移动式焊缝跟踪机器人跟踪精度估算方法研究.pdf

精密制造与自动化2 0 1 7 年第3 期i 制造业信息化移动式焊缝跟踪机器人跟踪精度估算方法研究牛方方(陕西国防工业职业技术学院西安7 1 0 3 0 0)摘要焊接过程中对焊缝能否进行精确跟踪控制是衡量焊缝性能优劣的重要指标，也是焊缝跟踪产业化中较为关键的一步。为了提高焊接过程中焊缝的跟踪控制精度，通过对自由度焊接机器人模型进行简化，提出了定步长和变步长的焊缝跟踪精度分析方法，建立了在不同控制方案下的焊缝跟踪精度的数学模型。通过定步长与变步长的焊缝跟踪精度模型，得到了两种不同模型下的焊缝跟踪精度分析方法，最后通过仿真分析验证了定步长和变步长的焊缝跟踪精度分析方法的有效性和正确性。关键词焊缝跟踪控制定步长和变步长跟踪精度焊接机器人具有高效率、高质量、高可靠性、通用性强等特点而广泛应用于船舶、机械加工、核工业、航空航天等制造业u。3 1。焊缝跟踪机器人跟踪精度是衡量焊缝跟踪性能优劣的重要指标，是焊缝跟踪产业化中较为关键的一步H 1。研究一种有效的焊缝跟踪精度分析算法对于自动化焊接具有非常重要的意义，而国内外众多学者已针对机器人位姿精度进行了研究，并以此形成了一套完整的机器人位姿精度理论体系旧9】。而移动焊缝跟踪机器人是利用焊缝跟踪传感器对焊缝进行跟踪分析的一种非完整约束机构，直接建立机器人位姿精度跟踪模型相对比较困难。对于非完整的约束机构，如果直接对焊缝跟踪精度进行计算则更加困难。为此建立一种简单焊缝跟踪精度模型以及有效的分析方法，对于提高焊缝跟踪精度具有重要作用【1 0 1 3 0为了提高焊接过程中焊缝的跟踪控制精度，通过对自由度焊接机器人模型进行简化，提出了定步长和变步长的焊缝跟踪精度分析方法，实现了在不同控制方案下的焊缝跟踪精度数学模型的建立。通过定步长与变步长的焊缝跟踪精度模型，得到了两种不同模型下的焊缝跟踪精度分析方法。最后通过仿真分析验证了本文定步长和变步长的焊缝跟踪精度分析方法的有效性和正确性。1焊缝跟踪机器人跟踪精度模型1 1 定步长的焊缝跟踪精度模型假设焊接机器人的移动路径为沿直线行走，与地面之间不存在滑动现象。在周期丁内，机器人行走的距离与误差的调节量是固定的，定步长跟踪精度模型如图l 所示。影生壑丝b乏画美爰鼍图1定步长跟踪精度模型对于斜焊缝的跟踪，在任意时间段，焊缝跟踪误差是焊缝中心路径上任一点与焊炬之间的垂直距离。为此可以假设焊缝跟踪精度便是跟踪的最大误差值，该值越小，则跟踪精度越高。如图1 所示，焊接机器人在一个步长周期丁内，从焊接中心0 沿直线运动到误差检测点A，则此时的点A 与焊缝之间的误差e 便是系统的误差，计算表达式为：P=l O A f s i n0=V 7 1 7 1 S i n0=V 7 手S i n0(1)4 1万方数据精密制造与自动化2 0 1 7 年第3 期式中，V T 为焊接机器人速度，厂为电弧的扫描频率，臼为焊缝方向角，均可通过测量获得。在图1 所示的定步长模型中，从焊接误差检测点A 开始，机器人经过时间丁后，焊炬从A 到达B，此时的误差P 1 称作系统的未定误差，其中e 1 为：P 1=I U h T 一2 I O A I t a n0 I C O S0=I V h T-C O S0 2 V r T s i n 0 I=l 妒 c o s 臼一2 坼s i n8 1(2)，上式中为焊接机器人执行机构的速度。同理可得，在(7 ，2 T)之间上的任意时刻，系统未定的焊接误差P，为：e 7=I)h(t 一丁)一V T t t a n0 I C O S0=I U h(c 一7 1)C O S0 一U T t s i n0 一V T T s i n0 l=I(c 一7 1)(妒丁C O S0 一U T s i n 日)一e I(3)则定步长模型的焊缝跟踪精度为：r、K=m a x e，P 1，P 2(4)1 2 变步长焊缝跟踪精度模型变步长模型与定步长模型跟踪精度最大区别就是未定系统误差P 1 的值。在一个电弧扫描周期T 内，虽然机器人行走的距离不变，但焊缝误差调节的方式发生了变化，如图2 所示。嘉搅一习小”。2图2 变步长跟踪精度模型焊接误差检测从A 点开始，机器人的执行机构开始对焊缝误差进行调节，经过t o(o 7)后，执行机构调节误差的量为e+A e，其中P 为误差调节补偿量，通过e+A e 的调节后，B C 与焊缝路径交点恰好位于点E 到焊缝路径垂直点上，可得：4 2A e=e(2C O S0 1)(5)当焊炬到达B 时，固定调节结构停止调节误差，再经过t 1(1 一丁一o o)后，焊炬又到达C，假设这两个阶段的未定焊接误差分别为：e 1，e 2，其中t n=e+A e。(6)由调节距离以及焊接机器人的运动方式，可得B 的坐标为 r(丁+t o)，e+A e)，C 点坐标为(2