智能型鋼加工機器人運行軌跡研究

郭華 陳園緣

摘 要：目前，機器人在型鋼加工方面存在一些局限。為使機器人更有效地適應(yīng)變形型鋼切割，對機器人運行軌跡補償方法的研究極其重要。借助機器人臂端的激光位移傳感器，工件軌跡將得以檢測與計算。本文通過測量數(shù)據(jù)，繪制型鋼采樣點三維坐標并構(gòu)建型鋼簡化三維模型，利用補償規(guī)則對加工圖形要素補償量進行計算，實現(xiàn)機器人運行軌跡的修正。

關(guān)鍵詞：型鋼加工；機器人離線編程控制；激光檢測；運行軌跡自動補償

近年來，工廠開設(shè)的型鋼自動加工生產(chǎn)線平臺上因型鋼彎曲引起的加工圖形尺寸偏差等現(xiàn)象依然存在。本文建議使用三維坐標系，利用Hermite算法插值計算出坐標偏差，實現(xiàn)機器人運行軌跡的修正。

1 型鋼形狀位置測量

型鋼加工面與等離子炬間距離過短會發(fā)生碰撞，如果型鋼加工與等離子炬面間距離太大就會拉斷電弧，機器人手臂在運動過程中，型鋼必須始終與等離子炬相對距離保持不變，當型鋼變形時，就會引起未割穿、引弧失敗等缺陷，甚至有可能造成兩種極端危害，這些都是因為等離子炬與工件相對距離超出范圍造成的。型鋼放在工作臺上加工時，在X、Y、Z方向都可能有很大的變形，這是因為型鋼在運輸、存儲及裝卸過程中容易產(chǎn)生彎曲，型鋼形狀達不到機器人加工要求。本文提出一種解決方案：根據(jù)型鋼變形量測量數(shù)據(jù)，按補償算法，補償?shù)入x子炬與型鋼加工面間距離波動，以及由于型鋼變形產(chǎn)生的加工圖形坐標偏差，最后修改機器人運行軌跡，解決了型鋼機器人自動加工變形型鋼的難題。在型鋼機器人進行工作之前，型鋼機器人把激光位移傳感器放到型鋼的上方，然后在一個設(shè)定的高度上打開激光傳感器，這時型鋼機器人傳感器沿型鋼X軸從原點向終點移動，當型鋼機器人傳感器移動中，計算機采集型鋼在激光掃描線上各點Z軸方向的信息；型鋼機器人將激光位移傳感器放到型鋼的垂直上方，并且設(shè)定距離，傳感器又從終點沿型鋼返回型鋼加工原點，在傳感器移動過程中，計算機接收激光位移傳感器采集激光掃描線上各點Y軸方向信息。計算機兩次收集到的數(shù)據(jù)和對應(yīng)時刻型鋼長度方向（X軸）位置數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為型鋼采樣點的空間坐標，構(gòu)建型鋼實際形狀的簡化三維模型。

2 補償算法

本文以在12米彎曲角型鋼上打孔為例說明補償算法。

假設(shè)在標準型鋼上一定距離打一個孔，其孔的位置為（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）（X3，Y3，Z3）……要在變形的角型鋼上加工同樣的孔，并使得加工后的型鋼在展平拉直后，其孔心的坐標等于標準型材上的設(shè)定值。顯然該問題歸結(jié)為，由測量的變形型鋼的數(shù)據(jù)和已知點A（X′，Y′，Z′）的坐標，求相應(yīng)點的坐標。具體求解過程為：

（1）將激光傳感器輸出的型鋼變形量轉(zhuǎn)變?yōu)樾弯撛跈C器人系統(tǒng)中位置，幾何形狀的參數(shù)。

（2）根據(jù)變形型鋼邊緣采集的幾個測量數(shù)據(jù)，在（YCZC）平面，（Y0，Z0）（Y1，Z1）（Y2，Z2）（Y3，Z3），用三次Hermite插值多項式方程H（x）擬合型鋼邊緣曲線，型鋼邊緣真實曲線設(shè)為Z=F（y），差商表如下：

YF（x）一階差商二階差商三階差商

Y0Z0

Y1Z1F[Y0，Y1]

Y2Z2F[Y1，Y2]F[Y0，Y1，Y2]

Y3Z3F[Y2，Y3]F[Y1，Y2，Y3]F[Y0，Y1，Y2，Y3]

H（y）=Z0+F[Y0，Y1]（YY0）+ F[ Y0，Y1，Y2]（YY0）（YY1）

+ F[Y0，Y1，Y2，Y3]（YY0）（YY1）（YY2）

解得：

Z=H（y）的函數(shù)方程

由求曲線長度方程可得：

Ly=∫b1a11+[H′（y）]2dy

其中Ly已知，Ly為原點到A點Y軸長度，Ly=Y′，可以求出b1，將b1帶入Z=H（y），得到Z1=H（b1）。

（3）在（XCZC）平面，（X0，Z0）（X1，Z1）（X2，Z2）（X3，Z3），用三次Hermite插值多項式方程H（x）擬合型鋼邊緣曲線，型鋼邊緣真實曲線設(shè)為Z=F（X），差商表如下：

XF（X）一階差商二階差商三階差商

X0Z0

X1Z1F[X0，X1]

X2Z2F[X1，X2]F[X0，X1，X2]

X3Z3F[X2，X3]F[X1，X2，X3]F[X0，X1，X2，X3]

H（X）=Z0+F[X0，X1]（XX0）+ F[ X0，X1，X2]（XX0）（XX1）

+ F[X0，X1，X2，X3]（XX0）（XX1）（XX2）

解得：Z=H（X）的函數(shù)方程。

由求曲線長度方程可得：

Lx=∫b2a21+[H′（x）]2dx

其中Lx已知，Lx為（O，Y′，0）到A點X軸長度，Lx=X′，可以求出b2，將b2帶入Z=H（y），得到Z2=H（b2）。

（4）變形型鋼上的A點在標準型鋼坐標系中的坐標為（b1，b2，Z3），其中Z3=Z1+Z2。

3 運行試驗結(jié)果

本文利用補償計算，對離線編程控制、型鋼形狀位置、加工圖形坐標等方面進行修正。工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，借助修正機器人運行軌跡等控制技術(shù)可實現(xiàn)大型型鋼的劃線、切割與加工。大型型鋼加工機器人運行軌跡自動補償技術(shù)的研究不僅對機器人應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的擴大有所幫助，同時該項技術(shù)對其它領(lǐng)域?qū)C器人的研究也有其借鑒作用。未來，大型型鋼加工機器人將在汽車、建筑、橋梁、工程、機械等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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