機器人焊接復(fù)雜焊縫的仿真

彭燦燦 ，李鈺楨 ，岳海瑞 ，楊錦輝 ，朱曉軍 ，薛家祥

（1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東火電工程總公司，廣東 廣州 510735）

0 前言

在工業(yè)高速發(fā)展的今天，為了提高焊接效率、改善焊接質(zhì)量，焊接機器人獲得了廣泛的運用。復(fù)雜焊縫的焊接往往要求機器人有更高的自由度。但同時，自由度越高，對于機器人的控制就越難。對高自由度機器人實現(xiàn)精確控制的研究顯得尤為有必要。本研究通過Pro/E建立了具有六自由度的焊接機器人的三維模型，運用MATLAB對機器人進(jìn)行運動仿真控制，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人按精確的指定焊接路線進(jìn)行焊接，實現(xiàn)了對復(fù)雜焊縫焊接的需要[1-3]。

1 焊接機器人參數(shù)化建模

研究對象是PUMA系列焊接機器人，外形如圖1所示。該系列機器人為六自由度機器人，可以到達(dá)允許空間范圍內(nèi)的任何區(qū)域。

Pro/E軟件系統(tǒng)是美國參數(shù)化技術(shù)公司PTC的優(yōu)秀產(chǎn)品，它提供了集成產(chǎn)品的三維模型設(shè)計、加工、分析及繪圖等功能的完整的CAD/CAE/CAM解決方案。首先是運用Pro/E對機器人進(jìn)行參數(shù)化建模。通過參數(shù)化建模，用戶可以調(diào)用PTC公司的開放的功能函數(shù)，結(jié)合Visual Studio 2005進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)對模型參數(shù)的快捷調(diào)整。

圖1 PUMA機器人

1.1 Pro/E中建立機器人的三維模型

根據(jù)PUMA機器人的實際尺寸，在Pro/E中建立各機器人各關(guān)節(jié)模型，并完成裝配，圖2為在Pro/E下裝配好的機器人的三維模型。

圖2 Pro/E下建立的機器人的三維模型

1.2 對機器人模型進(jìn)行二次開發(fā)

設(shè)定機器人主要關(guān)節(jié)的可變參數(shù)，如圖3所示。運用visual studio2005進(jìn)行二次開發(fā)[4-5]，在Pro/E菜單欄添加下拉菜單，并彈出MFC對話框，通過對話框命令對主要關(guān)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行改動，并顯示機器人的空間工作范圍，如圖4所示。

Pro/E二次開發(fā)界面可以實現(xiàn)對機器人的導(dǎo)入、對機器人主要關(guān)節(jié)參數(shù)的改動、展示機器人的工作空間范圍（見圖5）以及在MATLAB中進(jìn)行運動仿真控制。

2 D-H參數(shù)法建立機器人空間運動方程

圖3 機器人主要關(guān)節(jié)添加控制參數(shù)

圖4 Pro/E二次開發(fā)的控制界面

圖5 機器人工作空間范圍

機器人的運動是由各個關(guān)節(jié)角的轉(zhuǎn)動控制的，通常情況下都是要求機器人按照一定的軌跡從一個位置運動到另一個位置。機器人通過控制各個關(guān)節(jié)角的度數(shù)來控制機器人手部的空間位置。對機器人的位姿描述通過D-H參數(shù)法來實現(xiàn)。空間坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 機器人各關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)系

2.1 機器人關(guān)節(jié)參數(shù)分析

在構(gòu)建的桿件坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，按照D-H方法確定的連桿參數(shù)，見表1。機器人的偏置和連桿長度中除d4=600 mm，d3=190 mm，a2=650 mm外，其余均為零。其連桿扭角為：φ2=φ4=φ6=-90°，φ1=φ3=0，φ5=90°。需要說明的是：對于運動鏈兩端，按照習(xí)慣約定：φ0=φ6=0；a0=a6=0。因為關(guān)節(jié)6是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，因此規(guī)定H6=0為連桿6的零位，習(xí)慣約定d6=0。另外，參數(shù)的設(shè)定隨坐標(biāo)系設(shè)定的改變而改變。

表1 機器人關(guān)節(jié)參數(shù)

2.2 機器人運動學(xué)逆解

建立機器人空間運動學(xué)逆解，需要運用D-H參數(shù)法[6-7]對機器人空間位姿進(jìn)行描述。建立空間坐標(biāo)系

對機器人末端，也就是焊槍末端的位姿描述極為

式中 左邊矩陣中各元素都是已知的，右邊六個矩陣是未知的，與關(guān)節(jié)變量φ1～φ6有關(guān)。反變換法就是用未知矩陣的逆變換逐次左乘上述矩陣方程，以便將關(guān)節(jié)變量分離出來，從而解出關(guān)節(jié)變量。機器人相鄰連桿間的坐標(biāo)變換矩陣的逆矩陣表示為

上式即為機器人空間運動逆解 φ1，φ2，φ3，φ4，φ5，φ6。

3 機器人運動仿真的實現(xiàn)

3.1 MATLAB中生成仿真控制界面

機器人控制部分在MATLAB中實現(xiàn)，本研究將在Pro/E中建立的機器人模型轉(zhuǎn)換為由坐標(biāo)點組成的矩陣，通過編寫的函數(shù)將模型讀進(jìn)MATLAB中編寫的GUI界面中，并通過求解的機器人運動學(xué)逆解結(jié)果驅(qū)動機器人實現(xiàn)仿真運動[8]。GUI界面效果如圖7所示。

圖7 GUI界面效果

3.2 仿真控制效果

運用MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了實時地將焊槍末端位姿進(jìn)行逆解，得到實時的φ1，φ2，φ3，φ4，φ5，φ6。通過這些關(guān)節(jié)夾角驅(qū)動機器人進(jìn)行運動，實現(xiàn)焊槍末端按指定的軌跡送絲。焊槍末端在給定的軌跡下運動的效果如圖8所示。

4 結(jié)論

運用Pro/E二次開發(fā)平臺，搭建了焊接機器人的運動仿真平臺。采用參數(shù)化建模，實現(xiàn)在不同機器人參數(shù)條件下對焊槍末端運動控制的的研究。同時，將Pro/E中建立的三維模型導(dǎo)入到MATLAB，充分運用MATLAB的數(shù)據(jù)運算處理能力，精確實現(xiàn)焊接機器人對復(fù)雜焊縫焊接的要求，用戶通過輸入焊縫空間軌跡，焊槍就能按照指定的焊接軌跡運行、送絲，界面具有良好的交互性。運用Pro/E對機器人進(jìn)行參數(shù)化建模以及二次開發(fā)，運用D-H參數(shù)對機器人進(jìn)行空間位姿描述，運用MATLAB進(jìn)行機器人運動學(xué)逆解、建立MATLAB交互GUI界面，對研究使用焊接機器人焊接復(fù)雜焊縫的控制算法，實現(xiàn)對焊接機器人的精確、快捷控制有很好的借鑒意義。

圖8 焊槍末端按給定軌跡運動效果

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