基于工业机器人的大功率风机叶轮焊接系统研究与优化.pdf

第 卷 第 期 山东商业职业技术学院学报 .年 月 .科技与应用基于工业机器人的大功率风机叶轮焊接系统研究与优化姬源浩王 华(.商丘职业技术学院河南 商丘.海南经贸职业技术学院海南 海口)摘 要:离心风机叶轮的叶片和旋转体之间需要通过焊接的方式进行连接但由于其构造的独特性和狭小空间的限制采用人工焊接时不仅难以变换焊接姿势劳动强度大而且焊接的质量、精度及一致性无法满足要求为了解决上述问题研究了一种基于六轴工业机器人控制的全自动风机叶轮焊接系统 该系统由六轴工业机器人、焊枪、变位机、西门子可编程控制器及 人机界面触摸屏组成运用 仿真软件的 动态组件功能生成机器人焊接系统的可视化平台 通过仿真运动路径及可行性分析验证了该焊接系统可行可提高生产效率和焊接工艺质量为降低焊接成本提供一定理论指导关键词:六轴工业机器人叶轮焊接中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:收稿日期:基金项目:年度河南省高等学校重点科研项目“基于六轴工业机器人控制的大功率离心风机焊接系统研究与优化”()作者简介:姬源浩()男河南商丘人讲师硕士研究方向为机械工程 前言由于化石能源的不可再生性及使用所带来的环境问题寻找清洁可再生能源得到全世界的关注而风能作为一种兼具可再生性和环境友好型的能源成为当今研究的热点 风机叶轮作为风能发电的重要设备成为制约风能利用的关键 风机叶轮的生产以焊接组装为主传统的焊接主要以人工为主在焊接质量、精度和一致性方面无法满足要求 随着中国智能制造战略的提出机器人工业与传统的焊接工业深入融合使得焊接工作朝着自动化、高精度、高效率方向发展不仅大大降低传统手工焊接的劳动强度同时在焊接质量、精度和一致性方面得到满足目前机器人焊接系统大都是以多自由度的工业机器人与末端的焊枪执行器为主辅以控制器、变位机、人机界面等配套设备 对于风机叶轮的焊接路径规划大都采用离线编程和手工演示方法虽然一定程度上提高焊接工作的自动化程度但离线编程存在制定的焊接路径与实际有误差需要焊接技术人员加强对焊接过程的观察及时调整焊接过程的不合理之处手工演示需要技术人员先进行手工焊接路径的规划使路径规划的精度受到影响一定程度上减小机器人焊接系统的应用范围 孙增光等人通过在 中设置焊接参数使得机器人焊接工作站可视化通过仿真不断优化参数得到最优焊接路径王杨霄等人针对焊接路径规划的精度问题将焊接工艺流程规划与 样条曲线的轨迹规划相结合得出理想的熔覆路径达到预期的规划效果 基于以上工作基础本文设计一种基于六轴机器人控制的全自动的风机叶轮焊接系统通过数学建模进行工作空间平移和旋转的齐次变换建立机器人和变位机运动协调的数学模型运用 仿真机器人与两轴变位机的运动原理在 工作区域验证轨迹生成的准确性优化焊接参数为提高生产效率和焊接工艺质量降低焊接成本提供一定理论指导 系统硬件结构整体设计为了缩短离心风机叶轮的焊接时间设计焊接系统考虑的一个重要因素是系统的紧凑性软件的设计与硬件结构设计相辅相成软件用来接受硬件结构的输入并将结果输出给硬件结构以达到控制硬件的作用 其结构图如 所示该焊接系统的软件设计决定了硬件的性能结构 本文使用的软件程序是 人机界面程序以图 机器人焊接系统硬件结构及 公司的 软件梯形图程序 人机界面设计有几个用户友好的窗口每个窗口显示多个输入和输出设备或 对象 所有机器参数均可易于监控故障易于排除 人机界面与 通过串行总线进行通信 协议 由于梯形程序相对简单因此在该系统上采用了 梯形图程序设计易于理解并容易识别错误做出修改输入和输出信号容易和其他系统组件之间交换有效协调机器操作过程 如图 所示 与机器人控制器通过两根主电缆 和 进行通信 总的来说软件设计是整个焊机的关键部分需要简单可靠机器的最佳运转图 机器人焊接系统软件通信结构图.机器人运动学.机器人连杆参数模型机器人焊接系统的焊接精度很大程度取决于末端焊枪的运动轨迹因此研究机器人末端的位姿变化是机器人运动学问题的关键 本文选取 公司生产的 型机器人配合焊枪组成焊接系统的本体其三维模型如图 所示对于机器人的模型采用 参数方法建模其中 个参数分别表示关节角度、连杆偏移、连杆长度、连杆扭转角 型机器人的 参数如表 所示变位机的 参数如表 所示其中变位机为两轴图 型机器人()焊枪()表 型机器人 参数连杆.表 变位机的 参数轴.根据机器人标准的 参数模型在 软件工具箱中调用 类函数建立机器人和变位机的运动学三维空间模型模型如图 所示图 型机器人关节模型()变位机的关节模型().焊接系统建模与验证本次焊接系统建模为多自由度的机器人和变位机即求解变位机与工业机器人的协调运动模型对焊接系统的建模为正运动学和逆运动学的理论计算正运动学即在已知各关节角的前提下求解末端执行器的位姿即焊枪和变位机的位姿分别对机器人和变位机求解正运动学得出机器人末端位姿:()()变位机末端位姿:()()其中 为机器人的基坐标系、为变位机的基坐标系、为焊接系统中相邻坐标系的变换矩阵、为位姿的向量 根据公式()和()得出变位机和机器人位置关系式:()()()其中 为变位机和工业机器人共同参考坐标系 上述公式给出机器人和附着在机器人末端工具的位置关系 而本次焊接过程是从一个点到另一个点的运动利用逆运动学求出各个关节位置的不同角度即求关节的初始位置和最终位置进而生成空间轨迹 采用五阶多项式描述关节的运动轨迹:()()其中 为关节在给定轨迹内的移动时间、()为关节角位置随时间变化的光滑函数在初始位置和最终位置分别为 和 且初始位置和最终位置的速度及加速度均为 由公式()推导出关节的速度和加速度公式:速度:()()加速度:()()约束方程:()()()其中系数、分别由以下方程得出:()()()()()()()综合上述公式得出任意关节在轨迹运动过程中关节角位置、速度及加速度:()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()().机器人焊接过程仿真模拟.机器人及变位机运动学的 仿真为了评估上述建立的运动协调数学模型的有效性运用 软件对建立的数学模型进行运动学仿真避免在运行过程中碰撞干涉 以 秒为计量单位关节运动角度的单位为/各关节在两种姿态之间运动通过在工作空间慢跑到目标位置进行模拟其角度位移、速度、加速度情况如图、所示由仿真结果得知各关节在两姿态之间初始位置和最终位置的速度及加速度为 遵循建立的运动协调模型约束条件验证建立的数学模型有效 图 表明关节空间控制的运动使得机器人末端与工件遵循所要求的路径进一步表明运动协调模型有效图 型机器人关节角度曲线()、速度曲线()、加速度曲线()图 两轴变位机关节角度曲线()、速度曲线()、加速度曲线()图 机器人末端运动轨迹 图 显示 轴工业机器人和 轴变位机在空间工作站中的位置充分证明该焊接操作系统对焊接风机叶轮的有效性据此可建立末端焊枪和工件的运动规律 综合以上运动学仿真结果得出在模型正确的前提下机器人和变位机的角度、转速变化曲线连续且平滑符合机构运动学规律减少了机构内部惯性力冲击提高了焊接机器人使用寿命和焊接精度图 机器人和变位机空间位置 .机器人焊接系统的 仿真研究采用 仿真软件的 动态组件功能生成机器人焊接系统的可视化平台展现 轴工业机器人和 轴变位机的工作空间(图)依靠 动态组件赋予部件接受和输出信号的能力通过系统/信号实现工作站联调联动焊接参数设置:材质为 碳钢板最大电流参数为 焊接电压为 送丝速度为/焊丝直径为.保护气为 气体保护气详细参数为:气体量为./、预送气时间为、尾送气时间为.、清枪送气时间、气体纯度 仿真部分程序如下:图 机器人焊接的可视化平台()!():依据上述设置仿真焊接路径示意图如图 所示图 焊接路径仿真结果示意图 .结论()对 型工业机器人和两轴变位机建立运动协调的数学模型通过 软件对建立的模型进行运动学仿真得出角度、速度及加速度曲线连续且平滑符合运动学规律验证了数学模型有效()采用 仿真软件的 动态组件对焊接工作站进行可视化布局设定焊接参数通过仿真焊接轨迹验证该焊接系统对风机叶轮焊接的可行性参考文献:孙增光王士军孟令军等.基于 焊接机器人工作站仿真设计.机床与液压().王杨霄孙文磊刘金朵等.复杂曲面零件激光随形熔覆轨迹规划研究.机械设计().吴超群赵松雷艇.曲线焊缝的机器人焊接轨迹规划与高频控制/.中国机械工程.曹学鹏张弓杨根等.面向三维复杂焊缝的焊接机器人焊缝跟踪方法.工程科学学报().解海亮黄思王天正等.双机器人紧协调焊接路径规划与离线编程.机械设计().周睿.面向复杂焊接作业机器人的空间焊缝提取及多机任务规划.南京:东南大学.基于 控制的焊接机器人设计与优化.杭州:浙江师范大学.范祺蔡玉强贾思楠.基于 的机器人焊接工作站仿真.华北理工大学学报(自然科学版)().(责任编辑:孙 强)