對智能弧焊機(jī)器人的實(shí)時軌跡跟蹤題目,提出了一種新的運(yùn)動學(xué)建模:焊縫切線法。該方法是根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)判定焊縫的彎曲程度,確定機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。

用該方法建立了四輪移動機(jī)器人的運(yùn)動方式和機(jī)器人終端效應(yīng)器(焊槍)的運(yùn)動方式之間的關(guān)系事晶。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。

一裂更、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)展的愁反。近幾十年來,隨著自動化技術(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)用于產(chǎn)業(yè)焊接生產(chǎn),極大地進(jìn)步了焊接質(zhì)量和效率剪勿。對于大量的非結(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方庭。為了實(shí)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,國內(nèi)利用改進(jìn)的磁性輪式小車作為焊接生產(chǎn)移動機(jī)構(gòu)厕吉。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(jī)器人的運(yùn)動分析,建立了一種新的運(yùn)動學(xué)模型,其目的是為弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)提供新的解決方法械念。

二头朱、四輪移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

輪1、車輪2可以獨(dú)立驅(qū)動和獨(dú)立控制,車輪3龄减、4為萬向輪,沒有驅(qū)動能力,各車輪半徑相等项钮。

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)動過程中,車輪3、4對機(jī)器人的運(yùn)動的約束很小希停。機(jī)器人的車輪1烁巫、2分別裝有光碼盤,用來測定相應(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高度非線性亚隙、多變量作用的過程,同時還具有隨機(jī)不確定因素的存在,這就決定了對焊接過程的跟蹤題目變得非常困難磁餐。

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(yùn)動方向與電弧傳感器所判定的焊縫偏差的方向相反掰砌。由于十字滑塊的運(yùn)動存在一定的范圍,只有當(dāng)焊縫彎曲程度較小時,通過控制十字滑塊的運(yùn)動可以保證電弧傳感器(焊炬)跟蹤焊縫瞪殖。假如焊縫彎曲程度較大時,僅通過控制十字滑塊的運(yùn)動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,才能保證焊縫跟蹤,從而保證焊接質(zhì)量学岔。

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相同的速率沿焊縫切線方向運(yùn)動咪朴。在焊縫跟蹤過程中,當(dāng)十字滑塊驅(qū)動電弧傳感器運(yùn)動到一定程度時,則判定十字滑塊下一步的運(yùn)動方向, 假如與原來方向相反(設(shè)為負(fù)方向) ,即十字滑塊往其中心運(yùn)動,此時小車不需要轉(zhuǎn)彎;假如與原來方向相同(設(shè)為正方向) ,則此時給小車轉(zhuǎn)彎信號,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字滑塊運(yùn)動范圍的原因而導(dǎo)致焊縫跟蹤失敗。小車轉(zhuǎn)彎的時間和轉(zhuǎn)彎角度由數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)程序計(jì)算確定师赂。在轉(zhuǎn)彎過程中,十字滑塊的運(yùn)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(yùn)動蘑瓢。由于焊炬在焊接過程中的運(yùn)動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,焊炬此時的運(yùn)動方向與焊縫相切,故稱這種方法為焊縫切線法。

四渊伐、四輪移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

為了簡化建模,特作以下假設(shè)轩丁。

(1)輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動速度(直線運(yùn)動時)設(shè)為焊接速度(電弧傳感器的運(yùn)動速度) 。

(2)與十字滑塊原來運(yùn)動方向相同設(shè)為正方向多析。

(3)與十字滑塊原來運(yùn)動方向相反設(shè)為負(fù)方向仙商。

在焊接過程中,電弧傳感器的實(shí)際運(yùn)動速度是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(shè)條件(1)說明如下初祠。

①在焊接過程中,十字滑塊的運(yùn)動速度很快(單向運(yùn)動時間僅為3～6 s) ,最重要一點(diǎn)就是它的運(yùn)動范圍很小钞钙。

②以上所述的整個系統(tǒng)是針對CO2 氣體保護(hù)焊,選用焊機(jī)為唐山松下KR350系列焊機(jī)(主要是由于這類焊機(jī)在國內(nèi)使用非常廣泛) 。焊速通常為0. 3～0. 5 m /min声离。

通過上面的分析這種機(jī)器人運(yùn)動學(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)動芒炼。為進(jìn)一步簡化建模,設(shè)轉(zhuǎn)彎前焊縫是直線,且機(jī)器人移動速度為vf。下面建立機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎(俯視)時的運(yùn)動學(xué)模型,其它運(yùn)動方式的運(yùn)動學(xué)模型可以依此類推术徊。

四輪機(jī)器人的基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系Oxyz (未畫出) 本刽、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)赠涮。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子寓、2 接　地點(diǎn)連線的中點(diǎn)重合。在機(jī)器人運(yùn)動的起始位置, 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笋除、2連線的間隔; L1 為十字滑塊的單伸長度; b為輪1斜友、2之間的間隔;ω為車架繞瞬時轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速度;β為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎所需要轉(zhuǎn)的角度; C為轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)軸w 的瞬心; v1、v2垃它、v分別為車輪1鲜屏、2中心及車架相對于地面的盡對速度。

ΔL 為運(yùn)動過程中十字滑塊與其中點(diǎn)的間隔,由光碼盤測定;ΔT1 為十字滑塊從中點(diǎn)到該位置的運(yùn)動時間; ΔT2 為十字滑塊驅(qū)動電路的電慣性(包括判定時間) ; ΔT3 為小車驅(qū)動電路的電慣性;ΔT4 為小車?yán)碚撧D(zhuǎn)彎時間; ΔT為小車實(shí)際轉(zhuǎn)彎時間; vf 為轉(zhuǎn)彎前的焊接速度; uc為轉(zhuǎn)彎時瞬心到Om之間的間隔; r為各車輪半徑;ω1国拇、ω2 分別為車輪1洛史、2的瞬時角速度。
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)彎時的運(yùn)動學(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〕伲可以證實(shí)系統(tǒng)是全局可控的旧匈。

五、試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該模型的效果,利用旋轉(zhuǎn)電弧作為傳感器隆惊。焊接有關(guān)參數(shù)為:電源用唐山松下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形闯智。試驗(yàn)結(jié)果列于表1,所有試驗(yàn)的跟蹤效果都很好。

六蹬寸、結(jié)果

(1) 通過把大角度焊縫跟蹤轉(zhuǎn)變成多個小角度焊縫跟蹤從而實(shí)現(xiàn)大角度焊縫跟蹤犹耻。

(2) 小車轉(zhuǎn)彎角度和轉(zhuǎn)彎時間,由程序自動計(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)自動跟蹤焊縫的能力,保證了焊接質(zhì)量广柴。

(4) 增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的魯棒性,體現(xiàn)了智能化的要求春探。

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