智能弧焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析報(bào)告

1、 智能弧焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模摘要:對(duì)智能弧焊機(jī)器人的實(shí)時(shí)軌跡跟蹤問題,提出了一種新的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模:焊縫切線法。該方法是根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)判斷焊縫的彎曲程度,確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。用該方法建立了四輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)器人終端效應(yīng)器(焊槍)的運(yùn)動(dòng)方式之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明,該模型具有良好的控制特性和精確性,能滿足焊接工程應(yīng)用的要求。 關(guān)鍵詞:移動(dòng)機(jī)器人; 電弧傳感器; 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型; 電弧焊 一、序言焊接技術(shù)作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù),從來都是隨著科學(xué)技術(shù)的整體進(jìn)步而發(fā)展的。近幾十年來,隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,特別是機(jī)器人的發(fā)展,弧焊機(jī)器人如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。通常,弧焊機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)焊接生產(chǎn)

2、,極提高了焊接質(zhì)量和效率。對(duì)于大量的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的焊接制造過程,如造船、石化容器等,目前基本上處于有軌道的機(jī)械化和人工焊接狀況。為了實(shí)現(xiàn)大型工件焊接自動(dòng)化,國(guó)外開發(fā)了輪式小車依靠靠模和人工監(jiān)控完成焊接制造,國(guó)利用改進(jìn)的磁性輪式小車作為焊接生產(chǎn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。隨著大型重要構(gòu)件的焊接越來越多,僅僅依靠手工焊焊接是難以滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求,因此開發(fā)具有智能化的弧焊機(jī)器人以取代人在危險(xiǎn)惡劣環(huán)境下難以完成的工作,是人類夢(mèng)寐以求的理想。文中著重通過對(duì)四輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析,建立了一種新的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,其目的是為弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)提供新的解決方法。 二、四輪移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)四輪移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)見圖1

3、。 圖中,車輪1、車輪2可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立控制,車輪3、4為萬(wàn)向輪,沒有驅(qū)動(dòng)能力,各車輪半徑相等。該結(jié)構(gòu)既能使機(jī)器人獲得很小的轉(zhuǎn)彎半徑,又能保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中,車輪3、4對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的約束很小。機(jī)器人的車輪1、2分別裝有光碼盤,用來測(cè)定相應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,并與控制系統(tǒng)組成速度閉環(huán)控制。 三、焊縫切線法由于焊接過程是一個(gè)高度非線性、多變量作用的過程,同時(shí)還具有隨機(jī)不確定因素的存在,這就決定了對(duì)焊接過程的跟蹤問題變得非常困難。系統(tǒng)組成如圖2。 該系統(tǒng)是利用電弧傳感器識(shí)別焊縫和跟蹤焊縫。在焊接過程中,十字滑塊的運(yùn)動(dòng)方向與電弧傳感器所判斷的焊縫偏差的方向相反。由于十字滑塊的運(yùn)動(dòng)存在一定的圍,只

4、有當(dāng)焊縫彎曲程度較小時(shí),通過控制十字滑塊的運(yùn)動(dòng)可以保證電弧傳感器(焊炬)跟蹤焊縫。如果焊縫彎曲程度較大時(shí),僅通過控制十字滑塊的運(yùn)動(dòng)是無法滿足焊縫跟蹤的。只有小車做相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),才能保證焊縫跟蹤,從而保證焊接質(zhì)量。焊縫切線法主要原理如下:為保證焊接質(zhì)量,焊縫跟蹤核心必須保證焊炬以一樣的速率沿焊縫切線方向運(yùn)動(dòng)。在焊縫跟蹤過程中,當(dāng)十字滑塊驅(qū)動(dòng)電弧傳感器運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí),則判斷十字滑塊下一步的運(yùn)動(dòng)方向, 如果與原來方向相反(設(shè)為負(fù)方向) ,即十字滑塊往其中心運(yùn)動(dòng),此時(shí)小車不需要轉(zhuǎn)彎;如果與原來方向一樣(設(shè)為正方向) ,則此時(shí)給小車轉(zhuǎn)彎信號(hào),即通過小車轉(zhuǎn)彎來配合十字滑塊焊縫跟蹤,這樣就可以避免由于十

5、字滑塊運(yùn)動(dòng)圍的原因而導(dǎo)致焊縫跟蹤失敗。小車轉(zhuǎn)彎的時(shí)間和轉(zhuǎn)彎角度由數(shù)學(xué)模型與相應(yīng)程序計(jì)算確定。在轉(zhuǎn)彎過程中,十字滑塊的運(yùn)動(dòng)方式由焊炬(電弧傳感器)確定,這樣就可以保證焊炬始終沿焊縫方向運(yùn)動(dòng)。由于焊炬在焊接過程中的運(yùn)動(dòng)曲線始終與焊縫曲線重合,且每當(dāng)小車轉(zhuǎn)過所規(guī)定的角度后,焊炬此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與焊縫相切,故稱這種方法為焊縫切線法。 四、四輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為了簡(jiǎn)化建模,特作以下假設(shè)。 (1)輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度(直線運(yùn)動(dòng)時(shí))設(shè)為焊接速度(電弧傳感器的運(yùn)動(dòng)速度) 。 (2)與十字滑塊原來運(yùn)動(dòng)方向一樣設(shè)為正方向。 (3)與十字滑塊原來運(yùn)動(dòng)方向相反設(shè)為負(fù)方向。在焊接過程中,電弧傳感器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度是

6、由十字滑塊的橫向速度與智能小車的縱向速度的合成。對(duì)上面假設(shè)條件(1)說明如下。 在焊接過程中,十字滑塊的運(yùn)動(dòng)速度很快(單向運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅為36 s) ,最重要一點(diǎn)就是它的運(yùn)動(dòng)圍很小。 以上所述的整個(gè)系統(tǒng)是針對(duì)CO2 氣體保護(hù)焊,選用焊機(jī)為松下KR350系列焊機(jī)(主要是由于這類焊機(jī)在國(guó)使用非常廣泛) 。焊速通常為0. 30. 5 m /min。通過上面的分析這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的關(guān)鍵是如何保證焊炬以同樣的速率可靠精確地按照焊縫的路徑運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化建模,設(shè)轉(zhuǎn)彎前焊縫是直線,且機(jī)器人移動(dòng)速度為vf。下面建立機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎(俯視)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,其它運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以依此類推。如圖3所示建立四輪機(jī)

7、器人的基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz (未畫出) 、附體坐標(biāo)Omuvw。圖中: Oxyz為基礎(chǔ)坐標(biāo)系,固定在地面上,O點(diǎn)為其坐標(biāo)原點(diǎn)。Omuvw為車架的附體坐標(biāo)系,固定在機(jī)器人車架上, Om 為其坐標(biāo)原點(diǎn),與車輪1、2 接地點(diǎn)連線的中點(diǎn)重合。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的起始位置, O 點(diǎn)與Om 點(diǎn)重合,但Omuvw和Oxyz兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)不一定重合; a 為十字滑塊與輪1、2連線的距離; L1 為十字滑塊的單伸長(zhǎng)度; b為輪1、2之間的距離;為車架繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速度;為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎所需要轉(zhuǎn)的角度; C為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸w 的瞬心; v1、v2、v分別為車輪1、2中心與車架相對(duì)于地面的絕對(duì)速度。 L 為運(yùn)動(dòng)過程中十字滑塊與

8、其中點(diǎn)的距離,由光碼盤測(cè)定;T1 為十字滑塊從中點(diǎn)到該位置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間; T2 為十字滑塊驅(qū)動(dòng)電路的電慣性(包括判斷時(shí)間) ; T3 為小車驅(qū)動(dòng)電路的電慣性;T4 為小車?yán)碚撧D(zhuǎn)彎時(shí)間; T為小車實(shí)際轉(zhuǎn)彎時(shí)間; vf 為轉(zhuǎn)彎前的焊接速度; uc為轉(zhuǎn)彎時(shí)瞬心到Om之間的距離; r為各車輪半徑;1、2 分別為車輪1、2的瞬時(shí)角速度。根據(jù)前面假設(shè),可得下述車輪協(xié)調(diào)方程 上面是小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,該模型給出了小車兩輪角速度與焊接速度之間的關(guān)系?？梢宰C明系統(tǒng)是全局可控的。 五、試驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證該模型的效果,利用旋轉(zhuǎn)電弧作為傳感器。焊接有關(guān)參數(shù)為:電源用松下KR350,保護(hù)氣體為CO2 ;焊接速度為40

9、cm /min;電弧電壓為30 V; 焊接電流為240A ;旋轉(zhuǎn)直徑為5mm;旋轉(zhuǎn)頻率為8 Hz;坡口為V形。試驗(yàn)結(jié)果列于表1,所有試驗(yàn)的跟蹤效果都很好,圖4為焊縫跟蹤的結(jié)果圖。   六、結(jié)論 (1) 通過把大角度焊縫跟蹤轉(zhuǎn)變成多個(gè)小角度焊縫跟蹤從而實(shí)現(xiàn)大角度焊縫跟蹤。 (2) 小車轉(zhuǎn)彎角度和轉(zhuǎn)彎時(shí)間,由程序自動(dòng)計(jì)算得出,體現(xiàn)了焊縫跟蹤的智能化要求。 (3) 充分利用了電弧傳感器(焊炬)自動(dòng)跟蹤焊縫的能力,保證了焊接質(zhì)量。 (4) 增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性,體現(xiàn)了智能化的要求。 4QTD7H-33472-343RJF-DJ543NZ-DZS30. 5 m /min。 通過上面的分析這種

10、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的關(guān)鍵是如何保證焊炬以同樣的速率可靠精確地按照焊縫的路徑運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化建模,設(shè)轉(zhuǎn)彎前焊縫是直線,且機(jī)器人移動(dòng)速度為vf。下面建立機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎(俯視)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,其它運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以依此類推。如圖3所示建立四輪機(jī)器人的基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz (未畫出) 、附體坐標(biāo)Omuvw。圖中: Oxyz為基礎(chǔ)坐標(biāo)系,固定在地面上,O點(diǎn)為其坐標(biāo)原點(diǎn)。Omuvw為車架的附體坐標(biāo)系,固定在機(jī)器人車架上, Om 為其坐標(biāo)原點(diǎn),與車輪1、2 接地點(diǎn)連線的中點(diǎn)重合。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的起始位置, O 點(diǎn)與Om 點(diǎn)重合,但Omuvw和Oxyz兩坐標(biāo)系的坐標(biāo)不一定重合; a 為十字滑塊與輪1、2

11、連線的距離; L1 為十字滑塊的單伸長(zhǎng)度; b為輪1、2之間的距離;為車架繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速度;為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎所需要轉(zhuǎn)的角度; C為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸w 的瞬心; v1、v2、v分別為車輪1、2中心與車架相對(duì)于地面的絕對(duì)速度。 L 為運(yùn)動(dòng)過程中十字滑塊與其中點(diǎn)的距離,由光碼盤測(cè)定;T1 為十字滑塊從中點(diǎn)到該位置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間; T2 為十字滑塊驅(qū)動(dòng)電路的電慣性(包括判斷時(shí)間) ; T3 為小車驅(qū)動(dòng)電路的電慣性;T4 為小車?yán)碚撧D(zhuǎn)彎時(shí)間; T為小車實(shí)際轉(zhuǎn)彎時(shí)間; vf 為轉(zhuǎn)彎前的焊接速度; uc為轉(zhuǎn)彎時(shí)瞬心到Om之間的距離; r為各車輪半徑;1、2 分別為車輪1、2的瞬時(shí)角速度。根據(jù)前面假設(shè),可得下述車輪協(xié)調(diào)方程 上面是小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,該模型給出了小車兩輪角速度與焊接速度之間的關(guān)系?？梢宰C明系統(tǒng)是全局可控的。 五、試驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證該模型的效果,利用旋轉(zhuǎn)電弧作為傳感器。焊接有關(guān)參數(shù)為:電源用松下KR350,保護(hù)氣體為CO2 ;焊接速度為40 cm /min;電弧電壓為30 V; 焊接電流為240A ;旋轉(zhuǎn)直徑為5mm;旋轉(zhuǎn)頻率為8 Hz;坡口為V形。試驗(yàn)結(jié)果列于表1,所有試驗(yàn)的