本發(fā)明涉及一種焊接機(jī)械手及其路徑學(xué)習(xí)方法。

背景技術(shù)：

焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定，改善工人勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、通用機(jī)械、工程機(jī)械、兵器工業(yè)和金屬結(jié)構(gòu)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。目前我國應(yīng)用的焊接機(jī)器人90％以上是從世界各知名機(jī)器人廠家生產(chǎn)的，主要應(yīng)用在汽車制造業(yè)。預(yù)計(jì)未來幾年，國內(nèi)企業(yè)對(duì)焊接機(jī)器人的需求量將以30％以上的速度增長。從國外進(jìn)口的焊接機(jī)械手品牌功能強(qiáng)大，精確度高，但是價(jià)格昂貴，在一些焊接車間，焊接機(jī)械手只是反復(fù)完成一個(gè)簡(jiǎn)單、單一的動(dòng)作。采用昂貴的焊接機(jī)器人顯然成本過高，根據(jù)所從事的具體工作，有針對(duì)性地研制一種既可以降低生產(chǎn)成本，又可以提高焊接精度的機(jī)械手十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明了一種焊接機(jī)械手，該機(jī)械手由5個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，其中3個(gè)關(guān)節(jié)用于跟蹤末端執(zhí)行器的位置，另外2個(gè)關(guān)節(jié)用于調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。第5個(gè)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器之間通過可伸縮的桿件連接，以保證焊條和焊縫之間的緊密接觸。焊接之前，夾在機(jī)械手末端執(zhí)行器上的焊條依照焊接時(shí)的姿態(tài)，端點(diǎn)從焊縫的始點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)，同時(shí)，安裝在關(guān)節(jié)處的編碼器采集各關(guān)節(jié)的角位移，并將采集數(shù)據(jù)送計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)依據(jù)各關(guān)節(jié)角位移數(shù)據(jù)規(guī)劃出機(jī)械手路徑，并控制機(jī)械手沿此路徑完成焊縫的焊接。

附圖說明

圖1是5關(guān)節(jié)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及其各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系示意圖，圖中，各坐標(biāo)系均為右手系；Z₁，Y₂，Y₃，Y₄，Z₅與相應(yīng)的轉(zhuǎn)軸平行；Y₁，X₂，X₃，Y₄，X₅與相應(yīng)的鏈桿平行；圖2是前端帶有滑動(dòng)伸縮桿的末端執(zhí)行器示意圖。

標(biāo)號(hào)說明：

1滑動(dòng)箱，2滑動(dòng)塊，3滑動(dòng)桿，4彈簧，5末端執(zhí)行器

具體實(shí)施方式

機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示。以O(shè)表示坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀的原點(diǎn)，O₁，…，O₅分別表示第1，2，…，5個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，若無特別申明，長度、時(shí)間、角度、速度和角速度分別以毫米、秒、弧度、毫米/秒和弧度/秒為單位，且假定

|OO₁|＝d₁，|O₂O₃|＝a₁，|O₃O₄|＝a₂

O₅在X₁Z₁平面內(nèi)，O₅與夾在末端執(zhí)行器(5)上的焊條端點(diǎn)的距離為a₃。

5個(gè)關(guān)節(jié)上安裝電機(jī)和編碼器，編碼器用于測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測(cè)量結(jié)果通過數(shù)據(jù)線送計(jì)算機(jī)記錄。第5個(gè)關(guān)節(jié)帶有滑動(dòng)伸縮桿以保證焊條與工件的接觸?；瑒?dòng)箱(1)是一個(gè)帶有立方體空腔的圓柱，一端與電機(jī)轉(zhuǎn)軸固連，另一端與滑動(dòng)桿(3)滑動(dòng)連接；滑動(dòng)桿(3)的一端與滑動(dòng)箱(1)空腔內(nèi)的滑動(dòng)塊(2)連接，另一端穿過彈簧(4)與末端執(zhí)行器(5)連接。

以θ₁，θ₂，…，θ₅分別表示第1，2，…，5個(gè)關(guān)節(jié)的角位移，則O₅在坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中的坐標(biāo)為

焊條端點(diǎn)在坐標(biāo)系X₅Y₅Z₅中的坐標(biāo)為

記關(guān)節(jié)角向量Θ＝(θ₁，θ₂，…，θ₅)^T，則焊條端點(diǎn)在坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中的坐標(biāo)為

對(duì)于每一條焊縫，只要在其上采集足夠稠密的點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)向量，通過各關(guān)節(jié)角在相鄰的兩個(gè)坐標(biāo)向量的對(duì)應(yīng)分量之間的均勻變化就可以足夠精確地確定一條焊縫路徑。為此，依照焊接時(shí)的姿態(tài)，將焊條端點(diǎn)從焊縫的始點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)，同時(shí)各關(guān)節(jié)上的編碼器以采樣周期T采集關(guān)節(jié)角位移向量，可以得到

i＝0，1，…，n

其中n+1為樣本個(gè)數(shù)。因此對(duì)于i＝0，1，…，n

以||·||表示向量模，則焊縫可表示為

以v表示焊接過程中焊條相對(duì)于焊縫的移動(dòng)速度，則焊條從焊縫的始點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)的時(shí)間為l/v，從點(diǎn)A(Θ_i-1)移動(dòng)到點(diǎn)A(Θ_i)的時(shí)間為||A(Θ_i)-A(Θ_i-1)||/v，因此對(duì)于j＝1，2，…，5，第j個(gè)關(guān)節(jié)從變化到的時(shí)間是||A(Θ_i)-A(Θ_i-1)||/v，關(guān)節(jié)角位移速度為

i＝1，2，…，n

焊條從始點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)A(Θ_i)的時(shí)間為

以t表示當(dāng)前時(shí)刻，θ_j(t)表示t時(shí)刻第j個(gè)關(guān)節(jié)的角位移。為了避免誤差積累，在t₁，t₂，…，t_n時(shí)刻對(duì)關(guān)節(jié)角位移向量進(jìn)行校正，以保證用表示變量賦值號(hào)，焊接過程的程序?yàn)椋?/p>

(1)焊條端點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)焊縫始點(diǎn)；對(duì)i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，5，計(jì)算

(2)t＝0，i＝1；

(3)若對(duì)t＜t_i，對(duì)j＝1，2，…，5，第j個(gè)關(guān)節(jié)以角速度ω_ij旋轉(zhuǎn)，否則

(4)若i＜n，轉(zhuǎn)(3)；

(5)停止。