毕业论文-焊接机器人手部结构及电控系统设计

焊接机器人手部结构及电控系统设计 摘 要 本文根据焊接机器人的发展情况，对焊接机器人进行了综述。并主要对焊接机器人手部结构，手部位置，速度及加速度进行了分析。对刚体的位置和姿态进行了描述。计算了连杆坐标系的运动学方程。对手部送丝控制系统进行了设计，并用PLC对其进行实现。对驱动电机进行分析，直流伺服电机，无刷电机等进行了设计。对电动机驱动方法进行了分析。最后通过市场零件的价格对产品进行了经济分析。 关键词：焊接机器人，手部，电控 I焊接机器人手部结构及电控系统设计 Abstract Based on the development of the welding robot，Welding robots were reviewed. And the main structure of welding robot hand, the hand position, velocity and acceleration were analyzed. And the location of the rigid posture was described. Linkage calculated coordinates of the kinematic equations. Opponents of the wire feed control system design, and its realization by PLC. Analysis of the drive motor, DC servo motors, such as a brushless motor design. The motor-driven methods are analyzed. Finally, the market prices of the components of the economic analysis products. Keywords：Welding robots, hand , power control II焊接机器人手部结构及电控系统设计 目 录 第一章 绪论 .111 焊接机器人的发展以及现状 .1 1.2 选题背景和研究意义 .51.2.1 选题背景 . 5 1.2.2 研究意义 . 5 第二章 机器人手部结构设计 .7 21 手部主要结构 .7 22 手部位置，速度及加速度分析 .8 2.2.1 刚体的位置和姿态描述及坐标变换 . 9 2.2.2连杆的坐标系 . 11 2.2.3 运动学方程 . 13 第三章 手部控制系统设计 .19 31 控制系统总设计 .19 311 控制系统设计 . 19 312 PLC实现对焊接机器人的控制 . 24 32 电机、电路设计 .28 321 电气驱动系统中执行机构的功率确定方法 . 29 322 机器人中的驱动电动机 . 33 323 电动机驱动方法概述 . 38 第四章 经济分析 .45 第五章 总结与展望 .47 参考文献 .48 致 谢 .50 声 明 .51 III焊接机器人手部结构及电控系统设计 第一章 绪论 11 焊接机器人的发展以及现状 焊接与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。 实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。为不同形式的机器人点焊钳。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接1。 从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。联合国欧洲经济委员会(UNECE)统计的从 1990 年至 2000 年的机器人价格指数和劳动力成本指数的变化曲线。把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100，至2000年，劳动力成本指数为 140，增长了 40%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40，降低了60%。这里，不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较；而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，1焊接机器人手部结构及电控系统设计 机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑，机器人的价格指数应该更低。 由此可以看出，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，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中 38.9 万在日本、19.8 万在欧盟、9 万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万2。 由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。为机器人电弧焊用于焊接汽车底盘。 另外，机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。 随着汽车轻量化制造技术的推广，一些高 强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决，必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此，机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成2焊接机器人手部结构及电控系统设计 为必然趋势。事实上，像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人激光焊接3，4。 和机器人电弧焊相比，机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。根据一般的要求，机器人电弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内，在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。但对激光焊而言，焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内，远小于焊丝直径(通常大于1.0)，而激光焊接时通常又不加填充焊丝，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便会造成偏焊、漏焊。因此，上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外，还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。 工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。 一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中 3 个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外 3 个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。 对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加 13 个外部轴的办法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工3焊接机器人手部结构及电控系统设计 件上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。 焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式(Teach-in)为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易。然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种： 一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器(通常是电弧传感器或激光视觉传感器)自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用7。 二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”(virtual Teach-in)的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。如Workspace5、 RobotStudio等。为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统。该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程，程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检验其准确性和合理性。所编程序可通过网络直接下载给机器人4焊接机器人手部结构及电控系统设计 控制器5，6。 我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。 当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 1.2 选题背景和研究意义 1.2.1 选题背景 焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作，焊接中的辐射危害有强光、红外线、紫外线等，电子束产生的X射线，会影响焊工的身体健康。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。 1.2.2 研究意义 焊接 机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与 焊接 这个特殊的行业有关， 焊接 作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于 焊接 烟尘、弧光、金属飞溅的存在， 焊接 的工作环境又非常恶劣， 焊接 质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用 焊接 机器人有下列主要意义： (1)稳定和提高 焊接 质量,保证其均一性。 焊接 参数如 焊接 电流、电压、 焊接 速度及 焊接 干伸长度等对 焊接 结果起决定作用。采用机器人 焊接 时对于每条焊缝的焊接 参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此 焊接 质量是稳定的。而人工 焊接 时， 焊接 速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 5焊接机器人手部结构及电控系统设计 (2)改善了工人的劳动条件。采用机器人 焊接 工人只是用来装卸工件，远离了焊接 弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 (3)提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高效 焊接 技术的应用，使用机器人 焊接 ，效率提高的更加明显。 (4)产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 (5)可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接 自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产8，9，10。 6焊接机器人手部结构及电控系统设计 第二章 机器人手部结构设计 21 手部主要结构 焊接机器人手部主要零件如表1所示： 表 1 焊接机器人手部主要结构 序号 名 称 数量 材料 备注 1 六角头不脱出螺钉 M6 X 25 2 GB/T 838-1988 2 铰链 1 HR-04-01 3 校直轮 1 45 钢 HR-04-02 4 送丝滚轮 1 45 钢 HR-04-03 5 压紧轮 1 45 钢 HR-04-04 6 压紧手柄 1 7 滚花螺钉 1 GB 835-88 8 六角头不脱出螺钉 M8 X 20 2 GB/T 838-1988 9 挡板 1 HR-04-05 10 六角头不脱出螺钉 M6 X 30 8 GB/T 838-1988 11 导电嘴 1 铜 M8 1.4 12 喷嘴 1 20 13 绝缘套 1 橡胶 16 14 十字槽沉头螺钉 M5 X 16 1 GB/T 822-2000 15 手腕 1 16 六角头不脱出螺钉 M8 X 20 1 GB/T 838-1988 17 六角头螺栓 1 GB/T 5780-2000 18 送气管导嘴 1 铜 4 19 六角螺母 1 GB/T 41-2000 20 小六角特扁细牙螺母 1 GB/T 808-1988 21 挡板 4 HR-04-06 22 电磁气阀 1 J1J22 23 十字槽圆柱头螺钉 M3 X 20 1 GB/T 822-2000 7焊接机器人手部结构及电控系统设计 24 印刷电机 1 120SN05-C 25 六角头不脱出螺钉 M5 X 15 2 GB/T 822-2000 26 管线箍夹 1 铝合金 HR-04-07 27 送丝管导向口 1 内径 4 28 六角螺母 1 GB/T 41-2000 29 栓接机构用大六角螺母 1 GB/T 18230.3-2000 30 U 型校直轮 1 45 钢 HR-04-08 31 压紧滚轮架 1 HR-04-09 32 平键 3 X 3 1 45 钢 GB/T1095-1979 33 六角头螺栓全螺纹 M8 X 20 2 GB/T5781-2000 34 标准型弹簧垫圈 1 GB/T 93-1987 35 平垫圈 1 GB/T 95-1985 36 焊枪夹持 1 铸铁 HR-04-10 22 手部位置，速度及加速度分析 机器人手臂运动学 机器人的机械臂是由 数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器 ( 如焊枪 ) ，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。 机器人手臂运动学中有两个基本问题11。 （1） 对给定机械臂，己知各关节角矢量 g(f)=gl(t) ，g2(t) ，. gn(i) ，其中 n 为自由度。求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。在机器人示教过程中。机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。 （2） 对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。在机器人再现过程中，机器人控制器即逐8焊接机器人手部结构及电控系统设计 点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。 运动学正问题的运算都采用 D-H 法，这种方法采用 4X4 齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的 4X4 齐次变换矩阵。逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法。 对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型， 由于目前通用的工业机器人 (包括焊接机器人) 最大的运动速度都在 3m/s 内，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做简单的动力学控制。 （3） 机器人轨迹 规划 机器人机械手端部从起 点 (包括，位置和姿态) 到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动13，14。 2.2.1 刚体的位置和姿态描述及坐标变换 为了描述机器人本身的各个连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将他们当做刚体，研究各个刚体之间的运动关系。 相对于直角坐标系A的任意一个点p的位置可以用3X1的列矢量AP （2-1） 来表示，其 px,py,pz,是点 P 在坐标系A中的一个分量。AP 的上标 A 代表参考坐标系A。除了直角坐标系外，还可以 采用圆柱坐标系或球(极)坐标系来描述点的位置。 为了确定空间某一刚体B的方位(或称作姿态)，可设一个坐标系B与其同联。用坐标系的三个单位主矢量XB，YB,ZB相对坐标系A的方向余弦组成的3X3矩阵12。 (2-2) 9焊接机器人手部结构及电控系统设计 (2-3) 来表示刚体 B 相对于A的方位。 称为旋转矩阵，上标 A 代表参考坐标系A，下标B代表被描述的坐标系B。 有9个元素，其中只有3个是独立的。因为其列矢量都是单位矢量，且两两相互垂直，所以它的9个元素满足如下6个约束条件(即正交条件): (2-3) 因此旋转矩阵 是正交的，满足条件： (2-4) 式中，上标T表示转置;|为行列式符号15，16，17。 根据上述定义，绕x轴、y轴和Z轴旋转0角的旋转矩阵分别是: (2-5) (2-6) 10焊接机器人手部结构及电控系统设计 (2-7) 为了完全描述刚体B在空间的位姿(位置和姿态)，通常将物体B与某一坐标系B相固联。B的坐标原点一般选在物体的特征点上，如质心或对称中心等。 相对参考系A，由位置矢量 和旋转矩阵 分别描述坐标系B的原点位置和坐标轴的方位。因此，刚体B的位姿可由坐标系B来描述，即： (2-8) 当表示位置时，式中的旋转矩阵 为单位矩阵;当表示姿态时，式中的位置矢量通 =0。 2.2.2连杆的坐标系 机械手的任一连杆i(i=0，1，2N)可看作是一个刚体，它确定了相邻两个关节 i，i-1 的轴线 i 与轴线 i-1 之间的关系参看图 1，我们可以用下述四个参数描述连杆i： (l)连杆长度 ai-1:轴线 i 与轴线 i-1 之间公垂线的长度，若两轴线相交，ai-1=0;若两轴线平行，可对ai-1的垂足有所选择。 (2)连杆扭角ai-1:以从轴线i指向轴线i-1的ai-1为法线，经过ai-1，在轴线 i 上的垂足作 r 一平面，将轴线 i 按相对于 ai-1 的右手规则转向轴线 i-1在该平面的投影，这样所形成的转角即为 ai-1.若两轴相交，可对 ai-1 的正负号任意选择，若两轴线平行，ai-1=0 (3)连杆间距 di:从 ai-1 在轴线 i 上的垂足沿轴线 i 指向场 ai 在轴线 i 上的垂足的长度。若关节i为柱关节，则di为关节位移变量，di的零位置任选。 11焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 1 连杆参数和连杆坐标系 4)关节转角01:把ai平移到与ai-1的延长线相交的位置上，这两条公垂线所成的夹角。若关节i为旋转关节，则01为关节位移变量。01的零位置任选。 现在对连杆i定义一个与之相固联的坐标系i，定义的规定如下:坐标系i的 z 轴(z1)与轴线 i 相重合，i的原点设为 ai 在轴线 i 上的垂足。i的 x 轴(xi)沿ai，的方向，即从轴线i指向轴线i-1,当ai=0时，xi选为z与zi-1所成平面的法线，于是 xi 的选择有两种可能性，这对于 ai 的正负号有影响，i的Y轴(yi)按右手规则得到。图所示为一般机械手坐标系i-1和i的位置。 我们在机器人基座上连接一个坐标系称其 为坐标系0。此坐标系不运动，可作为研究手臂运动的参考坐标系。每可以依据它来描述所有其它连杆坐标的位置18。 基座坐标系0的选择是任意的，我们规定Zo沿轴线1，这使得当关节变量l是0时， 0和1完全重合。使用这种惯例，我们总有:a0=0。还有，若关节 1为旋转关节，能够保证di=o;若关节i为柱关节，则0i=0。 末端连杆坐标系的确定取决于其关节类，对于旋转关节n,n的原点选择要保证dm=0，而xn的选择要使它在0n=0时与xn-1重合;若关节n为柱关节，n的原点选择要使它在 dn=0 时位于 xn-1 在轴线 n 上的垂足处，而 xn 的选择要保证0n=0. 12焊接机器人手部结构及电控系统设计 2.2.3 运动学方程 利用前面 2.3.2 的讨论结果，我们来确定连杆坐标系i相对于i-l的变换。 如图2所示，i可以看作是先与i-1重合，然后经过四次变换得到一个坐标系。设中间坐标系依次为P、Q、R、其变换顺序为:绕 xi-1 旋转 ai-1得到P，P沿 xi-1 平移 ai-1 得到Q，Q绕 zi 旋转 0i 得到R，R沿 zi平移di得到i，于是，可以直接写出 (2-9) 如果已知连杆参数 ai-1,0i,(对于柱关节)或 di(对于旋转关节)，那么，仅为一个变量的函数。 对于多个连杆的机械手，一运动学方程是 要确定与末端坐标系n固联的工具相对于基杆坐标系0的变换，这只要把n个连杆变换矩阵逐次右乘就可得到 (2-10) 是 n 个关节位移变量的函数，如 果得到了机械手关节位置传感器的读数，运动学的正问题也就解决了。 13焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 2 连杆坐标系i到i-1的变换 例 1 PUMA560 是一个全部为旋转关节的六自由度机器人，如图 3(所有关节都处于零位置)所示，关节4,5,6的轴线都相交，交点即为4,5 ,6的原点，对应的连杆参数列于表2。 表 2 PUMA 560 的连杆参数 利用式可求出每个连杆变换如下: 14焊接机器人手部结构及电控系统设计 以下我们采用进一步的简略符号进行计算，如c3=c03,s4=s04等等。 (2-11) 因关节 2,3 的轴线总是平行的，先计算 ，并运用和角公式CI3=C2C3,S23=C2S3+S2C3,以使结果表达式简单一些。 15焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 3 PUMA 的坐标系 16焊接机器人手部结构及电控系统设计 (2-12) 式中 (2-13) 最后求出： 17焊接机器人手部结构及电控系统设计 (2-14) 式中 (2-15) 18焊接机器人手部结构及电控系统设计 第三章 手部控制系统设计 31 控制系统总设计 311 控制系统设计 弧焊机器人可以被应用在所有电弧焊、切割技术范围及类似的工艺方法中。最常用的应用范围是结构钢和 CT Ni 钢的熔化极活性气体保护焊 (C02 气体保护焊、 MAG 焊 ) ，铝及特殊合金熔化极 惰性气体保护焊 (MIG) ，Cr Ni 钢和铝的加冷丝和不加冷丝的钨极惰性气体保护焊 (TIG) 以及埋弧焊。除气割、等离子弧切割及等离子弧喷涂外还实现了在激光切割上的应用。 图 4 是一套完整的弧焊机器人系统，它包括机器人机械手、控制系统、焊接装置、焊件夹持装置。夹持装置上有两组可以轮番进入机器人工作范围的旋转工作台。 图 4 弧焊机器人系统的基本组成 (1) 弧焊机器人基本结构 弧焊用的工业机器人通常有 5 个自由度以上具有 6 个自由度的机器人可以保证焊枪的任意空间轨迹和姿态。图5为典型的弧焊机器人的主机简图。点至点方式移动速度可达 60m/min 以上，其轨迹重复精度可达到 +0.2mm ，它们可以通过示教和再现方式或通过编程方式工作。 19焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 5 典型弧焊机器人的主机简图 这种焊接机器人应具有直线的及环形内插法摆动的功能。如图 6的 6 种摆动方式，以满足焊接工艺要求，机器人的负荷为 5kg 图 6 弧焊机器人的 6 种摆动方式 a) 直线单摆 b) L 形 c) 三角形 d) U 形 e) 台形 f) 高速圆弧摆动 弧焊机器人的控制系统不仅要保证机器人的精确运动，而且要具有可扩充性，以控制周边设备确保焊接工艺的实施。图7是一台典型的弧焊机器人控制系统的计算机硬件框图。控制计算机由 8086CPU做管理用中央处理机单元，8087 协处理器进行运动轨迹计算，每4个电动机由1个8086CPU进行伺服控制。通过串行 I/O 接口与上一级管理计算机通信；采用数字量 I/O 和模拟量 I/O 控制焊接电源和周边设备19，20。 该计算机系统具有传感器信息处理的专用 CPU(8085) ，微计算机具有 384K 的 ROM 和 64K 的 RAM ，以及 512K 磁泡的内存，示教盒与总线采用 DMA 方式 ( 直接存储器访问方式 ) 交换信息，并有公用内存 64K 。 20焊接机器人手部结构及电控系统设计 用于工业机器人的焊接电源及送丝设备， 由于参数选择，必须由机器人控制器直接控制。为此，一般至少通过 2 个给 定电压达到上述目的。对于复杂过程，例如脉冲电弧焊或填丝钨极惰性气体保护焊时，可能需要 2 5 个给定电压，电源在其功率和接通持续时间上必须与自动过程相符合，必须安全地引燃，并无故障地工作，使用最多的焊接电源是晶闸管整流电源。近年的晶体管脉冲电源对于工业机器人电弧焊具有特殊的意义。这种晶体管脉冲电源无论是模拟的或脉冲式的，通过其脉冲频率的无级调节，在结构钢、 Cr-Ni 钢及铝焊接时都能保证实现接近无飞溅的焊接。与采用普通电源相比，可以使用更大直径的焊丝，其熔敷效率更高。有很多焊接设备制造厂为工业机器人设计了专用焊接电源，采用微处理机控制，渗以便与工业机器人控制系统交换信号。 送丝系统必须保证恒定送丝，送丝系统应设计成具有足够的功率，并能调节送丝速度。为了机器人的自由移动，必须采用软管，但软管应尽量短。在工业机器人电弧焊时，由于焊接持续时间长，经常采用水冷式焊枪，焊枪与机器人末端的连接处应便于更换，并需有柔性的环节或制动保护环节，防止示教和焊接时与工件或周围物件碰撞影响机器人的寿命。图8为焊枪与机器人连接的一个例子。在装卡焊枪时，应注意焊枪伸出的焊丝端部的位置应符合机器人使用说明书中所规定的位置，否则示教再现后焊枪的位置和姿态将产生偏差21，22，23。 (4) 控制系统与外围设备的连接 工业控制系统不仅要控制机器人机械手的运动，还需控制外围设备的动作、开启、切断以及安全防护，图9是典型的控制框图24。 控制系统与所有设备的通信信号有 数字量信号和模拟量信号。控制柜与外围设备用模拟信号联系的有焊接电源、送丝机构、以及操作机 (包括夹具、变位器等)。这些设备需通过控制系统预置参 数，通常是通过 DA 数模转换器给定基准电压，控制器与焊接电源和送丝机构电源一般都需有电量隔离环响，控制系统对操作机电动机的伺服控制与对机器人伺服控制电动机的要求相仿，通常采用双伺服环。确保工件焊缝到位精度与机器人到位精度相等。 21焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 7 弧焊机器人控制系统计算机硬件框图 图8 焊枪的固定 22焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 9 典型控制框图 (1) 弧焊机器人的操作 工业机器人普遍采用示教方式工作，即通过示教盒的操作键引导到起始点，然后用按键确定位置，运动方式 ( 直线或圆弧插补 ) 、摆动方式、焊枪姿态以及各种焊接参数。同时还可通过示教盒确定周边设备的运动速度等。焊接工艺操作包括引弧、施焊熄弧、填充火口等，亦通过示教盒给定。示教完毕后，机器人控制系统进入程序编辑状态，焊接程序生成后即可进行实际焊接。下面是焊接操作的一个实例 (见图10)25。 图 10 焊接操作 1)F=2500 ，以 TV=2500cm min 的速度到达起始点； 23焊接机器人手部结构及电控系统设计 2)SEASA=H1，L1=0,根据 H1 给出起始点 L2=0 ，F=100 ： 3)ARCON F=35 ，V=30 ；在给定条件下开始焊接 I 一 280 ，TF=0.5 ，SENSTON=H1 并跟踪焊缝； 4)SENSTON = HI ；给出焊缝结束位置； 5)CORN=*CHFOIAI ：执行角焊缝程序，CHFOIAI ； 6)F=300 ， DW=15 ；15s 后焊接速度为 v=300cm/min ； 7)F=100 ；以 v=100cm min ，并保持到下一示教点； 8)ARCON ， DBASE=*DHFL09 ：开始以数据库 *DHFL09 的数据焊接； 9)arcoff ， vC=20 ， ic=180 ：在要求条件下结束焊接 TC=1.5 ，F=200 ： 10)F=1000 ;以 v=1000cm min 的速度运动： 11)Dw=1 ， OUTB=2 ， 1s 后，在 #2 点发出 1 个脉冲； 12)F=100 ：以 v=100cm min 的速度运动； 13)MULTON=*M ： 执行多层焊接程序M ； 14)MULTOFF ， F=200 ：结束多层焊接。 312 PLC 实现对焊接机器人的控制 焊接机器人的应用，离不开与之配套的工装夹具等外部设备。由于焊接机器人对焊缝的自动焊接，是整个自动焊接工作循环的一个组成部分，故PLC 不仅要对焊接工装的执行机构进行控制，还要对焊接机器人进行控制，才能完成工件的自动焊接。对焊接机器人的控制包括PLC 向机器人发出控制指令，以及获取机器人的工作状态信息等内容。实现PLC 对焊接机器人的控制是开发机器人自动焊接工装必须首先解决的问题，我们在为某厂开发的机器人自动焊接工装中，采用了自定义控制指令和自定义状态信息的方法，实现了PLC 对焊接机器人的控制26。 （1）自动焊接工装的基本组成 机器人自动焊接工装的基本组成如图11所示。 24焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 11 自动焊接工装的基本组成 工装的主要部分为一个双工位的焊接夹具，一个工位在焊接时，另一个工位可以进行装卸，每个工位的夹具要分别适用C 种不同的工件规格。PLC 将各种控制指令送到机器人控制系统，并接收机器人的各种工作状态信号、指令及传感系统，包括各指令开关、工件识别传感信号和执行机构的位置信号等。执行机构包括夹具的各夹紧机构、卸料机构和定位装置等，由控制系统进行自动控制，与机器人协调动作。整个自动焊接系统的状态由操作终端显示出来，并通过操作终端对各执行机构进行手动动作，以及进行工件规格的选择等27。 （2）对焊接机器人的控制 PLC 要在获取足够的机器人工作状态信息的基础上，才能根据焊接的工作循环，对机器人发出相应的控制指令，实现对焊接机器人的控制。在我们开发的机器人自动焊接工装中，通过基本控制指令以及自定义控制指令的方法，实现了焊接过程中所需的对机器人的控制。 1）使用基本指令进行控制 在机器人控制系统中，提供了焊接工作模式（运行、示教等）设置，机器人伺服系统开启、停止、 重启继续和回零等输入控制端口， 通过这些控制端口，PLC 可以对焊接机器人进行上述的控制。同时，也提供了焊接机器人所处的运行模式，伺服系统的开、停、就绪、报警和急停等状态输出端口，通过读取这些端口的状态，PLC 就能获知机器人的焊接基本状态。我们把这些控制和状态信息称为基本控制指令和基本状态信息。用PLC 的输出端口与基本控制指令端口连接，输入口与基本状态端口连接，通过一定的时序要求，PLC 就可以实现焊接机器人模式选择，伺服开、停等基本控制功能，以及获取机器人的就绪、停止和报警等基本状态信息。如图12所示28。 25焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 12 与机器人控制系统的连接 2） 使用自定义指令进行控制 在机器人自动焊接夹具中，仅通过基本控制指令和基本状态信息，不能满足完成自动焊接过程的要求。例如，在我们开发的自动焊接夹具中，PLC要指令焊接机器人进行何种工件规格的焊接，进行工件1还是工件2的焊接等，并将相应的焊接状态在操作终端中显示出来。 为了实现这些控制指令，我们利用机器人控制系统中的“工作选择”端口，进行不同“工作”的定义，每个“工作”代表一个自定义的控制指令。通过“工作选择”端口的输入端子的不同组合，可以定义不同的“工作”号，不同的“工作”号对应不同的控制指令。如利用“ 工作选择”的 LineA IN5IN7 的信号组合来表示不同的“工作” ，每个“工作”对应对不同的工位及工件规格的焊接指令。当,IN5 及 IN7 为 ON 时，表示要进行左工位第 3 种工件规格的焊接，如表 3所示。其它的输入端子（IN8IN10）用来定义一些辅助的指令。 26焊接机器人手部结构及电控系统设计 表 3“工作”的定义 焊接机器人一般采用示教方式对焊缝轨迹进行编程，在示教模式下，通过手动使焊枪沿着焊缝移动，将不同规格的工 件的焊缝轨迹保存好。当PLC对“工作选择”端口输出不同的组合时，就表示选择了不同的“ 工作”号，在焊接时，机器人控制系统就会调出对应的焊缝轨迹，对工件进行焊接29。 同理，可以利用“工作选择”Line B 的输出口来定义自己的状态信息。如利用Line B 的OUT3OUT5的组合来定义“正在焊接”、“ 焊接完成”、“ 正在焊接工件1”及“ 正在焊接工件2”等状态信息。Line B 的输出口与PLC 的输入口连接，PLC 通过这些输入信号的状态，就可判别这些自定义的状态，再送到操作终端显示出来。 3)控制信号的时序和PLC编程实现 PLC 要正确向机器人控制系统发出控制指令，必须满足其时序要求。 a.对工作模式设置。伺服开、停止、重启和回零等基本控制指令，这些信号的时序如图13所示，要求信号保持0.2S以上。 b.对“工作选择”端口的信号，其时序如图所示。先形成“工作选择”信号（IN5IN7）的组合，稳定至少 0.2S 后，发出握手信号 Strobe，Strobe 信号保持不能少于0.2S;，在Strobe结束后,IN5IN7的信号还要继续保持不少于0.2S。 27焊接机器人手部结构及电控系统设计 图 13 时序图 实现这些信号的PLC程序如图14所示。辅助继电器M51M56分别代表工作代号JOB1JOB6，Y50Y52分别与Line A的IN5IN7连接,Y46用来产生STROBE信号。当要向机器人发焊接指令时,M13被置为ON，这时，根据所选的JOB（M15或其它），输出Y50Y52（IN5IN7）的信号组合，同时通过时间继电器T110，经 0.3S后，用脉冲指令PLS使M446发出脉冲，置握手信号STROBE（Y46），经时间继电器M104的0.3S后，断开STROBE信号30。 图 14 实现信号时序的 PLC 程序 32 电机、电路设计 28焊接机器人手部结构及电控系统设计 321 电气驱动系统中执行机构的功率确定方法 电气驱动系统在焊接机器人驱动中占有越来越主要的地位。本节将介绍如何估算机器人驱动电动机的功率。 当一个初步设计己完成，各关节的驱动装置参数已知道，这时可以计算驱动电动机所需功率。当然，精确计算较烦，它需要根据不同加速、匀速、减速时间分别计算。但为简单起见，只用最大加速度和最大速度来估算功率，因此这种方法能给出所需功率的最大估计值31。 整个过程可以分三步进行，首先计算需要的力矩T，然后根据需要的或运动学分析得到的最大角速度，最后用式估计所需的功率。 图 15 关节转动 1.计算驱动力矩T。图15表示了一个关节的传动情况，图中 T 电动机发出的驱动力矩； 0 电动机轴上转角； J 电动机轴总转动惯量电动机转子、主动轴及主动齿轮刀:转动惯量和)； B 粘滞系数； T1 主动轴上负载力矩； n1,n2 被动齿轮齿数; T2 被动轴(关节铀)一L驱动力矩; B2 被动轴粘滞系数; 02 被动轴转角: J2 被动轴上总转动惯量; FD1,FD2主动轴，被动轴上库伦摩擦力: 29焊接机器人手部结构及电控系统设计 Tr阻力矩，它取决于作业性质，对惯性负载情况，如移动一个焊枪，Tr=0，对阻力负载，如切削刀具进给阻力或提升(移 动)一个重物时，Tr 不等于零。被动轴上我们可以写出: (3-1) 同理，对主动轴有 (3-2) 但 (3-3)