弧焊機(jī)器人和變位機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)分析及模擬仿真

邵長(zhǎng)春+李水明

【摘 要】本文建立弧焊機(jī)器人和變位機(jī)耦合性數(shù)學(xué)模型，在MATLAB仿真軟件環(huán)境下，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行模擬仿真。

【關(guān)鍵詞】弧焊機(jī)器人 變位機(jī) 耦合 MATLAB

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）10C-0188-03

變位機(jī)與機(jī)器人間的協(xié)調(diào)工作，使得焊接過程存在的平、橫、立、仰問題歸結(jié)為平焊過程，文中提到的最佳待焊位置指的就是焊縫水平位置。為了提高焊接強(qiáng)度，降低焊接工藝的復(fù)雜程度，進(jìn)而提高焊接的質(zhì)量和效率，弧焊機(jī)器人和變位機(jī)要達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。因此建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并對(duì)模型進(jìn)行理論分析非常重要。

弧焊機(jī)器人變位機(jī)工作系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，但建立的數(shù)學(xué)模型要用到非常多的數(shù)學(xué)公式。通過人工計(jì)算不現(xiàn)實(shí)，也不能看出機(jī)器人變位機(jī)之間的相互影響關(guān)系。為了能夠直觀了解機(jī)器人變位機(jī)之間的耦合性能，對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬仿真。

MATLAB軟件是計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論發(fā)展的產(chǎn)物，功能強(qiáng)大，尤其在矩陣運(yùn)算方面，因此得到廣泛應(yīng)用。本文利用MATLAB軟件對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬仿真，探索弧焊機(jī)器人變位機(jī)離線編程的方法。

一、理論基礎(chǔ)

（一）弧焊機(jī)器人變位機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

矩陣運(yùn)算可以表示某一點(diǎn)、一個(gè)向量、特定坐標(biāo)系的平移運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際的工程設(shè)備中，矩陣可表示一個(gè)物體或者其它的運(yùn)動(dòng)組件在坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。本文研究的就是用矩陣來表示弧焊機(jī)器人變位機(jī)的各個(gè)功能模塊和各個(gè)組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

本文以IRB1400型號(hào)機(jī)器人作為研究的對(duì)象，該型號(hào)機(jī)器人模型有六個(gè)關(guān)節(jié)角度，具體如圖1所示：

IRB1400型號(hào)機(jī)器人主要參數(shù)指標(biāo)是：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、連桿扭角、連桿長(zhǎng)度、連桿距離和連桿的個(gè)數(shù)。這些參數(shù)決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。具體參數(shù)如表1所示：

變位機(jī)工作原理就是拖動(dòng)待焊工件，使焊縫不斷移動(dòng)到最佳待焊位置。變位機(jī)的主要參數(shù)：θα和θβ，代表兩個(gè)關(guān)節(jié)角度。為了便于分析，在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型時(shí)，往往選取變位機(jī)作為弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的一部分，如圖3所示：

依據(jù)D-H描述法，確定每一個(gè)桿件的參數(shù)和相互關(guān)系，在每一個(gè)連桿上設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系，用矩陣變換原理來表達(dá)相鄰連桿的參數(shù)和相互關(guān)系，包括焊槍和變位機(jī)待焊點(diǎn)之間的關(guān)系。

根據(jù)D-H描述法，在弧焊機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位置變換中，第N+1關(guān)節(jié)的局部坐標(biāo)系相對(duì)前一坐標(biāo)系N的位置姿態(tài)矩陣的表示如下：

二、對(duì)運(yùn)動(dòng)方程模型進(jìn)行模擬仿真

（一）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬仿真的建立

通過矩陣的變換運(yùn)算，可以對(duì)弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行正解和逆解運(yùn)算并可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過正解與逆解運(yùn)算公式的程序求解，即可以把弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化。當(dāng)正解與逆解運(yùn)算的因果關(guān)系對(duì)應(yīng)，則可以說明運(yùn)動(dòng)模型是正確的；反之，可以認(rèn)為數(shù)學(xué)模型建立錯(cuò)誤，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。本文是基于MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行模擬仿真。

弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)在工作過程中會(huì)因?yàn)樽陨淼牡恼饎?dòng)而使得焊槍發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)造成焊槍“蟻動(dòng)”現(xiàn)象，實(shí)際焊接位置與理論焊縫有偏差。為此在計(jì)算過程中加反饋因數(shù)，對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

表2數(shù)據(jù)是弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)過程中選擇的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)數(shù)據(jù)：

MATLAB仿真軟件通過對(duì)焊縫上這些特殊點(diǎn)的處理，在模擬仿真過程之前，MATLAB軟件可以得到比較光滑的曲線焊縫。如圖4，就是由已知特殊點(diǎn)生成的焊縫曲線。

利用上一節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型公式，在MATLAB里輸入相應(yīng)的控制程序，焊縫曲線是可以根據(jù)特殊點(diǎn)生成。利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)模擬程序進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練，包括訓(xùn)練信息Training Info、訓(xùn)練參數(shù)Training。通過訓(xùn)練，即可以得到模擬仿真圖形。

（二）仿真效果分析

通過對(duì)參數(shù)訓(xùn)練和對(duì)控制信息的訓(xùn)練，可以得到各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況。

分析誤差范圍，看是否在允許的范圍之內(nèi)。由圖6可以看出運(yùn)動(dòng)時(shí)間是0到5秒之間，各個(gè)運(yùn)動(dòng)的線性速度的波動(dòng)值的變化在0至1.2之間，完全可以達(dá)到精度要求。

同時(shí)，在仿真過程中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生成作業(yè)示意圖，如圖7所示。

利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，容易驗(yàn)證弧焊機(jī)器人變位機(jī)系統(tǒng)末端運(yùn)動(dòng)軌跡正解矩陣的正確性。除去機(jī)械設(shè)備本身的因素造成的誤差，如果正解模擬仿真運(yùn)算與逆解仿真運(yùn)算相吻合，就可以證明系統(tǒng)模型是正確的。反之，如果正解運(yùn)算與逆解運(yùn)算相差太大，則說明模型建立出現(xiàn)了錯(cuò)誤。通過模擬仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并能為實(shí)際的作業(yè)過程提供理論性的指導(dǎo)。

焊槍位置姿態(tài)與變位機(jī)位置姿態(tài)協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃受很多因素的影響，比如工藝參數(shù)、工件形狀和板厚等，其最終的姿態(tài)是難以進(jìn)行精確量化的，所以必須依靠大量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)積累。因此，將弧焊機(jī)器人與變位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所得到的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在運(yùn)算的復(fù)雜程度方面得到很大降低。當(dāng)然，在生產(chǎn)應(yīng)用中，還要借助其他很多的理論知識(shí)，比如基于焊縫特征的焊縫中心線信息獲取方法，智能感應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)焊縫的識(shí)別等。

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【作者簡(jiǎn)介】邵長(zhǎng)春（1985— ），碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及自動(dòng)化控制。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）endprint