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王亮六自由度机器人控制系统.doc
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王亮六自由度机器人控制系统.doc
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1.1 焊接机器人的发展历史与现状
现代机器人的研究始于 20 世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以
及原子能的开发利用。美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放
射性物质的处理问题,在 1947 年研制了遥控式机械手臂;1948 年又相继开发了电气
驱动式的主从机械手臂,从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。1954
年,美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念,并申请了新的专利。其主要特点
是借助伺服技术来控制机器人的关节,并利用人手对机械手臂进行动作示教,机械手
臂能实现人物动作的记录和再现。这就是示教再现机械臂,现在所用的机械手臂差不
多都采用这种控制方式。伴随着现代社会的发展,为了提高生产效率,稳定和提高产
品的质量,加快实现工业生产机械化,改善工人劳动条件,已经大大改进了机械手臂
的性能,并大量应用于实际生产中,尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污
染的场合。焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪 70 年代,是由日本发那科(FANUC)
公司生产的小型机器人改进的,受限于当时的技术手段以及高昂的造价,使得当时的
焊接机器人不能得到很好的应用。机械手臂是一种工业机器人,它由控制器、操作机、
检测传感装置和伺服驱动系统组成,是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编
程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。机械手臂首先是在汽车制造工
业中使用的,它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。它可代替人们进行从事繁
重、单调的重复劳动作业,并且能够大大改善劳动生产率,提高产品的质量
[1]
。
到了 90 年代初,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器
人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等
不断提高,而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方国家,由于劳动力成本的
提高为企业带来了不小的压力,而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用
带来了契机,采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大,使得焊机机器人得
到了推广,同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。
进入新世纪之后,由于各国对焊接机器人的不断重视,使得焊接机器人技术取得
了很大的进步。同时由于其焊机精度及更低的生产成本,也使得它得到了越来越多的
应用。目前,焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面,无论
数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。在一些特殊的行业,使用它
来代替人工操作的,主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适
于人工作业的环境。
1.2 焊接机器人发展趋势
近些年来,国际机器人界都在加大科研力度,随着机械工程、电子工程、自动控
制工程以及人工智能等长足的进步,焊接机器人技术也得到了长足的发展.不断向智
能化和多样化方向发展是未来一段时间的总体发展趋势。具体而言,表现在如下几个
方面:
1)机器人操作机结构
通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,实现机器人操作
机构的优化设计.探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比。机器人结构向
着模块化、可重构方向发展机器人的结构更加灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着
一体化方向发展。采用并联机构,利用机器人技术,实现高精度测量及加工,这是机
器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
2)机器人控制系统
重点研究开放式,模块化控制系统。向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便
于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构人机界面
更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。
3)虚拟机器人技术
虚拟现实技术在机器人中的作用已重仿真、预演领域发展到用于过程控制,如使
遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、
多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。
4)机器人传感技术
机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,
装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器,并实现了焊缝自动
跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等,大大提高了机器人的作
业性能和对环境的适应性。
5)机器人性能价格比
机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机
价格却不断地下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机器人
系统的可靠性有了很大提高。
1.3 焊接机器人简介
焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。焊接机器人主要包
括机器人和焊接设备两部分。焊接机器人由机器人本体和控制柜组成。而焊接
装备,以弧焊及点焊为例,则由焊接电源,(包括其控制系统)、送丝机(弧
焊)、焊枪(钳)等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统,如激光或摄像
传感器及其控制装置等。
世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人,绝大部分有 6 个轴。
其中,1、2、3 轴可将末端工具送到不同的空间位置,而 4、5、6 轴解决工具姿
态的不同要求。
1)机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是机器
人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,
按控制系统的要求完成工作任务。驱动-传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱
动机构提供机器人各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关
节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
焊接机器人手臂是一种仿人式的机械。其模仿人类的手臂,而要实现像人
手一样的功能来就要借助类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构
——执行机构,而提供动力的肌肉就由驱动-传动系统来代替
[2]
。
其结构框图如图 1.1 所示:
图 1.1 焊接机器人结构框图
2)与通常的过程自动控制系统类似,焊接过程自动控制系统一般为闭环反
馈系统。它可分为被控对象、比较器、控制器以及执行机构四部分。为了实现焊
接机器人对空间焊缝的自动实时跟踪和焊接参数的实时控制,设计的是以 DSP 为主控
制器的焊缝实时跟踪和控制的交互式控制系统。DSP 作为系统的核心控制器产生控制
信号,驱动步进电机动作,同时利用 DSP 的数字通讯功能与 PC 进行通讯,从而实现
对焊缝的实时跟踪和控制。
其结构框图如图 1.2:
图 1.2 控制系统结构框图
机
器
人
执行机
驱动-传动
机
控制系统
机器人各关节
电、液或气驱动装置
关节协调及其它信息
单关节伺服驱动
比较器
控制器
执行机构
被控对象
焊接过程检测系统
焊接过程
2 焊接机器人机械部分设计
本次的设计是参考机械学院二楼机器人实验室中的 Motoman 机器人而设计的。
它的一些参数也是对实验室中机器人的观察、测量而得到的。
2.1 焊接机器人设计
本次设计的机器人具有六个自由度 ,它们分别是腰关节的移动和转动、大臂的
摆动、小臂的摆动和腕部的转动(两个自由度),都为关节连接,除了这些结构外,
还必须有导轨以及一个用于夹持焊枪的机械手。
2.1.1 导轨的设计
焊接机器人的底座并不只是固定不动的,它可以利用导轨在一定的范围内移动,
根据实际情况,此次设计的导轨可以在水平方向上移动,以增加它的工作范围,方便
焊接工作的完成。
导轨的结构简如图 2.1 所示:
图 2.1 导轨的结构简图.
导轨选用的是滚动导轨,其结构简单、安装方便且具有较小的摩擦系数,选择合
适的滚珠丝杠螺母副用来带动导轨运动,最后再选择适当的电机。
丝杠螺母副的选择:
计算最大动载荷 C
C=
3
L
f
w
F (2.1)
L=60*n*T/10
6
(2.2)
n=100*v
s/
L
0
(2.3)
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