智能弧焊機器人的運動學建模分析報告

1、 智能弧焊機器人的運動學建模摘要:對智能弧焊機器人的實時軌跡跟蹤問題,提出了一種新的運動學建模: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,確定機器人的運動學模型。用該方法建立了四輪移動機器人的運動方式和機器人終端效應器(焊槍)的運動方式之間的關系。試驗結果表明,該模型具有良好的控制特性和精確性,能滿足焊接工程應用的要求。 關鍵詞:移動機器人; 電弧傳感器; 運動學模型; 電弧焊 一、序言焊接技術作為一門綜合性應用技術,從來都是隨著科學技術的整體進步而發(fā)展的。近幾十年來,隨著自動化技術的發(fā)展,特別是機器人的發(fā)展,弧焊機器人如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。通常,弧焊機器人廣泛應用于工業(yè)焊接生產(chǎn)

2、,極提高了焊接質量和效率。對于大量的非結構環(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械化和人工焊接狀況。為了實現(xiàn)大型工件焊接自動化,國外開發(fā)了輪式小車依靠靠模和人工監(jiān)控完成焊接制造,國利用改進的磁性輪式小車作為焊接生產(chǎn)移動機構。隨著大型重要構件的焊接越來越多,僅僅依靠手工焊焊接是難以滿足焊接質量和焊接效率的要求,因此開發(fā)具有智能化的弧焊機器人以取代人在危險惡劣環(huán)境下難以完成的工作,是人類夢寐以求的理想。文中著重通過對四輪移動機器人的運動分析,建立了一種新的運動學模型,其目的是為弧焊機器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)提供新的解決方法。 二、四輪移動機器人的結構四輪移動機器人的結構見圖1

3、。 圖中,車輪1、車輪2可以獨立驅動和獨立控制,車輪3、4為萬向輪,沒有驅動能力,各車輪半徑相等。該結構既能使機器人獲得很小的轉彎半徑,又能保證機器人在運動過程中,車輪3、4對機器人的運動的約束很小。機器人的車輪1、2分別裝有光碼盤,用來測定相應車輪的轉速和轉向,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高度非線性、多變量作用的過程,同時還具有隨機不確定因素的存在,這就決定了對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別焊縫和跟蹤焊縫。在焊接過程中,十字滑塊的運動方向與電弧傳感器所判斷的焊縫偏差的方向相反。由于十字滑塊的運動存在一定的圍,只

4、有當焊縫彎曲程度較小時,通過控制十字滑塊的運動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,僅通過控制十字滑塊的運動是無法滿足焊縫跟蹤的。只有小車做相應的轉彎運動,才能保證焊縫跟蹤,從而保證焊接質量。焊縫切線法主要原理如下:為保證焊接質量,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動。在焊縫跟蹤過程中,當十字滑塊驅動電弧傳感器運動到一定程度時,則判斷十字滑塊下一步的運動方向, 如果與原來方向相反(設為負方向) ,即十字滑塊往其中心運動,此時小車不需要轉彎;如果與原來方向一樣(設為正方向) ,則此時給小車轉彎信號,即通過小車轉彎來配合十字滑塊焊縫跟蹤,這樣就可以避免由于十

5、字滑塊運動圍的原因而導致焊縫跟蹤失敗。小車轉彎的時間和轉彎角度由數(shù)學模型與相應程序計算確定。在轉彎過程中,十字滑塊的運動方式由焊炬(電弧傳感器)確定,這樣就可以保證焊炬始終沿焊縫方向運動。由于焊炬在焊接過程中的運動曲線始終與焊縫曲線重合,且每當小車轉過所規(guī)定的角度后,焊炬此時的運動方向與焊縫相切,故稱這種方法為焊縫切線法。 四、四輪移動機器人運動學分析為了簡化建模,特作以下假設。 (1)輪式移動機器人的運動速度(直線運動時)設為焊接速度(電弧傳感器的運動速度) 。 (2)與十字滑塊原來運動方向一樣設為正方向。 (3)與十字滑塊原來運動方向相反設為負方向。在焊接過程中,電弧傳感器的實際運動速度是

6、由十字滑塊的橫向速度與智能小車的縱向速度的合成。對上面假設條件(1)說明如下。 在焊接過程中,十字滑塊的運動速度很快(單向運動時間僅為36 s) ,最重要一點就是它的運動圍很小。 以上所述的整個系統(tǒng)是針對CO2 氣體保護焊,選用焊機為松下KR350系列焊機(主要是由于這類焊機在國使用非常廣泛) 。焊速通常為0. 30. 5 m /min。通過上面的分析這種機器人運動學建模的關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動。為進一步簡化建模,設轉彎前焊縫是直線,且機器人移動速度為vf。下面建立機器人右轉彎(俯視)時的運動學模型,其它運動方式的運動學模型可以依此類推。如圖3所示建立四輪機

7、器人的基礎笛卡爾坐標系Oxyz (未畫出) 、附體坐標Omuvw。圖中: Oxyz為基礎坐標系,固定在地面上,O點為其坐標原點。Omuvw為車架的附體坐標系,固定在機器人車架上, Om 為其坐標原點,與車輪1、2 接地點連線的中點重合。在機器人運動的起始位置, O 點與Om 點重合,但Omuvw和Oxyz兩坐標系的坐標不一定重合; 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度; b為輪1、2之間的距離;為車架繞瞬時轉軸的轉速度;為機器人轉彎所需要轉的角度; C為轉動時轉軸w 的瞬心; v1、v2、v分別為車輪1、2中心與車架相對于地面的絕對速度。 L 為運動過程中十字滑塊與

8、其中點的距離,由光碼盤測定;T1 為十字滑塊從中點到該位置的運動時間; T2 為十字滑塊驅動電路的電慣性(包括判斷時間) ; T3 為小車驅動電路的電慣性;T4 為小車理論轉彎時間; T為小車實際轉彎時間; vf 為轉彎前的焊接速度; uc為轉彎時瞬心到Om之間的距離; r為各車輪半徑;1、2 分別為車輪1、2的瞬時角速度。根據(jù)前面假設,可得下述車輪協(xié)調方程 上面是小車轉彎時的運動學模型,該模型給出了小車兩輪角速度與焊接速度之間的關系?？梢宰C明系統(tǒng)是全局可控的。 五、試驗結果為了驗證該模型的效果,利用旋轉電弧作為傳感器。焊接有關參數(shù)為:電源用松下KR350,保護氣體為CO2 ;焊接速度為40

9、cm /min;電弧電壓為30 V; 焊接電流為240A ;旋轉直徑為5mm;旋轉頻率為8 Hz;坡口為V形。試驗結果列于表1,所有試驗的跟蹤效果都很好,圖4為焊縫跟蹤的結果圖。   六、結論 (1) 通過把大角度焊縫跟蹤轉變成多個小角度焊縫跟蹤從而實現(xiàn)大角度焊縫跟蹤。 (2) 小車轉彎角度和轉彎時間,由程序自動計算得出,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)自動跟蹤焊縫的能力,保證了焊接質量。 (4) 增強了整個系統(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、機器人運動學建模的關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動。為進一步簡化建模,設轉彎前焊縫是直線,且機器人移動速度為vf。下面建立機器人右轉彎(俯視)時的運動學模型,其它運動方式的運動學模型可以依此類推。如圖3所示建立四輪機器人的基礎笛卡爾坐標系Oxyz (未畫出) 、附體坐標Omuvw。圖中: Oxyz為基礎坐標系,固定在地面上,O點為其坐標原點。Omuvw為車架的附體坐標系,固定在機器人車架上, Om 為其坐標原點,與車輪1、2 接地點連線的中點重合。在機器人運動的起始位置, O 點與Om 點重合,但Omuvw和Oxyz兩坐標系的坐標不一定重合; 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度; b為輪1、2之間的距離;為車架繞瞬時轉軸的轉速度;為機器人轉彎所需要轉的角度; C為轉動時轉軸w 的瞬心; v1、v2、v分別為車輪1、2中心與車架相對于地面的絕對速度。 L 為運動過程中十字滑塊與其中點的距離,由光碼盤測定;T1 為十字滑塊從中點到該位置的運動時間; T2 為十字滑塊驅動電路的電慣性(包括判斷時間) ; T3 為小車驅動電路的電慣性;T4 為小車理論轉彎時間; T為小車實際轉彎時間; vf 為轉彎前的焊接速度; uc為轉彎時瞬心到Om之間的距離; r為各車輪半徑;1、2 分別為車輪1、2的瞬時角速度。根據(jù)前面假設,可得下述車輪協(xié)調方程 上面是小車轉彎時的運動學模型,該模型給出了小車兩輪角速度與焊接速度之間的關系?？梢宰C明系統(tǒng)是全局可控的。 五、試驗結果為了驗證該模型的效果,利用旋轉電弧作為傳感器。焊接有關參數(shù)為:電源用松下KR350,保護氣體為CO2 ;焊接速度為40 cm /min;電弧電壓為30 V; 焊接電流為240A ;旋轉直徑為5mm;旋轉頻率為8 Hz;坡口為V形。試驗結果列于表1,所有試驗的