1、焊接机器人运动路径优化仿真分析,摘 要本课题针对的主要研究对象是工业上应用非常普遍的六自由度工业焊接机器人。把工厂的实际生产过程，与焊接机器人相关的理论结合，运用虚拟样机对焊接机器人的运动进行仿真并且优化从而提高生产效率和产品质量。本文针对六自由度焊接机器人路径优化角度出发，详细的介绍了工业机器人结构的描述方法，包括了空间的描述，机器人坐标系的建立，及焊接机器人运动方程的正解及逆解的求解。运用D-H方法建立数学模型，并对运动路径进行优化。阐明了焊接机器人虚拟样机的模拟过程，例如，焊机机器人虚拟样机模型的导入，模型在ADAMS中的前期处理步骤，焊接机器人模型的检测，为接下来进行的仿真过程做好了准
2、备。然后，利用机器人运动学理论和虚拟样机技术，从焊接工艺出发，依据焊接任务要求，结合相关虚拟模拟软件ADAMS及ANSYS联合对机器人的焊接运动过程完成了仿真分析求解及验证。最后，在工厂现有设备的基础上对焊接的运动的轨迹进行验证,焊接机器人的结构(1) 焊接机器人本体。焊接机器人的本体就是机器人的机械手机构或者可以叫做操作机，也就是焊机机器人的机械部分。(2) 驱动器。工业机器人在驱动方式的选择上有几种驱动方式，一般有伺服电机驱动和液压的驱动方式，在本课题中采取的驱动方式为伺服电机驱动。(3) 控制器。控制器作为工业机器人的“大脑”，它承担着对工业机器人所有信息的处理功能，用来控制工业机器人的
3、机械手的运动。(4) 焊接设备，各类焊枪等等。,1.基座，是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，本文采用固定式2.腰部，是连接大臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动在家长上臂部的平面运动，就能使手腕做空间运动3.大臂，连接腰部与小臂，组件包括大臂和传动部件，在用以驱动小臂做俯仰运动4.小臂，用以连接大臂与手腕，组件包括小臂、传动部件、传动轴等5.手腕，与末端执行器相连，主要功能是带动末端执行器完成预定姿态6.末端执行器，是机器人直接进行工作的部分，用来安装焊枪,焊接机器人本体的构成,机器人运动学理论坐标系,的运动学理论中经常使用的坐标系主要分为以下几种形式：(1) 参考坐标系
4、，就是坐标系的方向和位置不会随着机器人的运动而产生移动变化，在一个机器人运动学系统中，参考坐标系的作用是起到一个定位的作用，所以通常也被叫做固定坐标系。本文的参考坐标系为基座的坐标。(2) 关节坐标系，在工业机器人的运动学系统中，通常用来描述工业机器人各个机械臂的关节坐标，来定义各个关节的运动参数问题。(3) 工具坐标系，也就是位于工业机器人末端坐标系，在整个机器人的空间系统中，工具坐标系就是焊枪端点的坐标系。工具坐标系的原点坐标都会随着机器人的运动产生位置和角度上的变化。(4) 用户坐标系，自定义的坐标系存在于空间的任意一个物体，我们可以通过坐标系的定义从而对这个物体进行描述，关于具有多个关
5、节的串联机器人来说，有众多的空间坐标系，所以在讨论各个空间坐标系之间的关系时应该如何表示，那么就需要讨论坐标系的变换问题,机器人坐标变换,关于具有多个关节的串联机器人来说，有众多的空间坐标系，所以在讨论各个空间坐标系之间的关系时就需要讨论坐标系的变换问题，主要的变换有平移变换、旋转变换和复合变换,平移变换 旋转变换 复合变换,将复合变换转换成等价的齐次变换并写成矩阵的形式 即转化为了 的形式该矩阵称为T矩阵，综合表示了平移变换和旋转变换如果要求齐次变换的逆变换，则可以通过矩阵求逆方法来获取,转动关节连杆D-H表示,对于有多个自由度的机器人，有多个关节，所以需要对每个关节建立坐标系，然后通过前面
6、所讲的坐标变换的方法来建立各个坐标系之前的关系，这里我们运用一种D-H法，是一种矩阵的方法，能为关节连中的每个连杆建立坐标系。D-H法的X方向是由当前轴和相邻的下一轴来确定的。如图，两个连杆的连接关系为转动关系，机构中存在三个旋转关节，先确定Z轴方向，根据己有的Z轴得出X轴。,构建机器人连杆坐标系,利用齐次坐标变换矩阵，可表示相邻两连杆的相对位置和方向的关系，这种矩阵成为A矩阵。如果存在任意两个连杆坐标系i-1和i，i-1可以经过旋转-平移-平移-旋转四次变换后与i完全重合，那么A矩阵为：,展开可得,机器人的运动学正解与逆解,机器人运动学正解就是已知机器人各关节变量，计算机器人的末端姿位。也可
7、说是求解运动学方程，即得到机器人各关节坐标。将D-H参数带入到A矩阵中，可得到六个齐次变换矩阵A1 A2 A3 A4 A5 A6则最后机器人执行端点相对于空间坐标系的变换方阵就是将这六个矩阵作积T6= A1*A2*A3*A4*A5*A6T6即为机器人运动输出端位置姿态矩阵,逆运动学是在给定机器人末端姿位和结构参数的条件下，求解该位姿态条件下的各关节变量的值。机器人运动学的逆解是正解的逆过程。求解方法主要用到矩阵求逆及求反三角函数的方法,机器人的动力学方程,机器人的动力学也可以分为正向和逆向两个方面。正向运动学研究的主要目的就是在机构关节运动副处施加力与力矩的前提条件下，对机械结构中的关节进行位
8、移、速度及加速度的求解。而逆运动学的研究主要目的就是已知对一个点施加一个位移、速度、加速度的情况下，求整个机构的关节所受的力矩。机器人的动力学方程求解分为以下几个步骤1.求各机械杆的动能和传动系统的总动能K2.求各机械杆的总势能P（传动部分的机械装置所占的势能相对于整个机械系统中所占的比例很小，所以在整个系统中，这一部分的势能可以忽略不计）3.建立机器人系统的拉格朗日函数方程L=K-P4.对拉格朗日函数求导，得出动力学方程,我们可通过用ADAMS，对焊接机器人各连接臂主惯性矩进行求解。当给导入ADAMS中的模型添加材料特性后，ADAMS就可以自动求解，能够准确的得到每一个关节的主惯性矩。所有机
9、械手的空间坐标、空中姿态、重心位置与质量，都可以通过ADAMS软件对模型中的数据进行体现,机器人的空间,机器人空间主要分为可达工作空间、关节空间和灵活工作空间，这三个空间与机器人的控制问题紧密相连*可达工作空间也就是机器人末端能到达的空间所有点的集合。*灵活工作空间即工业机器人能够可以使用任何一种位姿状态所达到的空间所有点的集合*关节空间即机器人各关节角度的变化范围,三种空间之间的关系,三维模型的建立,Adams虽然可以进行建模和装配了，但是模型的建立和装配比较麻烦，只适用于模型比较简单和一些基本的功能演示。本文中使用了CATIA进行模型的建立。在建立模型时，我们要对系统模型进行分析前的简化，
10、可以将一些无关紧要的零件删掉或者在系统中隐藏，这样仿真的时间就会大大缩短，成功率也会大大的提高，例如：轴承、螺钉、螺栓等一些小部件都可以删掉。,CATIA中的三维建模,可达空间的验证,在进行虚拟样机的模拟仿真之前，我们需要对焊接机器人的可达空间进行验证，在可达空间的运动范围确定后才能对运动轨迹进行合理有效的分析，根据所给的各个关节的角度范围参数可确定焊接机器人的可达空间,关节角度范围参数,焊接机器人最大可达空间,本篇文章主要应用Adams对焊接机器人进行运动优化，可是CATIA与Adams之间没有接口，CATIA文件不能直接导入到Adams软件中，在这里会用到中间软件SolidWorks进行中
11、间步骤的转换。在CATIA中将文件另存为stp格式的文件，这样可以最小的减少文件在转换过程中数据的丢失，然后用SolidWorks打开，然后另存为Parasolid（x_t）类型的文件，在ADAMS中创建ROBOT_1文件，在导入时将CATIA文件转换成stp文件，再用SolidWorks转成Parasolid（x_t）文件，然后从文件夹中选取所转换的文件，就可以在Adams中导入CATIA中建好的焊接机器人三维模型。,导入到Adams中的模型,Adams三维模型的导入,1.焊接机器人模型定义在ADAMS刚性运动学分析中，零件的材料属性不会影响到整个机械系统的运动性能分析，但是，如果在具有运动
12、速度的情况下，整个机械系统模型的材料属性就会对整个机械系统的动力学特性产生影响，所以在虚拟样机仿真的过程中，我们必须根据实际焊接机器人的材料特性进行模拟2.添加运动副参照给定的各关节的角度范围参数，为机器人的各关节添加运动副，六个关节全部为旋转,Adams运动仿真,添加完运动副的几何模型,3.添加驱动副在对Adams模型进行仿真首先需要解决的问题就是如何添加焊接机器人各个关节处的驱动，参照给定的各关节角度范围参数， 运用Adams的点驱动方式General Point Motion添加驱动运用 General Point Motion 模块，在焊接机器人虚拟样机中焊枪端点处添加点驱动的命令，对
13、该点的六个运动方向进行约束，定义端点在X、Y、Z轴的旋转方向位姿不发生变化，剩下三个关于X、Y、Z三个方向的自由度，就可以利用编辑STEP函数进行轨迹的创建。STEP函数形式为：T-独立变量，X0-特殊的函数值，代表函数的起点X1-特殊的函数值，代表函数的末点H0-函数的初始值H1-函数的结束值由数组 T 中的 x 值拟合生成函数中点（X0，H0） 和点（X1,H1） 之间的阶跃曲线，并返回一个 y 值的数组,阶跃曲线示意图,对于X向平移，Y向平移，Z向平移的定义如下：Tra X: step(time,0,0,2,500)+step(time,2,0,4,0)+step(time,4,0,6,
14、0)+step(time,6,0,10,50*sin(0.2*PI*time) Tra Y: step(time,0,0,2,0)+ step(time,2,0,4,800)+ step(time,4,0,6,0) +step(time,6,0,10,50*cos(0.2*PI*time)Tra Z: step(time,0,0,2,0)+ step(time,2,0,4,0)+ step(time,4,0,6,400) +step(time,6,0,10,0)4.模型验证在仿真前还有必须的一个步骤，就是对模型的验证，检测对模型的定义是否正确，可以通过Adams中Model Verify 命令
15、，进行验证ADAMS软件中提供了虚拟样机移动部件的总数、固定副的多少、自由度的个数、驱动的个数、旋转副的个数以及模型的正确验证信息。,5.仿真进入仿真模块，我们将模拟时间定为10秒，把模拟的步骤分为300步来做，当运行分析完成后，我们就可以在ADAMS中对焊枪的端点进行轨迹跟踪仿真成功后，就可以利用ADAMS中的运动动画模块观察焊接机器人的运动变化，也可以根据ADAMS的后处理模块，这时每个运动关节和每个焊接机器人的零件都可以根据此模块查看各种分析数据,焊接机器人仿真得到的轨迹,六个关节角度变化曲线,6.仿真数据处理完成仿真之后， ADAMS中的ADAMS/Postprocessor模块就能够
16、对模拟的数据进行处理与对比，机器人六个自由度的角速度和角加速度值，能够在这个模块中直接产生,关节1-6的角加速度、角速度及角度值的曲线,根据Adams仿真测量及各个关节处生成的数据，可以看出机器人的运行状况基本平稳，速度、角速度及角加速度的时间曲线都比较平顺，但是，在焊接机器人刚刚启动时，关节的角加速度及力矩值都有突变的过程，也就是机器刚刚启动的时候有较大力矩的产生，也验证了刚开机时候有较大振动产生。根据Adams对数据的处理可知，关节5处存在最大力矩，数值为136N.m，同样可以看出在关节4处存在第二大的力矩值，这样就可以断定在大臂处存在较大的力分布，受到较大的惯性力矩及重力的影响，再刚刚启
17、动时会存在较大的震动.所以需要专门对大臂进行应力与形变的分析,刚柔混合模拟也可以理解为机构的瞬态动力学分析，在确定系统结构受力载荷的作用下，整个机构会受到阻尼效应以及惯性效应的影响。同前面ADAMS模拟中刚体动力学不同的是，在这种分析条件下，整个结构不仅仅有刚性体，也有柔性体，也正因为如此可以获得应变和应力的结果。所以通过ANSYS软件，可求得大臂在运动瞬态的最大应力响应的情况,大臂处ANSYS刚柔混合模拟,利用ANSYSY与AMAMS对大臂进行刚柔混合模拟仿真，将焊接机器人导入到ANSYS分析软件中，首先定义各个零件的材料特性，其次定义六个关节处的连接方式，全部为旋转，再就是在每个旋转副上添
18、加驱动。在前面详细介绍了ADAMS的仿真过程，我们通过机器人运动学求逆解的方式，已经求得六个驱动电机的驱动方式，然后将ADAMS中求得的运动参数输入到ANSYS中，这样就可通过ADAMS和ANSYS的联合仿真对大臂处进行校核。,焊接机器人模型导入到ANSYS,经ANSYS分析软件模拟运行后，可得到机器人大臂有限元分析结果,焊接机器人大臂结构应力云图,焊接机器人大臂变形云图,焊接机器人大臂X、Y、Z方向的结构应力云图,焊接机器人大臂X、Y、Z方向的变形云图,求解后可知焊接机器人大臂的最大应力、最小应力、最大形变参数,通过以上的数据，对比材料的屈服极限和拉伸极限，可知我们在ADAMS中设计的运动轨
19、迹不会对焊接机器人的大臂在应力和变形方面产生影响，也验证了焊接轨迹的合理性。,本课题在工厂现有焊接机器人的基础之上，针对课题中所涉及的内容做了相关的实验。,实验平台的搭建,本课题中焊接机器人是主要针对围栏的自动化焊接设计的，在技术升级之后，把控制的部分选用PC105集成控制，使焊接机器人的简便性和移动性都得到了提高。可以在手动操控的模式下进行对焊接机器人的各个关节进行调整控制，可以调节焊机器人的初始姿态位置。该控制系统由以下组成:无线示教机、触摸屏、焊接机器人本体、伺服电机驱动器、PC105、数据输出卡、数据采集卡、激光焊枪、送丝机、保护气等。搭建的实验平台机构如图,搭建的实验平台,焊接机器人
20、控制系统,焊接实验,前期通过焊接机器人运动理论作依据，并且利用虚拟样机技术来模拟实体样机的工作，在这种前提之下，我们需要结合焊接机器人实体样机的功能和特点，根据课题所要完成的研究任务对焊接机器人进行相关的焊接实验：启动过后，激光焊枪处点的震动情况，移动轨迹的规划情况，移动速度对焊接状况的影响，并检测焊接后焊缝的焊接状况。主要的实验设备：焊接工业机器人，激光焊枪（如图5.3），保护气体（85%Ar+15%C02），焊接工件、夹具等装置。,焊接机器人在工作中的效果,圆弧焊接的实现效果图,通过对焊接试验的观察验证，在运用本课题中所规划的路径程序之后，焊接过程流畅、平稳，而且在刚刚启动时，焊接机器人也没有因为刚刚启动时的大动量而产生明显振动。通过对焊缝的焊接表面进行检测，发现完全达到了焊接工艺的要求，从而说明，本课题规划的路径是安全、可行且合理的。,实验结论,至此，本课题的研究全部完成,
