玻璃模具型腔等離子噴焊機器人運動仿真研究

王 倩，周一丹，周自強，張興國

（1. 南通大學 機械工程學院，南通 226019；2. 常熟理工學院，常熟 215500）

玻璃模具型腔等離子噴焊機器人運動仿真研究

王 倩1，周一丹1，周自強2，張興國1

（1. 南通大學 機械工程學院，南通 226019；2. 常熟理工學院，常熟 215500）

根據玻璃模具型腔等離子噴焊的工作條件和任務要求，對用于玻璃模具型腔等離子噴焊的機器人進行了參數設計，討論了該機器人的運動學問題。在MATLAB環境下，用 Robotics toolbox對該機器人的正運動學、逆運動學、軌跡規劃進行了仿真。通過仿真，觀察到了機器人各個關節的運動，并得到了相關數據，表明了設計參數的合理性。

玻璃模具型腔；等離子噴焊；機器人；軌跡仿真；MATLAB

0 引言

目前企業在玻璃模具生產中的一個重難點是要進行玻璃模具型腔關鍵部位的等離子噴焊以提高其耐磨、耐腐蝕和抗氧化等性能[1]，而現有的操作都是人工完成，工人需要將經過預熱的玻璃模具（溫度高達650℃～700℃，重約15Kg）搬上或搬下焊機工作臺，導致了工人勞動強度大，工作效率低且存在著極大的安全隱患。為解決這一問題，擬采用機器人代替人工操作，對其進行了參數設計、運動學和軌跡規劃的仿真，尤其是對于小批量多品種（有時甚至是單件）的玻璃模具來說，提出了基于玻璃模具的CAD圖形直接生成噴焊機器人的運動軌跡而省略了現有的機器人示教或離線編程工作，將大大簡化了機器人的工作方式，提高了生產效率。這也符合信息集成的理念。

1 玻璃模具等離子噴焊機器人參數設計

根據企業玻璃模具等離子噴焊的整個過程要求，提出了玻璃模具型腔全過程自動噴焊系統方案，其由等離子噴焊機、機器人、玻璃模具電感加熱爐、供料傳送帶和成品存放區構成，如圖1所示。

根據圖1所示系統布局方式和機器人所要完成的工作任務，機器人的結構方案采用柱面坐標式機器人，如圖2（a）所示。主要由底座、立柱、水平手臂和末端執行器構成。水平手臂裝在立柱上，能水平方向上自由伸縮，并可沿立柱上下運動。立柱安裝在底座上，并與水平手臂一起能在底座上轉動。其中前兩個為移動關節，最后一個為轉動關節，這三個關節確定了末端執行器的位置。在手臂末端的手腕處還有兩個轉動自由度，實現末端執行器的姿態—俯仰和旋轉。此機器人取名為“robot-glass mould”。該柱面坐標式機器人位置精度高，控制簡單。其動作過程如圖3所示。

圖1 等離子噴焊機器人系統平面布局示意圖

圖2 “robot-glass mould”的實體模型及連桿坐標系

圖3 等離子自動噴焊機器人動作流程圖

按照機器人的整個動作過程和模具型腔全過程自動噴焊系統布局方案，表1給出了“robotglass mould”的連桿參數。其中，具體的參數d2，d3及d4是由預定的工作任務決定的，其余均按D-H變換[2]的定義進行設計。

表1 “robot-glass mould”的連桿參數

2 玻璃模具型腔等離子噴焊機器人運動學仿真算法

2.1 機器人運動學正問題

所謂運動學正問題[2,3]就是對于一機器人，給定桿件的幾何參數和關節的位移，求解末端連桿坐標系相對于基坐標系的位姿。

為求解運動學方程式，用齊次變換矩陣i－1Ti來描述第i坐標系相對于（i－1）坐標系的位置和方位，記作：

現在，將機器人的參數代入式（1），得到第i坐標系相對于機座坐標系位姿的齊次變換矩陣0Ti，表示為：

特別的當i＝5時，可求得0T5，它確定了機器人的末端相對于基坐標系的位置和姿態。表示為：

其中

2.2 機器人運動學逆解

機器人運動學逆問題就是已知末端連桿的位置和方位，求得機器人的各個關節變量，對于上述的“robot-glass mould”，需要求解的變量為q1，d2，d3，q4，q5。

機器人運動學逆問題的求解方法是：將運動方程式（3）的兩端依次左乘各T矩陣的逆矩陣，并使兩端相等矩陣的對應元素相等，即可求得各關節變量。

求解關節變量的方程式如下：

3 玻璃模具型腔等離子噴焊機器人軌跡規劃

機器人軌跡規劃是根據機器人要完成的任務設計機器人各關節的運動規律。例如，對一般的工業機器人來說，操作員可能只輸入機械手末端的目標位置和方位，而規劃的任務便是要確定出達到目標的關節軌跡的形狀、運動的時間和速度等。這里所說的軌跡是指隨時間變化的位置、速度和加速度。軌跡規劃主要有兩種方案[3]：1）點到點運動（PTP）軌跡規劃；2）連續路徑運動（CP）的軌跡規劃。對于連續路徑運動，不僅要規定機械手的起始點和終止點，而且要指明兩點之間的若干中間點 （稱路徑點），必須沿特定的路徑運動（路徑約束）。

玻璃模具型腔等離子噴焊機器人將玻璃模具從預熱部位（設為點A）移動到等離子焊機下（設為點B），噴焊完成后再將其放到貨架區(設為點C)的運動路徑沒有要求，屬于PTP規劃。在噴焊過程中噴焊軌跡要沿著焊縫，因此屬于CP規劃。

4 MATLAB運動仿真

4.1 運動仿真

1）在對上述規劃軌跡進行仿真前，先使用link函數和robot函數建立機器人模型，用r.name為機器人命名為“robot-glass mould”。

命令如下：

2）按預定PTP軌跡進行仿真（由于篇幅有限，僅對A點到B點進行仿真示例），A點可表示為qA=[0 0 0 0 0]，即表示機器人的各個關節都處于零位置處。機器人在B點相對于基坐標系的位姿可用TB表示。然后，按運動學逆問題的解決方法，可以求得A到B的各個關節變量。下面用Robotics toolbox的逆運動學命令ikine( )來求解：

%說明機器人由A到B，關節1需正向轉動1.5708rad，關節2和3需向前移動0.2m和0.5m，最后兩個關節需分別逆向轉動3.1416rad和正向轉動1.5708rad。

3）用命令plot（ ）對機器人由A 到B 的運動進行仿真（取仿真時間為2s，采樣間隔時間為0.056s），這時就可以看到機器人各關節的具體運動情況，圖4給出了機器人運動到B時的三維圖。命令如下：

圖4 “robot-glass mould”運動到B點時的三維圖

4）按預定CP軌跡進行仿真

現有機器人可以通過示教噴焊區域的特征點，經過軌跡規劃算法和逆運動學計算，得出噴焊區域的機器人噴焊仿真和實際噴焊操作，但是對于目前多品種小批量的玻璃模具來說，直接通過玻璃模具的AutoCAD圖紙文件得出機器人的噴焊操作將會大大提高生產效率，其設計思想流程見圖5所示。

圖5 焊縫噴焊軌跡規劃仿真思路流程圖

由于MATLAB從7.0版本就提供了一個實用的用戶圖形界面開發程序guide，它完全支持可視化編程，類似于Visual basic，因此，用戶可以十分方便地設計出高質量的圖形用戶界面（GUI），設計的玻璃模具型腔等離子噴焊機器人的仿真界面如圖6所示。

圖6 玻璃模具型腔等離子噴焊機器人仿真界面

4.2 仿真結果分析

從運動仿真的前兩步，可以看出機器人前三個關節的運動可以滿足通常三自由度柱面坐標機器人的運動要求，即手臂可以實現水平方向上的自由伸縮，繞立柱的轉動和沿立柱的上下運動，從而驗證了連桿1，2，3的連桿參數設計的合理性。機器人后兩個關節的運動可以使末端關節具有不同的姿態（實現俯仰和旋轉），也說明了設計的參數是合理的。

在運動仿真的第（3）步，我們觀察到機器人由A運動到B時各個關節的運動情況（文中無法顯示這一運動過程），且各個關節運動情況均為正常，各連桿沒有運動錯位的情況，從而驗證了所有連桿參數的合理性，且各參數的設計能夠實現預定的目標。

在圖6所示的仿真界面中，逆運動學仿真得到的5個關節的運動情況也是合理的。

5 結束語

根據玻璃模具型腔等離子噴焊的工作環境和工作任務，對機器人進行了參數設計，分析了它的運動學問題和軌跡規劃問題。在MATLAB環境下，編制簡單的程序語句，對該機器人已規劃好的軌跡進行了運動學仿真，驗證了參數的合理性，達到了良好的效果。

[1] 葉宏. 玻璃模具的激光合金化處理[J]. 激光雜志, 2000(4)： 48-49.

[2] 蔡自興. 機器人學[M]. 北京： 清華大學出版社, 2000.

[3] 朱世強. 機器人技術及其應用[M]. 浙江： 浙江大學出版社, 2001.

[4] 陳世健, 張鐵. 基于Matlab的噴涂機器人運動學分析[J].機電產品開發與創新, 2008, 21(5)：4-5,18.

[5] 王素玲. BC31環境下DXF圖像文件實體數據的提取[J].新鄉師范高等專科學校學報, 1999, 13(1)： 113-115.

[6] 樊炳輝. C語言構造DXF圖形交換文件的應用[J]. 微型電腦應用, 1998(3)： 86-89.

Study on the simulation of glass mould plasma spray welding robot motion

WANG Qian1, ZHOU Yi-dan1, ZHOU Zi-qiang2, ZHANG Xing-guo1

TP24

A

1009-0134(2011)5(下)-0116-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).35

2010-12-18

蘇州市科技計劃項目：基于工業機器人技術的玻璃模具等離子噴焊加工流水線（ZXG0914）； 江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目

王倩（1985－），女，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為先進制造工藝及自動加工技術。