淺談智能多工位焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王詠梅

摘 要 焊接作為一種制造技術(shù)，是為適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要，以現(xiàn)代工業(yè)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，并且直接服務(wù)于機(jī)械制造工業(yè)。焊接生產(chǎn)的效率和質(zhì)量問(wèn)題必須通過(guò)實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化來(lái)加以解決，焊接機(jī)器人的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。采用機(jī)器人焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標(biāo)志。

關(guān)鍵詞 智能;多工位;焊接機(jī)器人

1焊接機(jī)器人的意義

在工業(yè)生產(chǎn)中采用焊接機(jī)器人具有重大意義：①提高焊接質(zhì)量，保證焊件均一性。焊接工藝參數(shù)（包括焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長(zhǎng)度等）對(duì)焊接質(zhì)量具有決定性的作用。人工焊接時(shí)，操作人員的焊接技術(shù)、精神狀態(tài)等直接影響焊接質(zhì)量。機(jī)器人焊接時(shí)，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的依賴(lài)，焊接質(zhì)量得以保證。②改善工人的勞動(dòng)條件和工作環(huán)境。焊接機(jī)器人工作時(shí)，工人只需裝卸工件，遠(yuǎn)離焊接弧光、煙霧和飛濺等，使工人從惡劣的工作環(huán)境和大強(qiáng)度的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。③提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人可以全天候連續(xù)生產(chǎn)。另外，通過(guò)使用焊接機(jī)器人進(jìn)行高速高效焊接可以顯著提高生產(chǎn)效率。④縮短產(chǎn)品改型換代的周期。機(jī)器人焊接可以通過(guò)修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化[1]。

2智能多工位焊接機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬空間技術(shù)

（1）基于OpenGL的多機(jī)器人仿真環(huán)境

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人仿真軟件無(wú)法嵌入用戶(hù)控制算法，提出開(kāi)發(fā)基于OpenGL多機(jī)器人協(xié)同控制算法的軟件仿真環(huán)境，并通過(guò)嵌入碰撞檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)多機(jī)器人在協(xié)同工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)空間碰撞檢測(cè)及碰撞位置的顯示與預(yù)警。該軟件包括人機(jī)界面，仿真結(jié)果可視化，可按實(shí)際需求添加控制算法。

（2）基于Matlab的多機(jī)器人仿真環(huán)境

提出了一種以Matlab軟件為平臺(tái)，充分結(jié)合Pro/E 等三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件、Matlab 3D 動(dòng)畫(huà)技術(shù)建立可視化程度高、細(xì)節(jié)顯示逼真的機(jī)器人3D仿真研究平臺(tái)。并經(jīng)過(guò)了機(jī)器人 3D 仿真模型的建立、仿真實(shí)體的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和仿真系統(tǒng)的3D動(dòng)畫(huà)演示等步驟，最終得到一個(gè)系統(tǒng)軟件開(kāi)放程度高、可視化效果逼真的機(jī)器人3D仿真環(huán)境。

（3）基于CAD導(dǎo)航的機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃

為解決機(jī)器人噴涂作業(yè)中傳統(tǒng)人工示教方法耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)和過(guò)于依賴(lài)工人技術(shù)等局限性，提出一種基于CAD導(dǎo)航的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法。該方法通過(guò)對(duì)噴涂漆膜霧錐模型建模優(yōu)化得到最佳路徑間距，采用優(yōu)化路徑間距作為與工件CAD模型求交獲取噴涂路徑，最后通過(guò)噴涂路徑求得機(jī)器人工具軌跡。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂路徑間距優(yōu)化，從而使在此基礎(chǔ)上規(guī)劃噴涂軌跡能夠滿(mǎn)足漆膜平均厚度要求和漆膜厚度變化。

2.2 空間碰撞檢測(cè)及避障技術(shù)

（1）混合包圍體層次樹(shù)碰撞檢測(cè)算法

為解決噴涂、焊接、裝配等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中能快速檢測(cè)出機(jī)器人與周邊環(huán)境是否發(fā)生碰撞，提出一種適用于鉸接模型機(jī)器人的碰撞檢測(cè)算法——混合包圍體層次樹(shù)算法。該算法借助由OBB包圍機(jī)器人連桿時(shí)更緊湊和以O(shè)BB為基元構(gòu)建球包圍體時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)化、耗時(shí)少這些不同包圍體所具有的優(yōu)勢(shì)，并采用由頂層、中間層和底層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的包圍體層次樹(shù)技術(shù)。如果包圍體層次樹(shù)中父節(jié)點(diǎn)包圍體不存在碰撞，則無(wú)須對(duì)子節(jié)點(diǎn)包圍體進(jìn)行碰撞檢測(cè)，且頂層與中間層采用二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以此加快碰撞檢測(cè)速度。而且該算法可以隨著機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)各連桿間相對(duì)位置的變化而動(dòng)態(tài)更新，以此適應(yīng)機(jī)器人的碰撞檢測(cè)。

（2）并行混合包圍體層次樹(shù)碰撞檢測(cè)算法

針對(duì)現(xiàn)有多機(jī)器人間碰撞檢測(cè)算法耗時(shí)過(guò)多的問(wèn)題，提出上層動(dòng)態(tài)剔除層、中間連桿層、底層三層結(jié)構(gòu)的并行動(dòng)態(tài)包圍體層次樹(shù)碰撞檢測(cè)算法。首先采用三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建機(jī)器人兩兩間動(dòng)態(tài)包圍體層次樹(shù);然后依次對(duì)上、中、底各層設(shè)計(jì)并行加速的并行架構(gòu)，采用OpenMP的3種并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)并行計(jì)算。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，動(dòng)態(tài)包圍體層次樹(shù)中間連桿層、底層并行處理后碰撞檢測(cè)效率是原動(dòng)態(tài)包圍體層次樹(shù)的2倍左右，是RAPID的4倍以上。

（3）基于二階錐規(guī)劃的超二次曲面接近查詢(xún)

接近查詢(xún)能在物體碰撞發(fā)生前預(yù)警并使系統(tǒng)做出相應(yīng)響應(yīng)，其比單純進(jìn)行碰撞檢測(cè)具有更廣泛應(yīng)用。提出用超二次曲面描述機(jī)器人連桿，將機(jī)器人連桿之間的最小距離計(jì)算等效為超二次曲面之間的最小距離計(jì)算。該問(wèn)題可由一個(gè)通用的非線性規(guī)劃問(wèn)題（NLP，1）轉(zhuǎn)化為一個(gè)求解性能良好的二階錐規(guī)劃問(wèn)題（SOCP，2）。采用內(nèi)點(diǎn)算法求解該SOCP問(wèn)題能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解，且該算法對(duì)兩直線平移物體間的最小距離計(jì)算與靜止物體間最小距離計(jì)算復(fù)雜度完全相等，實(shí)現(xiàn)直線平移物體間的連續(xù)碰撞檢測(cè)。圖1（見(jiàn)文末）即為其仿真結(jié)果。

2.3 多機(jī)器人系統(tǒng)避障與最優(yōu)協(xié)調(diào)

采用延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)空置換策略，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的避障與最優(yōu)協(xié)調(diào)。以車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下給定軌跡的多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)（不限于兩臺(tái)）為研究對(duì)象。通過(guò)定義規(guī)范化路徑和規(guī)范化軌跡，將機(jī)器人連桿與連桿之間的空間碰撞信息反映射為時(shí)間碰撞信息。采用延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)空置換策略，推導(dǎo)多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)無(wú)碰撞的充分條件和最優(yōu)協(xié)調(diào)的必要條件，并分別建立兩種條件下的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

2.4 智能變位裝夾機(jī)構(gòu)的研制

一個(gè)完整的機(jī)器人焊接系統(tǒng)一般包括機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、自動(dòng)焊機(jī)和自動(dòng)變位機(jī)等組成。2自由度的智能焊接變位機(jī)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真、零件圖及裝配圖的繪制，于2012年年底完成樣機(jī)的制作和調(diào)試，與自主研制的6自由度機(jī)器人一起組成機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)。

開(kāi)發(fā)的變位機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：

額定載荷：200kg;

工作臺(tái)尺寸：φ800mm;

最大回轉(zhuǎn)速度：12.0rad/min;

最大翻轉(zhuǎn)速度：8.0rad/min;

最大偏心距：150mm;