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全自动桁架机械手的结构特点
2015-08-19 10:54:14

全自动桁架机械手的结构特点
 

工业机器人(即全自动桁架机械手,下称桁架机械手)的结构形式很多,常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等,是一种高智能龙门自动上下料,根据不同的用途还在不断发展之中。焊接型桁架机械手根据不同的应用场合可采取不同的结构形式,但目前用得最多的是类似于人的手臂功能的多关节式的机械手,这是因为多关节式机械手的手臂灵活性最大,可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态,以满足焊接需要。理论上讲,桁架机械手的关节愈多,自由度也愈多,关节冗余度愈大,灵活性愈好;但同时也给机械手逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态,再通过机械手逆运动学计算转换为对机械手每个关节角度位置的控制,而这一变换过程的解往往不是唯一的,冗余度愈大,解愈多。如何选取最合适的解对全自动桁架机械手焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的全自动桁架机械手控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。

一般来讲,具有6个关节的机械手基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求,其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置,另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此,目前的焊接型桁架机械手多数为6关节式的。

对于有些焊接场合,工件由于过大或空间几何形状过于复杂,使焊接型桁架机械手的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态,这时必须通过增加1~3个外部轴的办法增加机械手的自由度。通常有两种做法:一是把机械手装于可以移动的轨道小车或龙门架上,扩大机械手本身的作业空间;二是让工件移动或转动,使工件上的焊接部位进入机械手的作业空间。也有的同时采用上述两种办法,让工件的焊接部位和机械手都处于最佳焊接位置。

焊接型桁架机械手的编程方法目前还是以在线示教方式(Teach-in)为主,但编程器的界面比过去有了不少改进,尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接型桁架机械手的编程界面更趋友好、操作更加易。然而机械手编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取,然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说,必须花费大量的时间示教,从而降低了机械手的使用效率,也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种:

一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点,然后通过焊接型桁架机械手的视觉传感器(通常是电弧传感器或激光视觉传感器)自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程,但在一定程度上可以减轻示教编程的强度,提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点,机械手的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。

二是采取完全离线编程的办法,使机械手焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成,不需要机械手本身的参与。机械手离线编程早在多年以前就有,只是由于当时受计算机性能的限制,离线编程软件以文本方式为主,编程员需要熟悉机械手的所有指令系统和语法,还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标,因此,编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展,如今的机械手离线编程系统多数可在三维图形环境下运行,编程界面友好、方便,而且,获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”(virtual Teach-in)的办法,用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标;在有些系统中,可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹,然后自动生成全自动桁架机械手程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率,也减轻了编程员的劳动强度。

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