浅谈智能多工位焊接机器人的设计与实现

王咏梅

摘 要 焊接作为一种制造技术，是为适应工业发展需要，以现代工业为基础发展起来的，并且直接服务于机械制造工业。焊接生产的效率和质量问题必须通过实现焊接生产过程的机械化和自动化来加以解决，焊接机器人的出现为实现这一目标提供了可能。采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。

关键词 智能;多工位;焊接机器人

1焊接机器人的意义

在工业生产中采用焊接机器人具有重大意义：①提高焊接质量，保证焊件均一性。焊接工艺参数（包括焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等）对焊接质量具有决定性的作用。人工焊接时，操作人员的焊接技术、精神状态等直接影响焊接质量。机器人焊接时，降低了对工人操作技术的依赖，焊接质量得以保证。②改善工人的劳动条件和工作环境。焊接机器人工作时，工人只需装卸工件，远离焊接弧光、烟雾和飞溅等，使工人从恶劣的工作环境和大强度的劳动中解脱出来。③提高劳动生产率。机器人可以全天候连续生产。另外，通过使用焊接机器人进行高速高效焊接可以显著提高生产效率。④缩短产品改型换代的周期。机器人焊接可以通过修改程序以适应不同工件的生产，从而实现小批量产品的焊接自动化[1]。

2智能多工位焊接机器人的实现

2.1 虚拟空间技术

（1）基于OpenGL的多机器人仿真环境

针对现有机器人仿真软件无法嵌入用户控制算法，提出开发基于OpenGL多机器人协同控制算法的软件仿真环境，并通过嵌入碰撞检测算法实现对多机器人在协同工作时的运动空间碰撞检测及碰撞位置的显示与预警。该软件包括人机界面，仿真结果可视化，可按实际需求添加控制算法。

（2）基于Matlab的多机器人仿真环境

提出了一种以Matlab软件为平台，充分结合Pro/E 等三维实体设计软件、Matlab 3D 动画技术建立可视化程度高、细节显示逼真的机器人3D仿真研究平台。并经过了机器人 3D 仿真模型的建立、仿真实体的数据导入和仿真系统的3D动画演示等步骤，最终得到一个系统软件开放程度高、可视化效果逼真的机器人3D仿真环境。

（3）基于CAD导航的机器人末端轨迹规划

为解决机器人喷涂作业中传统人工示教方法耗时长、易出错和过于依赖工人技术等局限性，提出一种基于CAD导航的机器人工具轨迹规划方法。该方法通过对喷涂漆膜雾锥模型建模优化得到最佳路径间距，采用优化路径间距作为与工件CAD模型求交获取喷涂路径，最后通过喷涂路径求得机器人工具轨迹。该方法可以实现对喷涂路径间距优化，从而使在此基础上规划喷涂轨迹能够满足漆膜平均厚度要求和漆膜厚度变化。

2.2 空间碰撞检测及避障技术

（1）混合包围体层次树碰撞检测算法

为解决喷涂、焊接、装配等工业现场中能快速检测出机器人与周边环境是否发生碰撞，提出一种适用于铰接模型机器人的碰撞检测算法——混合包围体层次树算法。该算法借助由OBB包围机器人连杆时更紧凑和以OBB为基元构建球包围体时计算简化、耗时少这些不同包围体所具有的优势，并采用由顶层、中间层和底层三层结构构成的包围体层次树技术。如果包围体层次树中父节点包围体不存在碰撞，则无须对子节点包围体进行碰撞检测，且顶层与中间层采用二叉树结构来存储数据，以此加快碰撞检测速度。而且该算法可以随着机器人实际运动时各连杆间相对位置的变化而动态更新，以此适应机器人的碰撞检测。

（2）并行混合包围体层次树碰撞检测算法

针对现有多机器人间碰撞检测算法耗时过多的问题，提出上层动态剔除层、中间连杆层、底层三层结构的并行动态包围体层次树碰撞检测算法。首先采用三层结构构建机器人两两间动态包围体层次树;然后依次对上、中、底各层设计并行加速的并行架构，采用OpenMP的3种并行结构实现碰撞检测并行计算。在相同实验条件下，动态包围体层次树中间连杆层、底层并行处理后碰撞检测效率是原动态包围体层次树的2倍左右，是RAPID的4倍以上。

（3）基于二阶锥规划的超二次曲面接近查询

接近查询能在物体碰撞发生前预警并使系统做出相应响应，其比单纯进行碰撞检测具有更广泛应用。提出用超二次曲面描述机器人连杆，将机器人连杆之间的最小距离计算等效为超二次曲面之间的最小距离计算。该问题可由一个通用的非线性规划问题（NLP，1）转化为一个求解性能良好的二阶锥规划问题（SOCP，2）。采用内点算法求解该SOCP问题能在多项式时间内求解，且该算法对两直线平移物体间的最小距离计算与静止物体间最小距离计算复杂度完全相等，实现直线平移物体间的连续碰撞检测。图1（见文末）即为其仿真结果。

2.3 多机器人系统避障与最优协调

采用延时启动的时空置换策略，实现多机器人系统的避障与最优协调。以车间现场环境下给定轨迹的多工业机器人系统（不限于两台）为研究对象。通过定义规范化路径和规范化轨迹，将机器人连杆与连杆之间的空间碰撞信息反映射为时间碰撞信息。采用延时启动的时空置换策略，推导多工业机器人系统无碰撞的充分条件和最优协调的必要条件，并分别建立两种条件下的混合整数线性规划模型。

2.4 智能变位装夹机构的研制

一个完整的机器人焊接系统一般包括机器人本体、控制系统、自动焊机和自动变位机等组成。2自由度的智能焊接变位机方案设计、结构分析与计算、计算机仿真、零件图及装配图的绘制，于2012年年底完成樣机的制作和调试，与自主研制的6自由度机器人一起组成机器人自动焊接系统。

开发的变位机的主要技术参数：

额定载荷：200kg;

工作台尺寸：φ800mm;

最大回转速度：12.0rad/min;

最大翻转速度：8.0rad/min;

最大偏心距：150mm;