機(jī)器人弧焊離線編程管理論文

　　摘要：在焊接機(jī)器人柔性加工單元應(yīng)用中,為保證焊槍與焊縫在弧焊過(guò)程中始終處于接頭成型良好的焊接位置,需要機(jī)器人和變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng).ACADOLP弧焊離線編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),闡述了該系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的算法原理.將協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)分解為協(xié)調(diào)直線運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)圓弧運(yùn)動(dòng),并給出了一種實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)功能的方法,即變位機(jī)作為主手,機(jī)器人為從手,機(jī)器人跟蹤變位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可行性.

　　關(guān)鍵詞：機(jī)器人;離線編程;弧焊;協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

　　由于弧焊的特殊性,機(jī)器人弧焊系統(tǒng)正由單機(jī)器人向機(jī)器人柔性加工單元和機(jī)器人柔性生產(chǎn)線發(fā)展.與單機(jī)器人焊接最本質(zhì)的區(qū)別,弧焊機(jī)器人柔性加工單元或工作站能夠通過(guò)空間協(xié)調(diào)更有效地實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng),保證焊槍與焊縫在弧焊過(guò)程中始終處于接頭成型良好的焊接位置.離線編程系統(tǒng)作為機(jī)器人編程的一種方式,極大地提高了機(jī)器人的編程效率[1].國(guó)外的離線編程系統(tǒng)如Igrip等也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的仿真,但對(duì)于復(fù)雜工作單元的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)往往不能實(shí)現(xiàn)[2].國(guó)內(nèi)的一些科研院所在離線編程技術(shù)上進(jìn)行了很多的研究,并開(kāi)發(fā)了一些離線編程系統(tǒng),但這些系統(tǒng)都處于單機(jī)仿真狀態(tài),沒(méi)有實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)了一套機(jī)器人弧焊離線編程與仿真系統(tǒng)———ACADOLP[3,4].本文對(duì)該系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究.

　　1.協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定義

　　在協(xié)調(diào)加工單元中,機(jī)器人連續(xù)弧焊作業(yè)時(shí),焊槍末端總是跟蹤焊縫不斷運(yùn)動(dòng),根據(jù)笛卡爾空間的齊次變換描述,這種運(yùn)動(dòng)可由如下矩陣方程表示:式中:Wrob-base為弧焊機(jī)器人基坐標(biāo)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿變換矩陣;Rrob(t)為焊槍坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿齊次變換矩陣;Wpos.base為變位機(jī)基坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿變換矩陣;Ppos(t)為變位機(jī)工作臺(tái)固定坐標(biāo)系相對(duì)于其基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣;Dpart為被焊目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)變位機(jī)的工作臺(tái)固定坐標(biāo)系的齊次變換矩陣.方程左邊的矩陣描述弧焊機(jī)器人末端焊槍的空間位置和姿態(tài),而方程右邊的矩陣描述工件被焊點(diǎn)的位置和姿態(tài).對(duì)于任何協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)工作單元,其都可被抽象為參考坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系、變位機(jī)基坐標(biāo)系、變位機(jī)動(dòng)坐標(biāo)系來(lái)表示.

　　從工業(yè)機(jī)器人的控制及軌跡規(guī)劃方式看,不論機(jī)器人所走的軌跡多么復(fù)雜,其構(gòu)成軌跡的線型要素只有兩種:直線和圓弧.通過(guò)這兩種基本線型的組合,構(gòu)成各種復(fù)雜的軌跡.協(xié)調(diào)直線和協(xié)調(diào)圓弧算法相似,下面以機(jī)器人和變位機(jī)組合為例,對(duì)協(xié)調(diào)圓弧算法進(jìn)行介紹.

　　2.協(xié)調(diào)圓弧算法原理空間任意3點(diǎn)確定一個(gè)圓,因此,從機(jī)器人協(xié)調(diào)圓弧功能實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)講,初始條件至少要有空間的3個(gè)點(diǎn).圓弧軌跡上的運(yùn)動(dòng)可以描述為

　　空間協(xié)調(diào)圓弧軌跡的實(shí)現(xiàn)算法原理可以概括為:獲取空間圓弧在起始形位、中間過(guò)渡形位、結(jié)束形位的位置信息,利用相鄰的3個(gè)形位的位置信息求解得到圓弧軌跡在各自圓心坐標(biāo)系(工件坐標(biāo)系)中的參數(shù)方程,然后以此為條件,進(jìn)行空間圓弧軌跡規(guī)劃,最后以變位機(jī)為主手,機(jī)器人為從手,控制變位機(jī)以給定速度調(diào)整被焊工件的姿態(tài),根據(jù)機(jī)器人與變位機(jī)之間的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系實(shí)時(shí)控制機(jī)器人跟蹤變位機(jī)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)圓弧協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng).在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,為了盡量消除示教過(guò)程中的誤差影響,對(duì)于多點(diǎn)(>3)協(xié)調(diào)示教,采取分段計(jì)算的辦法.如圖2所示,假設(shè)某圓弧上示教了n個(gè)形位:D15、D5、D35、D45、....、Dn5,那么在實(shí)現(xiàn)圓弧軌跡過(guò)程中將分為n-2段進(jìn)行,第一段由前3個(gè)形位確定,第二段由D25、D35、D45確定,以此類(lèi)推,...,第n-2段由Dn-25、Dn-15、Dn5確定.

　　3．協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的仿真實(shí)現(xiàn)

　　本文采用了示教關(guān)鍵點(diǎn),進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的差補(bǔ)計(jì)算,然后仿真再現(xiàn)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的仿真功能.最后本文給出了機(jī)器人和變位機(jī),機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仿真畫(huà)面.為方便用戶操作,開(kāi)發(fā)了一個(gè)類(lèi)似于實(shí)際示教盒的屏幕示教盒.該示教盒可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能,機(jī)器人末端沿設(shè)備坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的平移,機(jī)器人末端沿工具坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn).圖形環(huán)境下的示教與機(jī)器人實(shí)際工作環(huán)境中的示教方式相比,屏幕示教并不存在效率低的問(wèn)題.

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