邵長春+李水明

【摘 要】本文建立弧焊機器人和變位機耦合性數(shù)學(xué)模型，在MATLAB仿真軟件環(huán)境下，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對運動方程進行模擬仿真。

【關(guān)鍵詞】弧焊機器人 變位機 耦合 MATLAB

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）10C-0188-03

變位機與機器人間的協(xié)調(diào)工作，使得焊接過程存在的平、橫、立、仰問題歸結(jié)為平焊過程，文中提到的最佳待焊位置指的就是焊縫水平位置。為了提高焊接強度，降低焊接工藝的復(fù)雜程度，進而提高焊接的質(zhì)量和效率，弧焊機器人和變位機要達到協(xié)調(diào)運動。因此建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并對模型進行理論分析非常重要。

弧焊機器人變位機工作系統(tǒng)中各個功能模塊可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，但建立的數(shù)學(xué)模型要用到非常多的數(shù)學(xué)公式。通過人工計算不現(xiàn)實，也不能看出機器人變位機之間的相互影響關(guān)系。為了能夠直觀了解機器人變位機之間的耦合性能，對所建立的數(shù)學(xué)模型進行模擬仿真。

MATLAB軟件是計算機技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論發(fā)展的產(chǎn)物，功能強大，尤其在矩陣運算方面，因此得到廣泛應(yīng)用。本文利用MATLAB軟件對所建立的數(shù)學(xué)模型進行模擬仿真，探索弧焊機器人變位機離線編程的方法。

一、理論基礎(chǔ)

（一）弧焊機器人變位機運動學(xué)原理

矩陣運算可以表示某一點、一個向量、特定坐標系的平移運動、旋轉(zhuǎn)運動。在實際的工程設(shè)備中，矩陣可表示一個物體或者其它的運動組件在坐標系運動。本文研究的就是用矩陣來表示弧焊機器人變位機的各個功能模塊和各個組件的相對運動關(guān)系。

本文以IRB1400型號機器人作為研究的對象，該型號機器人模型有六個關(guān)節(jié)角度，具體如圖1所示：

IRB1400型號機器人主要參數(shù)指標是：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、連桿扭角、連桿長度、連桿距離和連桿的個數(shù)。這些參數(shù)決定了機器人的運動范圍。具體參數(shù)如表1所示：

變位機工作原理就是拖動待焊工件，使焊縫不斷移動到最佳待焊位置。變位機的主要參數(shù)：θα和θβ，代表兩個關(guān)節(jié)角度。為了便于分析，在建立運動學(xué)數(shù)學(xué)模型時，往往選取變位機作為弧焊機器人系統(tǒng)的一部分，如圖3所示：

依據(jù)D-H描述法，確定每一個桿件的參數(shù)和相互關(guān)系，在每一個連桿上設(shè)置一個坐標系，用矩陣變換原理來表達相鄰連桿的參數(shù)和相互關(guān)系，包括焊槍和變位機待焊點之間的關(guān)系。

根據(jù)D-H描述法，在弧焊機器人各個關(guān)節(jié)的位置變換中，第N+1關(guān)節(jié)的局部坐標系相對前一坐標系N的位置姿態(tài)矩陣的表示如下：

二、對運動方程模型進行模擬仿真

（一）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬仿真的建立

通過矩陣的變換運算，可以對弧焊機器人變位機系統(tǒng)運動進行正解和逆解運算并可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過正解與逆解運算公式的程序求解，即可以把弧焊機器人變位機系統(tǒng)的運動進行量化。當正解與逆解運算的因果關(guān)系對應(yīng)，則可以說明運動模型是正確的；反之，可以認為數(shù)學(xué)模型建立錯誤，相應(yīng)的運動也會出現(xiàn)錯誤。本文是基于MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對運動學(xué)模型進行模擬仿真。

弧焊機器人變位機系統(tǒng)在工作過程中會因為自身的的震動而使得焊槍發(fā)生抖動現(xiàn)象，會造成焊槍“蟻動”現(xiàn)象，實際焊接位置與理論焊縫有偏差。為此在計算過程中加反饋因數(shù)，對實際運動進行實時調(diào)整。

表2數(shù)據(jù)是弧焊機器人變位機系統(tǒng)在實際作業(yè)過程中選擇的運動點數(shù)據(jù)：

MATLAB仿真軟件通過對焊縫上這些特殊點的處理，在模擬仿真過程之前，MATLAB軟件可以得到比較光滑的曲線焊縫。如圖4，就是由已知特殊點生成的焊縫曲線。

利用上一節(jié)的運動數(shù)學(xué)模型公式，在MATLAB里輸入相應(yīng)的控制程序，焊縫曲線是可以根據(jù)特殊點生成。利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對模擬程序進行相應(yīng)的訓(xùn)練，包括訓(xùn)練信息Training Info、訓(xùn)練參數(shù)Training。通過訓(xùn)練，即可以得到模擬仿真圖形。

（二）仿真效果分析

通過對參數(shù)訓(xùn)練和對控制信息的訓(xùn)練，可以得到各個系統(tǒng)的運動情況。

分析誤差范圍，看是否在允許的范圍之內(nèi)。由圖6可以看出運動時間是0到5秒之間，各個運動的線性速度的波動值的變化在0至1.2之間，完全可以達到精度要求。

同時，在仿真過程中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生成作業(yè)示意圖，如圖7所示。

利用MATLAB對系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型進行仿真，容易驗證弧焊機器人變位機系統(tǒng)末端運動軌跡正解矩陣的正確性。除去機械設(shè)備本身的因素造成的誤差，如果正解模擬仿真運算與逆解仿真運算相吻合，就可以證明系統(tǒng)模型是正確的。反之，如果正解運算與逆解運算相差太大，則說明模型建立出現(xiàn)了錯誤。通過模擬仿真，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，并能為實際的作業(yè)過程提供理論性的指導(dǎo)。

焊槍位置姿態(tài)與變位機位置姿態(tài)協(xié)調(diào)性運動的規(guī)劃受很多因素的影響，比如工藝參數(shù)、工件形狀和板厚等，其最終的姿態(tài)是難以進行精確量化的，所以必須依靠大量的經(jīng)驗知識積累。因此，將弧焊機器人與變位機的協(xié)調(diào)運動所得到的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，在運算的復(fù)雜程度方面得到很大降低。當然，在生產(chǎn)應(yīng)用中，還要借助其他很多的理論知識，比如基于焊縫特征的焊縫中心線信息獲取方法，智能感應(yīng)控制實現(xiàn)焊縫的識別等。

【參考文獻】

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【作者簡介】邵長春（1985— ），碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：工業(yè)機器人技術(shù)及自動化控制。

（責編 丁 夢）endprint