智能弧焊机器人的运动学建模

对智能弧焊机器人的实时轨迹跟踪题目,提出了一种新的运动学建模:焊缝切线法。该方法是根据焊缝跟踪系统判定焊缝的弯曲程度,确定机器人的运动学模型。

用该方法建立了四轮移动机器人的运动方式和机器人终端效应器(焊枪)的运动方式之间的关系。试验结果表明,该模型具有良好的控制特性和精确性,能满足焊接工程应用的要求。

一、序言

焊接技术作为一门综合性应用技术,从来都是随着科学技术的整体进步而发展的。近几十年来,随着自动化技术的发展,特别是机器人的发展,弧焊机器人如雨后春笋般涌现出来。通常,弧焊机器人广泛应用于产业焊接生产,极大地进步了焊接质量和效率。对于大量的非结构环境下的焊接制造过程,如造船、石化容器等,目前基本上处于有轨道的机械化和人工焊接状况。为了实现大型工件焊接自动化,国外开发了轮式小车依靠靠模和人工监控完成焊接制造,国内利用改进的磁性轮式小车作为焊接生产移动机构。随着大型重要构件的焊接越来越多,仅仅依靠手工焊焊接是难以满足焊接质量和焊接效率的要求,因此开发具有智能化的弧焊机器人以取代人在危险恶劣环境下难以完成的工作,是人类梦寐以求的理想。文中着重通过对四轮移动机器人的运动分析,建立了一种新的运动学模型,其目的是为弧焊机器人的焊缝跟踪系统提供新的解决方法。

二、四轮移动机器人的结构

轮1、车轮2可以独立驱动和独立控制,车轮3、4为万向轮,没有驱动能力,各车轮半径相等。

该结构既能使机器人获得很小的转弯半径,又能保证机器人在运动过程中,车轮3、4对机器人的运动的约束很小。机器人的车轮1、2分别装有光码盘,用来测定相应车轮的转速和转向,并与控制系统组成速度闭环控制。

三、焊缝切线法

由于焊接过程是一个高度非线性、多变量作用的过程,同时还具有随机不确定因素的存在,这就决定了对焊接过程的跟踪题目变得非常困难。

该系统是利用电弧传感器识别焊缝和跟踪焊缝。在焊接过程中,十字滑块的运动方向与电弧传感器所判定的焊缝偏差的方向相反。由于十字滑块的运动存在一定的范围,只有当焊缝弯曲程度较小时,通过控制十字滑块的运动可以保证电弧传感器(焊炬)跟踪焊缝。假如焊缝弯曲程度较大时,仅通过控制十字滑块的运动是无法满足焊缝跟踪的。只有小车做相应的转弯运动,才能保证焊缝跟踪,从而保证焊接质量。

焊缝切线法主要原理如下:为保证焊接质量,焊缝跟踪核心必须保证焊炬以相同的速率沿焊缝切线方向运动。在焊缝跟踪过程中,当十字滑块驱动电弧传感器运动到一定程度时,则判定十字滑块下一步的运动方向, 假如与原来方向相反(设为负方向) ,即十字滑块往其中心运动,此时小车不需要转弯;假如与原来方向相同(设为正方向) ,则此时给小车转弯信号,即通过小车转弯来配合十字滑块焊缝跟踪,这样就可以避免由于十字滑块运动范围的原因而导致焊缝跟踪失败。小车转弯的时间和转弯角度由数学模型及相应程序计算确定。在转弯过程中,十字滑块的运动方式由焊炬(电弧传感器)确定,这样就可以保证焊炬始终沿焊缝方向运动。由于焊炬在焊接过程中的运动曲线始终与焊缝曲线重合,且每当小车转过所规定的角度后,焊炬此时的运动方向与焊缝相切,故称这种方法为焊缝切线法。

四、四轮移动机器人运动学分析

为了简化建模,特作以下假设。

(1)轮式移动机器人的运动速度(直线运动时)设为焊接速度(电弧传感器的运动速度) 。

(2)与十字滑块原来运动方向相同设为正方向。

(3)与十字滑块原来运动方向相反设为负方向。

在焊接过程中,电弧传感器的实际运动速度是由十字滑块的横向速度与智能小车的纵向速度的合成。对上面假设条件(1)说明如下。

①在焊接过程中,十字滑块的运动速度很快(单向运动时间仅为3～6 s) ,最重要一点就是它的运动范围很小。

②以上所述的整个系统是针对CO2 气体保护焊,选用焊机为唐山松下KR350系列焊机(主要是由于这类焊机在国内使用非常广泛) 。焊速通常为0. 3～0. 5 m /min。

通过上面的分析这种机器人运动学建模的关键是如何保证焊炬以同样的速率可靠精确地按照焊缝的路径运动。为进一步简化建模,设转弯前焊缝是直线,且机器人移动速度为vf。下面建立机器人右转弯(俯视)时的运动学模型,其它运动方式的运动学模型可以依此类推。

四轮机器人的基础笛卡尔坐标系Oxyz (未画出) 、附体坐标Omuvw。图中: Oxyz为基础坐标系,固定在地面上,O点为其坐标原点。Omuvw为车架的附体坐标系,固定在机器人车架上, Om 为其坐标原点,与车轮1、2 接　地点连线的中点重合。在机器人运动的起始位置, O 点与Om 点重合,但Omuvw和Oxyz两坐标系的坐标不一定重合; a 为十字滑块与轮1、2连线的间隔; L1 为十字滑块的单伸长度; b为轮1、2之间的间隔;ω为车架绕瞬时转轴的转速度;β为机器人转弯所需要转的角度; C为转动时转轴w 的瞬心; v1、v2、v分别为车轮1、2中心及车架相对于地面的尽对速度。

ΔL 为运动过程中十字滑块与其中点的间隔,由光码盘测定;ΔT1 为十字滑块从中点到该位置的运动时间; ΔT2 为十字滑块驱动电路的电惯性(包括判定时间) ; ΔT3 为小车驱动电路的电惯性;ΔT4 为小车理论转弯时间; ΔT为小车实际转弯时间; vf 为转弯前的焊接速度; uc为转弯时瞬心到Om之间的间隔; r为各车轮半径;ω1、ω2 分别为车轮1、2的瞬时角速度。
根据前面假设,可得下述车轮协调方程

上面是小车转弯时的运动学模型,该模型给出了小车两轮角速度与焊接速度之间的关系。可以证实系统是全局可控的。

五、试验结果

为了验证该模型的效果,利用旋转电弧作为传感器。焊接有关参数为:电源用唐山松下KR350,保护气体为CO2 ;焊接速度为40 cm /min;电弧电压为30 V; 焊接电流为240A ;旋转直径为5mm;旋转频率为8 Hz;坡口为V形。试验结果列于表1,所有试验的跟踪效果都很好。

六、结果

(1) 通过把大角度焊缝跟踪转变成多个小角度焊缝跟踪从而实现大角度焊缝跟踪。

(2) 小车转弯角度和转弯时间,由程序自动计算得出,体现了焊缝跟踪的智能化要求。

(3) 充分利用了电弧传感器(焊炬)自动跟踪焊缝的能力,保证了焊接质量。

(4) 增强了整个系统的鲁棒性,体现了智能化的要求。

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