一体焊方案分析

1、一体焊专用焊接机器人系统设计1 焊接机器人性能指标衡量机器人性能的技术指标主要有：重复定位精度、最大负荷、工作范围、运动速度、柔性能力、动态响应性、控制稳定性及稳态精度等。这些指标关联了机器人的系统功能及智能化程度，决定了机器人系统的整体结构和控制方式。2系统总体功能分析2.1基本作业流程焊接机器人的基本作业流程如图1示。图1 焊接机器人基本作业流程2.2系统功能分析基于焊接机器人的基本作业流程，其系统功能应包括以下几个方面：1. 人机交互方式（控制模式选择、用户界面、焊接轨迹显示、实时编程等）2. 柔性能力（编程模式如示教模式、离线编程模式或机器人语言编程模式）3. 系统控制与反馈（1）焊接

2、质量监测：焊接电流、电压、压力、时间等；（2）焊枪状态监测：位姿、速度、加速度、负载扰动等；（3）焊枪寻位能力控制功能（起焊点与收焊点）；（4）焊枪与焊点相对位置的偏差检测与修正。4.焊接功能分析（1）焊枪位移；（2）焊枪姿态调整。2.3机械结构方案分析 在一体焊专用机器人的所有系统功能中，与机械结构紧密相关的主要是焊接功能，为确定机器人系统的机械结构方案，特对其焊接功能进行分析。2.3.1焊枪位移1. 坐标系形式 根据机器人的动作形态，按坐标形式可以将机器人大致分为4种：（1）直角坐标式机器人；（2）圆柱坐标式机器人；（3）球坐标式机器人；（4）关节式机器人对于汽车车门、侧围等部件来说，一体

3、焊专用焊接机器人只需4个自由度便可以完成焊接工作，按照坐标系形式的不同，其机构简图如图2。 （a）直角坐标式 （b）圆柱坐标式 （c）球坐标式 （4）关节式图2 不同坐标系机器人机构简图为确定机器人坐标系形式，特对4种坐标式进行分项指标对比，如表1。表1 不同坐标式分项指标对比表指标坐标形式（A、B、C、D表示优劣关系，从优到劣为A>B>C>D）直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式直线行走效率ACCB绝对精度ABCD灵活性CBBA稳定性ABCD系统结构简单性和可靠性ABBC系统布置灵活性与占地面积CBBA工作范围CBBA工作环境遮蔽性（焊渣等）CBBA运动轨迹控制难易度ABCD

4、成本低ABCD 从上表中可以看出，直角坐标式、圆柱坐标式和关节式是较为理想的结构形式，为确定最终坐标形式，特进行具体分析。 车门、侧围等焊接对象的大多数焊点呈现以下规律： （1）近似趋向于单轴分布，在其他两轴上的位置波动相对较小，这有利于焊枪的近似直线行走； （2）焊点分布相对密集、间隔比较均匀，故焊枪的位姿调整速度波动不大，运动相对平稳。 所以，相比与关节式机器人来说，直角坐标式或圆柱坐标式焊接机器人的本身结构决定了其在此类焊接对象上的应用优势，具体来说： （1）运动精度与平稳性 焊枪的起焊点位姿调整好后，一般是沿着单轴向进行大位移，同时协同进行其他两轴向上的小位移，因此，直角坐标式机器人更

5、加能够保证运动的精度和平稳性，圆柱坐标式机器人次之；而对于关节式机器人来说，焊枪要走近似直线的轨迹一般需要多轴的严格联动才能实现，其运动精度和平稳性显然不如前者。 （2）系统的结构及刚性 关节式焊接机器人属于一种链式结构，各个关节是转动副，在这些关节处也是转动驱动。所以整个机器的刚性或稳定性主要取决于各个关节驱动装置的自锁能力和关节的刚性。要有自锁能力可以安装自锁装置或采用具有自锁能力的减速器，这就不可避免增加了各个关节链中的重量，系统的结构比较复杂。 直角坐标式机器人虽然也是一种串联式结构，但结构的稳定性或刚性基本是依靠各个连接板的紧固来保证的，与整机的刚性没有直接关系；圆柱坐标式机器人在基

6、座的转动关节是直接关系整机刚性的，相比与直角坐标式机器人来说，其刚性稍差。对于直角坐标式或圆柱坐标式机器人来说，为了保证系统的整体刚性和工作范围，一般其实现各自由度运动的部件尺寸要求比较大，显然不如关节式机器人的构形那样精益，且其运动灵活性和工作空间的低占用率也不如关节式机器人。 （3）控制难度 多数情况下直角坐标式或圆柱坐标式焊接机器人的各个轴是分别运动，运动顺序有一定的关联性，但各个轴的运动速度之间没有非常严格的限制，各个轴在焊接开始和结束时为变速运动，在其他时间可以基本保持匀速运动，因此控制方法比较简单，对控制器的要求不高。但关节式机器人在工作时至少有3 个轴同时严格联动，为达到预定的轨

7、迹要求，各个轴必须保持非线性转动，这对动力源和控制器的性能提出了较高要求。 （4）制造成本由于焊接机器人的运动主要是走焊接轨迹，对运动速度变化的要求并不太高，如果以电机作为驱动源，对于直角坐标式或圆柱坐标式焊接机器人来说，驱动电机可以采用成本比较低的步进电机，运动精度的提高只需要对步进电机进行细分控制即可。而对于关节式焊接机器人，由于驱动力要求较大，一般要采用伺服电机，还要用摆线针轮（RV）减速器或谐波齿轮减速器，价格比较昂贵。（5）工作环境适应性焊接过程中往往伴随着大量焊渣的飞溅，对于直线导轨式结构来说，焊渣的附着影响机构的运动精度，严重的情况下甚至会导致机构的运动精度急剧下降，所以直线导轨

8、式结构需要考虑加装防护装置，防止焊渣、灰尘等的附着。关节式焊接机器人靠转动副实现运动，其受焊渣飞溅的影响较小，对工作环境的适应性较强。综上所述，一体焊专用机器人首选直角坐标式结构，其次选用圆柱坐标式结构。2. 机械传动结构传动装置是将动力源能量或运动传递给工作机的装置。目前在机械手设计中常用的传动方式有：螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动等。为确定机械传动结构，下面对几种常用的机械传动结构进行分项指标对比，如表2所示。表2 几种常用的机械传动结构对比表指标传动方式（A、B、C、D表示优劣关系，从优到劣为A>B>C>D）滚珠丝杠传动齿轮传动蜗杆传动链传动曲柄滑块传动绳索牵引传

9、动精度高ABBCCC平稳性ACBCBA可靠性ABBBCC结构简单CBBBBA效率BADBBB成本低BBCABA滚珠丝杠传动能够保证一定的速度调节范围，由于丝杠的螺旋角比较小，此种传动可以起到增力、减速的效果，自然也提高了运动精度和平稳性，且滚珠丝杠的传动效率在90%以上，结构紧凑，可靠性高。对于直角坐标式机器人来说，因其只在X、Y、Z三个轴向上作平动，故滚珠丝杠传动是较为理想的传动方式，齿轮传动、蜗杆传动次之。3. 驱动方式目前常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等方式，其特性对比如表3示。表3 各种驱动方式的分项指标对比表指标驱动方式（A、B、C、D表示优劣关系，从优到劣为A>

10、B>C>D）电机驱动液压驱动气压驱动操作力BAC速度反应性AAB大小和重量ABC安全性ACA使用是否方便ACA控制精度ABC成本低CBA对于一体焊专用机器人来说，其对运动的动态性能、输出力等要求不是很高，选用步进电机作为动力源既能满足精度要求，又能节约成本，是较为理想的选择。其中，步进电机驱动滚珠丝杠副进行运动是直角坐标式焊接机器人实现焊枪位移功能较为理想的组合方式。2.3.2焊枪姿态调整鉴于车门、侧围等焊点的分布特性，焊枪位移至恰当位置后，通过调整焊枪固定轴的旋转角度来变换焊枪姿态，即可实现多边的连续焊接。另外，焊枪的电极帽端部一般为半球状，这使得其能够对在微小曲面上分布的焊点进

11、行焊接，故其姿态的调整只需一个自由度即可。由前文分析可知，权衡运动精度、成本等方面的利弊，选用电机驱动加上齿轮传动是较好的组合方式。 2.3.3机械结构方案 通过上述分析，特提出一体焊专用机器人的机械结构方案。方案一：1. 机器人主体采用直角坐标式结构，实现焊枪的位移功能；（1）X、Y、Z三个方向采用步进电机驱动滚珠丝杠副实现平动；（2）X方向（如图2a示）传动采用圆棒直线导轨，质量轻，成本低，负载能力高，精度能够保证；（3）Y、Z方向传动采用直线运动模块，结构紧凑、精度高、可靠性高、惯性小、噪音振动小；（4）Z方向上考虑增加配重块。滚珠丝杠副传动的一个缺点是自锁能力很差，对于X、Y（如图2-

12、a示）方向的运动，静止时不存在丝杠受力的情况。对于Z方向的运动，整个机械手的重量全部作用在丝杠上，需要提供额外的阻力防止丝杠转动，这就要求电机具有很强的自锁能力，与此同时，丝杠受力太大容易产生变形，所以一定在此方向增加配重块，以平衡机械手的重力，减少对丝杠的作用力，提高传动性能。如图3所示。配重块通过绳索绕过导轮与运动平台相连，以减轻丝杠所受的轴向力。运动过程中控制螺母始终和丝杠螺旋的上表面接触，保证消除回程间隙，同时提高运动的平稳性。图3 竖直方向配重示意图2. 步进电机驱动齿轮结构实现焊枪姿态调整；3. 考虑在直线导轨上加装焊渣、灰尘等的防护装置。方案二：1. 采用圆柱坐标式结构（如摇臂钻

13、结构）实现焊枪位移功能；2. 步进电机驱动齿轮结构实现焊枪姿态调整。2.4系统控制方案分析1. 基于单片机的焊接控制系统采用单片机开发控制系统成本低，但单片机系统开放性差，软硬件资源有限，且操作不方便，系统可靠性差，不具备良好的人机界面，因此在实际的工业现场使用的单片机的控制系统不多。2. 基于工业控制计算机（工业PC）的焊接控制系统PC 机由于具有一系列较为完善和成熟的设计，并且有丰富的软硬件支持，性能和可靠性不断提高，是开放式控制系统的首选系统平台。但是，PC 机难以满足实时控制的需求，因此，在工业现场可以采用“PC+运动控制卡”的形式组成控制系统的装置。由PC 机处理非实时部分，实时部分

14、则由运动控制卡来完成，PC 机实现控制部分的人机界面，完成程序的输入，焊接轨迹的设定及仿真等过程。控制卡则负责处理一些实时的信号，如原点信号，限位信号等。3. 基于可编程控制器（PLC）+触摸屏的焊接控制系统PLC是在传统的继电器顺序逻辑控制的基础上引入微电子技术和计算机技术而产生的，用来取代传统的继电器、接触器控制系统，执行逻辑控制、计数、计时、数据处理及联网与通信功能。PLC作为现代工业的三大支柱(机器人、CADCAM、PLCCNC)之一，以其高可靠性、灵活性、编程使用方便在工业控制领域迅猛发展，得到了越来越广泛的应用，是实现机械机电一体化的重要的控制手段。人机界面使用触摸屏技术，这种在工

15、业控制设计中较为广泛的使用：触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测，并通过接口送到CPU。从而确定输入的信息。在工业控制中，采用触摸屏与可编程控制器结合解决了工程控制中实际的问题，触摸屏技术不仅替代了原先操作按钮的控制功能，从而减少PLC的输入输出控制点，而且实现了加工信息显示、操作参数的设置，文件的存储等功能。本次设计的机械手有4个自由度，每个自由度都有单独的运动模块实现，每个模块都有相应地原始信号、减速信号、限位信号等。第一种方案，单片机系统的可靠性不高，不宜在焊接现场使用；第二种方案，采用工控机+运动控制卡，系统可靠

16、性好，不同的焊接类型可以共用一套软硬件系统，但是这种方式配置硬盘容量小，数据安全性低，存储选择性小并且价格较高，不利于在一体式焊机中使用；第三种方案，采用触摸屏与可编程控制器结合的方式，PLC是以用户需要为主，它具有可靠性高、编程简单、性能齐全、结构紧凑、体积小、直接带负载能力强等特点。并且能够适应复杂的工业环境，具有强抗干扰能力，能在恶劣的工业环境下可靠地工作，平均无故障工作时间为5万到10万小时。触摸屏的使用使得人机交互操作更简单，设备的设计更人性化，大大减少软件编程量，工程技术人员无需掌握专业的计算机知识及编程语言即可进行人机交互界面的设计。通过对比上述三种控制方案，结合本控制系统的特点

17、，采用第三种方案：采用可编程控制器（PLC）与触摸屏结合的方式。2.5运动控制分析 机器人之所以能够按要求去完成给定的任务是因为预先对其结构、运动的方式、路线以及控制模式作了必要的限定。此即机器人学中的运动学、动力学以及控制学问题。2.5.1机器人位姿描述 位姿也叫方位，机器人位姿描述即描述机器人运动的方位。物体的方位可由某个固联于此物体的坐标系描述，其坐标系原点一般取物体的特征点上，如质心、对称中心等。机械手位姿方程，也称运动方程，是描述机械手末端执行器位置和姿态的方程。位姿方程的建立是分析机械手运动的前提。建立位姿方程的第一步是设立坐标系，设立坐标系需注意以下几点：1. 使机械手处于操作的

18、零位，由基座开始先设立固定的基础坐标系，该坐标系为基座联坐标系，其Z轴的正向与重力加速度反向，原点在第一关节轴线上，X轴位于机械手工作空间的对称平面内。2. 使相邻的两坐标系的X轴同向，原点在Z轴方向上同高。3. 末端执行器坐标系，称之为末端执行器固联坐标系，其原点最好选在“手”心点上，Z轴的正向指向或者背对要抓取的物体。4. 使尽可能多的结构参数为0，不需要完全按实际的自然结构布置。 建立位姿方程的第二步是进行坐标变换，建立坐标系后，根据焊接机器人的机械结构，运动D-H法，在其关节传动简图上建立几个不同的坐标系，经过逐步变换，最终用手臂坐标表示的末端执行器可被变换为用机座坐标表示。2.5.2

19、机器人运动控制机器人的精确运动控制涉及到两个方面的问题，一是能够对实际空间运动曲线进行精确仿形，这需要确定影响空间曲线分布趋势变化的诸多关键点，并通过这些点完成对实际空间曲线的高度拟合；二是能够沿着仿形轨迹完成既定运动，即通过曲线拟合信息对曲线进行恰当的微分，完成每个微分段内机器人各部件的空间位置分解，并保证有合理的驱动源、传动机构和执行机构去实现机器人各部件的精确运动，最终完成焊接工作。显然机器人要实现精确的运动控制，涉及到了运动学、动力学及运动轨迹规划三类问题，下面分别进行探讨。2.5.3机器人运动学机器人运动学是专门研究物体运动规律，而在研究中不考虑产生运动的力和力矩，它涉及到运动物体的

20、位置、速度、加速度和位置变量对时间的高阶导数。机器人运动学研究两类问题，一类是运动学正向问题，即给定机器人各自由度处部件的运动轨迹，求解机器人手爪的位姿问题；另一类是已知手爪的位姿求机器人各自由度处部件的运动轨迹问题，称为逆向问题。显然正问题的解是唯一的，而逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。当已知焊接对象上焊点分布的空间曲线方程时，通过对方程进行合理的微分，求解运动学正向问题，得出焊枪的位姿信息，是较好的选择；当焊点分布的空间曲线方程未知时，通过获取机器人在各运动关键点处的位姿信息，进行运动学问题的逆向求解，获得各自由度处部件的运动轨迹变化，是较为理想的选择。对于通用型机器人，求解各关节变量

21、的工作由机器人系统完成、对特定的机器人转换矩阵进行逆向求解时，存在的问题可能有：1. 由于机器人固有结构的限制，可能无解。2. 因为末端执行器由不止一个关节变量定位在同一点，故可能存在多解。3. 解法的复杂性可能导致实时计算的困难。基于上述坐标系建立和坐标系变换的方法、焊接机器人的机械结构形式，选取几何法及坐标变换作为获得逆向解得方法。通过运动学逆解得出的解在满足机械手结构限制的同时也存在是否最优的问题，需考虑到的最优原则有以下两点：1. 距离最短原则：指到达目标的各关节变量变化的绝对值之和最小。2. 时间最短原则：指由机械手到达目标的时间最少。根据以上所述坐标系建立情况，定义机器人的基座坐标

22、系为XYZ，焊枪端点坐标系为X'Y'Z',并且机械手的坐标系X0Y0Z0在初始位置时与坐标系XYZ重合。机器人主题具有X、Y、Z三个方向的运动，关节运动分量分别为XX、YY、ZZ。在求机器人运动学逆解时，会制定焊枪头部的位置坐标和焊枪的姿态，然后求解机器人各个关节参数。焊枪端点在坐标系X'Y'Z'下的齐次坐标为坐标系X'Y'Z'到坐标系X0Y0Z0的变换矩阵为，=·焊枪端点在坐标系X0Y0Z0的齐次坐标为=·由此可得出=-即可求解出各个轴的关节参数XX、YY、ZZ2.5.4机器人动力学动力学是研究各自由

23、度处部件的驱动力(矩)与终端操作装置的位移、速度和加速度之间的关系。动力学也有两个相反问题：动力学正问题己知机械手各自由度处部件的作用力或力矩，求其位移、速度和加速度，以获得运动轨迹；动力学逆问题已知机械手的运动路径，即各组成部件的位移、速度和加速度，求其所需的驱动力或力矩。机械手是个复杂的动力学系统，由多个可相互运动的部件组成，具有多个输入和多个输出，存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性。通过求解运动学问题，可以得到机器人各部件的运动轨迹变化信息，因此，针对运动轨迹进行动力学问题的逆向求解，即可得到相关运动信息，实现机器人各部件的运动控制。在对机械手动力学分析之前，首先要求出机械手各关节的

24、速度和加速度，这是机械手动力学求解的基础。且对于刚体来说，其上各点的线速度和线加速度与角速度和角加速度不同，为求解机械手动力学，还需要算出连杆质心所在点的线速度和线加速度。结合理论力学和以上分析可以得到机器人动力学算法：牛顿-欧拉算法。该方法的优缺点在于：牛顿-欧拉算法要计算关节之间的约束力，所以在用于含闭链的机器人动力学计算，比较困难；优点在于正是由于算出了关节处的约束力，在对机器人的机构设计时提供了力学分析的原始条件。2.5.5运动轨迹规划2.5.5.1轨迹插补算法在机器人进行焊接前，必须先设置焊接路径。在仿真或焊接执行时，则通过插补算法来完成其运动。弧焊机器人常见的焊接路径有直线、圆弧和

25、参数曲线等。1. 直线插补空间直线插补是给定直线始末两点的坐标，求轨迹中间点(插补点)的坐标。直线插补时，机器人的姿态变化按照给定的步长从初始姿态均匀向末端点姿态变化。如图4所示己知直线始末两点的坐标值P1（x1,y1,z1）和P2（x2,y2,z2）。这两点坐标值从对话框的编辑框获取或是示教记录的点位姿，通过以下步骤进行直线轨迹的定步长插补： 图4 空间直线插补1、给定步长参数，在程序中，步长参数可以由操作者输入或使用默认值，它在某种意义上反映了直线的插补精度；2、求直线的长度3、计算插补总步数4、计算插补量5、计算第i个插补点的坐标值 2. 圆弧插补空间中任意不共线的三点可以唯一的确定一段

26、圆弧。对于圆弧，其平面可以与基准坐标平面重合，也可以在空间任意平面上。为了讨论方便，先研究 OXY 平面的圆弧的插补算法。对于任意平面的圆弧插补，只需做坐标变换，完成基准平面圆弧插补，然后再进行逆变换即可。(1)平面圆弧插补 如图5所示为 OXY 平面的不共线的三点P1（x1,y1,z1），P2（x2,y2,z2），P3（x3,y3,z3）。其圆弧插补算法可以分为下面5步：图5 平面圆弧插补1、先求出圆弧圆心O和圆弧半径R 2、求圆弧的始末角1，3。3、总的圆心角=1+24、根据设定的角度增量，计算需要的插补数N=/5、计算插补点的坐标(2)空间圆弧插补 如图6所示，空间圆弧是指三维空间中任意

27、一个平面内的圆弧。可以分三步来实现空间圆弧的插补计算：(1)建立新坐标系将空间圆弧转化为平面圆弧；(2)利用平面圆弧插补算法，求出平面圆弧插补点的坐标值；(3)将这些点的坐标值转换为基础坐标系下的坐标值。图6 空间圆弧插补3. 抛物线插补对于给定参数方程的曲线，则直接利用其参数方程进行坐标插补。下面以抛物线为例进行说明。同样，如图7所示对于抛物线，同样可以先研究平面 OXY 的插补算法，对于空间任意的抛物线，处理方式和圆弧插补处理方式一样，在此不再进行赘述。下图为平面OXY的抛物线插补。图7 抛物线曲线从工作对象的机构特点来考虑，所设计一体焊专用机器人的工作对象多处于同一空间内的直线或弧度较小

28、的圆弧上，因此选用直线插补算法与平面圆弧插补算法。2.5.5.2运动轨迹设定方法机器人的运动轨迹设定通常包括示教、离线编程和机器人语言编程三种模式。1.示教模式示教编程是通过下位机的控制盒或键盘的操纵键来实现编程。首先新建路径（新建一条焊接路径时，一般要清零当前点，也就是将当前焊接机械臂的位置设为新路径的起始点）。再通过轴的位置调整按钮，不断调整机械臂的位置（调整可以通过界面上按钮实现或通过控制盒按钮实现）。在调整过程中，可以设定每次按下按钮时的调整增量。然后设置路径，路径设置完毕后，可以再现当前示教的路径。由于示教时采用的是将两点连接成直线轨迹，故对于复杂路线的轨迹，若用示教的方式，则需要采

29、集大量的点坐标。2.离线编程模式离线编程则通过键盘直接输入。系统给出了几种常见的曲线类型，直线、圆弧、抛物线等。对于更复杂的空间曲线焊缝，只要给出了其具体的曲线方程，就可以通过给出的几种类型来进行逼近模拟代替。3.机器人语言编程模式机器人语言编程可以按照其作业描述水平的程度分为动作级编程语言编程、对象级编程语言编程和任务级编程语言编程三类。动作级编程语言是最低一级的机器人语言。动作级编程语言的优点是比较简单，编程容易。其缺点是功能有限，无法进行繁复的数学运算，不接受浮点数和字符串，子程序不含有自变量；不能接受复杂的传感器信息，只能接受传感器开关信息；与计算机的通信能力很差。对象级编程语言用接近自然语言的方法描述对象的变化。对象级编程语言的运算功能、作业对象的位姿时序、作业量、作业对象承受的力和力矩等都可以以表达式的形