（材料加工工程专业论文）具有力反馈的smaw焊接仿真系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 虚拟焊接仿真系统已经被证明可以有效提高焊接培训效果 该领域近年来 越来越受到研究人员的关注 国外已经出现了商业化的虚拟焊接仿真系统产品 在焊接仿真系统中引入力反馈因素可以有效地增强培训感知效果 国内几乎没 有关于具有支持力反馈焊接仿真系统的研究 因此 开发具有力反馈的焊接触 觉机械和手工电弧焊 s m a w 焊接仿真系统具有重要的学术意义和应用价值 本文首先总结和概述了近年来国内外虚拟焊接仿真系统的研究状况 并根据 焊接仿真系统的不同原理 对虚拟焊接仿真系统进行了分类 然后 分析手工 电弧焊的任务要求 基本操作 设计出了一种穿戴式的r p r 型焊接力反馈机械 分析了力反馈焊接机械静力平衡问题 详细阐述了该种机械的具体结构设计 材料 传动 驱动方案 最后 总结分析了影响手工电弧焊焊缝形状的关键工 艺因素 介绍了力反馈焊接仿真的训练原理和关键技术 指出焊缝视觉反馈技 术是该软件的核心模块 介绍了所开发的力反馈焊接仿真软件实现方案和主要 功能 实践结果表明 该软件能基本上达到了预期设计目标和训练效果 关键词 虚拟焊接仿真 虚拟现实 焊接 焊缝视觉模拟 力反馈 钢丝绳传动 a b s t r a c t a b s t r a c t w e l d i n gs i m u l a t o r sh a v eb e e ns h o w nt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h er e s u l t so f t r a i n i n ge f f e c t t h i s f i e l di nr e c e n ty e a r sa t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r s i ta l r e a d yh a ss o m ec o m m e r c i a lp r o d u c t so fv i r t u a lw e l d i n gs i m u l a t i o n s y s t e ma b r o a d aw e l d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw i t hf o r c ef e e d b a c kc a ne n h a n c e st h e p e r c e i v e de f f e c t so ft r a i n i n g t h ed o m e s t i cs t a t e so fw e l d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mh a sa c o n s i d e r a b l eg a pc o m p a r e dt ot h a ta b r o a d i ta l m o s th a sr i or e l e v a n tr e s e a r c ho n w e l d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi nd o m e s t i c t h e r e f o r e d e v e l o p i n gav i r t u a lw e l d i n g s y s t e m sw h i c hi n c l u d e saw e l d i n gm a c h i n e sw i t hf o r c ef e e d b a c ka n ds h i e l d e dm e t a l a r cw e l d i n g s m a w t r a i n i n gs o f t w a r eh a sai m p o r t a n tv a l u eb o t hi nt h ea c a d e m i c a n da p p l i c a t i o n s f i r s t l y t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n do u t l i n e sr e s e a r c hs t a t u so ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no nv i r t u a lw e l d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mi nr e c e n ty e a r s w ec l a s s i f yv i r t u a lw e l d i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd i f f e r e n tt r a c k i n gp r i n c i p l e s s e c o n d l y w ea n a l y z e st h et a s kr e q u i r e m e n t so fs h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n ga n d i t sb a s i co p e r a t i o n s t h e n aw e a r a b l er p r t y p eo ff o r c ef e e d b a c kw e l d i n gm a c h i n e w i t hf o r c ef e e d b a c ks t r u c t u r e dw a sp r e s e n t e d w ed e t a i ls t r u c t u r em a c h i n e s m a t e r i a l t r a n s m i s s i o na n dd r i v ep r o g r a mo ft h i st y p eo fm a c h i n e sa n da n a l y s i ss i m p l y h y d r o s t a t i ce q u i l i b r i u mp r o b l e mo f t h i sm a c h i n e f i n a l l y t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h ek e yf a c t o r st h a tt h ei m p a c t st h e s h a p eo fs h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g i n t r o d u c e sp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g yt h a t f o r c ef e e d b a c kt r a i n i n g i ta l s op o i n t so u tt h a tw e l dv i s u a lf e e d b a c kt e c h n o l o g yi st h e c o r em o d u l eo ft h es o f t w a r e i td e t a i l ss i m u l a t i o ns o f t w a r ep r o g r a ma n dm a j o r f e a t u r e so fv i r t u a lw e l d i n gs y s t e m sw i t hf o r c ef e e d b a c k t h er e s u l t ss h o wt h a t t r a i n i n gs o f t w a r ec a l la c h i e v et h ed e s i r e dt r a i n i n ge f f e c t k e yw o r d s w e l d i n gs i m u l a t o r s v i r t u a lr e a l i t y w e l d i n g w e l d e rv i s u a ls i m u l a t i o n f o r c er e f l e c t i o n w l t er o p eg e a r i n g 一 一 第1 章绪论 i r h 第l 章绪论 e i 1 1 虚拟现实技术 v i r t u a lr e a l i t y 简介j 冀莰薯冬 叠耍两 强 巷尹 l 虚拟现实技术用计算机等设备来产生 存在于计算机内部的人工建造的三 维虚拟环境 并使用户能沉浸于虚拟世界之中 感知并操作虚拟环境的一门技 术 利用虚拟现实技可以把本来不存在的事物和环境虚拟模拟出来 虚拟现实 技术的三个突出特征是沉浸性 交互性和想象性 3 i 蚴 如图1 1 所示 沉浸性 i m m e r s i o n 是指用户感觉自身是计算机系统所创建的虚拟环境一部 分 例如用户洞穴式 c 趟陋 视觉沉浸系统获得完全沉浸虚拟世界的感觉 能 够避免外界真实世界的影响 o j j i 图1 1 虚拟现实技术的基本特征 j 一 j 虚拟现实技术中的交互性 i n t e r a c t i o n 的实现方式与传统媒体技术的交互 实现方式有所不同 传统的人机之间的交互主要是通过例如鼠标 键盘计算机 设备交互 而虚拟现实系统交互主要是借助如数据手套 力反馈设备特殊的硬 件交互设备等进行人机交互操作 构想性 i m a g i n a t i o n 指的是虚拟环境提供了一种全新的探索方法手段 例 如可以使人进入宏观或微观世界进行研究和探索 完成某些因条件限制根本无 法完成的任务 体验早已发生或不可能完成的任务 一 1 2 虚拟现实技术的发展历程 三大阶段 2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代 探索阶段 i 第1 章绪论 8 0 世纪初期到8 0 年代中期系统化阶段 从实验室走向实用阶段 8 0 世纪末到现在高速发展阶段 1 3 虚拟现实系统的分类 沉浸式虚拟现实系统是指利用听觉 大画面的视觉效果和立体声音效果等手 段 把现实世界与用户隔离 使用户完全投入到虚拟环境中 头盔式显示器是 比较典型的沉浸式虚拟现实系统 如图1 2 所示 图1 2c a v e 沉浸式虚拟现实系统p 桌面式虚拟现实系统 d e s k t o pv r 是利以计算机屏幕作为虚拟世界的一 个窗口 通过包括鼠标 键盘和力矩球等各种输入设备操作 实现与虚拟世界 的三维立体空间交互的一种系统 如图1 3 所示 图1 3 桌面式虚拟现实系统 4 增强式虚拟现实系统 a u g m e n t e dv r 是能把虚拟环境与真实环境组合在 2 川删以 i t r m 蟛 第1 章绪论 一起的系统 利用该系统不仅可以用来模拟现实世界 同时又可对场景真实物 体的部分进行操作 比如在进行虚拟手术过程中 医生戴上可透视性头盔显示 器 可以看到手术中所需要的各种资料 又可以观察到手术进展情况 5 6 1 如图 1 4 所示 图1 4 增强式虚拟现实系统 a u g m e n t e dv r 6 在分布式虚拟现实系统 d v r d i s t r i b u t e dv r 中 多个用户通过网联的计 算机与其他用户进行交互 共同对虚拟世界进行观察和操作 使每个用户共享 信息以达到协同工作的目的 1 4 虚拟焊接仿真系统的研究状况 虚拟焊接仿真系统是根据不同的焊接工艺参数 工件尺寸 焊接方法 焊 接电流 电压 速度等 模拟不同焊接方法对焊件进行焊接加工 产生不同的 焊缝形状的过程 7 g 9 1 0 1 1 1 2 其技术涉及计算机科学 材料加工 自动控制技术 等诸多学科领域 虚拟焊接仿真系统可以为培训者提供一种结构化的学习经验 加快学习进程的手段 它是对传统焊接教学活动的有益的补充 该领域越来越 受到研究人员的关注 虚拟焊接仿真系统的关键是采集焊枪运行状态等信息 并提供或显示给被 训练者 多数焊接仿真系统的原理是借助头盔显示器 虚拟焊枪跟踪器等其他 传感设备 采用主动式光学 电磁追踪定位的方法采集焊枪运行状态等信息 另外也有利用机械跟踪系统获取焊枪的姿态位置参数信息 其工作原理是通过 机械连杆装置上的参考点与被测物体相接触的方法来检测其位置变化 目前 已经有许多研究机构和商业公司对虚拟焊接仿真系统展开了研究 根据焊接仿 真系统的追踪焊枪运行状态原理的不同 将虚拟仿真系统分为三大类 3 第1 章绪论 1 4 1 混合现实 m i x e d r e a l i t y 焊接仿真系统 日本c h i b au n i v e r s i t y 的k o b a y a s h i 等人1 1 3 j 开发出增强式手工电弧焊系统 系统包括具有保护面罩功能的手柄式光学透视显示器 真实焊枪和p c 控制柜 其原理是保护面罩显示器上的c c d 摄像头获取工作环境的信息数据之后 运用 图像配准方法交 f t i m a g e b a s e dr e g i s t r a t i o nt e c h n i q u e 技术允许用户在保护面罩 的显示器上看到真实焊接环境和火光等虚拟对象 同时焊枪上的图像感应器将 测量焊接距离 运用电磁感应原理产生虚拟焊接过程反馈力 并通过焊枪步进 马达驱动焊条运动 模拟焊条缩短的过程 如图1 5 所示 国内方面 上海市高 级技工学校开发了一种主要用于初级电焊工的考核和培训的仿真电焊机 该仿 真电焊机在保留原有电焊机操作性能的基础上 增加了焊接质量的自我评分和 鉴别装置 并且能与真电焊机一样能放出负离子电弧 7 图1 5c h i b au n i v e r s i t y 增强式手工电弧焊系统 1 3 1 4 2 光学电磁跟踪式焊接仿真系统 无力反馈 美国路易斯安那州大学的a g l a w e 1 4 j 等人基于c o t s c o m m e r c i a l o f f t h e s h e l f 系统建立s m i g 焊接仿真系统 该系统主要由带有3 个f l e x v 1 0 0 摄像头的o p t i t r a c k 跟踪设备系统 s a m s u n gs y n c m a s t e r3 d 液晶显示器以及 z a l m a n t r i m o n 立体发声设备组成 如图1 6 所示 缨 图1 6 路易斯安那州大学s m i g 焊接仿真系统 1 4 西班牙的s i m f o r 和c e s o l 公司联合开发r v s o l d 系统 1 5 该系统包括 4 第1 章绪论 s m a w m i g 仿真系统 它包括记录工作路径过程 多角度地观察操作过 程 自动检测焊接错误 实时产生三维焊接图像 记录 重放焊接过程等功能 而且还能够模拟焊接过程中设备运行状况 焊接声音以及填充金属消耗情况 显示焊枪的水平角 垂直工作角 运动速度 操作距离 目标误差等实时状态 信息 如图1 7 所示 图1 7r v s o l d 虚拟焊接仿真系统 1 5 同样类型的还有美国的1 2 3 姣c 公司的e d u w e l d i n g a r c s i m u l a t o r 1 6 1 如图1 8 所示 l i n c o l ne l e c t r i c 公司收购v r s i m 公司s i m w e l d e r t m 技术之后开 发的v r t e x t m3 6 0 系统 1 7 如图1 9 所示 图1 8l2 3 a r c 公司的g t a w t i g 焊焊接仿真系统 1 6 5 第1 章绪论 图1 9v r s i m 公司s i m w e 枷和v r t e x t m3 6 0 系统 l 2 0 0 3 年6 月法国西施公司开发的 sw a v e 焊接仿真系统被a f p a 法国国 家成人职业培训协会 采用 系统使用i n t e r s e n s e 公司提供的i s 9 0 0p c t r a c k 运 动跟踪系统研制出s m a w g m a w 仿真系统 c sw a v e 系统的解决方案可以将 焊接动作分解 再可将焊接动作单独或多种组合进行训练 系统还植入焊接操 作结果即时分析以及培训师 培训经理可分别对培训的内容权限设置两种增值 功削1 8 如图i 1 0 所示 德国魏恩旌蒂芬应用科技大学的多媒体实验中心利用 3 dg a m es t u d i o 软件和p o l h e m u s 波尔希默斯 磁力跟踪设备研制出能够模拟不 同材料焊接过程的仿真系统 该系统能利用磁力跟踪设备实时反馈气体压力和 温度信息 19 1 国内方面 杜云汉 2 0 进行焊接工艺仿真模拟相关工作 力 叫 融1 生d 二一 图1 1 0 法国西旌公司c sw a v e 仿真系统 1 8 1 1 4 3 机械跟踪式焊接仿真系统 力反馈 传统的焊接仿真系统将焊缝视觉感知通道作为焊接学习的唯一途径 然而 机械跟踪 力反馈设备 引入焊接仿真系统引入之后 操作者增加了通过力觉 感知通道学习焊接的途径 它是对传统焊接仿真模拟的补充 v r s i m 公司以通 用动力电气船舶公司 g d e b e d i s o n 焊接协会 e m 合作开发的g m a w 焊 6 第l 章绪论 缝数据库为基础 以功能强大的v r s i m 可视化软件和s g i 公司的s i l i c o n g r a p h i c st e z r o 可视化工作站作为系统的核心 利用人工神经网络方法成功研制 出g m a w 焊s i m w e l d e r t m 仿真系统 真实的焊枪通过平衡环 g i m b a l 联接到 导纳型触觉设备h a p t i c m a s t e r 上 指导者可以在连接有六个焊接架的中央控 制台上监视到训练者的作业情况 分析存储焊缝的信息 2 它是第一个将触觉 技术引入到虚拟焊接领域的系统 据实际使用情况来看反映效果良好 如图1 1 l 所示 王以忠四 在s e n s e a b l e 公司的p h a n t o m 设备基础上 运用焊枪与焊件之间 的摩擦力和垂直作用力交互原理 研制出s m a w 焊水下焊接系统 系统然后利 用触觉设备的触觉引导 h a p t i cg u i d a n c e 功能和p d 控制算法帮助学员沿着预 定轨迹保持合适的电弧长度和运动速度 另外 由于p h a n t o m 不能提供力矩反 馈 所以系统增加视觉和声音反馈来提醒操作者纠正的焊枪运动角度 如图1 1 2 所示 图1 11g m a w 焊s i l l l w b i d e r t m 仿真系统f 2 l 图1 1 2 香港中文大学s m a w 焊焊接系统 2 2 1 7 第1 章绪论 1 5 本课题研究目的和意义 如今社会对于高技能焊工的需求日益增加 更需要焊工要有扎实的操作手 法 规范的动作 然而由于传统的焊接的性质限制 教员只能对真正焊缝的焊 接结果对学员的操作进行相关分析 而不能即时地对学员的动作规范进行控制 与指导 培训效果不尽理想 同样传统的焊接培训过程中存消耗大量的培训材 料 对学员的培训过程难以准确掌握 对学员的焊接水平难以定义 培训过程 中环境污染 有害健康等诸多问题 焊接培训模拟系统通过对焊接过程的模拟 操作 来实现对焊接操作者进行更有效的培训 它比传统的培训方式相比虚拟 焊接仿真系统具有 节省大量的培训成本及培训时间 增强培训管理 提高培 训效果 降低风险 改善培训环境等优点 1 6 本论文研究内容及组织结构 本文共包括六章 第一章为绪论 介绍了虚拟现实技术中概念 发展流程及分类 阐述了引 入虚拟焊接仿真系统的现实意义 总结和概述了近年来国内外虚拟焊接仿真系 统的研究状况 根据焊接仿真系统的追踪焊枪运行状态原理 对虚拟焊接仿真 系统进行了分类 第二章主要设计出一种满足焊接作业要求的穿戴式r p r 型力反馈焊接机 械结构 首先 介绍了手工电弧焊的概念 然后 确定了力反馈手工电弧焊的 设计方案 最后 设计出了r p r 型焊接机械模型 第三章主要描述了穿戴式r p r 型力反馈焊接机械详细设计方案 首先 介 绍了力反馈设备上的关键运动部件 然后描述了机械设备各力反馈模块传动方 案 最后确定了力反馈设备的驱动方案 第四章本章首先介绍了焊缝形成过程 总结了目前国内外焊缝形状视觉反 馈技术研究方法和进展 介绍了力反馈焊接系统中的相关技术 第五章主要介绍了力反馈焊接仿真系统 首先介绍了虚拟焊接仿真系统中 的力反馈训练原理和关键技术 然后介绍了虚拟焊接仿真系统中主要组成部分 最后就力反馈焊接仿真软件实现方案进行了详细地介绍 第六章对本文的工作进行了总结 并展望了力反馈焊接仿真系统今后的研 究方向 8 第2 章力反馈焊接机械总体设计 第2 章力反馈焊接机械总体设计 2 1 手工电弧焊简介 s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g s m a w 手工电弧焊 s h i e l d e d m e t a l a r cw e l d i n g s m a w 1 2 驯 2 4 j 主要是通过施加高 电压来形成电弧 使焊接材料和焊条焊点上的金属融化形成熔池的一种常见的 焊接工艺 该种焊接方式经常用恒流和恒压焊接电源来供应电弧焊所消耗的 大量电能 为了保证焊接质量 焊接操作者要仔细观察熔池的变化情况 不断 调整焊条角度和运条动作来控制熔池温度 手工电弧焊接操作难度在于焊条是 不断地消耗 电极的位置会发生变化 同时弧长和电压也会发生变化 所以要 掌握技术往往需要大量实践操作 缺乏经验的操作者很难掌握 如图2 1 所示 图2 1 手工电弧焊 s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g s m a w 2 4 手工电弧焊流程如下 1 引弧 手工电弧时 电弧是使用短路方法来引燃的 常见的划擦法或直击法 如 图2 2 所示 1 划擦法 将焊条末端对准焊缝 手腕扭转一下 使焊条端部在焊件表面 上轻轻划擦 然后扭平手腕 并将焊条提起3 4 c m 2 直击法 将焊条末端对准焊缝 手腕下降 轻轻碰一下焊条 随后即将 焊条提起3 4 c m 待电弧产生后 保持弧长在与该焊条直径相适应的范围内 2 运条 电弧引燃后 为保证良好焊缝成型质量焊条须沿三个基本运动方向 朝熔 9 第2 章力反馈焊接机械总体设计 池方向逐渐进给以保持要求的电弧长度 沿焊接方向移动熔池金属固解形成焊缝 横向摆动是可以获得一定宽度的焊缝 如图2 3 所示 鸯一 a 引弧划擦法法b 引弧直击法 图2 2 引弧方法 2 4 k l 一 a i 1 j j h f e e r a h 1 q t r 7 n ge s j i c k c i 图2 3 五种基本的运条姿态示意酣9 3 收弧 焊接结束时 必须采用合适的收弧方法将弧坑填满 避免在焊缝末端形成裂 纹弧坑 一般的收弧方法或焊条端部作圆圈运动 或电弧移至焊缝收尾处时稍 事停顿 接着回焊或作多次熄弧和引弧动作 直到弧坑填满为止后再断弧 2 2 力反馈焊接机械的总体方案设计及确定 在力反馈机械设计过程中时 应设法尽量减少质量和惯量以满足轻型化的 要求 常见的力反馈设备性能的参数因素指标有 最大作用力 空间位置分辨 率 反馈力的自由度 最大工作空间范围 带宽 系统固有惯性和摩擦力等 针对力反馈的焊接机械的具体实际情况 我们主要考虑以下要求 1 必须是一 个中心平衡的机构 2 在相同的结构尺寸下 工作空间尽量大 3 满足焊接 的动作要求自由度 4 符合人机工程的设计原则 即操作焊接机械时与平时操 作焊枪工具类似 2 2 1 作业任务及自由度分析 如图2 4 所示 焊接操作时 焊枪常常需要放置在工件的水平面方向上 要 求该焊接在水平面的作业范围尽量要大 因此 为了克服焊接作业空间的局限 1 0 第2 章力反馈焊接机械总体设计 性以能使焊接机械运动到焊件上的待焊点 所以焊接机械需要长距离的平移自 由度 同时焊接工艺中除了堆焊需要长距离的平移自由度外 还有立焊 仰焊 等焊接操作手法 而这些工艺需要在竖直方向上要有一定的自由度 焊枪 作空间 图2 4 焊接工作空间及焊枪末端轨迹运动不意图 为了使焊枪在工作空间范围内进行焊接操作 完成立焊 仰焊等操作任务 一般机器人都是6 自由度 然而实现焊接操作的焊接机械需要5 个自由度就足 够实现任务要求 其中3 自由度可以实现焊枪能运动到待焊点之上 另外2 自 由度实现焊枪的电极倾角调整 2 2 2 力反馈焊接机械构型 目前焊接机器人本体的机械结构主要有多关节型 平行杆型两种形式 如 图2 5 所示 多关节型机构的主要优点是该种结构的上下臂运动范围大 而且其 工作空间几乎是一个球体 但该种结构刚度小 一般适合负载小的的工作场合 而平行杆型机器人工作空间能达到顶部 背部及底部 没有多关节机器人的刚 度问题 而得到普遍的重视 该结构不仅适合轻载而且也适合重载的工作场合 在焊接机器人系统中的工业弧焊机器人的布局方式有悬挂式和立式两种结构形 式 其中立式结构特点是便于安装和维修 但占用地面空间 而悬挂式不会和 工件和其它设备形成干涉 能够提高末端焊接作业时的可达性 但是需要制作 悬挂固定结构 第2 章力反馈焊接机械总体设计 7 i 漫 孛 一 a 多关节型机构 b 平行杆型机构 图2 5 焊接机器人的基本结构形式 2 5 2 6 除了以上两种焊接机器人构型之外 还有许多常见的机器人手臂构型f 2 7 1 如图2 6 所示 如表2 1 是对几种机器人手臂的类型综合比较 r r rs c a rar r p 图2 6 常见的机器人构型 2 7 表2 1机器人的不同结构类型对比 直角坐标系圆柱坐标系 极坐标系s c a r a 型多关节型 并联型 关节配置 p p pp p r r r p p r rr r rr p r 工作范围小较大小较小小大 占据空间大较小小较高低较高 运动直观性强较强差较强最著强 定位精度高较高低较高 低 较高 对姿态影响 无小中小大小 由上述分析可知 关节式机器人结构的紧凑 灵活性好 占地面积小 工 作空间大等特点具有很大的优势 除了考虑综合作业任务及自由度分析 还要 考虑到实际加工制造和控制方法的难度问题 所以 从多方面考虑设计一种3 自由度的穿戴式的r p r 型力反馈焊接机械 既能够焊接作业要求 又满足焊接 操作的人体工程学原理 其中p 表示移动关节副 可以克服焊接作业空间的局 限性 扩大作业范围 r 表示旋转节副 能够提高机器人的灵活性 焊接机械的 1 2 第2 章力反馈焊接机械总体设计 机构简图如图2 7 所示 ll il 一 小臂轴支撑部分 图2 7 力反馈焊接机器人机构简图 2 3 机械静力平衡分析 由于在力反馈系统中 虚拟环境没有对电机发送运动指令期间 一般要求 力反馈机械要能够达到对准静态平衡要求 这样在有 力指令 时 力反馈机 械才能模拟比较准确的 虚拟力 在大多数情况下 组成机械的杆体一般都是 刚体 其不储存应变能量 力的生成一般仅靠自由度来实现 为了达到准静平 衡状态 设备需要通过控制各自由度上电机的输出力和力矩来实现 这需要对 力反馈设备进行静力分析 需要建立设备关节空间与手柄工作空间的力或力矩 关系 利用虚功法能够来解决力反馈设备中解决不同坐标系之间静力和静力矩 的变换问题 2 8 1 设有一个作用于某个物体的力f 它使物体发生假象的微分位移做出虚功 b w 虚拟位移的极限趋向于无穷小 所以系统能量不变 这样 由许多作用在 物体上的力所做的虚功必然为零 力f 所做的虚功为6 w f d 2 1 其中 d 表示虚拟位移的微分运动矢量 d l d 哦 硅 2 2 f 为力矢量 f 22 i 正 zm x 加 j 2 3 1 3 第2 章力反馈焊接机械总体设计 用坐标系 c 来描述此物体上某个不同的点 如果作用在该点上的力和力矩产生 同样的虚位移 那么应当做同样的虚功 即 椰 f r d c f r 仞 2 4 其中 c 内的虚拟位移 d 等价于参考坐标系下的虚拟位移d 根据微分变换公式 c d j d 2 5 代入 2 4 可得 f j n f 2 6 上式说明不同坐标系间的力和力矩变换和微分平移变换及微分旋转变换一 样 用于微分平移一样进行力变换 而与微分旋转一样的方法进行力矩变换 如果机械处于平衡状态 那么式 2 1 的虚功为零 假设对于第6 个关节来说 为 瓦 d q 2 7 式中为f 广义关节列向量 对于旋转关节为力矩 对于平移关节为力 q 为关节 虚拟位移列矢量 对于旋转关节 为旋转万q 对于棱柱关节 为平移艿d 队 q 代替死d 可得 瓦 r j q q 2 8 式中j 为雅克比矩阵 由此可见 2 8 式与虚拟位移q 无关 因此 2 7 可变为 r f r j 2 9 倒置上式可得f j r 瓦 2 1 0 式 2 9 表明如果已知加于坐标系瓯 的力和力矩 那么为保持机械平衡状态 通过式 2 1 0 且p 求出作用到机械手关节上的力和力矩 其中式 2 1 0 对于具有任何 自由度数的机械手都是成立的 2 4 本章小结 本章首先介绍了手工电弧焊的概念及任务要求 分析焊接基本操作姿势 综合分析了机器的机械构型之后 对力反馈机械的静力平衡问题进行了简单分 析 1 4 第3 章力反馈焊接机械详细设计 一一 一 一 一o 一 i tr 1 二 一一 j t 卜 j j j 第3 章 力反馈焊接机械详细设计 j 下文针对力反馈焊接机械实施过程中存在的主要问题进行分析 并给出力反 馈焊接机械的详细设计方案 r 3 1 力反馈焊接机械关键部件 7 j i 3 1 1 支承旋转部件 一 一 一一 j l 在本文中采用的悬吊式力反馈焊接机械结构需要制作特定的悬挂固定结r 构 此中设计方法会将整个机械自身重力施加到旋转单元上 所以焊接机械臂 要求支承旋转部件应具备高平稳性 高刚度 较大的轴向承载能力 较低的摩 擦力 为保证高平稳性 一般采用增加底座质量和选用大直径的支承旋转部件 为保证承受更大机械从手的整体重心下移内径大的底座质量也大 然而质量太 大的轴承座旋转运动时候的摩擦力也大 直径大的支承旋转部件的稳定性往往 比直径小的更为稳定 一 一 一 二 1 i o 一 f i 3 1 2 直线传动部件 j jf i j 二 常见的直线传动方式有v 型带传动 齿形带传动 齿轮组传动 丝杠传动 謦一 钢丝绳传动等 如图3 1 所示 v 型带传动主要通过v 带的摩擦力传动力矩 然 而由于带的弹性作用会导致传动控制不精确 2 7 齿形带主要是通过带和带轮间 的啮合进行传动 齿轮组是通过齿轮件的啮合作用传动 通常 通过啮合来传 动运动部件不可能完全啮合 会存在一定间隙 当啮合部件突然反向运动时 存在不稳定现象 因此 齿形带和齿轮组都不适合用于力反馈设备中 丝杠传 动大量用于机床进给机构中 其旋转一周时 螺母运动在丝杆上运动一个导程 这种传动部件的缺点是摩擦力大 而且命令响应速度不是很快 不适合力觉交 互设计中 钢丝绳具有质量轻 抗旋转性 耐腐蚀性 耐疲劳 耐磨损 稳定可靠的 等特点 是一种重要的空间螺旋制品 钢丝绳的种类很多 其中微型钢丝绳精 密传动以其简洁 轻质 高精度和工作强度大的特点 所以力反馈设备精密传1 动中得到了广泛应用 其传动性能完全媲美于齿轮传动 力反馈设备中的微型 1 5 第3 章力反馈焊接机械详细设计 钢丝绳常常以多圈方式呈交叉缠绕主动和从动绳轮增加绳与轮的接触面积 并 施加一定张紧力方式 能比普通直线传动具有更高传动能力 孺慝 v 型带传动 r nj 祭 令f 齿形带齿轮组丝杠 图3 1 直线运动常见部件1 3 0 l 3 1 l f 3 2 3 3 3 1 3 联轴器 c o u p l i n g 联轴器是来一种传递扭矩的机械零件 常用于联接不同结构上的主动轴和 从动轴 一般可分为刚性联轴器 挠性联轴器 安全联轴器和起动安全联轴器 刚性联轴器不具有减震功能 同样也不具有补偿被联两根轴轴线相对偏移能力 所以一般只适合载荷平稳情况下使用 挠性联轴器分为无弹性挠性联轴器和有 弹性元件挠性联轴器 其中无弹性挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器都具有 不同程度的轴向 径向 角向补偿性能 但是有弹性元件相比无弹性联轴器有 不同程度的减振 缓冲作用 且在高速重载 转速不稳定大场合中运行无噪声 m 图3 2 弹性金属弹性元件挠性联轴器瞰 考虑到力反馈焊接设备需要长距离的平动自由度 且在本文设计的机械在 直线运动方向上承受比较大的运动负载 同时力反馈设备往往需要很大灵活性 所以要求电机需急剧变化 因此需要缓冲减震功能 所以联轴器中有弹性元件 1 6 第3 章力反馈焊接机械详细设计 联轴器比较合适 有弹性元件联轴器中的金属弹性联轴器相比非金属弹性联轴 器而言 更适合用于速度和载荷变化较大的场合 所以我们这里选择弹性金属 弹性元件挠性联轴器 如图3 2 所示 3 2 力反馈焊接机械详细设计 3 2 1 机构综述 力反馈焊接机械包括有底座自转力反馈单元a 直线牵引传动单元b 俯 仰关节力反馈单元c 以及传动箱箱体d 传动箱箱体通过阶梯轴固定在带座轴 承上 直线传动牵引传动单元b 位于传动箱箱体d 的内部 俯仰关节力反馈单 元c 在传动箱箱体d 的外部 下面将按机械装置的模块分别介绍其结构和功能 如图3 3 所示 反馈单c 图3 3 力反馈焊接机械总体设计不恿图 3 2 2 底座自转力反馈单元 底座自转力反馈单元包括旋转圆盘 带座轴承 固定工作台 带座轴承固 定在工作台上 带有阶梯轴的底座支承轴垂直安装在带座轴承上 并通过键将 旋转圆盘 旋转底板与带座轴承固定在一起 当旋转底板转动时 带动底部圆 盘 底座支承轴 带座轴承转动 由于工作台与伺服电机组 由电机 编码器 组成 是一体的 这样当底座绕轴线转动时 伺服电机组相对底部圆盘发生相 1 7 第3 章力反馈焊接机械详细设计 对运动 从而形成底座自转力反馈单元 如图3 4 所示 底座 图3 4 底座自转力反馈单元示意图 3 2 3 直线 t r a n s l a t i o n 运动力反馈单元 直线运动力反馈单元如图3 5 所示 直线运动力反馈单元的内部带有滚珠的 直线滑块与导轨连接 大大降低与导轨之间的摩擦力 法兰直线轴承主要起 图3 5直线运动力反馈单元不意图 到固定光轴作用 其高度高于上下座滚轮的高度 这样在法兰直线轴承作为限 制器限制直线滑块沿轴做直线运动的范围 从而防止滑块干涉钢丝绳正常运动 滑块板通过螺丝固定在直线滑块上 操作杆导轨通过固体黏胶固定在滑块板上 这样滑块板 操作杆导轨和滑块能一起运动 直线光轴中心线与操作手导轨中 心线平行 又由于操作手导轨与上座挡板相连 从而形成稳定的矩形四边形结 构 上传动绳滚轮组固定在传动箱箱体d 的上部分 下传动绳滚轮组固定传动 1 8 第3 章力反馈焊接机械详细设计 箱箱体d 的下部分 在传动箱箱体d 的下部分 伺服电机通过弹性金属联轴器 与滚轮相连 并通过电机固定器固定在箱体d 上 带有螺旋槽的滚轮的两轴穿 过轴承固定在立式轴承支撑座上 形成滚动单元 从而可以通过摩擦力作用带 动钢丝绳运动 钢丝绳固定头固定钢丝绳的一段在第一块滑块板的内侧 穿过 滑块板的间隙孔 绕过上下座滚轮 最后又通过钢丝绳固定头固定在第二块滑 块板上内侧 从而形成了一个闭环回路 这样电机正反转都能够带动导轨运动 从而形成直线力反馈单元 3 2 4 俯仰关节力反馈单元 俯仰关节力反馈单元 如图3 6 所示 操作手小臂 大转动轮固定在手臂挡 板上 操作手小臂和操作手导轨通过万向节联轴器相连 万向节的旋转轴中心 和大转轮旋转轴中心位于同一条轴线上 从而形成具有俯仰力反馈功能关节 大大增加了小臂的灵活性 俯仰电机通过电机固定器固定到操作手导轨上 焊 接操作时小臂带动大转动轮 由于电机为静止件 使大转动轮相对于力矩电机 发生相对运动 这时力矩电机的作用 使得俯仰机构转动受到阻碍 从而实现 力反馈 图3 6 俯仰关节力反馈单元 3 3 力反馈焊接机械材料的选择 综合设计要求和实际情况 力反馈焊接机械中 大量采用现有的市场的元 1 9 第3 章力反馈焊接机械详细设计 器件 这样省去了自行设计元器件的工作 r 其中的旋转固定端选用福建产带轴 承座 型号为u c f 2 0 6 内径3 0 m m 选用直线轴承箱式单元滑块 型号为 s b r l 2 u u 直线导轨起引导手臂直线运动 选用碳钢镀铬直线光轴 导轨 直 径0 1 2 m m 直线轴承箱式单元滑块可以穿过直线导轨平移运动 其中方法兰直 线轴选用加长型l m k l 2 l u u 操作手导轨和小臂导轨之间的连接部件选用十字 万向联轴节规格1 2 2 4 5 1 m m 立式支撑座选用s k 内径1 6 m m 用于固定滚 轮轴 轴承外径8 m m 由于力反馈设备机械精密往复运动中 在力反馈设备扭转部件和力反馈部 件上的钢丝绳往往要反复弯折 所以钢丝绳需要比较大的柔顺性 这里我们选 用0 3 m m 0 5 r a m 钢丝绳 相对其他直径的钢丝绳更为柔软 7 一卜 l t s i r 二 一 j l i 一 j 一 i 1 j j 一 i 3 4 力反馈焊接机械驱动方式选择 一 川 i 一 i 一 在机器人应用中主要是通过驱动器移动或转动连杆来改变机器人的构型 i 驱动器一般可分为气压驱动 液压驱动及电动机驱动 气压驱动由于压缩空气 和运动的驱动器是分离的 所以惯性负载较低 气压驱动面临的主要问题是空i 气是可压缩的 在负载作用下会压缩变形 所以说 利用气动控制来精确地控 制位置精度比较困难 液压驱动其直线驱动和旋转驱动低速驱动时功率 重量比 高的大 适合微处理器及电子控制 所以常用于重型机械臂 电机驱动的传动 效率高 运动速度及位姿准确度超过气动及液压驱动 而且电机运行时噪音小 表3 1 就给出各种驱动方式的比较 以作为选取电机作为驱动方式的依据 由表可知直流无刷伺服电机应用于力反馈设备有着许多无可替代的优点 如控 制性能好 可精确定位 体积小 噪声小等特点可用于要求对力感知性能要求 严格的力反馈设备上 1 j7 t 一 卜 2 0 巍气湖 婶乜粥j i 参 叠5 氧 哦呔t k t it 二 l 一 第3 章力反馈焊接机械详细设计 表3 1 各种驱动方式比较 3 5 液压电气气动 适用于大型机器人和大负载 适用于所有尺寸的机器人 控制许多元件是现成的 最高的功率 质量比 系统刚 性能好 适合于高精度机器人 元件可靠 无泄漏 优性好 精度高 响应块 无需 与液压系统相比 有较高的柔无火花 价格低 系 点减速齿轮 易于在大的速度范 性 使用加速齿轮减低了电机轴统简单 和液压熊相 围内工作 可以无损坏地停在 上的惯量 不会泄漏 适用于洁比压强低 适合开关 净的场合 可靠 维护简单 可控制以及拾取和放 一个位置 做到无火花 适用于防爆场合置 柔性系统 会泄漏 不适合在要求洁净的系统噪声较大 需要 场合使用 需要泵 储液箱 气压计 过滤器等 缺 电机 液管等 价格昂贵 有 刚度低 需要减速齿轮 增大了 噪声 需要维护 液体粘度随 间隙 成本 重量等 在不供电 很难控制线性位置 点时 电机需要刹车装置 否则手 在负载作用下常变 温度改变 对灰尘及液体中其形 刚度低 响应精 他复杂敏感 柔性低 高转矩 臂会掉落 卜 j 度低 功率 质量比最 高压强 驱动器惯量大低 磐4 3 5 力反馈焊接机械控制系统设计 机器人的位置控制结构主要有两种控制方式 即关节空间结构和直角坐标空 间控制结构 然而关节空间结构控制方式比较简单 所以这里采用此种控制方 式 其原理如图3 7 所示 二 1 控制系统结构 噶 系统采用a r m 9t q 2 4 4 0 开发板控制器 利用a r m 开发板控制无刷电机的方聱 式 力反馈焊接系统中通过反馈力分析计算得出的各个电机的控制指令给控制 器 控制器经处理后控制无刷伺服电机驱动器来无刷伺服电机 带动力反馈焊 接机械运动 提供反馈力给操作者 2 系统控制组件和控制方式 电机驱动器选用的是f a u l h a b e rm c d c 2 8 0 5 系列直流电机运动控制器 如图3 8 所示 由于力反馈焊接机械有三个自由度 所以需要控制三个电机运动 单个m c d c2 8 0 5 运动控制器通过串口能够控制两个电机 然而这里采用三个控 制器控制三个电机的控制方式 m c d c2 8 0 5 串口驱动原理如图3 9 所示 控制器的输入命令是由力反馈焊接仿真虚拟环境决定的 为了阻止焊枪的运 动或则模拟焊接反馈了的作用 需要控制器驱动电机驱动力反馈装置运动 在 运动控制方式上 般采用位置和速度p w m 信号驱动方式 可以控制单位时间 内输入的脉冲信号的数量和脉冲时问决定电机的速度和位置 而方向是由输入 的输出高电平或者低信号决定 2 1 一二 第3 章力反馈焊接机械详细设计 吼 q g 注 吼 三 是期望的关节角位置 速度 加速度矢量 f 是关节驱动力矩矢量 和 是相应的控制矢量 口 弓是传感器测得的关节角位置 角速度 图3 8f a u l h a b e r 驱动器例 图3 9m c d c2 8 0 5 串口驱动原理图 第3 章力反馈焊接机械详细设计 3 6 力反馈焊接机械实现 在利用力反馈焊接机械进行焊接训练过程中 操作人员的小臂固定在大传 动轮臂上 小臂轴支撑在轴支撑关节上 就形成了一种穿戴式的力反馈焊接机 械 这样该器械能够通过三个力反馈单元施加力作用给人的小臂 同时 操作 人员可以手持焊枪 如现实中的焊接那样进行焊接操作 力反馈焊接机械实物 图如图3 1 0 所示 力反馈机械装配图如图3 1 1 所示 图3 1 0 力反馈焊接机械实物图 3 7 本章小结 主章描述了穿戴式的r p r 型力反馈焊接机械详细设计方案 首先 介绍了 力反馈设备上的关键运动部件 然后描述了机械设备各力反馈模块传动方案 最后设计了力反馈设备控制系统的驱动方案 2 3 将u仲过河癌稿礤普蓠蒜瞥障卑 厦曩 零干搴 l 覃 2皇 支持 3 蟾底簟 下 挡 5 上毫挡簟 6 t 谴法兰 曩 t 崎块年m 0 支 崖 下一馥地 l o 块 i i咦 1 2 膏块 1 3 作手 n 1 4 事联 l 摹 串咦 b 1 5 犬艟功蟪 i 了 作葶小 i e 手 挡簟 i t 堍靠分电曩 2 0l 垃 分电囊 志 2 i 膏抑龟囊一定 2 2 膏钾鼻分毫托 2 3 上毫穗鼍 2 4 一t 奠 囹u 1l过河瘫彗蓠辫阿圃 第4 章力反馈焊接仿真软件关键技术 第4 章力反馈焊接仿真软件关键技术 焊接是一个涉及高温 电弧物理 传热 冶金 力学等方面的复杂过程 而且这一个过程是在很短的时间内完成的