（机械电子工程专业论文）海洋导管平台移动式焊接机器人离线编程技术研究.pdf

摘要 海洋油气资源的开发离不开石油平台的建造，为解决石油平台建造工程海洋 油气资源的开发离不开石油平台的建造，为解决石油平台建造工程中桩管相贯线 空间焊缝的自动焊接难题，本文提出一个轨道式七自由度移动焊接机器人构想达 到完成管道焊接的目的。并借助焊接机器人离线编程仿真技术，讨论了轨道式移 动焊接机器人方案的可行性。 在三维绘图软件s o l i d w o r k s 的a p i 环境下进行了二次开发，编制了焊接机 器人离线编程软件各功能模块的相关程序。提取三维工件模型焊接路径曲线的 i g s 数据进行焊接路径点的计算，根据工件模型的实际情况判断焊枪指向方向， 以达到焊枪坐标系自动规划的目的。采用几何法讨论了关节机器人的逆运动学运 算问题。提出将复杂空间几何体进行简化，并利用简化数据进行机器人碰撞检测 的研究。利用以上仿真模块，进行了固定式焊接机器人和变位机协调工作的研究。 综合轨道小车机器人结构与六自由度焊接机械臂的优点，将轨道小车结构作 为管道焊接机器人的第一自由度。此机器人不但可以围绕管道作圆周移动；还可 以借助六自由度机械臂的灵活性在保证焊枪焊接姿态的前提下，实现空间灵活避 障。 将收敛算法的思想和蒙特卡罗随机事件思想结合，采取路径点标定策略，提 出适合固定机器人焊接作业的蒙特卡罗工件标定法。在此基础上提出了轨道式移 动机器人焊接工程中的工件标定方法，将工件坐标系与世界系重合，轨道机器人 通过示教工件上已知焊接路径特征点，确定机器人第一坐标系与世界系的相对位 置关系。然后应用蒙特卡罗算法实现机器人和桩管之间位置关系的标定。 对v 型坡口的多层多道焊填充策略进行了研究。通过建立各空间坡口截面 坐标系和世界坐标系的转换关系，进行空间坡口的焊枪坐标系路径姿态规划。实 现对空间焊缝多层多道焊的离线编程仿真。 仿真试验表明此移动机器人方案可以很好的完成海洋平台导管架工程的焊 接任务。为下一步管道焊接机器人的设计开发提供了重要的理论基础。 关键词：海洋石油平台；移动焊接机器人；离线编程；蒙特卡罗法工件标定；多 层多道焊 a b s t r a c t i ti sc r u c i a lt h a tu s i n gt h ea u t o m a t i cw e l d i n gt e c h n o l o g yt ob u i l dt h eo f f s h o r e p l a t f o r mf o ro f f s h o r eo i l g a se x p l o i t a t i o n i nt h eo f f s h o r ep l a t f o r mb u i l d i n gp r o j e c t ， t h ew e l d i n gj o bo fj a c k e tp i l ep i p e sd e m a n d sr o b o tc o u l dd oa l lp o s i t i o nw e l d i n go n t h ep i p e t h i sp a p e rp r e s e n t sas e v e nf r e e d o mm o b i l er o b o tt os o l v et h i sp r o b l e m t h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l tu pb a s e do nt h e r e e x p l o i to fs o l i d w o r k sa p if u n c t i o n b a s e do nt h e i n i t i a l g r a p h i c se x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n ，t h es o f t w a r ec o u l de x t r a c tt h ew e l ds e a me x p e d i e n t l y t h ep o s t u r eo f w e l d i n gt o r c hc o u l db es e tu pa r t i f i c i a l l ya c c o r d i n gt ot h es h a p eo f w o r kp i e c e t h i s m e t h o dc o u l db eu s e dt op l a n n i n gt h ep a t ha n dp o s t u r eo fw e l d i n g c u r v ea u t o m a t i c a l l y t h ei n v e r s ek i n e m a t i c sp r o b l e mo fw e l d i n gr o b o ts i m u l a t i o ni ss o l v e di nt h ej o i n t s p a c ea c c o r d i n g t ot h eg e o m e t r i cm e t h o d t h ec u r v e ds u r f a c eg r a p ho fr o b o ta n d w o r k p i e c ei ss i m p l i f i e d ，a n dt h ed a t ao f t h e s es i m p l i f i e ds p a c es h a p e sa r eu s e dt or e s e a r c h t h ea l g o r i t h m sf o rc o l l i s i o nd e t e c t i o no fr o b o t t h e nt h ec o o r d i n a t i v em o t i o no fa r c r o b o ta n dp o s i t i o n e ri ss t u d i e d as e v e nf r e e d o mm o b i l er o b o ti sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fr o b o to b s t a c l e a v o i d a n c e ；i ta l s oc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f v a r i o u sa i mp o s t u r e sa n dc o n t i n u o u s w e l d i n gt r a c k t h ef i r s tj o i n to ft h i sr o b o t i sc o m p o s i n go ft h et r a v e lu n i ta n do r b i t ；as i x f r e e d o mm e c h a n i c a la i mi ss e t t l e do nt h et r a v e lu n i t i nt h es i m u l a t i o n ，t h ep o s t u r e p l a n n i n g , d e t e c t i o no fc o l l i s i o na n di n v e r s ek i n e m a t i c so fr o b o ta r ec o m b i n e d ；t h e n t h ec o l l i s i o na v o i d a n c eb e t w e e nt o r c h w r i s t , m e c h a n i c a la l m sw i t ht h ep i l ep i p e sa r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ec o n v e r g e n c ea l g o r i t h ma n dm o n t ec a r l om e t h o da l ec o m b i n e dt oc a l i b r a t e t h ew o r kp i e c e t h ea u x i l i a r yf e a t u r ep o i n tc a l i b r a t i o nm e t h o di su s e dt oc h o o s et h e p o i n t so nt h ew o r kp i e c e i nt h ec o n d i t i o no fo r b i tm o b i l er o b o t ，t h ec o o r d i n a t eo f w o r kp i e c ei st a k e na sw o r l dc o o r d i n a t e ；t h r o u g ht e a c h - i nt h ep o i n t so fp a t hf e a t u r e ； t h i sc a l i b r a t i o na l g o r i t h mc o u l db ef u r t h e ra p p l i e df o ra d j u s t m e n ta n dm a t c h i n go fp a r t m o d e l sb yc a l c u l a t i n gt h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xb e t w e e nj a c k e t sc o o r d i n a t ea n do r b i t c o o r d i n a t e so fr o b o t t h ef i l l i n gs t r a t e g yo fi nt h ev - g r o o v em u l t i - p a s sw e l d i n gi s s t u d i e d t h e t r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n so fc o o r d i n a t e sb e t w e e ng r o o v ea n dw o r kp i e c ei sb u i l d t h e p a t ha n dp o s t u r ep l a n n i n go fs p a c eg r o o v e i sr e a l i z e d s e v e r a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h es e v e nf r e e d o mr o b o ts c h e m e c o u l db ec o m p e t e n tf o rf i n i s h i n gt h eo f f s h o r e p l a t f o r ma u t o w e l d i n gj o b t h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gi sa l s op r o v e d t h e s es t u d i e sc o u l dp r o v i d e f e a s i b i l i t yv e r i f ya n db a s i sr e s e a r c hf o rd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gt h em o b i l er o b o t k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；m o b i l er o b o t ；o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ；m o n t ec a r l o w o r kp i e c ec a l i b r a t i o n ；m u l t i p a s sw e l d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夏客缘签字日期五。7 年二月2 甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：7 彳年月砰同 导师签名： 签字日期：7 年仁月7 十同 学位论文主要创新点 一、提出一种焊接机器人焊枪坐标系快速规划方法。利用工件模 型上的结构线或相贯线的i g e s 数据进行路径规划。并可根据工件的 实际情况设定焊枪坐标系姿态。达到快速、自动的轨迹、姿态规划的 目的。 二、提出一种基于蒙特卡罗法的工件标定方案。此方法可以在保 证较高标定精度的前提下，实现对任何形状工件的快速标定。 三、对采用移动式焊接机器人进行大型管道v 型坡口的多层多道 焊仿真进行了研究。提出了多层多道焊接中焊枪坐标系路径、姿态规 划的可行性方法并进行了仿真。 第一章绪论 1 1 课题提出背景 第一章绪论 随着我国对海洋油气资源开发力度的加大，海洋石油的开采已进入了一个新 的发展时期。海洋平台的建设是海洋油气开发工程的基础，目前，我国每年需建 造安装的大型石油平台已近5 0 座。 由于海上结构对安全性要求很高，平台的导管架采用大尺寸的低合金高强钢 管组焊而成( 钢管管径1 0 0 0 - - - 2 2 0 0 m m ，壁厚为3 0 , - - 7 5 m ，材质为按g b 7 1 2 - 2 0 0 0 生产的e h 一3 6 或按a s t m a b l 生产的e h - 3 6 ，属于低合金高强钢) ，对焊接质量要 求很高。 导管架的组装焊接中，桩管管径大，管壁厚，有上百条环形焊缝，坡口尺寸 大，焊接工作量大，质量要求高，施工条件恶劣。因此，导管架焊接是一项效率 很低、劳动强度很大的工作。导管架焊接中有大量的t 型、k 型的接头，占导管 架环焊缝的8 0 以上，属于多种位置的空间焊接，因质量要求高，操作难度大， 长期以来，我国乃至世界上对平台导管架的焊接一直采用手工焊，焊接效率低， 工人劳动强度大，是影响工程进度的瓶颈之一。 目前国内外学者正致力于应用移动式焊接机器人对管道、储罐等大型结构件 实施焊接作业的研究。这些机器人的共同特点是将移动焊接机器人技术和焊缝 跟踪技术相结合这样可以有效的解决大型结构件野外自动化焊接难题。移动式焊 接机器人主要由移动机器人本体、焊炬微调机构及控制器等部分组成，部分移动 式焊接机器人采用轨道装置。这些焊接机器人的出现大大的减轻了工人的劳动强 度，减少人为因素的影响，提高产品生产效率并保证焊接质量。 当前已经实际应用的移动式焊接机器人的机械手臂结构简单，由于工作空间 狭小，而机器手灵活程度低，不能完全满足空间焊缝焊接作业中对于焊枪姿态的 控制要求。而目前焊接机器人的焊前编程方式多是基于示教方法，对于一般平面 简单图形曲线可通过示教少量特征点实现；但由于空间t 、k 型空间焊缝的复杂 性，需要对机器人示教大量路径点，通常会浪费大量的时间，降低了工作效率， 不利于大批量的焊接加工。所以设计一种多自由度可移动焊接机器人，并为其开 发一套相应的离线编程软件，对机器人的焊接工作进行规划，成为解决上述问题 的一个值得尝试的方向。 天津：i ：业人学硕士学位论文 1 2 研究意义及目的 t 型、k 型接头属于带角度的空间相贯线的焊接；焊接轨迹是三维空间曲线， 空间位置复杂，焊接位置变化多，对操作位置的限制也多，因此，焊接难度较大， 需要实时调节焊枪位置与姿态。为解决t 、k 型大尺寸钢管的焊接问题，可采用 自动焊技术，开发专用机器人参与海洋石油平台的焊接工程。本课题所针对的应 用于海洋平台大型导管架导轨式移动弧焊机器人研制成功后可大大提高焊接速 度，明显改善焊工的劳动条件，另一方面明显提高焊接质量，提升工程单位焊接 自动化水平。 本课题的目的是针对大型导管架弧焊机器人的部分关键技术提出可行性解 决办法，并开发一套用于此机器人的离线编程系统，为后续的机器人系统的研制、 开发及将其应用于实际工程作预研工作。 1 3 移动式弧焊机器人及离线编程技术的国内外发展概况 1 3 1 典型弧焊机器人离线编程系统介绍 国外的机器人离线编程研究开始于2 0 世纪7 0 年代，并在8 0 年代中期到9 0 年代中期推出商品化通用离线编程系统。针对弧焊机器人的控制特点，从2 0 世 纪9 0 年代中期，国外一些大学、研究所针对弧焊参数制定、机器人与变位机协 调焊接等问题对弧焊离线编程与仿真技术进行了相关研究。 英国l o u g h b o r o u g h 大学于8 0 年代末开发的w r a p s 系统是一个典型的焊接机 器人离线编程与专家控制系统。该系统不但拥有离线编程功能，而且可以利用专 家系统实时控制机器人焊接过程。该系统主要由造型模块、编程模块、接口模块 和专家控制模块组成瞪1 。 美国的d a s s a u l ts y s t e m e s 公司推出的交互式机器人离线编程软件 d e l m i a i g r i p ，可以用于机器人工作单元布置、仿真及离线编程。可实现对复杂 的，多设备机器人工作单元进行建模和离线编程。利用i g r i p 可快速和图形化地 构造各种应用工作单元作业，如焊接、喷漆、搬运、打磨和装配等。该软件可以 计算机器人工作状态下对应路径点的各种逆解，并进行奇异性分析，具备机器人 防撞和干涉检验功能。i g r i p 内置工业上广泛使用的机器入库，可以建造各种复 杂设备，完备的仿真能力在大大提高程序精度的同时，空前降低了工程准备时间。 不管是对单个机器人作业单元还是整个工厂生产线，i g r i p 都能提供相应的解决 方案以提高制造质量、精度和效益。w o r k s p a c e 是r o b o ts i m u l a t i o n s 公司开 第一章绪论 发的第一个商品化的基于微机的机器人仿真与离线编程软件。泼软件蛙新版木采 用了a c i s 作为建模核心，与一些基于微机的c a d 系统如a u t o c a d 做到了很好的 数制变换”1 。 以色州的c o m p u c r a t f 肝发的离线编秘软件r o b o t w o r k s 足一种集成到 s o l i d w o r k s 中的机器人模拟器，其最大的特点足价格低廉。主要用于在喷涂、 倒角、孤焊等用途单独使用机器人的客户。山于与s o l i d w o r k s 进行了集成，因 此r o b o t w o r k s 的界面为在s o l j d w o r k s 的丽而中追加的专用对话框。制作机器人 的控制程序步骤非常简单，读入机器人模型和工作形态后，基本上只需4 个步骤 即可完成。对于工作上设置的路径，可以设置工具方向，移动距离，动作角度。 在按照设置条件_ 作时，中途如果受到干扰，可以显示警告画面。并且可以手动 调整机器人的位置。该模拟器可以生成日率f a n u c 、安川电机、川崎重工业、瑞 典a b b 、德国k u k a 及法国s t a u b l i 生产的机器人程序。i 司时这6 家公司，分别 备有其主要产品的机器人模型，可免费下载、在模拟器中使用。 1 封卜1r o b o t w o r k s 挥接l ：柞仿真 a b b 机器人公司开发的r o b o t s t u d i o 系统是基于w n id o w s 操作系统的离线编 成软件，用户操作方便。该离线编程系统中控制图形机器人动作的运动模块和算 法采用了实际机器人控制器中的控制算法，所l l 图形仿真结果和实际机器人运行 结果完全一致，离线编 l 器巾采用了a b b 机器人的r a p i d 语言，所以这种离线编 程系统叮作为机器人操作人员的训练甲台，提高操作人员编程水平，该系统为了 贸现商质最的l 划形效粜，以导入c a t a i 文件格式的模型。该系统可以实现多机 器人的| 办帆工作的高线编褓仿真，人大的提高了软件的实用性。其自带a r c w e l d p o w e r p a c 工具可以验汪机器人伸展极度并方便的进行机器人姿态嘲褴。 走津1 业人学硕十学位论文 削卜2r o b o t s t u d i o 多机器人协渊i 作 f a n u c 公司研究丌发的弧焊机器人离线编程系统rc l h a ( ；u j d e ，具有f a n u c 公 司各种型号机器人的模型，此系统在w in d o w s 环境f 运行，大大的方便了_ l j 户模 型的输入。包括删大模块：建模模块、撕局模块、编程模块和仿真模块。可以完 成乜括建模、布局、仿真，1 j 控制柜数据传输等多种功能，软件提供通用图形数 据标准i g e s 和d x f 接划。可以和主流j 维c a d 软件进行模9 转换。但此软件不 具蔷自主路径规划功能。 酬卜3r o b o g u i d ef q 鞍形抖缝的土h 接仿真 其他典型弧焊机器人离线变成系统有美国n a s a 公司和r o e k w e l l 国际科学中 心合作开发的智能化、自适应焊接系统：美国s ib a 公司在离线编程软件包 c i m s t a l _ i o 力基础r 发的扩展版本；加拿大安丈略又学开发的a u t o w e l d ；法凼 l n s t i t u td es o u d u r e 等巾位联合开发的a c tw e l d 及中政和尔欧国家科学与技 术合作计划丌发的离线编程系统p r o a i t c ”。 由以l ：介绍可见国外对焊接离线编程1 j 仿真技术的研究主要体现在智能性 和自动化上。 国内对弧焊机器人离线编程技术研究较晚，并且多以主流= 维制图软件的二 次，r 发为t 。哈尔滨大学综合应j 焊接结掣j 特征建模、焊接。艺规划和运动胤划 技术先后以a u i o c a d 2 0 0 0 和s 0 11 d w o r k s 作为jr 教甲台研制蚪接机 ! 人离线编 痕 第一章绪论 程系统。其新系统在s o l i d w o r k s 环境下编制，采并】其二次开发工具及c o m 和a t l 技术从实用化角度研制成一个功能较齐全的机嚣人离线编程系统”。“。 化京工业大学在s o l i d e d g e i - 台上进行二玖丌发研制了套离线编程系统， 此系统可以完成对m o o m a ns k6 焊接机器人的运动仿真，碰掠榆测，离线小教 和程序下载功能。实验表明此离线编程系统可以根好用于仿真焊接机器人对马鞍 型焊缝工件的焊接工作“川1 。 南京理工大学研制的w r o b c & i 解决了a u t o c a d 局限性大，功能j ；i ；等问题，其 在自主开发三维造型与仿真系统基础上兼容了p a r a s o l i d 内核的三维图形。该系 统可以导入u g 或s o l i d e d g e 中绘制的工件模型。并建立了机器人正、逆运动学 方程：提供了计算机辅助焊接t 艺规划。实现了焊缝特征自动识别、弧焊机器人 路径( 含姿态) 规划与轨迹舰划。可以较完备的满足机器人离线编程各功能的需 要旧。 e 海交通大学的店新华利用o p e n g k 三维图形功能、采用交互式“虚拟示教” 方式实现了机器人单道焊焊接路径的规划和编程井对多层多通焊的仿真提出了 可行性办法l 。 幽r 4 多麒多逆卅仿真 132 移动式弧焊机器人的国内发展概况 目前，国内在许多科研院校都在进行移动焊接机器人的研究。北京打油化工 学院”“”发的无导轨全位置钾能球罐焊接机器人，由磁啦武伞位置 r 走机构、 焊枪位胃调躺机构和摆z 力机构目l 成。其磁吸式行走机构的c c d 跟踪传媾器与左打 位置侧整( ：( 、d 构成维级跟踪系统。射维为焊枪帛低1 t 矗的e 动心踪系统。 存多层多逆焊的情况r 实现重复r i 动跟踪。无前轨道支持可以存焊件内外农咖 实现立焊、横焊、仰焊等令位霄自动焊接。无导轨令恃胃智能管道焊接机器人采 用柔磁性轮式行走机构，可直接吸附在焊什表面，采用c c d 光电跟踪系统，在焊 接过挥中实时控制焊枪依照焊缝轨迹运动：呵实现角度的精确控制，电源参数和 运动参数的实时控制，有线遥拧，操作简便易学。啮合式导轨焊接机器人导轨、 行止机构焊枪位甜调整机构、摆动机构、送丝机构纰成，采用精确的角_ 笠付嚣柠 天泮l ：业人学硕+ 学俺论文 制，利用示教等方法，通过专家系统实现全位置自动焊接。摩擦式岛压管道t i g 焊接机器人可用于解决海下石油管道的修复技术。自i 械系统采用导轨式机构，配 合焊枪位置调整机构、摆动机构、送丝位置调整机构以及水冷系统，配俞管道焊 接争家系统，可以实现k 距离、高压焊接遥控作业。 a ) b i p t - 4 全 t 置无导轨焊接机器人( b ) g d c - i 轨道式焊接机器人 削卜5 北京i i 油化i ：学院 多动机器人系统 上海交通大学“。研制的白寻迹舰船甲板焊接移动机器人系统采h j 磁性轮式 移动机构，外加十字调仃滑块，利用激光p s i ) 位移传感器外加扫描装置实时获取 焊缝的：维偏差信息，选用数字信号处理器( d s p ) 作为系统的核心控制器件。伺服 驱动采用集成的运动控制器和驱动器，实现了空间多自由度的协调动作。焊接时， 在一定的误差范围内让机器人丰| j 略罪踪焊缝，而山十字滑块实现焊缝实时的、精 确的跟踪。该系统还具有自寻迹功能即在焊前根据焊缝的特征信息自动寻找焊 缝并调整自己的位姿到设定l i 勺待群状态。由机器人自主地实现焊接对中和焊接起 始点辨识。 “州n t l jf 4 t f o 1 4 一 瞄1 6 口寻进舰船甲扳焊接移动机器人系统 南昌大学”1 研制的无轨导全位置爬行式弧焊机器人系统山小车车体、控制 系统、信号采熊及柃测电路、交直流电源四部分组成，小车本体采用十字滑块驶 一 第一章绪论 电机组成，可带动焊枪快速移动，采用a d s p 2 1 8 l 数字信号处理器，实现高性能 控制计算，以及焊缝的精确跟踪。履带式磁吸附爬壁机器人由爬行机构、图像传 感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。爬行机构是机器人的运动动 力系统，图像传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝， 控制电路与计算机控4 系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪，通过控制电磁 吸附可以达到对磁吸力的控制。 麟 幽卜7 南吕人学艘带式爬 甓弧悍机器人 133 移动式弧焊机器人的国外发展概况 移动焊接机人几本、韩国等研究较早，已有产品应用于实际工程。韩国釜庆 ( p u k y o n g ) 国立大学的k a r a b o 陪等研制了一种复杂焊接环境的轮式智能移动焊 接机器人。可以在比较狭窄空间自主地实现焊接过程，能够自动寻找焊缝起始点。 在遇到格子框架的拐角焊缝，可以保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝，并能 自动调整机器人奉体位置。其研制的一一轮移动机械手以一轮移动小车为平台，安 装一个六自由度机械手臂，可执行复杂环境下的多种机器人作业，为移动机器人 在复杂空间的工作提供了新思路。 图卜8 一轮移动机摊手 奉庆应( k e i o ) 大学”“研制的平面薄板对接自主性移动焊接机器人，粟 天津t 业大学硕士学位论文 用三轮移动机构，配有可伸缩臂结合焊枪，并在臂末端加c c d 传感器，可对平面 状态下的直线，曲线，折线焊缝进行精确识别和焊接。其研制的管道焊接自主移 动机器人，它可以沿管道移动，根据c c d 获得的图像信息在焊前自动寻找并识别 焊逢，然后使机器人本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置。焊炬可以沿管道 3 6 0 0 旋转进行全位置焊接，也可以用于t 型接头焊接。机器人本体具有沿管道 纵向和环向两个自由度，焊枪也有两个自由度，由四个直流电机驱动，通过c c d 摄象传感器摄取焊缝位置信息。 图1 - 9 管道自主焊接移动机器人 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容包括如下几个方面： 1 ) 以s o li d w o r k s 为开发平台，编制一套机器人离线编程程序，用来完成对 大型导管架移动焊接机器人系统的仿真。并以通过此离线编程系统的开发，研究 机器人的逆运动学，碰撞检测等相关理论，为后续机器人的实际制造，提供理论 储备。 2 ) 提出一种七自由度轨道式移动焊接机器人的构想，并对其逆运动学计算 和空间狭小处的避障方法进行研究。 3 ) 提出可行的实时工件标定方法，以解决弧焊机器人工件坐标系的标定问 题。并在此基础上，提出解决移动式弧焊机器人在焊接大型结构件前的自定位问 题。 4 ) 初步解决大型管件多层多道焊的路径规划及仿真问题。使机器人可以对 大坡口工件进行多层多道焊接作业。 第二章焊接机器人离线编程系统软件开发 第二章焊接机器人离线编程系统软件开发 机器人离线编程技术，是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作 环境的模型，利用规划算法，通过对图形的控制和操作在脱离生产线的情况下进 行机器人的轨迹规划。机器人离线编程技术已被证明是一个有利的工具，用以提 高生产效率、降低生产成本和增加安全性等。 2 1 焊枪坐标系轨迹姿态规划 准确的焊缝空间点的计算和适合工作要求的焊枪坐标系姿态规划是应用离 线编程软件有效规划弧焊机器人焊接作业的前提。但是对于马鞍型焊缝曲线一类 的复杂空间焊缝曲线，由于需要考虑焊枪坐标系的位置变化，并且伴随图形的变 化焊枪坐标系的姿态也在发生改变，所以规划困难。针对马鞍型曲线的复杂性， 南京理工大学的刘永、王克鸿等人对马鞍型焊缝曲线下焊缝特征坐标系和焊枪系 的姿态规划进行了大量研究。提出了对于马鞍型曲线将过焊缝点切线方向定义为 焊枪系x 轴，垂直于x 轴且过路径点的平面作为法平面，法平面与两圆柱交 线的角平分线为z 轴，利用以上坐标系定义方法可以解决传统的焊缝转角和倾 角定义焊缝特征坐标系法对于复杂空问焊缝焊枪坐标系位姿定义不准确的问题， 并根据其理论作了规划试验：1 。北京工业大学的林君通过读取所建立模型曲线 上的i g e s 格式文件计算焊缝上点，并利用图形的特征计算其切线方向作为焊枪 移动方向，并将每一点对应的法矢量相加，然后单位化，确定z 轴方向，来达到 空间焊缝位姿的提取训。 2 1 1 空间焊缝提取及路径点计算 由于空问曲线的复杂性，不可能全部用现成的公式来计算曲线上的点，所以 需要找一种可以描述任意曲线的通用公式来解决次问题。i g e s 格式文件中关于 空间曲线的描述数据简单并且可用于表示复杂的空间曲线，为解决通用公式的问 题提供了方向。 在s o l i d w o r k s 下生成的工件模型能够显示出所绘制图形的构造线和相贯曲 线，这些曲线可以作为实际焊接作业中所需要规划的焊缝路径。在s o l i d w o r k s 中通过“绘制3 d 曲线”的“转换实体功能”可以在显示界面中将这些曲线单独 9 天津工业大学硕十学位论文 提取出来。将曲线保存为i g e s 格式文件就可以得到相应曲线的数据，此步骤的 操作可以省去大量阅读i g e s 格式文件、提取路径曲线数据的时间。图2 1 为在 s o l i d w o r k s 中提取的两圆柱正交的马鞍型焊缝曲线。 | ， t 。：。：一 奠一一，。 r。 图2 - 1s o li d w o r k s 空间焊缝曲线的提取 s o l i d w o r k s 生成的i g e s 数据格式中主要有三种实体可以当作焊接路径处理，他 们分别是11 0 直线实体、1 0 0 圆弧实体、1 2 6 有理b 样条曲线实体口引。 1 ) 直线实体包含直线段两个端点的数据信息。其i g e s 格式为： l l o ，x 1 ，y 1 ，z 1 ，x 2 ，y 2 ，z 2 ； 2 ) 圆弧实体包含圆弧的中心坐标x ，、y 。；起点坐标x ：、y ：；终点坐标x 。、y 。 以及其在x ，、y ，平面上平行于z ，的位移量7 个数据信息。圆弧实体在计算的过程 中需要和1 2 4 变换矩阵实体结合使用，将数据所在的坐标系转变成s o li d w o r k s 下的实际坐标系。 圆弧实体的i g e s 格式为： 1 0 0 ，z t ，x l ，y 1 ，x 2 ，y 2 ，x 3 ，y 3 ； 变换矩阵实体的格式为： 1 2 4 ，r 1 l ，r 1 2 ，r 1 3 ，t 1 ，r 2 1 ，r 2 2 ，r 2 3 ，t 2 ，r 3 1 ，r 3 2 ，r 3 3 ，t 3 ； 空问圆弧的起点、终点、及圆心的计算公式为： lfr 葺恐 my 2y 。 气z 2 111 五恐毛 my 2y3 z tz t 111 ( 2 1 ) 3 ) 有理b 样条实体比较复杂，包含了节点序列，权值，控制点信息等大量 数据。其表达式为h o j ： p ) = 乃m ，尼 ) ( 2 2 ) 其中t ；为节点值，将参变量u 和控制点p 。联系起来，n ( u ) 是调和函数又 称基函数。其递归定义如下： l 乏五1 3 3 3 癣膨胀o 2 2 2民恐b o始如o 第二章焊接机器人离线编程系统软件开发 啪，吖若。嘉”1 岫，= 掣+ 掣 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其i g e s 格式为：1 2 6 ，k ，m ，p r o p i ，p r o p 2 ，p r o p 3 ，p r o p 4 ，t ( - m ) t ( n + m ) ，w ( o ) w ( k ) ，x o ，y o ，z o x k ，y k z k ，v ( o ) ，v ( 1 ) ，x n o r i d ，y n o r m ，z n o r i d 在路径点计算时，提取相应曲线的数据后，将数据读入v b 中，设定需要生 成的路径点的数目。应用v b 程序进行相关的运算，就能计算出相关点路径的坐 标值。 2 1 2 空间焊缝曲线的焊枪系姿态规划 川i i 亿5 ) p i 七= 五 ) b + 厂2 ) n + l + 厶 ) 见+ 2 ( 2 6 ) p i 七= 五 ) 见+ 厶恤) 肛+ l + 厶 ) 见+ 2 ( 2 7 ) 天津j j 业大学硕十学位论文 操作来计算焊枪系位姿。首先根据已有的x 轴方向向量，计算焊枪坐标系相对 于基坐标系的位姿变化。我们可以假设在机器人到达各焊接点前，焊枪坐标系 t ，与基坐标系重合，下一步是将t 。相对基坐标系运动到焊接路径点，并且使t 。 的x 轴与x 轴重合，坐标系t 。转化为坐标系t 。 这里x 轴相对基坐标系的方向矢量( n 。n ，n ：) 为己知，根据w p r 角的定义， 我们可以知道任意一个坐标系的x 轴如果和已知的x 轴重合，则其相对于基坐 标系旋转的r o w 角( q ) 和p i t c h 角( b ) 角是可求的。 = a r c s i n ( 一n z ) q - - s r ct a l i ( n y n z ) 0 乞毽、 这样首先保证了焊接路径点的位置和焊枪移动方向。然后根据焊接工件和焊 接作业要求的实际情况将坐标系t ：绕x 轴旋转所需要的角o ，得到坐标系t 。， 就是需要的实际焊枪坐标系。其变换矩阵的计算公式为： t f = r o t ( z , r ) r o t e , p ) t 乏= 印a n s ( x , 乃矽乃 = t z r o t ( x , 砂 单个焊枪坐标系的计算公式为： = t r a n s ( x , 易矽r o t ( z , 彤r o t ( y , 功t r o t ( x o ) ( 2 9 ) ( a ) 第一次坐标变换 ( b ) 第二次坐标变换 图2 2 姿态规划过程中的坐标变换 接下来计算下一个焊枪坐标系时只需要根据焊接起点o 。和焊接终点转角oz 的差值计算一个较小的o 。然后付给各点绕其x 轴转角e + h ao 就可以了。 有的连续曲线拐点很多，我们也可以分段处理，预先设置各拐点转角0 ，然后分 段计算0 ，最后再进行焊枪坐标系的姿态计算。由于所计算点的数量很多，所 以计算出的ao 很小，就可以保证各路径点间焊枪姿态的连续。 计算结束后，可以将计算后的变换矩阵转化成w p r 角数据的表示方法并输出。 通过上述程序计算我们就可以得到各种复杂空间曲线位姿规划的数据了，下图为 此方法得到的马鞍型空间曲线焊枪坐标系位姿规划图( 为方便观察这里焊枪坐标 第二章焊接机器人离线编程系统软件开发 系y 轴方向取反向) 。使用s o li d w o r k sa p i 功能二次开发所画出各焊接路径点的 焊枪坐标系的图形表达。表2 - 1 中列出了在第一象限的马鞍型焊缝的部分路径点 位置及姿态数据。其姿态的表示用w p r 角的形式列出。 图2 3 马鞍型焊缝曲线焊枪坐标系位姿规划 表2 一l 部分路径点位姿规划数据 2 2f a n u c 工业机器人的运动学及逆运动学 新式机器人都是以关节坐标系直接编程的。机器人的工作由控制器指挥，首 先关节每个位置的参数被预先记录好。然后当机器人执行工作任务时控制器给出 位置数据使机器人按预定位置执行序列运动。物体在空间的位置以及机器人手臂 的位置都是以某个确定坐标系来描述的。由笛卡尔坐标系描述工作任务时，必须 把上述规定变换为一系列能够由手臂电机驱动的关节角。确定手臂位置和姿态的 关节位置的解答即运动学方程的求解h 。 2 2 1f a n u c 机器人正运动学建模 f a n u c 机器人主体关节结构由回转主体、大臂、小臂、腕等几部分构成，其 连杆坐标系如图2 4 ： 天津t = 业人学硕十学位论文 图2 - 4f a n u c 六自由度焊接机器人运动参数 f a n u c 机器人前三自由度决定了机器人腕部位置，后三个自由度决定了焊枪 姿态。由于其腕部第四、五、六关节遵守p i e p e r 理论n 舶，为解决三四关节问d h 模型过渡问题需要加一个中间坐标系t 3 ，此中间坐标系不含有关节转角，只参 与两连杆间坐标变换。 表2 - 1 为其连杆坐标系的d h 模型参数： 2 2 2f a n u g 机器人逆运动学建模 弧焊机器人运动学的反解问题的主要内容是根据目标焊枪系的位姿反推各 关节轴转角。在求解的过程中涉及到多重解的取舍问题。逆解的求导过程可以采 用代数反推法和几何反推法h 引。由于代数法的求解运算量达，并且矩阵求逆的程 序复杂，在求解过程中可能出现无逆解的情况。所以采用几何法的求解方法。 为说明求解过程，本文以f a n u c 机器人及变位机为例，并选取t 型焊缝曲线 工件作为焊接对象，在s o lid w o r k s 中建立模型。机器人本体和变位机相对位置、 工件和变位机相对位置已知。为方便介绍逆运动学的计算假设机器人本体与变位 机轴线在同一直线上，工件z 轴与变位机工作台z 轴方向重合，且无偏转角度。 如图2 - 5 ，图中标注了在计算中需要用到的部分尺寸。 第二章焊接机器人离线编程系统软件开发 图2 - 5 逆运动学仿真试验模型建立 逆解的具体求解过程如下：被焊工件模型竖管半径：3 0 m m ，横管半径：5 0 r a m 。 选取被焊工件上第四百点为目标点。第四百点在世界坐标系的x y z w p r 法位姿表 达为：( 1 0 7 2 3 01 7 54 5 00 01 8 0 0 ) 。根据以上数据就可以得到此点的焊缝特征坐 标系矩阵表达为。 耳= 吃q 疗，d ， 珂z吃 0 0 a l x a yy a ： z o1 ( 2 - 1 0 ) 其中n 、0 、a 可由w p r 角求得。焊枪平面由n = e n 。1 1 ，n 。 和o = o ，0 ，0 ： 确定 根据焊枪系z 轴方向和焊枪的几何信息可以确定焊枪的点1 、1 及臂3 以及电 机6 上点2 、3 。 。 乱 + 矗2 图2 - 6 焊枪上各点示意图 其中点2 是电机6 轴线与p i e p e r 点间任一点，可以自行确定。f a n u cm i o o i b 机器人的前三个自由度决定了末端焊枪的空间位置。首先求解0 。，第一轴的作 用足转动机械臂本体，使2 、3 关节能够在指定平面转动机械臂到指定位置。由 下图可知当点3 为已知时，0 。可求。 b = a r c t 掮( 彘) ( 2 1 1 ) 天津1 = 业人学硕士学位论文 图2 - 7 机器人焊接工作俯视图 o 。的转动使得杆件1 和杆件2 所构成的平面发生改变，然后杆件1 、2 在轴 2 、3 的旋转后使机器人本体到达目标点3 ，杆件2 的求法可通过余弦定理获得。 由图2 8 可知：杆件l 和杆件2 组成了一个平面，点3 、4 、5 、6 、7 在此平面内。 在a 3 5 6 中杆件1 长度已知，l 。为杆件2 的成直角两个组成部分的斜边可由2 - 1 2 式求得；1 。长度由点3 和点6 间的线段长度，其中点3 坐标已知。点6 坐标可由 2 - 1 3 求得 厶：4 1 0 0 2 + 6 1 5 2 ( 2 1 2 ) f 氏一1 5 0 c o s ( o , ) y 6 。1 5 0 s i n ( 0 1 )