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1、智能弧焊机器人的运动学建模摘要:对智能能弧焊机器人人的实时轨迹迹跟踪问题,提出了一种种新的运动学学建模:焊缝缝切线法。该该方法是根据据焊缝跟踪系系统判断焊缝缝的弯曲程度度,确定机器器人的运动学学模型。用该方法建建立了四轮移移动机器人的的运动方式和和机器人终端端效应器(焊焊枪)的运动动方式之间的的关系。试验验结果表明,该模型具有有良好的控制制特性和精确确性,能满足足焊接工程应应用的要求。 关键词:移动动机器人; 电弧传感器器; 运动学学模型; 电电弧焊 一、序序言焊焊接技术作为为一门综合性性应用技术,从来都是随随着科学技术术的整体进步步而发展的。近近几十年来,随着自动化化技术的发展展,特别是机机
2、器人的发展展,弧焊机器器人如雨后春春笋般涌现出出来。通常,弧焊机器人人广泛应用于于工业焊接生生产,极大地地提高了焊接接质量和效率率。对于大量量的非结构环环境下的焊接接制造过程,如造船、石石化容器等,目前基本上上处于有轨道道的机械化和和人工焊接状状况。为了实实现大型工件件焊接自动化化,国外开发发了轮式小车车依靠靠模和和人工监控完完成焊接制造造,国内利用用改进的磁性性轮式小车作作为焊接生产产移动机构。随随着大型重要要构件的焊接接越来越多,仅仅依靠手手工焊焊接是是难以满足焊焊接质量和焊焊接效率的要要求,因此开开发具有智能能化的弧焊机机器人以取代代人在危险恶恶劣环境下难难以完成的工工作,是人类类梦寐以
3、求的的理想。文中中着重通过对对四轮移动机机器人的运动动分析,建立立了一种新的的运动学模型型,其目的是是为弧焊机器器人的焊缝跟跟踪系统提供供新的解决方方法。 二、四四轮移动机器器人的结构四轮移动动机器人的结结构见图1。 图中,车轮轮1、车轮22可以独立驱驱动和独立控控制,车轮33、4为万向向轮,没有驱驱动能力,各各车轮半径相相等。该该结构既能使使机器人获得得很小的转弯弯半径,又能能保证机器人人在运动过程程中,车轮33、4对机器器人的运动的的约束很小。机机器人的车轮轮1、2分别别装有光码盘盘,用来测定定相应车轮的的转速和转向向,并与控制制系统组成速速度闭环控制制。 三、焊焊缝切线法由于焊接接过程是
4、一个个高度非线性性、多变量作作用的过程,同时还具有有随机不确定定因素的存在在,这就决定定了对焊接过过程的跟踪问问题变得非常常困难。系统统组成如图22。 该系统统是利用电弧弧传感器识别别焊缝和跟踪踪焊缝。在焊焊接过程中,十字滑块的的运动方向与与电弧传感器器所判断的焊焊缝偏差的方方向相反。由由于十字滑块块的运动存在在一定的范围围,只有当焊焊缝弯曲程度度较小时,通通过控制十字字滑块的运动动可以保证电电弧传感器(焊炬)跟踪踪焊缝。如果果焊缝弯曲程程度较大时,仅通过控制制十字滑块的的运动是无法法满足焊缝跟跟踪的。只有有小车做相应应的转弯运动动,才能保证证焊缝跟踪,从而保证焊焊接质量。焊缝切线线法主要原理
5、理如下:为保保证焊接质量量,焊缝跟踪踪核心必须保保证焊炬以相相同的速率沿沿焊缝切线方方向运动。在在焊缝跟踪过过程中,当十十字滑块驱动动电弧传感器器运动到一定定程度时,则则判断十字滑滑块下一步的的运动方向, 如果与原原来方向相反反(设为负方方向) ,即即十字滑块往往其中心运动动,此时小车车不需要转弯弯;如果与原原来方向相同同(设为正方方向) ,则则此时给小车车转弯信号,即通过小车车转弯来配合合十字滑块焊焊缝跟踪,这这样就可以避避免由于十字字滑块运动范范围的原因而而导致焊缝跟跟踪失败。小小车转弯的时时间和转弯角角度由数学模模型及相应程程序计算确定定。在转弯过过程中,十字字滑块的运动动方式由焊炬炬(
6、电弧传感感器)确定,这样就可以以保证焊炬始始终沿焊缝方方向运动。由由于焊炬在焊焊接过程中的的运动曲线始始终与焊缝曲曲线重合,且且每当小车转转过所规定的的角度后,焊焊炬此时的运运动方向与焊焊缝相切,故故称这种方法法为焊缝切线线法。 四、四四轮移动机器器人运动学分分析为了了简化建模,特作以下假假设。 (1)轮式式移动机器人人的运动速度度(直线运动动时)设为焊焊接速度(电电弧传感器的的运动速度) 。 (22)与十字滑滑块原来运动动方向相同设设为正方向。 (3)与十字滑块块原来运动方方向相反设为为负方向。在焊接过过程中,电弧弧传感器的实实际运动速度度是由十字滑滑块的横向速速度与智能小小车的纵向速速度的
7、合成。对对上面假设条条件(1)说说明如下。 在焊接过程程中,十字滑滑块的运动速速度很快(单单向运动时间间仅为366 s) ,最重要一点点就是它的运运动范围很小小。 以上所述的的整个系统是是针对CO22 气体保护护焊,选用焊焊机为唐山松松下KR3550系列焊机机(主要是由由于这类焊机机在国内使用用非常广泛) 。焊速通通常为0. 30. 5 m /min。通通过上面的分分析这种机器器人运动学建建模的关键是是如何保证焊焊炬以同样的的速率可靠精精确地按照焊焊缝的路径运运动。为进一一步简化建模模,设转弯前前焊缝是直线线,且机器人人移动速度为为vf。下面面建立机器人人右转弯(俯俯视)时的运运动学模型,其它
8、运动方方式的运动学学模型可以依依此类推。如图3所所示建立四轮轮机器人的基基础笛卡尔坐坐标系Oxyyz (未画画出) 、附附体坐标Ommuvw。图图中: Oxxyz为基础础坐标系,固固定在地面上上,O点为其其坐标原点。OOmuvw为为车架的附体体坐标系,固固定在机器人人车架上, Om 为其其坐标原点,与车轮1、22 接地点点连线的中点点重合。在机机器人运动的的起始位置, O 点与与Om 点重重合,但Ommuvw和OOxyz两坐坐标系的坐标标不一定重合合; a 为为十字滑块与与轮1、2连连线的距离; L1 为为十字滑块的的单伸长度; b为轮11、2之间的的距离;为为车架绕瞬时时转轴的转速速度;为机
9、机器人转弯所所需要转的角角度; C为为转动时转轴轴w 的瞬心心; v1、vv2、v分别别为车轮1、22中心及车架架相对于地面面的绝对速度度。 L 为运动动过程中十字字滑块与其中中点的距离,由光码盘测测定;T11 为十字滑滑块从中点到到该位置的运运动时间; T2 为为十字滑块驱驱动电路的电电惯性(包括括判断时间) ; TT3 为小车车驱动电路的的电惯性;T4 为小小车理论转弯弯时间; T为小车实实际转弯时间间; vf 为转弯前的的焊接速度; uc为转转弯时瞬心到到Om之间的的距离; rr为各车轮半半径;1、2 分别为为车轮1、22的瞬时角速速度。根据前前面假设,可可得下述车轮轮协调方程 上面是是
10、小车转弯时时的运动学模模型,该模型型给出了小车车两轮角速度度与焊接速度度之间的关系系。可以证明明系统是全局局可控的。 五、试验结结果为了了验证该模型型的效果,利利用旋转电弧弧作为传感器器。焊接有关关参数为:电电源用唐山松松下KR3550,保护气气体为CO22 ;焊接速速度为40 cm /mmin;电弧弧电压为300 V; 焊焊接电流为2240A ;旋转直径为为5mm;旋旋转频率为88 Hz;坡坡口为V形。试试验结果列于于表1,所有有试验的跟踪踪效果都很好好,图4为焊焊缝跟踪的结结果图。 六、结论论 (11) 通过把把大角度焊缝缝跟踪转变成成多个小角度度焊缝跟踪从从而实现大角角度焊缝跟踪踪。 (
11、2) 小车车转弯角度和和转弯时间,由程序自动动计算得出,体现了焊缝缝跟踪的智能能化要求。 (3) 充充分利用了电电弧传感器(焊炬)自动动跟踪焊缝的的能力,保证证了焊接质量量。 (4) 增强强了整个系统统的鲁棒性,体现了智能能化的要求。 4QTD77H-334472-3443RJF-DJ5433NZ-DZZS30. 5 m /min。 通过上面的的分析这种机机器人运动学学建模的关键键是如何保证证焊炬以同样样的速率可靠靠精确地按照照焊缝的路径径运动。为进进一步简化建建模,设转弯弯前焊缝是直直线,且机器器人移动速度度为vf。下下面建立机器器人右转弯(俯视)时的的运动学模型型,其它运动动方式的运动动学
12、模型可以以依此类推。如图3所所示建立四轮轮机器人的基基础笛卡尔坐坐标系Oxyyz (未画画出) 、附附体坐标Ommuvw。图图中: Oxxyz为基础础坐标系,固固定在地面上上,O点为其其坐标原点。OOmuvw为为车架的附体体坐标系,固固定在机器人人车架上, Om 为其其坐标原点,与车轮1、22 接地点点连线的中点点重合。在机机器人运动的的起始位置, O 点与与Om 点重重合,但Ommuvw和OOxyz两坐坐标系的坐标标不一定重合合; a 为为十字滑块与与轮1、2连连线的距离; L1 为为十字滑块的的单伸长度; b为轮11、2之间的的距离;为为车架绕瞬时时转轴的转速速度;为机机器人转弯所所需要转
13、的角角度; C为为转动时转轴轴w 的瞬心心; v1、vv2、v分别别为车轮1、22中心及车架架相对于地面面的绝对速度度。 L 为运动动过程中十字字滑块与其中中点的距离,由光码盘测测定;T11 为十字滑滑块从中点到到该位置的运运动时间; T2 为为十字滑块驱驱动电路的电电惯性(包括括判断时间) ; TT3 为小车车驱动电路的的电惯性;T4 为小小车理论转弯弯时间; T为小车实实际转弯时间间; vf 为转弯前的的焊接速度; uc为转转弯时瞬心到到Om之间的的距离; rr为各车轮半半径;1、2 分别为为车轮1、22的瞬时角速速度。根据前前面假设,可可得下述车轮轮协调方程 上面是是小车转弯时时的运动学
14、模模型,该模型型给出了小车车两轮角速度度与焊接速度度之间的关系系。可以证明明系统是全局局可控的。 五、试验结结果为了了验证该模型型的效果,利利用旋转电弧弧作为传感器器。焊接有关关参数为:电电源用唐山松松下KR3550,保护气气体为CO22 ;焊接速速度为40 cm /mmin;电弧弧电压为300 V; 焊焊接电流为2240A ;旋转直径为为5mm;旋旋转频率为88 Hz;坡坡口为V形。试试验结果列于于表1,所有有试验的跟踪踪效果都很好好,图4为焊焊缝跟踪的结结果图。 六、结论论 (11) 通过把把大角度焊缝缝跟踪转变成成多个小角度度焊缝跟踪从从而实现大角角度焊缝跟踪踪。 (2) 小车车转弯角度和和转弯时间,由程序自动动计算得出,体现了焊缝缝跟踪的智能能化要求。 (3) 充充分利用了电电弧传感器(焊炬)自动动跟踪焊缝的的能力,保证证了焊接质量量。 (4) 增强强了整个系统统的鲁棒性,体现了智能能化的要求。