弧焊机器人控制技术的研究与实现

分类号学号M200970359学校代码10487密级硕士学位论文弧焊机器人控制技术的研究与实现学位申请人：熊烁学科专业：机械电子工程指导教师：叶伯生副教授答辩日期：2012年1月8日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchandImplementationofControlTechnologyforArcWeldingRobotCandidate:XiongShuoMajor:MechanicalandElectronicEngineeringSupervisor:AssociateProf.YeBoshengHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJanuary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文I摘要弧焊加工是工业机器人的重要应用领域之一。与传统手工焊及焊接机焊接相比，机器人焊接具生产效率高、焊接质量好及柔性化强的特点。随着汽车、工程机械等产业的发展，弧焊机器人的应用前景十分广阔。本文研究了弧焊机器人运动学及轨迹规划算法，对算法进行了优化。引入了机器人关节属性，将机器人分为“前/后”、“上/下”、“俯仰”三种关节状态，解决了运动学多解的问题和奇异点规避的问题；将机器人的轨迹规划分为平动轨迹规划和转动轨迹规划，分别建立轨迹方程，并进行插补，以此为基础设计了机器人直角空间内的直线和圆弧轨迹规划方法。提出了多点标定的弧焊机器人焊枪标定和工件标定算法。焊枪工具中心点（TCP）位置标定采用最小二乘法进行拟合，焊枪工具坐标系（TCF）姿态及工件坐标系标定采用坐标变换进行计算。该标定算法也适用于其它类型的工业机器人。与一般工业机器人相比，弧焊机器人有自己的控制特点。本文针对弧焊机器人的控制的关键技术，研究了基于路径坐标系的机器人摆动功能算法，满足了机器人摆动焊的要求；研究了机器人与变位机协同运动功能的算法，保证了焊枪与焊缝始终处于良好的焊接位置；给出了弧焊机器人控制器与焊接电源的连接方法，并探讨了引弧、主焊接、收弧和回烧这四个焊接过程的焊接信号控制方法。在此基础上，开发了基于HNC-08的弧焊机器人系统软件。该软件实现了机器人控制器与示教器的上下位机通讯，并集成了弧焊机器人控制指令和数据结构。关键词：弧焊机器人运动学轨迹规划焊枪标定工件标定变位机焊接电源华中科技大学硕士学位论文IIAbstractArcweldingisaveryimportantapplicationforindustrialrobot.Comparedwithtraditionalmanualweldingandmachinewelding,robotweldingissuperiorforitshighefficiency,goodqualityandhighflexibility.Withthedevelopingofautoindustryandconstructionmachineryindustry,arcweldingrobotwillhavebroadapplicationprospect.Thisthesisstudiesandoptimizesalgorithmofkinematicsandtrajectoryplanningforarcweldingrobot.Itintroducestherobotjointconfigurations,whichspecifyrobotintothreejointconditions:“front/back”“up/down”“flip/no-flip”,tosolvetheproblemsofkinematicsmultiplesolutionsandsingularpointavoidance.Itdividesrobottrajectoryplanningintotranslationalandrotationaltrajectoryplanning,establishespathequationsandinterpolatesforthesetwoprocesses,anddesignsrobot’sCartesianlinearandcirculartrajectoryplanningmethodsbasedontheseconcepts.Thisthesispresentsamulti-pointcalibrationalgorithmforarcweldingrobot’storchcalibrationandworkpiececalibration.Thealgorithmusesleastsquarestofittoolcenterpoint(TCP)positionandcoordinatetransformationtocalculatetoolcoordinateframe(TCF)orientationandworkpieceframe.Thecalibrationalgorithmisalsoapplicabletoothertypesofindustrialrobot.Comparedwiththegeneralindustrialrobot,arcweldingrobothasitsowncontrolcharacteristics.Inallusiontothekeytechnologiesofarcweldingrobot,thisthesisresearchesthealgorithmofrobotweavingfunctionbasedonpathcoordinatesystemtomeettherequirementofweavingwelding;itresearchesthealgorithmofrobotandpositioner’scoordinatedmovementtoguaranteethewellweldingpointofweldingtorchandseam;itgivesthemethodtoconnectrobotcontrollerandweldingpowersupply,andinvestigatesthesignalscontrolmethodoffourweldingprocesses,arcignition,mainwelding,arcendingandburningback.Onthebasisofbefore,thearcweldingrobotsystembasedonHNC-08isdeveloped.Thesoftwarerealizesupper-lowercomputercommunicationswithrobotcontrollerandteachpendant,andintegratesthecontrolinstructionsanddatastructuresofarcweldingrobot.Keywords:arcweldingrobot,robotkinematics,trajectoryplanning,torchcalibration,workpiececalibration,positioner,weldingpowersupply华中科技大学硕士学位论文III目录摘要...............................................................................................................IAbstract..........................................................................................................II1绪论.......................................................................................................11.1课题来源...............................................................................................11.2课题的研究背景与意义......................................................................11.3国内外概况和发展趋势......................................................................21.4本文研究的主要内容..........................................................................52弧焊机器人概述..................................................................................62.1弧焊机器人系统组成..........................................................................62.2弧焊机器人功能要求..........................................................................82.3本章小结.............................................................................................113机器人运动学及轨迹规划................................................................123.1莫托曼SK6型工业机器人概述.......................................................123.2带关节属性的机器人运动学分析....................................................143.3机器人的直线轨迹规划....................................................................193.4机器人的圆弧轨迹规划....................................................................233.5本章小节.............................................