1、,2017,焊接机器人的设计思路,报告人：李攀,丁前龙、包崇昊、唐静、陈治安、李攀,定义及设计参数,Content,1,2,3,目 录,设计要求及目的,总体构型设计,4,机器人设计参数,5,运动学分析,6,Adams运动仿真,7,摆弧轨迹,8,传动设计,9,电动机,焊接机器人,工业机器人,工业机器人是运用机械传动、微电子技术等多种高新技术和多门学科综合而成的一种模仿人体某种技能的机电设备。,焊接机器人是工业机器人中的重要组成部分,weldingrobot,设计参数,自由度：6最大工作半径：1360mm负载：160kg重复定位精度：0.08mm,构型要求,能较好地完成多种工况下的焊接工作；机构本
2、体占用的空间尽量小；工作范围尽量大；,手臂要求,手腕要求,质量轻；动作灵活；工作空间大；,直角坐标型,手部空间通过沿x轴、y轴和z轴的移动来实现位置的改变。这种机器人的特点是控制简单、无相互间的耦合，位置精度较高，避障能力强，缺点是本体结构较大，占地面积较大，灵活性不足，运动范围小，协调性差。,圆柱坐标型,由两个直线移动和一个旋转实现位置的改变。此结构的优点是运动控制简单，避障能力强，但本体结构比较大，和其他的机器人协调工作能力差，操作不太灵活。,球坐标型,由一个直线移动和两个旋转实现位置的改变。此结构的优点是结构较紧凑，重量轻，占地面积小，位置精度可以接受，但存在平衡、避障能力弱，臂展越长，
3、位置误差越大等问题。,关节坐标型,由立柱、前臂和后臂组成。这种类型机器人的特点是结构紧凑，运动范围大，灵活性好，避障能力强、位姿确定快，但控制较为复杂，精度较低、平衡等问题,手腕的设计构型,BBR型,RBR型,RRR型,BRR型,关节型手臂,能完成多种工况下的焊接工作,RBR型手腕,动作灵活、工作空间大、质量轻,6自由度焊接机器人,总体方案设计,机器人连杆参数,结合国内外的文献内容和六自由度焊接机器人设计参数，我们确定了其主要设计参数,末端与第i-1连杆的坐标系关系,运动学分析,其中 是两相邻连杆之间的坐标变换通式，式为：,一杆与二杆,三杆与四杆,二杆与三杆,基座与一杆,各连杆坐标变换式,五杆
4、与六杆,四杆与五杆,末端位姿函数,式中：Px ，Py ，Pz 分别为机器人末端中心相对于基坐标系x，y，z方向的位移；第1，2，3 列分别为机器人末端中心相对于基坐标系x，y，z轴的方向余弦,函数具体数据,在Adams中建立简化后的仿真模型,机器人的加速时间比较短，各关节的转动角速度比较快。设机器人自下而上6个关节的转动角速度分别为150，160，170，340，340，520 /s，各关节的加速时间为0.8 s。,Adams运动仿真,设置机器人6个关节的速度函数为：其中：step是阶跃函数；150 d代表机器人仿真时关节的转动角速度，函数类型为velocity。,位移,速度,加速度,仿真结果
5、,位移,位移曲线A，B，C分别代表机器人末端x，y，z 3个方向的位移，其中x方向的最大位移是1.12 m，y方向的最大位移1.20 m，z方向的最大位移是1.53 m，机器人工作空间中x，y，z方向极限值分别为1.72，1.30，1.60 m。,速度,速度曲线E，F，G分别代表机器人末端x，y，z方向的速度，图中末端速度的变化范围为-33 m/s,设定的机器人焊枪最快速度为4 m/s，能够满足机器人的工作需要,加速度,加速度曲线H，I，J分别表示机器人的末端x，y，z方向的加速度，图中末端加速度的变化范围-2020 m/s 2,仿真结果分析,各关节、各活动部件运行平稳无任何冲击，从而保证了焊
6、接过程的顺利进行。,满足稳定性,各关节、各活动部件运行平稳无任何冲击，从而保证了焊接过程的顺利进行。,满足稳定性,参考国内外同类型机器人的基础上，完成焊接机器人总体方案的设计。,设计结构类型,总结,在弧焊机器人对焊缝进行焊接之前，首先应该以一定的插补周期T对焊缝轨迹进行离散化，得到一系列焊缝离散点pi 。在机器人焊接过程中，应该保证焊接线速度V0恒定，故我们希望焊缝离散点pi和pi+1之间的距离是相等的，其中插补周期T为弧焊机器人粗插补周期；焊接线速度V0则由焊接工艺参数确定,焊缝离散化,直线焊缝离散化,定焊缝起始点为Ps=xs ys zs终止点为Pe=xe ye ze，焊接速度为V0 ，焊缝
7、曲线离散点的插补周期T 。由焊缝起始点和终止点可得焊缝方向向量：SE=xe-xs ye-ys ze-zs焊缝离散点坐标：Pi=Pix Piy Piz= Pi-1 +SE/|SE|V0T其中在加减速过程中V0为当前速度，在匀速过程中V0为期望的恒定焊接速度。在每次计算焊缝离散点坐标Pi时，都要进行终点判断。若（xs-xe）(Pix- xe)0,说明到达终点。令当前焊缝离散点Pi=Pe,停止插补并统计离散插补点总数NJ。,协同焊接的加减速控制,在数控设备中，为了保证机器人在启动或停止时不产生冲击、超调或振颤，必须要对其进行加减速控制。 本论文研究的离线编程下弧焊机器人加减速控制算法是目前数控系统中
8、使用较多的S 曲线加减速算法。,协同焊接的加减速控制,正常情况下S曲线加减速的运行过程可分为 7 段：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段。如图所示。,其中图中的符号分别为：VS：起始速度，可令焊接整条焊缝的起始速度为0Ve：终点速度，可令焊接整条焊缝的终点速度为 0V0：期望速度，即焊接速度tk：（k=0,1,7）各个阶段的过渡点时刻k：（k=0,1,7）局部的时间坐标，表示以各个阶段（第k个）的起始点作为零点的时间表示 k =t- tk-1 (k=0,1,7)Tk：（k=0,1,7）各个阶段（第k个）的持续运行时间L：焊缝曲线总长度,协同焊接的加减速控制,通常
9、可假设电机的正、反向的最大加速度相等，即： Amax=Dmax假设电机加速度曲线从0达到最大值和从最大值到0所用的时间相等，此时间定为系统的一个特性时间常数tm, 其应满足tmvmax/Amax，取tm=V0/ Amax。据此假设， T1=T3=T5=T7=tm,协同焊接的加减速控制,若加、减过程中都能够达到最大加速度amax=Amax,则：,协同焊接的加减速控制,若加、减过程中不能够达到最大加速度amaxAmaxtm，加速过程中存在匀加速段，则加速过程中的三个时间段为：,如此能够达到最大加速度amax=Amax，则Ja=Amax/tm。将其带入式1中可以获得加速区长度sa。,若V0-VsAm
10、axtm，加速过程中不存在匀加速段，则加速过程中的三个时间段为：,如此不能达到最大加速度，仅为amax=（V0-Vs）/tm，则Ja=Amax/tm=（V0-Vs）/tm2。将其代入式1可以加速区长度sa。 sa= tm（V0+Vs）,协同焊接的加减速控制,最后通过式3求得匀速段的运行时间T4。到此完成 S曲线加减速控制，确定T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。,若V0-Vs-Amaxtm，减速过程中存在匀减速段，则减速过程中的三个时间段为：,如此能够达到最大加速度amax=-Amax，则Jd=Amax/tm。将其代入式2可以获得减速区长度sd。,若Ve-V0-Amaxtm，减速过程中不
11、存在匀减速段，则减速过程中的三个时间段为：,如此不能达到最大加速度，仅为amax=（Ve-Vo）/tm，则Jd=Amax/tm=（Vo-Ve）/tm2。将其代入式2可以获得减速区长度sd： sa= tm（Vo+Ve）,焊接机器人摆弧轨迹,焊接机器人的焊接工作中，摆弧轨迹是一种较为独特的运动方式，其基本原理就是将原有的焊接轨迹转变为摆动运动，以此实现空间中两平面或者曲面间的焊接。而摆弧轨迹有多种运动形式，采取过程简单且速度快的正弦波周期函数，进行研究。摆弧类型选用的是摆弧焊接中最常见的平面摆弧焊接。,机器人平面摆弧轨迹生成,焊接机器人的平面摆弧轨迹矢量关系如图所示，该焊缝始末端点以及平面内任一不
12、共线的点的坐标分别是Ps（xs,ys,zs),Pf(xf,yf,zf),Pm(xm,ym,zm),s设机器人焊接速度为v，采样周期为T0，正弦周期内的插补次数为M，则平面直线摆弧轨迹生成的具体步骤如下：,机器人平面摆弧轨迹生成,1.直线焊缝的长度L：L= 2+ 2+ 2,2.插补总步数N：N=INT(L/v*T0）+1,3.直线焊缝所在平面法向量：n =,4.第个插补点沿直线方向的向量：=/,5.第个插补点在0,2周期内沿正弦振幅方向的向量：= sin 2 ,机器人平面摆弧轨迹生成,然后根据末端执行器始末端点的姿态欧拉角，按照关节空间轨迹规划的多项式插值法，算出插补时末端执行器的各个位姿角。最
13、后通过逆运动学方法，即可求出机器人在各个插补点的关节变量。,则平面直线摆弧轨迹的第个插补点位置向量： =+,Adams圆弧运动轨迹仿真,假定目标轨迹圆为一个半径为80的圆，参数方程为： =80 sin =8080 sin ,通过matlab生成离散点后导入Adams中，并使用CUBSPL函数定义点驱动，设置仿真时间126s和仿真时间间隔0.1s，即可得到圆轨迹以及各个关节的角度变化曲线。,仿真结果,关节传动设计,腰部传动,刚度大，但传动形式比较复杂，零件较多，容易产生较大的间隙误差，从而影响整体,传动方式简单，精度高、定位，负载少,关节传动设计,肩关节传动和肘关节传动,肩关节和肘关节的传动系统
14、与腰部传动相似,关节传动设计,腕部俯仰结构,结构简单，容易控制，但是该机构会使末端重量增大，将影响机器人的运行和刚度,该机构通过同步带传动，可以减小末端重量，结构合理紧凑，但在装配、装修时会有一定的麻烦,关节传动设计,各关节运动链,电机及减速器选型,当第二节在如图状态时为受力最大状态，已测得数据G=54.12kg，J2=36.52kg/m2，L=0.728m，关节转速为20r/min，初步选取交流伺服电机的额定转速为2000r/min,选取第二节为例,电机及减速器选型,设定运行模式：大臂及前部从图示向上加速启动，加速时间为t1=0.1s，稳定运转时间t2=0.5s，减速时间t3=0.1s 则二
15、关节的驱动力矩为2=1.3(2+2+2)其中M2g为启动时的惯性力矩；M2j为静力矩；M2m为各支撑处的摩擦力矩。 负载绕转轴J2的转动惯量为36.52kg/m2，启动加速度为2=W2/t2=20.49/2 启动惯性力矩为M2g=J2*2=748.29N*m 静力矩M2j=mgl=386.11N*m 摩擦力矩较小可忽略 关节驱动力矩M2=1474.72N*m,电机及减速器选型,通过计算，可初步选择电机和减速器。伺服电机选用松下的MDME152SCH额定转矩7.16N*m，瞬间最大转矩21.5N*m，额定转速2000r/min，最大转速3000r/min，转子转动惯量JM=7.99x10-4kg
16、*m2，制动器保持扭矩13.7N*m，重量8.2kg。减速器选用日本RV-N系列减速器RV-42N-115-A速比115，额定转矩412N*m，启动、停止容许转矩1029N*m，容许输出转速启动效率52r/min，容许力矩1660N*m，输入端转动惯量0.142x10-4kg*m2，齿隙1.0arc*min，角度传输误差70arc*sec，重量6.3kg。,电机及减速器选型,电机及减速器校核验算启动、停止容许转矩为：1029N*m1007.7N*m容许输出转速为52r/min20r/min输出端转矩为： 2 gv2 =16.03N*m21.5N*m转动惯量比K= =3.44 在合理范围35之内
17、 减速器输出端：13.7x115=1575.5N*m其远大于重力扭矩，可以切断驱动器电源时可动部因重力掉落,减速器,电机,电机及减速器选型,电机,减速器,大臂强度计算,选取最危险点进行校核截面尺寸为B=90mm，b=60mm，H=110mm，h=80mm，即壁厚为15mm则抗弯截面系数为：W= 2 32 (1 2 2 )=134954.5 2,大臂材料选用高强度硬质铝镁合金7075，查表可知，抗拉强度=524Mpa，屈服强度=455Mpa,大臂强度计算,取根部截面左边为研究对象，由 y=0 和 =0 求得： =g=529.2 =1.3 mgl+2 =1474.72 由= 得：=11.08由=
18、得：=0.1则由上可知满足要求,参考文献,1余晓流，刘进福，汪丽芳，王伟，王殿君，孙 丹.基于ADAMS的六自由度焊接机器人运动学分析及仿真. 安徽工业大学学报（自然科学版），2012.2李轩，杨楠.浅谈焊接机器人在汽车生产中的应用，辽宁，2016.3刘歆，鲍鸿春.焊接机器人在汽车零部件生产中的应用实例分析.科技创新导报.天津，2010.4孙学俭，王仙勇，董宇.焊接机器人运动学正逆解.北京石油化工学院，北京，2011.5欧爽翔.六自由度焊接机器人本体结构.广西大学，2014.6.6兰春良.焊接机器人的本体设计及其精度分析.燕山大学机械工程学院.2013.5.,参考文献,7索罗门采夫.工业机器人
19、图册M.北京：机械工业出版社，1991.8程军.六自由度关节型机器人结构设计和控制系统的研究D。哈尔滨：哈尔滨理工大学，2004.9Kong Yu, Dai Ming, Wu Lin. Geometric model of robotic arc welding for automatic programmingJ. China Welding(English Edition), May2000:53-58.10Kim Jinwook, F.C.Park, Kim Munsang. Geometric design tools for stiffness and vibration analy
20、sis of robotic mechanisms. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Piscataway, NJ, USA,2000. IEEE:1942-1947.11Wang K, Lien T K. The structure design and kinematics of a robot manipulator. I. Theory. Robotics Computer-Integrated Manufacturing, 1989 Vol. 5Iss:2-3:53-158,THANK YOU,2017,
