工业点焊机器人（精选6篇）
工业点焊机器人 篇1
摘要：主要介绍奇瑞公司自主研发的负载为165kg点焊机器人机械本体的设计。依据点焊机器人的应用要求并参照国外类似机器人产品, 确定机器人性能指标和本体结构, 然后根据性能指标选择电气驱动和机械传动元件;创建三维模型, 对机器人机械系统进行动力学仿真和对关键零部件进行有限元分析, 最后根据仿真和分析的结果对设计方案进行改进和完善。
关键词：点焊机器人,机械本体,动力学分析,有限元分析
工业机器人是集机械、电子、控制和计算机技术为一体的高端科技产品, 是现代化工业技术的一个缩影和标志。我国工业机器人开发始于20世纪80年代, 但发展缓慢, 远远落后于国外, 产品依靠从国外大量引进, 在维护、更新改造方面对国外的依赖也相当严重。
为了满足日益增长的需求, 奇瑞公司于2007年末成立机器人项目, 联合国内高校和研究所, 共同进行机器人的产业化开发, 以形成中国的工业机器人自主品牌。通过2年多来的努力, 已经开发出负载为165 kg点焊, 210 kg点焊机器人和负载为6 kg弧焊机器人并在汽车生产线上成功应用, 其他型号的工业机器人也正在研发之中。
165 kg机器人本体设计分5个步骤完成: (1) 根据市场调研结果和机器人设计理论确定性能指标和设计方案; (2) 根据性能指标初步选择电机和减速器及确定各个关键零部件的材料等; (3) 建立机器人三维动力学模型, 对零部件进行有限元分析、动力学仿真等; (4) 根据仿真和分析结果确定机械结构、电机和减速器; (5) 加工制造、装配和检测实验[1]。
1 机器人本体设计方案和性能指标
负载为165 kg的六自由度关节型点焊机器人是汽车焊装生产线上使用最多的机器人型号之一, 由于汽车生产企业对产品的质量和生产节拍要求越来越高, 机器人的重复定位精度、运动速度和工作范围是工业机器人设计需要重点考虑的性能指标。通过对应用要求的分析, 同时参考国外知名品牌机器人的性能参数, 确定165 kg机器人指标参数, 如表1所示。
2 机械本体设计
首先根据165kg六自由度点焊机器人设计图纸, 利用Solidworks软件虚拟设计出机器人的三维模型。165 kg点焊机器人机械本体包括底座部分、平衡缸部分、大臂、小臂部分、手腕部分和外围部分。165 kg机器人有6个转动自由度, 1、2、3轴转动实现末端的位置变化, 4、5、6轴实现末端姿态的变化。165 kg点焊机器人采用数字交流伺服电机驱动, 最新RV减速器传动, 结构简洁, 传动链少, 精度高。机器人机械结构如图1所示。
3 动力学分析过程
三维模型建立后要对模型进行动力学仿真分析, 研究虚拟样机的参数和性能是否符合要求, 在产品制造出来之前, 就可以发现并更正设计错误, 完善设计方案, 降低工程制造和测试费用, 缩短产品的开发周期。
这里用ADAMS[2]对机器人进行动力学分析。 (1) 单轴极限运动, 从而得到单轴运动时的参数; (2) 各轴联动, 在这个过程中, 需要多考虑各种联动的姿态, 包括同方向运动, 以及能够产生科氏加速度的联动, 多考虑轨迹; (3) 典型工位的运动, 根据现场所应用到的工作, 进行姿态较为正常的情况下的仿真。
多次运动后的结果形成统一的表格形式, 然后进行分析对比, 从而找出最大值和平均值, 初步选定电机和减速器, 选定后, 将真实减速器和电机模型进行第二轮仿真验算。同时将得到的结果进行对比、校验, 得到最符合条件的电机和减速器。
4 关键件的有限元分析
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高, 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视, 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径, 这里对关键件进行有限元分析, 主要是求解关键部件的应力, 对其强度、刚度进行校核。首先要对关键件进行静力学分析, 求出各个关键件所受到的力及力矩、扭矩等, 然后用有限元分析软件进行有限元分析。图2、图3是手腕连接体的最大正应力安全系数图和应力强度安全系数图。
各个关键件进行有限元分析, 可以得出各个位置的应力值、最大应力、安全系数等, 为关键件的结构优化提供依据。这只是手腕连接体的部分分析图, 还可得到其应变图、位移图等等, 根据分析结果可以对各个件安全系数小、强度不够的地方进行优化, 以满足性能要求。
5 性能测试
外围部分的设计和安装由专门人员设计。机械本体设计完成后, 就可进行加工、制造和装配。根据各个过程中出现的问题, 不断地修改完善机构模型和图纸, 产品出来后就要对产品进行试验, 试验各性能是否符合或达到要求, 达不到要求的则要进一步进行修改完善。对初步完成的机器人进行性能测试, 测试得到的最大运动速度、负载率及重复定位精度如表2、表3所示。
测量得到的重复定位精度0.3 mm, 满足技术要求。另外还有噪声测试、温度测试等都符合设计要求, 说明设计完成的机器人各项性能指标均达到要求, 可以用于生产应用。
机器人的设计开发是一个很复杂的过程, 周期较长, 涉及方面较多。机械设计过程及动力学分析过程、有限元分析过程、试验阶段等都是非常重要的, 因此都要进行反复校验最终得出理想的机器人结构和性能参数。
参考文献
[1]蔡自新.机器人原理及应用[M].中南工业大学出版社, 1998
[2]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社, 2002
工业机器人发展前景 篇2
机器人发展前景及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。
机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。
1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人国际标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类：⑴顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；⑵沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；⑶远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；⑷智能型。这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能。
日本工业机器人产业早在上世纪90年代就已经普及了第一和第二类工业机器人，并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期。而今已在第发展三、四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。日本下一代机器人发展重点有：低成本技术、高速化技术、小型和轻量化技术、提高可靠性技术、计算机控制技术、网络化技术、高精度化技术、视觉和触觉等传感器技术等。
根据日本政府2007年指定的一份计划，日本2050年工业机器人产业规模将达到1.4兆日元，拥有百万工业机器人。按照一个工业机器人等价于10个劳动力的标准，百万工业机器人相当于千万劳动力，是目前日本全部劳动人口的15%。
我国工业机器人起步于上世纪70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。
一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M：Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在“十二五”装备制造业规划中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。
车身线点焊机器人轨迹优化 篇3
随着车身制造技术的发展, 机器人作为一种自动化设备已经广泛地应用到了车身焊装线上。机器人在作业空间要完成给定的任务, 其末端执行器的运动必须按一定的轨迹进行。随着车身线对机器人作业精度和工作效率要求的不断提高, 准确地说就是要求机器人在作业时既要保证轨迹的最优, 又要保证作业时间的最短。本文对车身线点焊机器人示教技术的研究以最优时间作为性能指标, 并在满足各种约束的条件下进行机器人轨迹优化, 旨在研究点焊机器人在制造过程中如何获得时间最短的轨迹, 从而通过对轨迹的优化与控制提高车身焊装生产线效率和产品质量。
运动指令介绍
FANUC机器人凭借其性价比高的优势被国内日系、美系和国产厂家广泛应用。本文主要以FANUC机器人为研究对象。FANUC机器人的运动指令的结构如图1所示, 由运动类型、运动数据类型、速度单元、终止类型和附加运动语句五部分组成。
(1) 运动类型。
Joint (关节运动) :工具在两个指定的点之间任意运动。
Linear (直线运动) :工具在两个指定的点之间沿直线运动。
Circular (圆弧运动) :工具在三个指定的点之间沿圆弧运动。
(2) 位置数据类型。
P[]:一般位置。
PR[]:位置寄存器。
(3) 速度单位。
速度单位随运动类型改变。如表1所示。
(4) 终止类型 (见图2)
(5) 附加运动语句。
腕关节运动:W/JNT
加速倍率:ACC
转跳标记:SKIP LBL[]
偏移:OFFSET
节拍优化
通过应用分析证明, 在机器人点焊过程的所有节拍中, 耗时最多、浮动最大的是机器人的走位轨迹。对机器人的轨迹进行优化, 是最快捷、最高效的优化节拍方式。现场对机器人节拍优化所采用的常用方法是:设置打点时的CNT值和轨迹过渡点相结合。特殊情况, 也有采用信号控制和设备提速的方法。
1.打点时的CNT值
打点时的CNT值, 无论大小都能够准确达到打点位置。值的大小主要体现在, 焊钳是到达打点位置之前关闭, 还是到达打点位置之后才关闭。如图3所示, 随着CNT值的逐渐增大, 焊钳的闭合动作在进入该焊点后完成的越少, 越多的打开动作在来往该焊点的路上完成。虽然CNT值越大, 耗时越少。但是有时CNT值过大时, 焊钳未达到焊点就碰到工件了, 从而造成工件擦刮和焊钳拉坏。
对于伺服焊钳, 当电极帽到工件还有一段距离时, 并不是要将终止类型设为FINE或CNT0, 为了提高节拍一般用CNT50左右, 这样一个焊点起码比CNT0节约0.4s以上。当焊钳为气动枪时, 打点轨迹终止类型一定要用FINE, 不能用CNT, 否则会刮到板件或者拉坏焊枪。如果气动枪需要从大开到小开, 尽量不要在过渡轨迹中实现, 在焊点位置处实现比较安全, 也比较节省时间, 除非是板件干涉必须在过渡轨迹中小开, 这时的示教要十分小心。
2.轨迹过渡点
在点焊编程时, 语句运动类型一般不使用J (Joint) , 因为J是机器人自己计算出来姿势最舒适的路线, 通常情况下这个路线有两个特点:一、轨迹很长, 二、轨迹不可预知, 难以控制, 容易造成干涉。机器人运动速度固定, L运动类型两点之间线段最短, 如图2所示, 若是焊点之间的运动类型为J, 它的运动路径是弧线, 比运动类型为L的直线路径要长, 两点之间的运动类型选L是比选J时的节拍要短。
车身点焊过程中, 焊钳常常需要长距离移动和翻转采用来完成作业内容, 从而机器人很容易产生轴限位。当两焊点距离较远时, 如果之间采用1个L语句直接到达, 就很容易产生轴限位, 不能使用运动类型J的情况, 就要在两点之间设置过渡点, 引导机器人能够在非限位情况下走到目的点。值得注意的是, 加了过渡点以后, 即使这些点与起始点、终止点在一条直线上, 这两个焊点之间的节拍也不一定比直接用J走弧线的节拍短。因为设过渡点会略微加长节拍, 当两个焊点之间的距离较短时, 走弧线所延长的节拍可能还没加过渡点所延长的节拍多, 这时用运动类型为J的指令反而比用L的过渡点指令节拍要短。
3.其他方法
在节拍非常紧张的情况下, 调试工程师还会用CNT数值提前给设备发信号和语句后加A C C的方法加速。用CNT数值提前发信号及同时运动的方法会带来设备碰撞的风险, 附加运动语句ACC提高机器人速度, 会急剧减少机器人伺服电动机的寿命, 尤其是J2、J3轴的电动机寿命。因此, 这两种方法一般情况下不建议使用。
节拍优化试验
1.试验环境
白车身结构的多样性, 决定了存在不同位置的焊点, 这给制造带来了很大困难, 特别是无法目测的过孔焊接。如图4所示, 该位置的过孔焊点, 处于高位且操作人员无法目测焊点位置, 所以很难准确地焊接。从人机工程和产品质量考虑, 采用机器人焊接。这样的位置, 要得到一条时间短、耗能低的轨迹, 对工程师的机器人示教技术要求很高。
针对过孔焊示教技术的研究, 基于roboguide仿真环境, 建立N400的过孔焊机器人工作环境。如图5所示, 环境中设置一台焊接机器人, 并配置一把通常焊接垂直面焊点的C型焊钳。采用调整示教轨迹的打点时得CNT值和增减过渡点数量, 在满足非干涉的情况下, 选择最佳节拍。滑且机器人的各轴不能产生限位, 为了减少轨迹时间过渡点尽量设置在过程点中。如图6所示, 编辑的过孔焊点进出枪轨迹, 需要满足进枪和出枪在相同的位置, 且机器人焊钳翻转角度最小, 与车身和周边设备没有干涉。
编辑离线程序时, 轨迹要求平
2.试验分析
运动类型L和J的选择, 由于该位置需要焊钳翻转, 采用L运动类型容易发生轴限位, 需要增加过渡点才能避免。虽然L运动类型路径短, 但是节拍会比采用J运动类型慢。因此, 本试验只对不同打点时的CNT值、从HOME点到焊点过渡点数量进行分析。编辑4组程序如表2所示, 最佳的路径是采用打点时的CNT值为50。采用CNT值为100时, 由于路径过于平滑容易发生干涉, 因此需要增加过渡点, 对于现场来说增加了调试工作量。然后FINE由于是精确定位, 路径存在停顿, 节拍影响最大。
结语
车身线点焊机器人示教技术的研究, 就是分析在满足机器人动力学和运动学约束的前提下, 如何得到一条优化的轨迹使得点焊机器人在整个作业中运动时间最短和能量消耗最低。除了上述的分析, 我们还应该注意以下几个问题:
(1) 根据零件情况灵活打点时的CNT值和选择运动类型。
(2) 观察各轴的状态, 合理分配引导点各轴的值, 过渡点越少越好。
(3) 过渡点尽量设置在起点与终点的连线上。
(4) 为了保护管线, 机器人J6轴的限位改为-180°~180°。
工业点焊机器人 篇4
随着经济水平的不断提高, 汽车已经成为非常普遍的交通工具, 而且需求量不断攀升, 为了提高生产效率, 降低生产成本, 现在大部分汽车生产厂采用流水线的生产形式。在汽车的制造中, 焊接是应用最多的连接方式, 其中电阻焊占焊接工作量的70%以上, 主要形式为点焊。据统计, 一辆载货车身约2 000多个焊点, 一辆轿车车身约4 000~5 000个焊点[1,2,3]。国外汽车焊接生产线已实现了以柔性、多车型混装焊接为代表的高度自动化、机器人大量应用的生产线设计技术, 国内汽车制造企业在引进国外生产线的基础上已使制造水平大有长进, 但与国外相比仍有较大差距[4]。
应用于汽车焊接的工业机器人一般为6自由度机器人, 机器人运动过程复杂、造价高, 若操作不当可能会造成生命财产损失, 而且现场试教调试工作量大、难度高, 因此, 在进行实际的焊接工作之前, 仿真机器人的焊接作业过程, 并规划焊接路径, 对于避免现场事故、降低现场调试的难度有重要意义。
1 Robcad仿真流程
Robcad是原Tecnomatix公司 (现属SIE-MENS公司) 于20世纪80年代推出的大型机器人仿真系统, 具有仿真精确、建模快速及易于实现离线编程的特点[5]。
运用Robcad软件对汽车纵梁分拼工位进行焊接仿真的过程也就是模拟实际焊接作业的过程, 因此, 仿真时首先需要布置焊接作业环境, 然后建立仿真模型, 最后进行焊接仿真及路径优化。其主要仿真流程为:数模转换→定义焊枪→建立仿真模型→路径规划仿真→干涉检查→离线编程。
2 汽车纵梁分拼工位仿真
2.1 Robcad的数据类型及数模转换
Robcad软件有两种格式的数据, 分别为.ce和.co, .ce数据存放机器人或其他模型的装配信息, .co数据存放机器人和所需模型的三维信息。
在Robcad中的进行数据转换是指将不同格式的数据, 通过接口转换成Robcad能使用的数据类型[6]。Robcad有多种三维软件转换接口, 可将三维数模导入并转换到Robcad环境, 仿真实际环境的三维环境, 保证机器人的仿真设计与实际应用相统一[6]。
仿真前需准备好焊接夹具、纵梁等模型文件, 运用Data菜单中的CAD Import命令对其进行数模转换。
2.2 定义焊枪
2.2.1 建立焊枪数模运动关系
为模拟焊枪在焊接过程中的真实运动状态, 需要定义焊枪的相关参数。
在Modeling模块独立打开焊枪的.co文件, 通过Link定义焊枪的静臂和动臂, 通过Axis定义焊枪动臂的旋转轴, 通过Joint创建关节运动方式, 通过State菜单中的Edit分别定义OPEN、SEMIOPEN、CLOSE和HOME四种运动状态。
2.2.2 建立焊枪工具坐标系 (tcp) 和装配位置坐标系
对焊枪进行焊接作业仿真时, 需定义焊枪装配坐标系, 将焊枪关联到机器人上, 使焊枪跟随机器人运动而运动, 并定义焊枪工具坐标系, 即定义焊枪的作业点。
通过General Tools菜单中的Create Frame创建tcp坐标系和焊枪的装配位置坐标系, 图1为完成坐标系定义的焊枪。
2.3 建立仿真模型
2.3.1 加载机器人、焊枪、夹具和纵梁
在满足纵梁分拼作业要求及空间要求的前提下, 选择KUKA型机器人, 机器人和焊枪模型是厂家直接提供的, 夹具是根据作业要求设计的, 纵梁模型及焊点信息由汽车制造厂提供。通过Get Component命令分别加载机器人、焊枪、夹具及纵梁模型, 对Locate At项不作处理或通过Position选项指定部件位置, 保证相互之间准确的位置关系。
2.3.2 导入焊点
运用wold_locs命令导入焊点。将焊点信息保存为“POINT+空格+焊点号 (小写字母开头) +Tab+X值+Tab+Y值+Tab+Z值”格式。
例如:“POINT h0141 490-13-21”
将纵梁分拼焊点按照上述格式整理保存为“.pt”格式的文件, 如图2所示。
2.3.3 关联焊枪
通过Motion命令将焊枪上的装配坐标系关联到机器人的坐标系上, 并按规则设置工具坐标系的坐标轴方向, 规则为Z坐标 (长虚线) 表示焊枪进入方向, X坐标 (长实线) 表示焊钳动臂方向。
2.4 路径规划仿真
2.4.1 设置焊钳动作方向
为使焊钳作业时动、静臂的动作方向与实际一致, 需设置焊钳动作方向。
通过Spot_setup命令, 将焊钳进入方向Approach修改为Z, 再将焊钳动臂方向Perpendicular修改为X, 如图3所示。
2.4.2 创建焊接轨迹
通过Path Editor命令显示所有焊点的设计树, 将焊点编制成组并命名路径。
通过Motion命令仿真机器人到达焊点坐标的姿态并检查焊点是否可达, 为保证机器人到达焊点时具有良好的姿态, 需适当调整焊点方向, 用Placement Editor命令调整单个焊点方向, 用Flip Location或者Align Orientation命令批量调整焊点方向, 使焊点X轴与工具坐标系X轴方向保持一致。
机器人走完焊接轨迹后手动编制机器人返回原点或至另一焊点, 运用Mark_loc命令记录这一过渡轨迹, 编制到焊接路径, 完善路径。
2.5干涉检查
在实际生产中, 车身和夹具等结构十分复杂, 机器人和焊枪与车身和夹具的干涉一般不易被发现, Robcad具有自动干涉校验功能, 运用Collision Setup菜单中的Define Pair命令定义干涉检查的干涉项, 如在First list栏中添加车身和夹具, 在Second list栏中添加机器人和焊枪, 若发生干涉系统会发出报警提示 (发出声音或红色报警显示) , 通过调整机器人的姿态和焊点的方向来避免干涉, 以此来避免实际生产中的损失。
2.6离线编程
机器人的编程有在线示教编程和离线编程 (OLP) 两种, 在线示教编程为与控制模块连接时的编程, 离线编程为与机器人或者控制模块断开时的编程, 与在线示教编程相比, 离线编程的优点如下:
(1) 减少机器人停机时间, 提高生产效率;
(2) 远离危险工作环境;
(3) 实现CAD/CAM/ROBOTICS一体化;
(4) 可提高编程精度[7、8]。
纵梁分拼路径复杂, 要求精度较高, 进行离线编程显得尤为重要。在进行OLP调试前需要对机器人校准。通过OLP模块可以设置与已选型机器人相配套的控制器, 在生成的OLP程序中包括焊枪参数、焊点焊接顺序和路径信息、运行速度和加速度、轨迹类型信息、基坐标、工具中心坐标等。
通过离线编程很大程度地减少了现场工作人员的编程量, 缩短了项目周期, 节约成本, 提高现场工作的安全性[9]。
3 结论
在Robcad软件的应用中, 路径规划仿真和干涉检查是关键技术, 是保证机器人实际作业高效性和可靠性的主要因素, 通过Robcad在纵梁分拼工位中的实际应用, 表明可以方便地进行焊接轨迹的创建与优化, 易于发现和解决焊枪干涉等问题, 能有效避免实际作业中事故的发生, 通过离线编程, 减少现场示教、调试困难, 因此Robcad软件在汽车焊装生产中具有重要的应用和推广价值。
参考文献
[1]陈猛.快速可重构汽车焊装制造系统及其关键支持技术研究[D].重庆:重庆大学机械工程学院, 2002.
[2]张延松.伺服焊枪在汽车车身制造中的应用[C]//中国汽车工程学会2003学术年会, 2003:429-433.
[3]邓仕珍, 范淼海.汽车车身制造工艺学[M].北京:北京理工大学出版社, 2002:109
[4]董万.轿车白车身焊接生产线设计及虚拟设计技术应用研究[D].电子科技大学, 2008.
[5]张继禹, 蔡鹤皋, 王树国等.一个大型机器人仿真系统——ROBCAD[J].哈尔滨工业大学学报 (自然科学版) , 1993, 25 (03) :109-113.
[6]于登云, 孙京, 马兴瑞.空间机械臂技术及发展建议[J].航天器工程[J], 2007, 16 (04) :1-9
[7]徐小剑, 杨国平.Robcad在车身后轮罩滚边中的应用[J].上海工程技术大学学报, 2013 (03) :216-220.
[8]邓伟俊.基于Robcad软件的机器人基于软件的机器人点焊离线编程系统研究[J].金属加工 (热加工) , 2014 (10) :62-63
六自由度点焊机器人运动学仿真 篇5
工业机器人的运动学仿真分析是机器人空间规划、轨迹控制、优化设计的基础。机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系,既不考虑引起运动的力和力矩,它涉及到运动物体的位置,速度和加速度同时间的关系。机器人的位置运动学存在两类问题,一类是根据关节变量求手部位姿的正问题,另一类是根据手部位姿求关节变量的逆问题。逆问题是运动轨迹的基础,机器人运动轨迹的描述一般是对其手部位姿的描述,是运动过程中的运动轨迹,既运动点的位移,速度和加速度。工业机器人的点焊就是PTP(点到点)运动,只考虑起始点和终点的位姿,没有路径约束,在轨迹中间只有几何限制,最大速度和加速度约束。
1 IRB-1400机器人运动学模型
采用4×4的齐次变换矩阵来描述机器人相邻两杆i和i-1的空间几何关系,既一个连杆与下一个连杆间相对关系的齐次变换,这个矩阵被称为A矩阵。建立本机器人的Ai矩阵为:
注:1. i= 1,2,…,6;
2. α,θ,a,d,是机器人的D-H参数。
IRB-1400型机器人的D-H参数如表1。
将D-H参数带入式(1)就可以写出A1,A2,A3,A4,A5,A6的矩阵形式。则机械人末端执行器对基座的关系
既建立起机器人的运动学方程,式(2)中[n o a]为姿态矩阵,[P]为位置向量。
1.1 运动学正问题
已知机器人的各个关节的转角来求机器人抹端执行器的姿态,既求式(2)等号右边矩阵中的12个元素。根据式⑵等式左右两边矩阵相等,既等号两边矩阵中各个相对元素相等,便可得到位姿。正问题求解相对简单,且有唯一解。
1.2 运动学逆问题
已知机器人末端执行器的位姿来求机器人各个关节旋转的角度,运动学逆问题求解较复杂,解不唯一。利用代数法求解,根据式(1)和式(2)在结合以下4点可以得到逆解:θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6。
1) 方法:等号两端的矩阵中对应元素相等;
2) 步骤:利用逆变换对矩阵方程进行递推,每递推一个可以解一个或多于一个的变量公式;
3) 技巧:利用三角方程进行置换;
4) 问题:由于解的过程中会出现多解或增根,根据实际的工作环境和各个关节角度的运动范围来确定其解。
机器人逆解是机器人的运动规划和轨迹控制的基础。根据此方法得到了由点P1 (1000,570,730)到点P2(1400,750,810)运动过程中各个关节的角度为:(为了进行运动学仿真只取一组解。)
θ1= 30.1080°;θ2 = -15.0960°;
θ3 = -5.5690°;θ4 = 0.1009°;
θ5 =35.0078°;θ6 =0.1506°。
2 三维几何模型的建立
进行仿真之前要建立机器人的几何模型,由于ADAMS软件主要是机械系统动态仿真软件,对三维几何建模相对薄弱一些,所以采用功能强大的三维几何模型设计软件CATIA V5R17与仿真软件ADAMS相结合,两个软件相结合可以改变仿真精度,提高工程分析的速度和效率。根据程序的求解原理来看,只要仿真构件的几何形状的质量,质心位置,惯性矩和惯性积同实际构件相同,仿真结果是等价的。因此,在最初的几何建模时,为了顺利方便的看到初步仿真结果,不必追求构件几何形体的细节部分同实际构件的完全一致。
IRB-1400型机器人主要是由6个转动关节构成(即6个轴)。由9个主要部件构成,分别是:基座,腰部,下臂,上臂,拉杆,曲轴,腕部(翻滚),腕部(摆动),腕部(仰俯)。首先,打开CATIA,在开始—机械设计—零部件设计中按照实际几何尺寸分别建立机器人的主要零部件,然后保存建好的零部件。其次要对各个零部件进行装配,在进行装配时需要在Simdesign中进行。由于几何模型不能直接在导入到ADAMS中,因此借助于Simdesign这个ADAMS与CATIA的接口软件(Simdesign是ADAMS的一个插件,其版本要与CATIA和ADAMS的版本相匹配)。打开Simdesign进行零部件的装配,点击插入—现有组件,插入建立好的零部件,再进入到开始—机械设计—装配件设计中进行装配零部件。装配之后要对各零件间进行约束,进入开始—数字模型—MD Motion Workbench对各个零部件间的连接进行约束,因为本机器人全是是旋转关节,因此建立旋转约束。可以在SIMDESIGN中进行简单的仿真,观查模型的运动情况,之后要把建立好的模型以CMD文件格式保存。
3 ADAMS运动学仿真
ADAMS是由美国机械动力公司开发的最优秀的机械系统动态仿真软件,是目前世界上最具有权威性的。主要是机械系统动态仿真软件的应用软件,用户可以运用该软件方便地对虚拟样机进行静力学,运动学和动力学分析。
点焊机器人的实际操作如图1。
下面针对IRB-1400型机器人打点时不考虑外力的情况下的理想状态进行仿真分析。利用上述所拟定的空间两个点P1和P2所求的逆解(各个关节变量)在ADAMS-View中将各个关节变量采用ADAMS-View函数中STEP函数模拟两个打点整过程来定义驱动,设置仿真时间为2s,STEPS为100。进行仿真之前要对模型进行验证,点击图2中右下角“ⅰ“中的verify,信息中显示“0 Degrees of Freedom for .model1”和“Model verified successfully”说明运动学模型建立正确,可以进行运动学仿真分析,按START键进行仿真。点.model1._7_1.MARKER_45为末端执行器的质心,可以在ADAMS-View中利用Trace Maker观察到此点在运动过程中的空间轨迹(图2)。
利用ADAMS-View的测量和仿真输出功能对上述逆解以及空间轨迹进行仿真分析,并在ADAMS-View中可以观察到测量对象的曲线。进入 ADAMS/PostProcessor,可以仿真回放并对仿真结果进一步的分析。应用Plot tracking可以观察到在任意时间被测量的量。如图3,图4为末端质心经过两点时的位姿。
4 结论
通过两个软件CATIA和ADAMS的结合对IRB-1400型机器人建立虚拟样机模型以及仿真分析,充分体现了两个软件的强大功能以及两个软件结合的优点。验
证了该点焊机器人运动学方程建立以及拟定点逆解的正确性,得到了理想状态时的空间运动轨迹。对点焊机器人的进一步的动力学仿真分析以及实际工作环境中空间运动轨和轨迹迹控制打下了良好的基础。
参考文献
[1]陈立平,张云清,任卫群,等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]郑凯,胡仁熹,陈鹿民.ADAMS2005机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]宋伟刚.机器人学——运动学,动力学与控制[M].北京:科学出版社,2007.
[4]沈红芳,郑建荣.adams在弧焊机器人运动学中的仿真分析和应用[J].机械设计,2004.
[5]戚晓艳,许瑛,沈凌云.基于ADAMS的MOTOMAN机器人运动学模拟[J].南昌航空大学学报:自然科学版,2005.
[6]余张国,林貌松,李众立,等.TF-1型弧焊机器人的运动学建模研究[J].西南科技大学学报,2007.
工业点焊机器人 篇6
ADO是微软公司为数据库开发提供的强大的使用应用程序层接口.并且是当前微软支持的数据库进行操作的最有效和最简单直接的方法.它是面向对象的编程接口.包含三个基本接口::_Connection Ptr接口、_Command Ptr接口和_Recordset Ptr接口.使用之前需要引入ADO库文件和初始化OLE/COM库环境.
1. 引入ADO库文件
使用ADO前必须在工程的stdafx.h头文件里用直接引入符号#import引入ADO库文件
以使编译器能正确编译, 代码如下所示:
用#import引入ADO库文件
这行语句声明在工程中使用ADO, 但不使用ADO的名字空间, 并且为了避免常数冲突, 将常数EOF改名为ado EOF。现在不需添加另外的头文件, 就可以使用ADO接口了。
2. 初始化OLE/COM库环境
ADO库是一组COM动态库, 因此应用程序在调用ADO前, 必须初始化OLE/COM库环境。
::Co Initialize (NULL) ;
3. 采用ADO接口智能指针
ADO库包含三个基本接口:_Connection Ptr接口、_Command Ptr接口和_Recordset Ptr接口。
_Connection Ptr接口返回一个记录集或一个空指针。通常使用它来创建一个数据连接或执行一条不返回任何结果的SQL语句, 如一个存储过程。对于要返回记录的操作通常用_Recordser Ptr来实现。_Command Ptr接口返回一个记录集。它提供了一种简单的方法来执行返回记录集的存储过程和SQL语句。
_Recordset Ptr是一个记录集对象。与以上两种对象相比, 它对记录集提供了更多的控制功能, 如记录锁定, 游标控制等。同_Command Ptr接口一样, 它不一定要使用一个已经创建的数据连接, 可以用一个连接串代替连接指针赋给_Recordset Ptr的connection成员变量, 让它自己创建数据连接。
二.数据库关系语句
SQL关系数据库是当今网络编程中使用的比较多的一个数据库系统.SQL是英文Structured Query Language的简称, 中文名是结构化查询语言, 是进行数据库操作的标准语言。SQL语言的主要功能就是同各种数据库建立联系, 进行沟通。按照ANSI (美国国家标准协会) 的规定, SQL被作为关系型数据库管理系统的标准语言。SQL语言可以用来执行各种各样的操作, 例如更新数据库中的数据, 从数据库中提取数据等。目前, 绝大多数流行的关系型数据库管理系统等都采用了SQL语言标准。QH165奇瑞自主研发的点焊机器人就采用access作为数据库, 采用SQL关系数据库语言对其进行数据的访问和操作, 包括对数据的添加, 更新, 修改, 删除等。
数据库记录添加:
Sql=”insertinto数据表 (字段1, 字段2, 字段3...) values (值1, 值2, 值3...) ”
Sql=”insertinto目标数据表select*from源数据表” (把源数据表的记录添加到目标数据表)
数据库记录修改:
Sql=”update数据表set字段名=字段值where条件表达式”
Sql=”update数据表set字段1=值1, 字段2=值2...字段n=值nwhere条件表达式”
数据库记录删除:
Sql=”deletefrom数据表where条件表达式”
Sql=”deletefrom数据表” (将数据表所有记录删除)
三.QH165点焊机器人数据库开发
基于以上的基础开发了QH165点焊机器人的数据库程序.
机器人数据库程序采用access作为数据库, 数据库源程序分为示教程序和点位置保存程序。比如一个命为2H01的表名, 存贮着示教运动指令程序, 其对应着一个2H01Data的点存贮程序, 保存着各个点的位置或关节值.
数据库表保存在相对路径为data\data.mdb和data\sysuser.mdb中.
1. 判断表名是否存在, 格式是否正确
首先在数据库表中查找是否存在这两个表, 用到MFC中的CFile Find类的Find File方法.如:
BOOLbworking=finder1.Find File (“data\sysuser.mdb”) ;
BOOLbfinding=finder2.Find File (“data\data.mdb”) ;
通过BOOL类型的两个变量的返回值来进行判断表名是否存在.
2. 数据库中表组成
data.mdb数据表中有语言转换的数据表language Num, 存贮机器人报警内容和时间数据表warning, 外部IO输入输出表IO, 文件名表File Name, 坐标系表Coordinate, 主程序表和存贮数据点位置表, 与机器人相关的数据都存贮在各自的数据表中. (如下图图1、图2) :
3. 数据表的操作
每一个数据表都涉及到创建, 增加/删除行, 删除表, 修改表的操作, 以主程序表为例进行详细介绍
数据表的创建:
数据表的创建涉及到SQL关系数据语句.CREATETABLE
首先采用ADO接口连接数据库, 创建ADO库中的接口对象实例m_p Connection2,
m_p Recordset2.打开数据库, 将SQL语句格式化的执行创建数据表, 然后在表中创建列.并采用try () catch () 的方式来捕获异常.
数据表复制:
通过SQL语句的格式化操作来执行, SQL语句为Select*into*from* (如图)
数据表删除
四.总结
在数据库开发中, 采用ADO接口技术与SQL语句结合对数据的操作在IT领域方面已经非常常见.通过这种方法数据结构清晰, 结构简单, 操作方便, 效率也非常高.而本文则是将此方法应用于机器人的开发技术中.因此读者可以以此为鉴将其应用于其它相关行业.
参考文献
[1]候俊杰深入浅出MFC[M]华中理工出版社2002