用于检测焊接及打磨质量的云台结构设计与试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月天 津理工大学学报 .收稿日期:修订日期:基金项目:国家重点研发计划项目()天津市智能制造科技重大专项()天津市重点研发计划项目()天津科技重大专项与工程项目():/用于检测焊接及打磨质量的云台结构设计与试验研究 鲁林平(天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 天津 天津理工大学 机电工程国家级实验教学示范中心 天津)摘要:为对工件表面焊瘤进行打磨处理 全面检测焊缝的表面缺陷 设计了一种 自由度视觉检测的云台结构定义了 自由度关节的姿态与运动学的 表示形式 建立了 自由度关节的运动学方程 根据 自由度云台的功能尺寸要求 使用 表示法创建了云台坐标系和运动方程式 求解出相机的运动方程 利用 软件完成 自由度云台的结构设计 并采用 软件分析了云台结构强度 通过对加工的样机进行试验研究 验证了云台结构设计的合理性 研究可为相关领域提升自动化水平提供参考关键词:自由度 打磨云台 运动学分析 分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:焊接加工是机械制造行业中较重要的工艺过程 为确保产品加工质量的稳定性 提高生产效率 减轻员工的劳动强度 改善工作环境 现代焊接工艺成为发展中的紧迫问题 解决上述问题的主要天津理工大学学报第 卷 第 期途径是提高焊接生产的自动化程度 随着电子技术、计算机技术、数控技术和控制理论的发展 机器人技术为焊接和抛光过程的自动化提供了技术基础焊接受许多因素影响 易产生各种内部和外部缺陷焊接过程中 会产生强烈的电弧、高温和烟雾 且由于飞溅工件表面会产生焊瘤 焊接后 焊缝质量的监控是提高焊接过程自动化程度的保证 当前 用于焊接检测和跟踪控制的方法主要包括视觉检测、声学检测和光学检测 由于实时、直观和可记录的优点 视觉检测被广泛使用 为提高焊接质量和力学性能国标中建议的焊后高度为 因此 有必要在焊接后抛光焊缝 提高焊缝的美观性 通过集成焊接和抛光打磨工艺 使用焊接机器人和抛光打磨机器人进一步提高生产效率 年 公司设计并制造了第一个云台 公司致力于研究和开发各种用途的云台 公司研究的高速定位系统在水平方向上的最大角速度为 ()/可用于快速定位 开发了一种具有直流工作电压的两步式电动机 开发了名为 的立体视觉头德国 开发了主动立体视觉系统 的计算机视觉和主动传感实验室开发了一种 自由度机器人主动视觉云台 用于多自由度机器人 从各个角度获取视觉信息并采取正确的行动在过去的 年中 我国对云台的研究显示出良好的发展势头 其准确性、规模和集成度均有不同程度的提高 清华大学在 年使用了配备摄像头的车载云台来完成车辆跟踪试验 浙江大学开发了具有两个自由度的伺服控制云台 具有很高的定位精度并配备自动跟踪和监视的摄像机 中国科学院自动化研究所开发了多自由度云台 以实现多角度自由拍摄 并应用于多自由度立体图像仿真平台 上海交通大学利用基于 的云台软件和硬件控制系统结合智能图像处理技术和两个自由度云台 开发了一种数码相机自拍系统 中南大学开发了由步进电机驱动激光测距仪的 自由度水平、垂直和倾斜运动的云台 最大水平角速度为 ()/最大垂直角速度为 ()/哈尔滨工程大学开发了护士遥控辅助机器人 包括与摄像机集成的云台 可实现水平和垂直移动 水平角度范围是 垂直方向范围是文中主要研究装有视觉传感器的多自由度云台结构 目的是在焊接和抛光打磨过程中监视加工区域中的位置和焊接与抛光过程 适应恶劣的现场环境 自由度云台结构设计 文中设计的 自由度云台将 直线运动和两旋转运动相结合 即 五自由度云台 其中 表示 个平动关节 表示两个转动关节 平动确定摄像头或相机位置 两转动确定姿态 如图 所示 方向平动电机 方向平动电机 方向平动电机 回转电机 回转电机 图 自由度结构云台 电机 和 用在 平动自由度结构的运动可实现摄像头或照相机位置在工作空间中达到左、右、上、下和前、后所需的位置电机 可使摄像头或照相机水平方向转动 电机 可使摄像头或照相机在垂直方向往前转动 或往后转动 平动和两转动的 自由度云台结构云台可实现左、右、上、下、前、后和两个转动运动 平动和两转动 自由度云台结构无死角和无盲区 云台结构设计参数如表 所示 年 月 等:用于检测焊接及打磨质量的云台结构设计与试验研究表 自由度云台结构设计规格 名称数值/关节的最大行程/关节旋转角度/()关节旋转角度/()可重复性 摄像机最大质量/自由度结构云台运动学分析 自由度分析云台的固定底座与立柱相连 固定底座顶面上安装有水平方向的导轨和齿条 立柱底面有导轨与底座导轨相匹配 立柱底部安装带减速器的驱动电机 驱动电机 输出轴上安装的齿轮与固定底座齿条相啮合 驱动立柱水平运动 立柱侧面通过连接板与横梁相连 立柱侧面安装垂直导轨和齿条 连接板一侧的垂直导轨与立柱侧面导轨相配合 连接板同侧安装带减速器的驱动电机 驱动电机 输出轴上安装的齿轮与立柱侧面齿条相啮合 驱动连接板及横梁垂直运动 连接板另一侧的水平导轨与横梁导轨相配合 连接板同侧安装有带减速器的驱动电机 驱动电机 输出轴上安装的齿轮与横梁齿条相啮合 驱动横梁作前后运动 横梁前端下表面安装带减速器的回转电机 带减速器的回转电机 与所述回转电机 的输出轴相连回转电机 的输出轴带动回转电机 作水平方向回转运动 安装在回转电机 输出轴上的摄像头或照相机垂直方向回转运动 该结构可实现摄像头的 自由度运动 具有拍摄无死角 运动范围大 运动精度高等特点 云台运动学分析机器人的运动学通常采用 参数法(法)通过推导末端执行器相对于基坐标系的位姿 建立机器人运动学方程 法由 四个参数描述 连杆长度 和连杆转角 用于描述连杆本身 连杆偏距 和关节角 用于描述相邻连杆间的位置关系和角度关系 图 为 自由度云台空间坐标图 云台的 参数如表 所示图 自由度空间坐标图 表 自由度云台 参数 节点/()/()/()根据运动学 法定义 从关节 到关节 的转换矩阵为:()()代入云台参数 得到 自由度云台结构的运动学方程为:()()天津理工大学学报第 卷 第 期 ()()()计算可得:()()()()()式中:()()()()()()()()自由度云台运动坐标分析设 初 始 状 态 下 摄 像 头 的 姿 态 向 量 为 即初始时摄像头指向工作台 轴正方向 摄像头相对于工件的位置为()在最佳拍摄状态下的加工拍摄过程中 从当前加工点到下一个加工点 设 自由度云台的平动距离分别为 转动角度分别为 和 从摄像头坐标系到工作台坐标系下 对 自由度云台的运动状态进行运动学分析 运动学齐次方程推导和求解过程如下:初始状态下 从摄像头坐标系到工作台坐标系下的变换矩阵为:()()在标刻加工过程中 从当前最佳拍摄点到下一个最佳拍摄点 三个平动轴坐标系相对于工作台坐标系来说只有平移变换 对应的平移变换矩阵为:()()对电机 的转动轴来说 在加工拍摄过程中 从当前最佳拍摄点到下一个最佳拍摄点 电机 的转动轴坐标系相对于工作台坐标系只有旋转变换 对应的旋转变换矩阵为:()()对电机 的转动轴来说 对应的旋转变换矩阵为:()()根据齐次坐标变换叠加 得到相机位置在最佳态下 从当前加工点到下一个加工点 从摄像头坐标系到 自由度云台坐标系的变换矩阵为:()()()()()计算得出相机位置最佳时 摄像头坐标系到 自由度云台坐标系的变换矩阵为:()若已知最佳相机状态时拍摄 在工作台坐标系中当前加工点 为()下一个加工点 为()结合式()可得 从当前加工点到下一个加工点的矩阵变换为:()计算可得:()年 月 等:用于检测焊接及打磨质量的云台结构设计与试验研究若已知最佳拍摄状态下 工作台姿态矢量为()根据式()可得:()由式()和式()可得:()为达到最佳拍摄状态 控制 自由度云台运动需知道从当前加工点到下一个加工点各轴的运动 根据式()可得:()最终得到从当前加工点位置到下一个加工点位置过程中 自由度云台 个平动轴移动距离 和的数学表达式 进而得到 个平动轴的数学模型同时 由式()可得:()()可知 和有两个解 其具体象限应按运动的连续 性 确 定 取 值 要 符 合 行 程 范 围 在行程范围内选择合适的转动角度 和 的行程范围 不超出范围即可 自由度云台强度分析 用于加工云台的材料为结构钢 力学性能如表 所示表 结构钢材料的力学性能 杨氏模量/泊松比体积模量/剪切模量/极限抗拉强度/拉伸屈服强度/强度系数/强度指数延展性系数延展性指数循环强度系数/循环硬化应变指数 将 自 由 度 云 台 结 构 模 型 导 入 到 软件中进行网格划分 网格划分是有限元分析的关键步骤 影响计算结果的精度和正确性 文中采用自由网格划分 如图 所示图 云台网格划分效果 在 中 单元类型设置为 与 弹性模量设置为 泊松比设置为 密度设置为 /图 为重力载荷下云台的位移图 最大位移发生在横梁端部 值约为 满足变形量小于 的设计要求图 云台位移图 天津理工大学学报第 卷 第 期图 为应力云图 结构最大应力为 远小于材料的屈服强度图 云台应力图 焊接飞溅打磨试验 利用设计的云台进行焊接飞溅打磨试验 图 为加工出的云台与打磨机器人的实物照片 云台移动到工件的最佳拍摄点后 选取在焊接中飞溅较为密集的区域作为打磨区域 如图 所示图 自由度云台实物加工 图 飞溅试件 云台将飞溅区位置坐标传输给打磨机器人 通过程序控制打磨机器人对目标区域开展自动打磨作业图 为打磨后的效果图 飞溅打磨后效果 由图 可看出 目标区域内的锈渍及飞溅被完整去除 钢材表面露出金属光泽 实现了飞溅自动处理的目标 结论 针对现有云台在结构、运行规律、稳定和拍摄死角等问题 开发了具有 平动加两转动且无工作死角的 自由度云台结构 并进行了静力学分析及运动学分析 确定了变换矩阵 实现了打磨机器人的自动运行 从试验结果来看 云台具有结构简单、安装便捷、便于控制且实用性高的优点参 考 文 献黄国锋.煤矿机械制造过程中的焊接变形因素及其控制工艺.中国高新技术企业 ():.李亚江 吴娜 .先进焊接技术在航空航天领域中的应用.航空制造技术 ():.王小川.自动化焊接技术在钢结构生产中的研究与应用.内燃机与配件 ():.叶坤.机器人自动化弧焊生产线.电焊机 ():.苏虎 张家斌 张博豪 等.基于视觉感知的表面缺陷检测综述.计算机集成制造系统 ():.:.():.谭民 梁自泽 李国亮 等.开放式工业机器人视觉控制平台:中国 .杜欣 赵晓光 谭民.五自由度立体视觉仿真平台设计与建模.计算机仿真 ():.年 月 等:用于检测焊接及打磨质量的云台结构设计与试验研究黄泽兵 赵群飞 赵浩.一种新型数码相机自拍系统的设计.机电一体化 ():.邹小兵 蔡自兴 于金霞 等.基于激光测距的移动机器人 环境感知系统设计 .高技术通讯 ():.孟庆鑫 王立权 陈东良 等.遥控式护士助手机器人:中国 .张淑璐 张森 张志利.下肢外骨骼轨迹跟踪控制系统仿真分析.天津理工大学学报 ():.李雪梅 崔菲菲 骆海涛 等.六自由度工业机器人运动学分析与仿真.制造业自动化 ():.吴万欣 田军委 丁良华 等.六自由度机械臂运动学分析与仿真.天津理工大学学报 ():.:.作者简介:()男 硕士研究生 研究方向:机器人技术:鲁林平(通信作者)()男 副教授 博士研究生 研究方向:机器人技术