6- 1 3 4 53 32 7 1 6 0 4- 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 82 7 1 6 9 9- 2 4 3 8 7 11 3 4 5 3 4 2 7 4 8 1 8 - 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 92 6 8 4 9 82 4 3 5 7 71 3 4 53 52 7 8 0 3 3- 1 8 6 0 4 - 1 3 4 5 1 0 2 6 5 2 9 7- 2 4 3 2 8 2- 1 3 4 53 62 8 i 2 4 7- 1 8 6 0 41 3 4 5 1 12 6 2 0 9 7- 2 4 2 9 8 7- 1 3 4 5 3 7 2 8 4 4 6 1 1 8 6 0 4一1 3 4 5 1 22 5 8 8 9 62 4 2 6 9 2一1 3 4 5 3 82 8 7 6 7 5- 1 8 6 0 41 3 4 5 1 3 2 5 5 6 9 5- 2 4 2 3 9 71 3 4 53 92 9 0 8 9- 1 8 6 0 41 3 4 5 1 42 5 2 5 1 7- 2 4 1 9 3 4- 1 3 4 4 64 02 9 4 1 0 4 - 1 8 6 0 4- 1 3 4 5 1 5 ( 第二段)2 4 9 4 3 1- 2 4 1 0 4 2- 1 3 4 4 7 4 1 ( 第四段)2 9 9 1 0 41 9 6 3 4 3 2 1 4 5 1 62 3 9 0 4 7- 2 3 2 9 3 1 - 1 3 4 54 22 9 9 1 0 4- 1 9 9 9 82 1 4 5 1 72 3 7 2 0 82 2 8 8 9 9一1 3 4 54 32 9 9 1 0 4- 2 0 3 6 1 62 1 4 5 1 82 3 6 5 i - 2 2 4 5 2 3- 1 3 4 5 24 42 9 9 1 0 4- 2 0 7 2 5 22 1 4 5 1 92 3 6 5 0 2- 2 2 0 0 7 9- 1 3 4 4 84 52 9 9 1 0 42 1 0 8 8 9 2 1 4 5 2 02 3 6 5 0 42 1 5 6 3 41 3 4 54 62 9 9 i 0 42 1 4 5 2 52 1 4 5 2 12 3 6 5 0 42 1 1 1 9- 1 3 4 5 1 4 72 9 9 i 0 42 1 8 1 6 22 1 4 5 2 22 3 6 5 0 1- 2 0 6 7 4 5- 1 3 4 4 54 82 9 9 1 0 4- 2 2 i 7 9 82 1 4 5 2 32 3 6 5 6 82 0 2 3 0 3 - 1 3 4 5 44 92 9 9 1 0 4- 2 2 5 4 3 42 1 4 5 2 42 3 7 4 7 2- 1 9 7 9 6 4- 1 3 4 4 95 02 9 9 1 0 4- 2 2 9 0 7 l一2 1 4 5 2 5 ( 第三段)2 3 9 5 2 3 1 9 4 0 3 8- 1 3 4 5 15 l2 9 9 i 0 4- 2 3 2 7 0 72 1 4 5 2 62 4 9 2 3 4 1 8 7 3 5 71 3 4 4 95 22 9 9 i 0 4- 2 3 6 3 4 42 1 4 5 从第一、二和三段数据来看，z 的值基本上都处于1 3 4 5 这个数据左右，第 四段数据的x 和z 坐标一样，而第四段数据的z 的坐标和前三段不一样。总的 来看，前三段数据点形成的曲线位于一个平面上，最后一段数据形成的曲线位于 另一个面上。本课题中己知部分数据点坐标值，工件的三维模型( i g s ) ，从这些 条件来考虑，我们需要找到位于三维模型上的对应焊接曲线。本章主要探讨离线 编程的路径的获取及焊枪姿态规划内容。 2 2 焊接路径曲线的获取 本文选取s o l i d w o r k s 2 0 0 8 作为三维建模环境2 7 铷。s o l i d w o r k s 为达索系统 ( d a s s a u l ts y s t e m ss a ) 下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗 1 0 - 第二章汽车副车架焊接路径提取及焊枪姿态规划 产品。据统计，全世界用户每年使用s o l i d w o r k s 的时间已达5 5 0 0 万小时。在美 国，包括麻省理工学院( m i t ) 、斯坦福大学等在内的著名大学已经把s o l i d w o r k s 列为制造专业的必修课，国内的一些大学( 教育机构) 如清华大学、北京航空航 天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用s o l i d w o r k s 进行教学。很多企 业也选择s o l i d w o r k s 作为开发平台p 。 p r o e ，u g ，c a t i a 和s o l i d w o r k s 是机械三维软件中的佼佼者。p r o e 在 模具设计中有其独到的一面，功能强大，命令简单，在长三角和珠三角广为使用； u g 相对来说功能比较齐全，操作繁琐，不易上手，在我国浙江一带的机械电子 行业广为使用；c a t i a 是法国达索公司为研制空客编制的，功能最为强大，专 业性强，不易上手；s o l i d w o r k s 是一款新型的三维设计软件，其人机交互界面相 当健全，在近几年的版本改进中功能越来越齐，全易学易懂，大有广泛普及之势， 国内已有好多企业使用此软件。 从表2 1 中分析得出，前三段数据的z 值基本上一样，我们统一认定为 1 3 4 5 r a m ，第四段数据的z 值为- 2 1 - 4 5 m m ，x 值为2 9 9 1 0 4 r a m 。本文选择 s o l i d w o r k s 三维软件来提取焊接曲线。在打开的图形上进行编辑，先建立3 d 草 图l ，基准面选取为右视基准面，在草图l 中以原点为起点，z 向方向上画长度 为1 3 4 5 的直线，以直线端点为起点，作垂直线，将该垂直线用曲面拉伸命令( 方 向设定为右视基准面) 拉伸，形成的面与槽型工件图相交，用相交曲线提取我们 所需要的相交线，如图2 4 所示。对相交曲线l 进行编辑，得到如图2 5 所示曲 线，与图2 5 相比，差别在于曲线关于中心轴对称。插入3 d 草图2 ，选择上视 基准面，以原点为起点，x 方向上画长度为2 9 9 1 0 4 的直线，以该直线端点为起 点，作垂直线，将该垂直线用曲面拉伸命令( 方向设定为上视基准面) 拉伸，形 成的面与槽型工件图相交，用相交曲线提取所需要相交线，如图2 6 所示。 图2 4 相交曲线1图2 5 编辑后的相交曲线1 天津工业大学硕士学位论文 图2 6 相交曲线2图2 7 相交曲线l 、2 在得到如图2 7 所示的两段曲线后，建立3 d 草图，利用套合样条曲线功能 将相交曲线l 、2 连接起来，如图2 8 所示。将连接曲线拉伸曲面，与工件实体 第二章汽车副车架焊接路径提取及焊枪姿态规划 2 3 焊接曲线的离散 焊条的直径用焊芯的直径表示，焊条直径的规格有0 1 6 、0 2 5 、0 3 2 、0 4 、 0 5 、0 6 毫米几种，长度2 0 0 5 5 0 毫米不等【3 2 1 。整条焊接曲线长为2 4 8 1 8 0 7 8 m m ， 取2 r a m 左右为间隔，共获得1 3 6 个离散点，如表2 2 所示，具体数据见附录l 。 图2 1 1 对曲线的离散得到的离散点 图2 1 2 整条曲线的离散点 表2 - 2 整条曲线离散点( 即焊接点) 坐标 序号 x yz 序号 xyz l2 9 9 1 0 4 0 02 4 0 7 2 5 i 0- 2 3 1 9 9 9 36 92 3 8 9 3 1 0 4- 1 8 8 1 5 8 2 1- i 3 4 5 0 0 0 22 9 9 1 0 4 0 0- 2 3 8 8 4 7 0 4- 2 3 1 9 9 9 3 7 0 2 3 7 5 8 0 0 i- 1 8 9 4 4 8 4 9- 1 3 4 5 0 0 0 3 2 9 9 1 0 4 0 02 3 6 9 6 8 9 8- 2 3 1 9 9 9 37 12 3 6 4 1 7 6 31 9 0 9 1 0 1 5- 1 3 4 5 0 0 0 42 9 9 1 0 4 0 02 3 5 0 9 0 9 2- 2 3 1 9 9 9 37 22