六自由度焊接机器人运动控制精度的分析与研究

第**卷第**期20**年*月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.**No.****20**DOI：10.3901/JME.20**.**.***六自由度焊接机器人运动控制精度的分析与研究摘要：由于各种原因焊接机器人焊枪的实际位置往往会偏离其理论位置，造成焊接误差。因此精度是决定焊接机器人应用水平一个非常重要的因素。国内焊接机器人的精度要远低于国外。本论文对六自由度焊接机器人的运动控制精度作了系统的分析研究.分析了六自由度焊接机器人的误差来源，着重研究了误差来源中结构误差和力变形误差对机器人末端的不同影响。在结构误差中，研究了角度误差和长度误差对机器人末端的影响;在力变形误差中，借助于有限元分析软件ANSYSWORKBENCH研究了力变形误差对机器人末端精度的影响，提出了力变形误差补偿方案。最后用摄动法对六自由度焊接机器人进行了补偿研究与仿真分析，结果证明误差补偿的合理性和有效性。关键词：六自由度，机器人，运动分析，误差补偿ANALYSISANDRESEARCHOFSIX-DOFWELDINGROBOTCONTROLACCURACYWUYanchaoJINYuanxunZHAOXinLIDaohaiSONGPingMENGYaAbstract:Duetovariousreasons,theactualpositionoftheweldingtorchoftheweldingrobotisdeviatedfromitstheoreticalposition,causingtheweldingerror.Therefore,theprecisionoftheweldingrobotistheveryimportantfactorofdecidingitsapplicationlevel,andtheprecisionofthedomesticweldingrobotarefarlowerthanthatofabroad.Inthedissertation,themotioncontrolprecisionofthe6-dofweldingrobotisresearchedsystematically,theerrorsourcesofsix-dofweldingrobotisanalyzed,andthedifferenteffectsofstructureerrorandforcedeformationerroractedontheendoftheweldingrobotisresearched,inthestructureerror,theinfluenceofangleerrorandlengtherroractedontherobotisstudied,andfortheforcedeformationerror,withtheaidofthefiniteelementanalysissoftwareANSYSWORKBENCH,theinfluenceofforcedeformationerroractedontheendprecisionofrobotisresearched,Inthelast,thecompensationplanisputforward.Finallyperturbationmethodisusedfor6-dofweldingrobotcompensationresearchandsimulationanalysis,prooftherationalityandvalidityoftheerrorcompensation.Keywords：NegativestiffnessVibrationisolationNonlinearsystemsHarmonicbalancemethod前言随工业机器人对人们的口常生活和高新技术产业产生了重大的影响，因此工业机器人是现代制造技术和新兴技术产业发展的重要标志之一，且己为世人所认同。而焊接机器人作为工业机器人大家庭中最大的一族，在各国工业机器人中的应用比例高达总数的40%-60%，由此可见，研究焊接机器人意义重大。在实际应用中焊接机器人最普遍的方式主要有两种:点焊和电弧焊。焊接机器人就是在焊接生产领域中代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。我国的焊接机器人起步较晚，虽然现在焊接机器人的生产己经有了一定的水平，但与我国的焊接生产总体需求还相差甚远,目前我国机器人需求主要还依赖进口。究其主要原因，世界上几个国家(比如瑞士、口本、意大利和德国)，掌握了生产工业机器人的关键技术。因此从技术的角度看，关键技术(如定位精度、工作速度、负重等等)是制约焊接机器人国产化的主要因素。所以，提高中国机器人的技术水平迫在眉睫。1机构误差在特种装备中，机、光、电等信息对系统所起的作用是不同的，机械是这些信息中的基础。众所周知，机床中各个零件的制造、加工和装配精度决定了机机械工程学报第49卷第6期期90床的传动精度。如果说机械的本体精度(即加工和装配精度)不高，那么任何先进的检测和控制装置也难发挥有效作用，一位美国学者曾说:“几何精度决定机床精度”。前苏联学者也在其专著中强调了精度对机器误差的影响作用。另据有关部门报导，1976年国防部一个由100多位专家组成的“机床作业调查组”指出:“需要越来越多的人员学习机床误差的来源，因为精通机床误差的人数非常少，如何才能避免出现的机床误差?”可见，研究机构误差的重要意义。可以通过提高机械设计的水平来提高机械(机构)精度。因为机械设计的水平决定了研制机械装备的水平。机械设计水平的高低，可以影响到制造工艺以及测量技术方法的水平，影响到加工的难易程度、成本等方面，还会影响到设备的使用精度。在设计机械产品时，一般只研究其理想机构，很少会涉及到它的误差模型。至于其机构的误差(主要是指制造和装配误差)对机构末操作端造成的影响，很少研究。因此，精度分析的作用在现代社会中就越来越重要。它是机械设计中非常重要的一部分，也是保证机构、设备及其精度的重要手段之一。前面讲到的机械精度理论的基础原理也可以用到电路系统、光学零件、电路和光路的精度分析方面。21世纪的今天，精度分析己经成为一门多学科的通用技术，将在精度的综合分析中发挥其重要作用。众所周知，大部分机构设计的目的在于保证机构一定位置精度的基础上完成给定的运动规律。普遍的基本理论研究的理想机构是这样的:即要假设机构构件为绝对的刚体，并且其外形尺寸和形状与设计的完全一致性。事实上，机构难免会有这样或者那样的误差。所以，这种假想的理想机构是不存在的。比如说，在加工或者安装的过程中，机构的运动副或者移动副有了间隙，那么构件便不可能按照预想的规律做准确的运动。机构精确度是机械学科的关键分支之一，它是根据实际的加工使用需求并且在科学技术的基础之上发展起来的一门新兴学科。这门学科的主要目的是研究实际的有误差的机构。分析构件的加工误差对机构末操作端的影响，从而探讨机构误差理论及其运作规律。机构精度，最早出现在在20世纪30年代末《自动机机构的设计方法》论文中，它提到了机构误差的一般问题。提到了机构的理论运动轨迹与实际运动轨迹的差异，只是那时还没有精确到问题的的实质。到了1940年，才掀起了全国对机构精确度研究的热潮。传统的机械、仪表速度比较低、载荷有限、体积庞大、精度很低。随着社会的发展，这种传统的机械己经越来越不能满足人们的需求。为了满足机械对现代社会的需要，新型科技领域中的机器人和仿生机械就应运而生了。使得传统的机械学得到了快速的发展，并与其他的一些相关学科结合形成了一些新的边沿学科。现在机械和仪表的高质量、高效率对其动态精度提出了很高要求，并且还需要研究机构中的构件误差、滑动运动副误差、移动运动副误差、构件力变形、热变形的等等对机构末操作端的运动精度的影响。一直以来，人们都是按照工作经验来确定机器人零部件的尺寸公差和配合精度的。直到1940年，才有一些专家学者对零部件的尺寸公差的配合精度的研究提出系统的理论。其中，苏联的学者首先对精度理论作了系统的研究并且取得了可喜的成果，从而开始了机构精确度这一学科的研究。之后，美国、口本、英国、等国家也对机械系统的动态精确度进行了较为广泛的研究。机器人的实际位姿与理论位姿之间的偏差，称为机器人的位姿误差。通常可称为机器人精度，表现为重复精度和绝对精度。机器人的重复精度是机器人末端执行器在关节空间中按指令移动的精度，是机器人回到指令参考点能力的量度。其表现为参考点与多次实验的实际点的均方差。机器人的绝对精度是机器人能够移动到工作单元中特定指令点的能力，描述了机械手移动到指定点时靠近指定点的程度，其表现为参考点与实际点之间的距离。提高机器人的动态和静态精度，是机器人精度理论的核心内容。现代社会中，机器人的重复精度都可以很轻松地做到100um的量级，可是绝对精度却只有0.lcm或者lcm.直线或者圆弧甚至于复杂的空间轨迹，是工业机器人经常会遇到的任务。所以说绝对精度差，就会使得机器人很难执行类似的命令，从而很难完成预想的计划。为了满足当今社会对工业机器人精度越来越高的应用要求，现代工业机器人的精度必须提高。按照设计机构制造出来的实际机构，由于在加工和装配中会受到制造误差以及使用中的变形、摩擦等的影响，都将使实际工作中的运动方程还要起些变化。机构精确度就是要研究实际机构的运动情况与理想机构情况的差别，即所谓机构误差。机构误差是指实际机构运动情况与理想机构运动情况的偏差。机构误差常用位置误月2014年1月赵鑫等：六自由度焊接机器人运动控制精度的分析与研究91差和位移误差来表示。1.1机构的位置误差与位移误差将当实际机构与相应的理想机构的广义坐标相同时，两机构的从动件位置的偏差称为机构的位置误差。例如在图3-1中，理想机构的尺寸:曲柄OA=r,连杆AB=l，点。的Y方向偏置量为e。但是因为有制造误差和装配误差，实际机构的尺寸应该为:O'A'=r+r',A'B'=l+l',曲柄和机架的铰接点，由点O变为点口。口方向的实际偏移为e十e',。最后滑块B的位置变为B'，产生了机构的位置误差:x''=x'–x.当实际机构与相应的理想机构的广义坐标相同时，两机构从动件的位移量的偏差称为机构的位移误差。如图3-2所示，设有误差d:及误差d1,当曲柄转角即广义坐标势从势。转到W时，实际机构的从动件(滑块)从点B0’移动到点B1’而理想机构的滑块由点B。移动到点Bl.根据机构位移误差的定义及图3-2得:图1-1理想机构和实际机构示意图图1-2机构的位移误差示意图2结构误差分析与补偿结构误差是指机器人在加工和装配的时候产生的误差。在式(3-6)中可以看到，当存在结构参数误差时，关节操作末端就会出现误差。为了分析结构参数对末操作端的影响，计算出每个位姿下的理论坐标，然后再计算出机器人的实际位姿坐标。之后取由于孤立的4x,4y和4z无法反应机器人的真实误差，并且不同的点之间结构误差无法比较。因此，再取一个参数4P来反应机器人的坐标误差，其中：下面借助于MATLAB研究机器人的结构误差。让机器人模拟焊接一条直线，长度为100mm，再在其中任取8个点CPI,P2,P3,P4,PS,P6,P7,P8)，仿真分析如下:图2一1实际曲线与理论曲线主视图图2-2实际曲线与理论曲线俯视图表2-1误差分析表(单位/mm)机械工程学报第49卷第6期期92图2-1为机器人末操作端的主视图，图2-2为机器人末操作端的俯视图。表2-1为机器人运动轨迹的精确坐标。从图2-1和图2-2可以看出，虽然机器人的实际工作轨迹和理论工作轨迹的之间