姬源浩,王 華

(1.商丘職業(yè)技術(shù)學院,河南 商丘 476000;2.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院,海南 海口 570100)

前言

由于化石能源的不可再生性及使用所帶來的環(huán)境問題,尋找清潔可再生能源得到全世界的關(guān)注,而風能作為一種兼具可再生性和環(huán)境友好型的能源成為當今研究的熱點。風機葉輪作為風能發(fā)電的重要設(shè)備成為制約風能利用的關(guān)鍵。風機葉輪的生產(chǎn)以焊接組裝為主,傳統(tǒng)的焊接主要以人工為主,在焊接質(zhì)量、精度和一致性方面無法滿足要求。隨著中國智能制造戰(zhàn)略的提出,機器人工業(yè)與傳統(tǒng)的焊接工業(yè)深入融合,使得焊接工作朝著自動化、高精度、高效率方向發(fā)展,不僅大大降低傳統(tǒng)手工焊接的勞動強度,同時在焊接質(zhì)量、精度和一致性方面得到滿足。

目前,機器人焊接系統(tǒng)大都是以多自由度的工業(yè)機器人與末端的焊槍執(zhí)行器為主,輔以控制器、變位機、人機界面等配套設(shè)備。對于風機葉輪的焊接路徑規(guī)劃大都采用離線編程和手工演示方法,雖然一定程度上提高焊接工作的自動化程度,但離線編程存在制定的焊接路徑與實際有誤差,需要焊接技術(shù)人員加強對焊接過程的觀察,及時調(diào)整焊接過程的不合理之處;手工演示需要技術(shù)人員先進行手工焊接路徑的規(guī)劃,使路徑規(guī)劃的精度受到影響,一定程度上減小機器人焊接系統(tǒng)的應用范圍。孫增光[1]等人通過在Robostudio中設(shè)置焊接參數(shù),使得機器人焊接工作站可視化,通過仿真不斷優(yōu)化參數(shù)得到最優(yōu)焊接路徑;王楊霄[2]等人針對焊接路徑規(guī)劃的精度問題,將焊接工藝流程規(guī)劃與B樣條曲線的軌跡規(guī)劃相結(jié)合,得出理想的熔覆路徑,達到預期的規(guī)劃效果?；谝陨瞎ぷ骰A(chǔ),本文設(shè)計一種基于六軸機器人控制的全自動的風機葉輪焊接系統(tǒng),通過數(shù)學建模進行工作空間平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換,建立機器人和變位機運動協(xié)調(diào)的數(shù)學模型,運用Matlab仿真機器人與兩軸變位機的運動原理,在3D工作區(qū)域驗證軌跡生成的準確性,優(yōu)化焊接參數(shù),為提高生產(chǎn)效率和焊接工藝質(zhì)量,降低焊接成本提供一定理論指導。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

為了縮短離心風機葉輪的焊接時間,設(shè)計焊接系統(tǒng)考慮的一個重要因素是系統(tǒng)的緊湊性,軟件的設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計相輔相成,軟件用來接受硬件結(jié)構(gòu)的輸入,并將結(jié)果輸出給硬件結(jié)構(gòu)以達到控制硬件的作用。其結(jié)構(gòu)圖如1所示。

該焊接系統(tǒng)的軟件設(shè)計決定了硬件的性能結(jié)構(gòu)。本文使用的軟件程序是MCGS人機界面程序以及Siemens公司的PLC軟件梯形圖程序。人機界面設(shè)計有幾個用戶友好的窗口,每個窗口顯示多個輸入和輸出設(shè)備或HMI對象。所有機器參數(shù)均可易于監(jiān)控,故障易于排除。人機界面與PLC通過串行總線進行通信RS232協(xié)議。由于梯形程序相對簡單,因此在該系統(tǒng)上采用了PLC梯形圖程序設(shè)計,易于理解并容易識別錯誤做出修改,輸入和輸出信號容易和其他系統(tǒng)組件之間交換,有效協(xié)調(diào)機器操作過程[3]。如圖2所示,PLC與機器人控制器通過兩根主電纜CRMA15和CRMA16進行通信。總的來說,軟件設(shè)計是整個焊機的關(guān)鍵部分,需要簡單可靠機器的最佳運轉(zhuǎn)。

2.機器人運動學

2.1 機器人連桿參數(shù)模型

機器人焊接系統(tǒng)的焊接精度很大程度取決于末端焊槍的運動軌跡[4],因此,研究機器人末端的位姿變化是機器人運動學問題的關(guān)鍵。本文選取ABB公司生產(chǎn)的IBR2600型機器人配合焊槍組成焊接系統(tǒng)的本體,其三維模型如圖3所示。

對于機器人的模型采用D-H參數(shù)方法建模,其中4個參數(shù)分別表示關(guān)節(jié)角度、連桿偏移、連桿長度、連桿扭轉(zhuǎn)角[5],IBR2600型機器人的D-H參數(shù)如表1所示,變位機的D-H參數(shù)如表2所示,其中變位機為兩軸。

表1 IBR2600型機器人D-H參數(shù)

表2 變位機的D-H參數(shù)

根據(jù)機器人標準的D-H參數(shù)模型,在MATLAB軟件工具箱中調(diào)用Link類函數(shù)建立機器人和變位機的運動學三維空間模型[6],模型如圖4所示。

2.2 焊接系統(tǒng)建模與驗證

本次焊接系統(tǒng)建模為多自由度的機器人和變位機,即求解變位機與工業(yè)機器人的協(xié)調(diào)運動模型。對焊接系統(tǒng)的建模為正運動學和逆運動學的理論計算,正運動學即在已知各關(guān)節(jié)角的前提下求解末端執(zhí)行器的位姿,即焊槍和變位機的位姿,分別對機器人和變位機求解正運動學得出,

機器人末端位姿:

(1)

(2)

其中,0為機器人的基坐標系、A為變位機的基坐標系、T為焊接系統(tǒng)中相鄰坐標系的變換矩陣、P為位姿的向量。根據(jù)公式(1)和(2)得出變位機和機器人位置關(guān)系式:

(WTA×BTA×CTB)×CP=(0T1×0T1×1T2×2T3×3T4×4T5×5T6)×6P

(3)

其中,W為變位機和工業(yè)機器人共同參考坐標系。上述公式給出機器人和附著在機器人末端工具的位置關(guān)系。而本次焊接過程是從一個點到另一個點的運動,利用逆運動學求出各個關(guān)節(jié)位置的不同角度,即求關(guān)節(jié)的初始位置和最終位置,進而生成空間軌跡。采用五階多項式描述關(guān)節(jié)的運動軌跡[7]:

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(4)

其中,t為關(guān)節(jié)在給定軌跡內(nèi)的移動時間、θ(t)為關(guān)節(jié)角位置隨時間變化的光滑函數(shù),在初始位置和最終位置分別為θ0和θf,且初始位置和最終位置的速度及加速度均為0。由公式(4)推導出關(guān)節(jié)的速度和加速度公式:

(5)

(6)

約束方程:θ0=a0,θf=a0+a1tf+a2tf2+a3tf3+a4tf4+a5tf5

(7)

(9)

(10)

其中系數(shù)a0、a1、a2、a3、a4、a5分別由以下方程得出:

(11)

綜合上述公式得出任意關(guān)節(jié)在軌跡運動過程中關(guān)節(jié)角位置、速度及加速度:

(12)

(13)

3.機器人焊接過程仿真模擬

3.1 機器人及變位機運動學的Matlab仿真

為了評估上述建立的運動協(xié)調(diào)數(shù)學模型的有效性,運用Matlab軟件對建立的數(shù)學模型進行運動學仿真,避免在運行過程中碰撞干涉。以50秒為計量單位,關(guān)節(jié)運動角度的單位為rad/s,各關(guān)節(jié)在兩種姿態(tài)之間運動通過在工作空間慢跑到目標位置進行模擬,其角度位移、速度、加速度情況如圖5、6所示,由仿真結(jié)果得知,各關(guān)節(jié)在兩姿態(tài)之間初始位置和最終位置的速度及加速度為0,遵循建立的運動協(xié)調(diào)模型約束條件,驗證建立的數(shù)學模型有效。圖7表明,關(guān)節(jié)空間控制的運動使得機器人末端與工件遵循所要求的路徑,進一步表明運動協(xié)調(diào)模型有效。

圖8顯示6軸工業(yè)機器人和2軸變位機在空間工作站中的位置,充分證明該焊接操作系統(tǒng)對焊接風機葉輪的有效性,據(jù)此可建立末端焊槍和工件的運動規(guī)律。綜合以上運動學仿真結(jié)果,得出在模型正確的前提下,機器人和變位機的角度、轉(zhuǎn)速變化曲線連續(xù)且平滑,符合機構(gòu)運動學規(guī)律,減少了機構(gòu)內(nèi)部慣性力沖擊,提高了焊接機器人使用壽命和焊接精度。

3.2 機器人焊接系統(tǒng)的Robotstudio仿真

研究采用Robotstudio仿真軟件的Smart動態(tài)組件功能生成機器人焊接系統(tǒng)的可視化平臺,展現(xiàn)6軸工業(yè)機器人和2軸變位機的工作空間(圖9),依靠smart動態(tài)組件賦予部件接受和輸出信號的能力,通過系統(tǒng)I/O信號實現(xiàn)工作站聯(lián)調(diào)聯(lián)動。

焊接參數(shù)設(shè)置:材質(zhì)為Q235碳鋼板,最大電流參數(shù)為30A;焊接電壓為24V;送絲速度為6mm/s;焊絲直徑為1.2mm;保護氣為CO2氣體,保護氣詳細參數(shù)為:氣體量為0.3L/s、預送氣時間為1s、尾送氣時間為1.5s、清槍送氣時間2s、氣體純度>98%[8],仿真部分程序如下:

PROCmain()

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ENDPROC

PROC Path_10()

MoveL Target_10,v200,fine,tWeldGunWObj:=wobj0;

MoveL Target_20,v200,fine,tWeldGunWObj:=wobj0;

SetDO kk0,1;

MoveL Target_30,v200,fine,tWeldGunWObj:=wobj0;

…

MoveL Target_220,v200,fine,tWeldGunWObj:=wobj0;

SetDO kk0,0;

MoveL Target_230,v200,fine,tWeldGunWObj:=wobj0;

ENDPROC

ENDMODULE

依據(jù)上述設(shè)置,仿真焊接路徑示意圖如圖10所示。

圖1 機器人焊接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 機器人焊接系統(tǒng)軟件通信結(jié)構(gòu)圖

圖3 IBR2600型機器人(a) 焊槍(b)

圖4 IBR2600型機器人關(guān)節(jié)模型(a) 變位機的關(guān)節(jié)模型(b)

圖5 IBR2600型機器人關(guān)節(jié)角度曲線(a)、速度曲線(b)、加速度曲線(c)

圖6 兩軸變位機關(guān)節(jié)角度曲線(a)、速度曲線(b)、加速度曲線(c)

圖7 機器人末端運動軌跡

圖8 機器人和變位機空間位置

圖9 機器人焊接的可視化平臺

圖10 焊接路徑仿真結(jié)果示意圖

4.結(jié)論

(1)對IBR2600型工業(yè)機器人和兩軸變位機建立運動協(xié)調(diào)的數(shù)學模型,通過Matlab軟件對建立的模型進行運動學仿真,得出角度、速度及加速度曲線連續(xù)且平滑,符合運動學規(guī)律,驗證了數(shù)學模型有效。

(2)采用Robotstudio仿真軟件的Smart動態(tài)組件對焊接工作站進行可視化布局,設(shè)定焊接參數(shù),通過仿真焊接軌跡,驗證該焊接系統(tǒng)對風機葉輪焊接的可行性。