（机械工程专业论文）相贯线焊接机器人机构设计与运动控制.pdf

独创性声明 删i l i j i i i | i j j j l i i i i l j i i l l | l l l | j i j i j j j i i j y 17 8 7 7 9 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝坠重日期：丝也15 ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雏达髦 导师签名： 摘要 摘要 随着焊接机器人的推广，越来越多的自动化设备代替工人完成焊接任务。然 而对于管道插接相贯线的焊接，由于空间相贯线焊缝的结构复杂，现有的焊接机 器人系统很难满足使用的要求，在一些情况下仍然需要通过工人来完成焊接任 务。为了降低工人的劳动强度，提高焊接质量和劳动效率，需要研制一种专门用 于相贯线焊缝焊接机器人专机。 本文在分析国内外管道自动焊机研究状况的基础上，深入分析了管道插接相 贯线的特征，建立了斜交偏置下的相贯线模型以及相贯线方程。针对相贯线的特 点，细化机器人每个自由度的功能。通过比较关节型坐标机器人和圆柱型坐标机 器人，建立两种类型机构的运动方程式，求出它们的正解和逆解的方程，比较方 程的形式，选择单变量方程来描述机器人运动，确定了一种相贯线轨迹运动解耦 的机构形式，采用圆柱坐标型机构作为操作机。 通过分析焊枪与焊缝的姿态关系，并结合焊接工艺涉及的焊枪工作角和行走 角，研发了两自由度反球型机器人手腕机构。该手腕具有两个圆弧运动的自由度， 分别由角转台和连杆机构来实现。安装在手腕机构上的焊枪可以实现焊枪末端固 定的运动，从而实现对焊枪工作角与行走角的解耦控制。 在确定硬件的系统基础上，建立电机与运动控制p m a c 卡的连接。在b o l a n d c + + b u i l d c r 开发环境下，通过与p c o m m 3 2 p r o 动态链接库，设计出实用直观的 操作界面，对一些变量参数可以进行修改与储存。 使用p r o e 三维绘图软件对焊接机器人进行设计。在“机构 模式下进行 机器人的运动仿真，校验各个关节运动方程的正确性以及机器人结构的合理性。 通过实际的焊接实验，验证机器人的实际焊接效果。实验过程中，机器人能够很 好地执行上位机发出的运动程序指令，实现焊缝轨迹、焊枪姿态的独立控制，完 成焊接任务。 关键词相贯线；焊接机器人；反球型手腕；解耦；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e l l to fw e l d i n gr o b o t ，m o r ea n dm o r ea u t o m a t e de q u i p m e n t s r 印l a c et l l ew o r k e r st oc o m p l e t ew e l d i n gt a s k s h o w e v l ee x i s t i n gw e l d i n gr o b o t s 笋睡c m c a l l ts a t i s 匆m er e q u i r e m e n to fp i p ei n s e n i n gw e l d i n gf o fm ec o m p l e x 咖l c t l l r eo ft h ei n t e r s e c t i n g1 i n e ，e v e ni ns o m ec a s e ，w e l d i n gt a s k si sc o l n p l e t e db y h a n d w o r k 1 1 1o r d e rt or e d u c et 1 1 el a b o ri n t e i l s i t ) ra i l dt oi m p r o v et l l ew e l d i n gq u a l i t y a n e wt y p eo fi n t e r s e c t i n gl i n ew e l d i n gr o b o ti sn e e d e d b a s e do nm ea n a l y s i so fc i v i la n da b r o a dr e s e a r c hc o n d i t i o no fi n t e r s e c t i n gl i n e w c l d i n gm a c i l i n e ，n l i sp 印e ra i l a l y z e st h ec h a r a c t 甜s t i co ft h ei n t e r s e c t i n gl i n e ，a n d e s t a b l i s h e dm ei m e r s e c t i o nm o d e la n di n t e r s e c t i n gl i n ee q u a t i o nu n d e rm eb i a so 仃s e t a c c o r d i n gt ot l l ef e a t l l r c so fi n t e r s e c t i o n ，t l l ep a p e rr e 6 n e dt 1 1 er o b o tf i l n c t i o na te a c h d e g r e eo f 缸；e d o m b yc o m p 撕n gt h ej o i n tc o o r d i n a t er o b o ta i l dc y l i n “c a lc o o r d i n a t e r o b o t ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h ee q u a t i o n so ft 、7 l ，o 帅e so fs t m c 彻e ，锄dt h e n0 b t a i n e d ap o s i t i v es 0 1 u t i o na n di n v e r s es o l u t i o no ft h ee q u a t i o n s c o m p a r e dw i t ht h ee q u a t i o n f o 硼，t h es i n g l ev a r i a b l ee q u a t i o ni sc h o s e nt od e s c r i b et l l er o b o tm o v e n l e n t ，a n d d e t e f l i l i n e do n e1 【i n do ft r a l l s v e r s a lp a t hi n o v e i t l e n td e c o u p l i n go 玛a n i z a t i o nf o 姗b y u s i i l gt h ec i r c u l a rc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t eo r g a l l i z a t i o nt ob et h eo p e r a t i o nm a d l i n e b ya i l a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n gt o r c ha n dw e l dp r 0 6 l e ，c o m b i n e d w i 也m et o r c hw e l d i n gw o r ka i l g l ea i l dw a l ka n 西e ， t 、) l ，o d e g r e e o f 二f r e e d o m 跗t i s p h e r i c a lr o b o tw h s tm e c h 觚i s mi sr e s e a r d h e d t h en e wt 1 门p eo fw r i s tc o n s i s t so f t w oc i r c u l a rt r a c k s ，w 址c hi sr e a l i z e db yr o t a t em e c h a n i s m 觚dl i i 出m e c h a n i s m t h e t o f e hi n s t a l l e da tt l l ee n do fm ew r i s tc a i lm o v ea tm ef i x e dp o i n tt os a t i s f y 圮 i n d e i ) e n d a l tc o n t r 0 1o f t l l et o r c ha n g l ea 1 1 dt r a v e la n g e l 0 | l lm eb a s i so ft h eh a r d w a r e sf o u l l d a t i o n ，p m a cc a r di sc o n n e c t e dw i mm o t o r s u n d e rm ed e v e l o p e de n v i r o n m e n to fb o l a n dd 斗b u i l d b yl i n kw i t hp c o m m 3 2 p r o d 脚i cl i n ks t o r e h o u s e ，w ed e s i g n e dt h ep r a c t i c a ld i r e c t v i e w i n go p e r a t i o nc o n t a c t i n t e r f a c e ，w h i c hc a nr e v i s ea n ds t o r es o m ev 嘶a b l ep a r 啪e t e r n er o b o tw 嬲d e s i 趴e db yl l s i n gp r o es o 脚a r e 鼬n e m a t i c ss i n m l a t i o ni s r e a l i z e di nt h em o d eo f “m e d l a n i s m ”，t h ea c c u r a c yo fm o t i o ne q u a t i o n si sd l e c k e dt o m a l 【es u r em es t m d m r eo ft h er o b o ti sr e a s o n a b l e 1 1 l r o u g ht 1 1 ew e l d i n ge x p e i i i m e n t ，m er o b o ti st e s t e dw h e ni tw o r k s t h er e s u l to f m ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h er o b o tp e r f o n n e dw e l lw h e nt h ec o m p u t e rs e n d st h e p r o 母狮t om er o b o ts y s t e h l t h er o b o tm o v e dw i t h 舀】nc o n t r o la n dw e l dp a t hc o n 仃d l i n d 印e n d 朗t l y k e yw o r d ：w e l d i n gr o b o t ；a n t i s p h e r i c a lw n s t ；d e c o u p l e ；s i i i 】【u l a t i o n ； i i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 工业机器人的发展1 1 2 焊接机器人的发展2 1 2国内外管道焊接机器人现状3 1 3 研究课题的提出6 1 4 本文研究的主要内容7 第2 章数学模型及设计方案9 2 1 相贯线数学模型9 2 1 1 相贯线焊缝形状9 2 1 2 相贯线方程1 0 2 1 3 相贯线焊缝位姿1 l 2 1 4 焊枪姿态模型1 3 2 1 5 焊接速度15 2 2 机器人设计方案15 2 2 1 机器人操作机结构1 6 2 2 2 关节型机器人运动方程18 2 2 3圆柱型机器人运动方程。2 2 本章小结：2 6 第3 章机器人机构设计2 7 3 1 机器人设计过程中应注意的问题2 7 3 1 1刚度2 7 3 1 2 精度2 7 3 1 3平稳性2 7 3 1 4 其它2 8 3 2 结构设计2 8 3 2 1 主体结构2 9 3 2 2 机器人手腕结构3 0 3 2 3 焊枪设计3 3 3 2 4 五自由度焊接机器人结构3 3 3 2 5 焊接机器人性能参数3 4 本章小结3 5 第4 章机器人运动控制3 7 4 1 关节驱动单元3 7 4 2 控制单元3 8 4 3 运动控制卡介绍3 9 4 3 1p m a c 主要功能3 9 4 3 2p m a c 与系统的连接4 1 v 北京工业大学工学硕十论文 4 3 3 设置坐标系一4 2 4 3 4 电机轴设置4 2 4 3 5 常用函数4 4 4 4 界面设计4 5 本章小结4 7 第5 章仿真与实验4 9 5 1 运动仿真4 9 5 2 仿真校验5 0 5 2 1 虚拟管道参数5 0 5 2 2 虚拟驱动器设置5 0 5 2 3 虚拟轨迹生成5 2 5 3 实验5 3 5 3 1 控制系统误差测试5 3 5 3 2 焊接实验5 4 5 4 展望与改进5 5 5 4 1 并联机构及特点5 6 5 4 2 并联机构设计方案。5 6 本章小结5 7 结 仑。5 9 参考文献6 1 硕士期间发表论文。6 5 致 射6 7 v i 第1 章绪论 1 1 工业机器人的发展 工业自动化的历史是以技术手段的快速更新为特征的。这种自动化的更新不 论是看作世界的经济发展的诱因还是结果，都和世界经济密切相关。工业机器 人的发展，是一个科学技术发展共同的一个综合性结果，同时，为社会经济发展 产生了一个重大影响的一门科学技术。作为世界的高新产品，许多的国家都把机 器人的发展作为高新技术列入国家战略发展计划。在第二次世界大战以后，各国 加强了经济的投入，也就促使工业机器人有了很大的发展。二战后，由于人力缺 乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强 度，能够代替人力去完成复杂繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界认识和改 造。 美国是机器人的诞生地，早在1 9 6 1 年，美国的c o n s o l i d e dc o n t r 0 1c o 印和 a m f 公司，联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过4 0 多年的发展，美 国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进、适应性也很 强。日本在1 9 6 7 年从美国引进第一台机器人，1 9 7 6 年以后，随着微电子的快速 发展和市场需求的急剧增加，工业机器人在企业里得到广泛应用，工业机器人也 得到快速发展，仅用了十年的时间，形成了自己的机器人产业。现在无论机器人 的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。在欧洲许 多国家，如法国、英国、意大利等国家，工业机器人技术以及机器人的应用都得 到很大程度的发展。工业机器人并不是简单意义上代替人的劳动，它既有人对环 境状态的快速反应和分析判断能力，又具有机器可长时间持续工作、精确度高、 抗恶劣环境的能力，从某种意义上说，它也是机器进化过程的产物晗，引。工业机 器人在发达国家扮演着重要的角色。图1 1 为全球工业机器人年度安装量和运行 总量及预测。 中国在开发工业机器人的时间上晚于美国、日本和欧洲大部分国家，但也已 有2 0 多年的历史，并在“七五 期问对工业机器人进行攻关。随着1 9 8 6 年，“8 6 3 ” 计划将发展机器人列入高科技发展规划后，在国家的组织和支持下，经过十几年 的努力，在机器人基础技术，控制技术，关键元器件等方面取得了重大进展。 北京工业大学t 学硕_ 论文 c o u n t r y 2 0 0 82 0 0 92 0 t 22 0 0 82 0 0 92 0 1 2 a m e r i c a1 7 。1 9 29 6 0 05 1 0 0 7 3 9 7 71 7 2 ，8 0 0 7 4 4 ”w h f c a 怕d a ，m e x ；u s a 1 6 2 韶9 ，o 3s 0 01 6 8 9 鸺b 8 1 5 e1 c 斟1 埘州s o 曲a i 州抽鲁5 06 t o5 4 髓6 o 8 3 。o a 8 i a 舳e t r a i i a。2 e 43 5 9 0 05 i o5 1 4 i e l 4泐。o 5 2 3 o o o c h i n 7 9 7 05 o 1 0 o o o 3 ，7 8 7 8 ，4 0 0 蝻，一。，7 ，。_ jj 么? ，。蝴 嘲 潮磊九8捌7 t j | p 柏拍1 侣o 2 7 s 3 5 5 的2瑚o2 9 8 3 0 0 鼬耕i 哺。甜鞫釉髟：，二，筑，之“要+ ：眵；。| ，”霸譬t 摩净+ 鼍3 稍7 巍瞄i t 相b 期d 朝* t 撕v q n 3 瑚2 3 。8 “ 奄幅t 精矗 ，”i 。气喜雌矗幸 ” o t h a a1 0 4 4 3 8 o 。ol 口耵船05 9 咖 恕h 钉蝣涵辟毒嘲”懿玎 8 7 e u r o p e3 5 ，o 2 2 e 科，2 0 03 4 3 7 挑1 3 5 7 ，3 b e n e i u x13 3 3 1 1 2 4 f 哺毛5l ，d2 。8 甜，3 7 0私4 强嘲 g m w1 5 3 鹌1 0 。0 1 35 。0l “e 0 3 4 s o1 4 9 咖 i 蛳y ， 一，4 渤。3 口 5 戚纸 e 乏o 。5 s 2 2 9 65 28 0 0拍6 3 b打4 2 06 孰”幽n ” ，葺4 嚣 蜥州脚 蝴嘲o o o 5 1 3 31 3 3 9 c 甜啦硎蓬鲥抽晰舀搬移精制悸由l ，：。z 摹 戗盘静 酣we u m p 4 ”9 5 2 3 1 0 02 79 5 06 23 8 5 1 a l r i c a喇 3 0 0 5 0 01 7 8 i1 ，8 0 01 ，7 0 0 图l 全球工业机器人年度安装量和运行总量及预测数( 单位：台)数据来自i f r f i g 1 - ls h i p 赋= n l s 锄do p e r a t i o n a ls t o c ko f m u l t i p u r p o s ei n d u 疏a lr o b o t sn u m b e ro f u n i t s 1 2 焊接机器人的发展 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一。由于焊接工作环境恶劣、劳动条 件差、烟尘多、热辐射大、弧光辐射强烈、危险性高，企业普遍缺乏高级、熟练 焊工，又要求高焊接生产效率和保证焊接质量的一致性。焊接机器人的出现，帮 助人们解决了这些问题。焊接机器人具有如下的特点h 1 ： ( 1 ) 稳定和提高焊接质量。保证其一致性。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，因此焊接质量是稳定 的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等会受人为因素影响而发生变化，因此很 难做到质量的一致性； ( 2 ) 提高劳动生产率。机器人可2 4 小时连续生产，另外随着高速高效焊接技 术的应用，人工焊接已经无法适应，必须使用机器人焊接； ( 3 ) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是参与管理和控制焊接 过程，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等； ( 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 ) 焊接机器人的制造技术不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操 作和维修) ，单机价格不断下降。 为了适应焊接生产的柔性化、集成化和提高焊接行业的工作环境，机器人在 焊接领域的应用正在逐步扩大，应用的范围也越来越广泛瞄刮。随着工业的发展 和各种技术的不断革新以及对生产结构和产品质量要求的不断提高，焊接机器人 将在各种行业当中发挥越来越重要的作用o 叶4 | 。 2 第l 章绪论 目前，世界各国都在大加大科研力度，对焊接机器人进行研究，从发展趋势 上看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展n 5 1 6 1 。 国内外对焊接机器人的研究主要体现在机器人操作机结构、焊缝跟踪和传感技 术、多台机器人协同控制技术、远程遥控技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接 机器人系统仿真技术与焊接机器人工艺方法等方面n m l 。 1 2 国内外管道焊接机器人现状 在现代焊接生产中，插管焊接是化工和锅炉等行业中非常普遍的一种连接形 式嘲1 。为了达到受力均匀的目的，封头通常采用碟形、球形或椭球形等几何形体。 对于封头和插管相贯线接缝的焊接，一般工厂仍由手工焊接完成，制造周期长， 劳动强度大，生产效率低，焊接质量难以保持稳定：对于大型的厚壁容器在焊接 的过程中，需要对焊接部位进行预热，一般的预热温度都要达到1 5 0 度以上，在 这种温度下人工操作环境非常恶劣。这就迫切需要机器人来代替手工焊来完成这 些困难的焊接任务。 国内许多专家和学者对管道插接或类似于该种焊接工况的焊接机器人及焊 接自动化设备的设计和研究也做了很多工作，取得了一定的成果。中国石油管道 科学院闰政等研制了管与管对接的自动焊机，如图1 2 所示，解决了平面封闭环 线的全位置焊接问题乜引。山东工业大学的张忠厚等文献研制了低成本的自动焊接 装置，如图1 3 所示，较好地解决了薄壁封头和接管相贯线接缝的单层自动焊接 问题0 i 。它是通过特制专用凸轮，类似靠模仿型的原理实现的，然而对于不同形 状相贯线接缝的焊接，需要更换和制作不同的凸轮；对于厚壁封头与接管相贯线 接缝进行多层、不同道数焊接时，专用凸轮的制作难度很大，另外，对于曲率变 化较大的接缝很难实现匀速焊接，因此，限制了系统的通用性。山东大学的霍孟 友等研制了一种椭球面接头的自动焊接装置口，如图1 4 所示，实现了多球面的 相贯线焊接，系统可以根据相贯线轨迹来控制焊枪的位置，但是仍然需要将焊件 安装到变位机上。对于大型的锅炉等容器，使整个容器进行旋转是很难实现的， 特别是在一个大的容器上面要焊接多个插管的情况。北京石油化工学院还研制了 啮合式导轨管道焊接机器人，如图1 5 所示，该机器人主要由导轨、行走机构、 焊枪位置调整机构、摆动机构、送丝等机构组成。行走机构采用齿轮与导轨啮合， 沿着导轨绕着轨道3 6 0 度正反向行走，实现管道1 8 0 度或者3 6 0 度的全位置自动 焊接。 在国外，焊接机器人的研制也代表着管道焊接发展的趋势。如德黑兰机械工 程学院与澳大利亚伍伦贡大学共同研制的并联型管道焊接机器人口剁，如图1 6 所 示，其采用了并联式结构，让结构变得更回紧凑，体积更小，而且不失实用性。 日本庆应义塾大学研制的管内爬行焊接机器人口3 l ，该类机器人能够在具有直角拐 弯的管道机自动行走。其机构小型化，控制简单化，已经成为了一种焊接机器人 发展的趋势。 图1 - 2 管道双焊炬全位置自动焊机 f i g 1 - 2t 、) l ，ot o r c h e sp i p e l i n ea i lp o s i t i o na u t o i i l a t i cm a c h i n e 图l - 3 管连接自动焊机工作原理示意图 f i g 1 - 3w o r k 埘n c i p l es c h 啪eo f p i p o n n o c t i o na u t o m a t i ca r cw e l d i n gm a c h i i l e 一煮b 一 图1 _ 4 椭球面封头接管自动焊接执行机构原理示意图 f i g l - 4w o r kp r i n c i p l es c h e l i l eo fa u t 响a t i ca r cw e l d i n gm a c h i n ef o rc o n n e c t i o n p i p es e 锄i i l e l l i p s o i do fe n d 矗) rv e s s e l 4 第1 章绪论 图1 5 啮合式导轨管道焊接机器人 f i g 1 5g e 盯w h e e ls i d e w a yp i p e l i n ew e l d i i l gr d b o t 图1 6 并联式结构管道焊接机器人 f i g 1 6p a r a n e is 仃u c t l i i eo f p i p ew e l d i n gi d b o t 图1 - 7 管道内部行走机器人外形示意图 f i g 1 7s c h 锄a t i co ft 1 1 ei n t 锄a lp i p er 0 1 ) o t 上述全位置焊接设备主要功能体现在以下三个方面：一是将工件固定在变位 机上，利用变位机的旋转使焊接处于平焊位置，调整焊枪的姿态实现直线和圆弧 轨迹焊接。二是针对管道对接的情况，将焊接设备安装在管道外壁或者内壁上， 沿平面环线进行焊接。三是对大型的工件利用激光导引，采用爬行焊接方式进行 焊接。然而，在许多非结构环境下，采用变位机方式进行焊接是非常困难、有时 是难以实现的，并且目前的焊接设备对于不规则空间全位置曲线焊接方面都存在 着不足，体现在以下两个方面：一是全位置焊接多局限于在同一个平面内焊接， 无法实现空问曲线焊接；二是焊接过程中对焊枪姿态的调节能力有限，形成良好 焊缝的能力差。 5 北京工业大学_ 学硕十论义 1 3 研究课题的提出 在焊接生产中，管道的插接焊是一种常见的焊接形式，一般这种焊接经常被 应用在化工和锅炉等行业中，如图1 8 所示，为焊接现场常见的管道插接形式。 对于大型插管相贯线的焊接，很多工厂仍由手工焊来完成，制造周期长，劳动强 度大，生产效率低，焊接质量难以保持稳定；对于大型的厚壁容器在焊接的过程 中，需要对焊接部位进行预热，一般的预热温度都要达到1 5 0 度以上，在这种温 度下人工操作环境非常恶劣。使用焊接机器人进行焊接，有些机器人不是根据管 道插接而量身定做的专用焊接机器人，使用起来需要克服很多困难，在使用过程 中，容易出现故障和损坏。还有一些机器人在焊接过程中，需要配合变位机使用， 当主管上面的插管太多时，使用变位机进行管道的移动将会变得难以实现。目前 大部分管道相贯线焊接机器人都是针对主、支管管径相差不大时设计的，对于直 径大的管道插接焊接，这些相贯线焊接机器人无法对焊枪的姿态进行调整，最终 导致焊缝的成形不够美观，存在焊接缺陷等不足。 从上述分析中，很多的管道相贯线焊接机器人很难在焊接生产过程中得到广 泛的应用，主要原因就是：结构设计没有针对性，大多数相贯线焊接机器人都是 对管径较小的管件进行焊接，对于大型管道，往往不能满足焊接的要求。作为专 用相贯线焊接的专机设计，应该结合使用的实际情况，考虑到使用过程中的困难 因素，除了要求结构轻便，还要体现出机器人开放式的结构特点。机器人可以满 足各种焊接环境条件下，绝大多数常用管件的焊接。保证机器人在焊接过程中高 质、高效地完成焊接任务。 图1 8 大型容器管道插接 f i g 1 - 8i n t e r s e c t i n gp i p e so fi a r g ec o n t a i n e r 从机器人的发展趋势以及管道插接焊焊接的特点来看，管道插接焊专用机器 人设计需要具备以下特点： ( 1 ) 结构轻便紧凑、刚度大、易于搬运。对于在户外操作与焊接大型焊件， 这样的结构能够提高工作的效率。不用花大量的时间搬运和装卡焊接机器人。 6 第l 章绪论 ( 2 ) 结构模块化。焊接机器人需要根据不同的焊接情况进行改进，使机器人 能够满足各种焊接工件的要求。不需要因为被焊件太大或太小而将整个机器人更 换。而只需要将其中的某个关节进行改装就可以适应焊接要求。 ( 3 ) 简便的过程控制。机器人运动控制的可预见性增加，可以避免许多意外 的情况发生，如机器人与管道的干涉、机器人关节的限位、机器人关节运动轨迹 等等。 1 4 本文研究的主要内容 综上所述，传统的焊接机器人在处理常规焊接任务过程中有一定的优越性， 但在专用插管焊接的过程中，由于环境、工件、操作，会给焊接过程带来许多的 困难，使焊接效率降低，焊接质量无法得到保证，甚至无法完成焊接任务。为了 解决上述存的问题，本课题在研发焊接机器人专机的过程中，取长补短，借鉴传 统焊接机器人的优点，改进其不足之处，拟自主创新设计一套专用的焊接机器人 专机，专门针对管道插管相贯线焊缝进行焊接。本文从相贯线的特征出发，分析 管道插接相贯线数学方程以及焊接过程中焊枪的姿态变化，确定焊接机器人的自 由度，以及焊接机器人所采用的结构。在设计过程中，为了使控制系统的设计变 得简单，设计机构时，使焊接机器人的关节运动在控制上相互解耦。每个关节控 制的自由度对应相贯线的一个特征变化，机器人的自由度运动直观明了。整个机 构设计运用简单的传动设计，各部分机构模块化，控制的过程简单化。论文的具 体内容如下： ( 1 ) 推导相贯线方程，根据相贯线方程特征，求相贯线焊缝位姿。根据欧拉 角变换，推导焊枪与焊缝的位姿关系矩阵。 ( 2 ) 根据管道插接相贯线焊接的特征，确定焊接机器人自由度，对比关节型 机器人与圆柱型坐标机器人的运动方程解的形式，确定设计方案；采用运动控制 解耦的方案进行机构设计。对于焊枪姿态的控制机构，创新设计反球形手腕关节 结构，该结构使对机器人的控制得到简化。 ( 3 ) 通过p m a c 运动控制卡，建立上位机对焊接机器人的通讯。使用b o l a l l d c hb u i l d e r 语言，利用p c o m m 3 2 p r o 提供的函数对一些数据进行操作管理以及 监控。 ( 4 ) 仿真与实验。通过仿真，在虚拟环境下创建机器人模型，验证运动方程 的正确性；通过焊接实验来观察机器人的性能，发现不足之处，提出改进的意见。 第2 章数学模型及设计方案 第2 章数学模型及设计方案 两圆柱形管道插接，其交线为马鞍形曲线。马鞍形曲线的形状与不同管径、 不同相贯角度以及两管偏心距的值有关系。当两相交管的直径、相贯角及偏心距 确定下来后，相贯线的三维形状就确定下来。了解相贯线方程，对管道在加工中 精确放样、落料、焊接和检验以及自动化焊机的设计和制造都是非常有必要的。 对于相贯线模型的建立及其参数的提取，可以通过c a d 来完成啪1 。本文通过数 学推导来得到相贯线方程。分析相贯线方程的特点，根据其方程特征，对机器人 的自由度及其机构进行选择，确定设计的方案。 2 1 相贯线数学模型 建立相贯线焊缝的数学模型，是机器人设计、离线编程、实现焊接运动控制 的前提。本节主要分析了与相贯线结构及相贯线工艺相关的数学模型，为结构设 计及其控制奠定基础。 2 1 1 相贯线焊缝形状 相贯线是由两回转体表面相交而成，它是一种复杂的空间曲线。常见的情况 是两圆柱管相交。如图2 1 所示，分别为两圆柱管正交、斜交、偏置、斜交偏置 相贯线的形状。 ( a ) 正交( b ) 斜交( c ) 偏置 ( d ) 斜交偏置 图2 1 两管道相交时相贯线情况 f i g 2 - lw b l d i n gs e 锄o f t w op i p e 为了不失一般性，两管道插接考虑斜交偏置时这种一般的情况。如图2 2 所 示，主管( 直径较大的圆柱管) 半径为r ，支管( 直径较小的圆柱管) 半径为r ， 两管的相贯角为万，偏心距为盯。主、支管分别采用一，y 。，z 。和x ：，y ：，z ：建立坐标 系。d l 和口：分别为两个坐标系的原点，m 、y ：同向，o ：在，y ”乙坐标系中的坐 标为( o ，仃，o ) 。相贯线在两个圆柱上的投影为圆，相贯线可以看成是点在两个圆 面上运动的合成。 9 北京：1 二业大学下学硕f j 论文 2 1 2 相贯线方程 图2 2 管道插接的一般情况 f i g 2 2p i p ep l u gi ng e n e r a l 由于相贯线在主、支管两圆柱方向上的投影为圆，因此相贯线在两个方向可 表示为： 髅等 协， 将在支管投影圆方程用柱坐标表示为： 而吖瞄研 ( 2 2 ) 【y 22 厂s i n 研 根据坐标变换， d 。 、 d ：) 两个坐标系的位置关系为： 墨= ；肼2 ( 2 - 3 ) 即： i 西= 而c o s 万+ 乞s i n 万 m = 儿+ 口 ( 2 - 4 ) 【五= 一而s i n 万+ 乞c o s 万 将( 2 4 ) 式代入( 2 一1 ) 式，并将( 2 - 2 ) 式代入后，分别得到在 d 1 和 d ：) 两 个坐标系下的相贯线方程为： 而= r 2 一( ，s i n 耐+ 仃) 2 y ：，s i n 研+ 仃 ( 2 - 5 ) 一一，c o s 研+ c o s 万r 2 一( 厂s i n 研+ 盯) 2 。l 。 s i n 占 恐= 厂c o s 研 y 2 = ，s i n f ( 2 6 ) z ：= 扛i 丙丽s i n 万一比矽c o s 研 1 0 第2 章数学模型及设计方案 ( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式为分别为 d ， 和 d ， 两个坐标系下的相贯线方程表示。其 中，耐表示相贯线上点投影到支管坐标系下与置的夹角。在已知主管直径r 、 支管直径r 、相贯角万以及偏心距为盯后，可以通过公式，在给定研后，得到焊 缝在相应坐标系下的坐标位置；或者已知相贯线上的点，亦可求出耐的值。求 出相贯线方程是编写机器人运动程序的前提。只有在已知两管的参数情况下，求 出相贯线方程，才能得到相贯线焊缝位姿以及焊接过程中的焊接姿态。 2 1 3 相贯线焊缝位姿 得到管道相交相贯线方程后，可以求出相贯线焊缝每个焊点的位置坐标。在 焊接过程中，可以使焊接机器人的焊枪很容易运动到达焊接位置，不至于在焊接 过程中焊枪偏离焊缝轨迹，从而保证了焊接质量。然而在影响焊接质量的因素当 中，还有一个影响焊接质量的重要因素，那就是焊缝的姿态。实际上，焊缝的姿 态中的两个独立的变量，是最终的焊接质量影响的关键所在。工程上对这两个变 量的定义，通常称为焊接位置口7 ：删。 焊接位置习惯上用焊缝倾角和焊缝转角来表示，图2 3 为焊接位姿模型。本 文把焊缝倾角秒定义为：焊缝轴线方向与水平面所成的角，即丸，轴与x 。d ，y 。面所 成的角；把焊缝转角定义为：坡口的二等分面与重力的反方向所成的角，即 k 仉z ，平面与乙轴所夹的角。秒和矽这两个变量准确地描述了焊缝在空间中的 位姿。 x b 图2 3 焊接位姿模型 f i g 2 3m o d e lo fw e l d i n gp o s e 要得到焊缝焊接p 点所在位置的二面角大小，首先要在主管x 。，y ，z 坐标系 下，表示出墨( 五，x ，z i ) 、是( 置，e ，乙) 。再根据向量夹角公式可以得到二面角大 小。如图2 - 4 所示，& 为( 2 5 ) 式在五y 。上的投影。其向量可以直接从投影的 圆方程中得到。s ：为( 2 6 ) 式在x ：y ：的投影后，先在支管投影圆上得到向量， 北京_ t 业人学t 学硕士论文 再通过( 2 4 ) 式变换到_ ，j ，。，z l 坐标系下的向量。 图2 - 4 焊缝位姿坐标矢量变换 f i g 2 4 慨t o r 仃a n s f o r m a t i o n sw e l dp o s i t i o n 从上面的分析思路中，可以得到两个向量在主管_ ，j ，。，z 坐标系下的表示： s u r 2 一( ，s i n 研+ 盯) 2 ，s i n 耐+ 仃，oj ( 2 7 ) 瓦c 0 s 研c o s 万，s i n 耐+ 盯，一，c o s 叫s i n 万) ( 2 8 ) 根据向量求夹角公式，求得二面角的余弦值大小： i 瓦= i 1 f i l c o s ( 1 8 0 。一沙) c o s ( 1 8 0 。一妙) =，c o s 研c o s 万r 2 一( ，s i n 缈f + 盯) 2 + s i n 研+ 盯) 2 尺、，2 + 2 ，盯s i n 缈f + 盯2 一；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 沙= 1 8 0 。一a r c c o s竺坚二婴s j 瓶i 忑丽+ o s i n 国f + 仃) 2 ( 2 9 ) 设焊缝焊接点处两切平面a 和平面b 的相交线的矢量为巧( 墨，骂，乙) ，根据 向量叉积求法可得： 置= 巨主l ，匕= 巨妻| ，乙= 巨乏l c 2 - 。， 将( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式代入方程( 2 1 0 ) 可以求得： f 墨= 叫心n 研叫! ! 竺! 一 e = 一r c o s f s i n 6 尺2 一( r s i n f + 仃) 2 ( 2 _ 1 1 ) 【z 3 ：( ，s i n 缈f + 啾肛i 忑丽一瑚。研c 。s j ) 要建立焊缝坐标系，首先要求出二分面上垂直于贾的向量坐标。该向量可 以根据墨和是的角平分线求出。假设该平分线的向量为：瓦= ( 也，e ，z 5 ) 。i 、 霹的单位向量可以表示为： 1 2 第2 章数学模型及设计方案 i ：i f