J形坡口焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡繩蓀 ，王明建 ，申俊琦 ，陳昌亮，谷 文，李 堅(jiān)

(1. 天津大學(xué)天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；

3. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4. 中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)核電石化事業(yè)部，大連 116113)

利用核能發(fā)電是人類社會(huì)生存和發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]．焊接作為核電建造的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅關(guān)系到核電站建造的質(zhì)量和安全，而且明顯影響著核電站建造的進(jìn)度與周期[2]．焊接機(jī)器人在焊接工業(yè)中應(yīng)用越來越多，機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用是一場(chǎng)革命性的發(fā)展[3-4]．核電設(shè)備壓力容器封頭空間曲線 J形坡口的焊接制造，由于空間位置的限制，通用焊接機(jī)器人難以滿足要求．目前，國(guó)內(nèi)外只有法國(guó)法碼通推出了 J形坡口專用焊接機(jī)器人，報(bào)價(jià)昂貴．因此，發(fā)展國(guó)產(chǎn)化的J形坡口專用焊接機(jī)器人，提高核電焊接技術(shù)水平和焊接裝備能力，從而滿足國(guó)內(nèi)核電快速發(fā)展對(duì)焊接的迫切需要是十分必要的[5]．

設(shè)計(jì)的J形坡口專用焊接機(jī)器人為懸掛式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人工作時(shí)不與焊接件直接接觸，而是懸掛在被焊圓管的上方．根據(jù)設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型特點(diǎn)[6-7]，筆者采用線性插值方法及線性加減速算法，對(duì)機(jī)器人各軸進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃，設(shè)計(jì)開發(fā)了J形坡口焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)．

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

核電壓力容器封頭由半球形封頭與多個(gè)圓管相貫構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖 1所示．圓管豎立，與半球形封頭相交形成復(fù)雜空間相貫線，經(jīng)過焊接預(yù)處理后得到空間曲線 J形坡口焊縫．圓管緊密的排列，空間位置狹小，對(duì)自動(dòng)化焊接很不利．

圖1 核電壓力容器封頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Head structure of nuclear power pressure vessel

針對(duì)核電壓力容器空間曲線J形坡口焊接特點(diǎn)，J形坡口焊接機(jī)器人采用懸掛式結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)將機(jī)器人懸掛在被焊接圓管的正上方，這樣就可對(duì)圖1中各種位置的J形坡口焊縫進(jìn)行焊接．懸掛式J形坡口焊接機(jī)器人工作空間與結(jié)構(gòu)體積比值大，便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和操作．J形坡口焊接機(jī)器人借助各軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，具有定位速度快，能夠適應(yīng)不同尺寸及位置圓管焊接的優(yōu)點(diǎn)，可以提高焊接效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也能保證焊接質(zhì)量．

機(jī)器人為滿足空間曲線 J形坡口焊縫軌跡的控制要求，需要 3個(gè)自由度調(diào)節(jié)焊槍的空間位置，2個(gè)自由度調(diào)節(jié)焊槍的姿態(tài)，1個(gè)自由度調(diào)節(jié)送絲機(jī)的高度．設(shè)計(jì)的 J形坡口焊接機(jī)器人為六自由度機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配見圖 2．焊槍安裝在調(diào)絲關(guān)節(jié)底端，第1個(gè)關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸心與被焊接圓管同軸；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、升降關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)共同決定焊槍的空間位置，切向關(guān)節(jié)與徑向關(guān)節(jié)共同決定焊槍的位姿，調(diào)絲關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)送絲機(jī)高度．

圖2 J形坡口焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of J-groove welding robot

2 J形坡口焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃

2.1 機(jī)器人焊槍空間運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃

當(dāng)今，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾昜8]．根據(jù)焊接機(jī)器人 6個(gè)關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，建立起J形坡口焊接機(jī)器人圓柱坐標(biāo)系(cylindrical coordinate system)，如圖 3所示．圓柱坐標(biāo)系中，焊槍鎢極尖端點(diǎn) P坐標(biāo)為(R，θ，Z)，R為徑向距離，θ為旋轉(zhuǎn)角度，Z為焊槍高度．同理，焊槍姿態(tài)可用角度參數(shù)(α，β)描述，α為焊槍徑向角度，β為焊槍切向角度．

圖3 圓柱坐標(biāo)系中焊槍空間位置及姿態(tài)坐標(biāo)Fig.3 Welding torch space position and attitude coordinate in cylindrical coordinate system

焊槍空間位置坐標(biāo)的改變，可以等效分解為徑向、豎直和旋轉(zhuǎn)位置坐標(biāo)的改變，采用線性加減速算法[9]對(duì)R、θ、Z位置坐標(biāo)改變進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，則位移S是時(shí)間t的二次多項(xiàng)式函數(shù)，a為加速度，(t0，t1)為加速階段，(t2，t3)為減速階段，(t3，t4)為運(yùn)動(dòng)終止階段，勻速階段為(t1，t2)，可得運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

式中 S分別用 R、θ、Z代替可得焊槍徑向距離、旋轉(zhuǎn)角度、焊槍高度的線性插值運(yùn)動(dòng)學(xué)方程．

2.2 機(jī)器人焊槍姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃

焊槍姿態(tài)調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)角度參數(shù)α和 β來控制，焊槍姿態(tài)的改變不希望焊槍鎢極空間位置跟隨著改變，經(jīng)過研究把焊槍姿態(tài)的改變等效為焊槍繞鎢極尖端進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，需要同時(shí)對(duì)參數(shù) R、θ、Z、α、β進(jìn)行控制調(diào)整．如圖4所示，控制焊槍徑向傾角從α1運(yùn)動(dòng)到αn，需要同時(shí)控制調(diào)整焊槍高度 ΔZ和徑向距離 ΔR，以補(bǔ)償徑向角度改變導(dǎo)致的焊槍鎢極尖端空間位置的變化．

圖4 鎢極尖端位置隨焊槍徑向角度變化示意Fig.4 Schematic diagram of the change of tungsten tip position with welding torch radial angle

同理，如圖 5所示，要控制調(diào)整焊槍切向角度從β1運(yùn)動(dòng)到βn，需要同時(shí)控制調(diào)整焊槍高度ΔZ和徑向距離 ΔR，以補(bǔ)償切向角度改變導(dǎo)致的焊槍鎢極尖端空間位置的變化．

圖5 鎢極尖端位置隨焊槍切向角度變化示意Fig.5 Schematic diagram of the change of tungsten tip position with welding torch tangential angle

本文選擇線性插值方法對(duì)焊槍姿態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)行插值計(jì)算．圖 4中，焊槍徑向角度改變量為 Δα＝αnα1，L＝2R0cos,β為機(jī)械臂等效長(zhǎng)度．設(shè)定每插值段徑向角度改變量為固定值 δα＝λ，焊槍高度改變量為｛δZi｝，徑向距離改變量為｛δRi｝，i＝1，2，…，Δα/δα，則可得每插值段徑向角度調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡方程為

同理，圖 5中切向角度改變量為 Δβ＝βn-β1，參數(shù) R0為機(jī)械臂長(zhǎng)度．設(shè)定每插值段切向角度改變量為固定值 δβ＝λ，焊槍高度改變量為｛δZi｝，徑向距離改變量為{δRi}，i＝1，2，…，Δβ/δβ，則可得每插值段切向角度調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡方程為

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

焊接機(jī)器人的控制平臺(tái)采用裝有 Windows操作系統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)與 DMC數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器．DMC控制器具有多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行功能，控制器本身具有應(yīng)用程序、參數(shù)、變量、陣列元素存儲(chǔ)功能，即使脫離主機(jī)控制器亦能正常運(yùn)行[10]．J形坡口焊接機(jī)器人具有6套交流伺服系統(tǒng)，需要同時(shí)控制協(xié)調(diào)6個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，此外還要接收位置傳感器等反饋信息，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜．

控制系統(tǒng)根據(jù)控制精度增加智能能力減少的原則，采用IPC+DMC分級(jí)分布式控制結(jié)構(gòu)，將控制系統(tǒng)分為組織級(jí)、解釋級(jí)和執(zhí)行級(jí) 3個(gè)層次．硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 6，工業(yè)控制計(jì)算機(jī) IPC作為組織級(jí)，具有最高智能水平，焊接時(shí)IPC根據(jù)焊縫的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)控制；操作人員可以通過手操盒、控制面板向組織級(jí)發(fā)送命令控制機(jī)器人路徑軌跡及焊槍姿態(tài)．DMC控制器作為解釋級(jí)把組織級(jí)傳來的數(shù)字指令解釋為伺服驅(qū)動(dòng)器需要的控制指令．控制系統(tǒng)采用多任務(wù)處理方式，基于DMC控制器強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)所有的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略．執(zhí)行級(jí)包括所有的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，系統(tǒng)選用 SGDV伺服驅(qū)動(dòng)器，具有響應(yīng)頻率高、制振功能強(qiáng)和體積小等特點(diǎn)．電機(jī)選用交流伺服電機(jī)．具體控制方式為：電機(jī)設(shè)定為速度控制模式，DMC控制器采用 servo工作模式，通過信號(hào)互聯(lián)模塊向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，同時(shí)接受編碼器反饋的電機(jī)速度、位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)電機(jī)速度、位置閉環(huán)控制，從系統(tǒng)的可靠性考慮，保證機(jī)器人具有較高的精度和抗干擾能力[11-12]．經(jīng)千分表標(biāo)定，機(jī)器人各關(guān)節(jié)100脈沖當(dāng)量運(yùn)動(dòng)控制精度分別為升降關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)0.025,mm，調(diào)絲關(guān)節(jié)0.002,5,mm，徑向關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、切向關(guān)節(jié)0.025°．

圖6 J形坡口焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Hardware structure of J-groove welding robot control system

3.2 運(yùn)動(dòng)控制策略軟件實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件部分采用Microsoft公司開發(fā)的 Visual C++6.0編程軟件結(jié)合 Microsoft的基本類庫(kù)(MFC)基于Windows XP操作系統(tǒng)開發(fā)的，Visual C++6.0嵌入GALIL公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DMCWin32實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與 DMC控制器之間的通信．

針對(duì)J形坡口焊接機(jī)器人使用要求，軟件控制系統(tǒng)分為 5大模塊，具體為初始化模塊、位姿調(diào)整模塊、檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)交互模塊，利用MFC優(yōu)異的封裝性，把各個(gè)模塊封裝成類，在類中開發(fā)功能函數(shù)，程序結(jié)構(gòu)開放且簡(jiǎn)潔明了，方便二次開發(fā)[13]．系統(tǒng)啟動(dòng)，首先對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行硬件檢測(cè)并初始化，然后 DMC8運(yùn)動(dòng)控制器接收 IPC控制命令及傳感器反饋信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制．

3.3 J形坡口焊縫焊接結(jié)果

核電壓力容器封頭的焊接制造中，封頭球半徑與管子半徑比值超過了 15，因此可將封頭球管相貫曲線視為平面曲線[14]，焊接試件如圖 7所示，圖中試件斜面傾斜角為20°．

圖7 J形坡口焊接試件Fig.7 Welding specimen of J-groove

焊接工藝采用脈沖 TIG焊接工藝方法，電源采用松下(唐山)電器公司生產(chǎn)的YC-400TX IGBT直流氬弧焊接電源，鎢極材料采用鈰鎢，鎢極直徑為φ 3.2,mm，形狀為 50°，鎢極伸出長(zhǎng)度 8,mm，噴嘴直徑 6,mm，保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量 12,L/min，峰值電流 220,A，基值電流 110,A，焊接速度 8,cm/min，送絲速度 100,cm/min，脈沖頻率 1.5,Hz，焊絲直徑為φ 1.0,mm 的 ERNiCrFe-7．焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8所示，由圖中可看出空間曲線 J形坡口焊縫成形美觀，焊縫軌跡過渡平滑，證明設(shè)計(jì)開發(fā)的J形坡口焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制效果良好．

圖8 空間曲線J形坡口焊縫Fig.8 Welding seam of space curve J-groove

4 結(jié) 論

(1) 采用線性插值解析運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及線性加減速算法，對(duì)J形坡口焊接機(jī)器人各軸進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡平滑且與空間曲線J形坡口焊縫吻合．

(2) 設(shè)計(jì)開發(fā)的 J形坡口焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠很好地控制機(jī)器人各軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，控制精度滿足要求，滿足空間曲線 J形坡口焊縫的實(shí)際焊接要求．

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