焊接机器人外文翻译资料

 2022-07-27 15:10:00

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焊接机器人

在当今，工业生产中提高质量，生产力和劳动条件被强烈鼓励。 现代机器人系统正在帮助增强这些功能。 然而，当前的机器人系统不能完成一些工业应用，特别是那些涉及复杂的移动环境的工业应用。

在海军建设领域，船舶的主要阶段安装过程是巨大船舶的建造和分段装配。 这项工作需要在高度自动化的车间进行。 另一个重要阶段涉及在分段离开车间后在干船坞内装配。分段被电弧焊接在一起，这一阶段需要操作者必须手动使用设备完成。一些焊工做出良好有质量的工作，但是工作的整体质量相当不规律。

生产率在第二阶段的工艺非常低，因为操作人员处理手动设备经常需要停止。 此阶段的焊接时间占4〜6％船舶的总焊接时间; 然而，它需要约30至35％的焊接人力。 最后，工作条件对于操作者来说是非常糟糕的，操作者必须在封闭状态下与非常少的通风和非常浓的烟雾条件下完成焊接。 这些原因导致一个造船厂公司和研究人员的团队必须设计和建立一个自动焊接系统，用于船舶安装过程，主要目的是提高生产率增加总电弧时间，提高焊接质量，并创造更好的操作员工作条件。

步行机技术似乎已经准备好完成工业应用以及工业考虑，在考虑不同的机器配置同时满足总体严格要求重量，尺寸，有效载荷和组装/拆卸能力。最后，一个能够通过抓住单元扶强材走路的四足机器被设想为我们的最佳选择应用。因此，这篇文章提出了一个有腿的机器（称为ROWER）在海军建设过程中的应用，侧重于通过移动的项目调查阶段平台的配置和设计而不是展示整个项目，其中有三家公司参与该项目。有腿的机器通过抓住船体分段的其他结构移动，而不是走底平面。这提高了机器的刚度保证其稳定性。本文描述了步行机的主结构，支腿结构和抓握机构以及它们如何应对工业工作场景。最后，介绍了ROWER的特点和功能。

ROWER系统概述

整个系统由一个商业焊接系统组成，同时由商业机械手控制。这些子系统被携带在移动平台的工作区域。 通过立体视觉系统找到焊缝起点和终点。 所有四个子系统由位于工作地点外的操作者监督的计算机来远程控制。 主管计算机也包含每个工作单元的几何描述的数据库。

移动平台的主要任务是在非常复杂的情况（双壳船体）下为焊接操纵器提供运动。 这种情况包括由装有加强筋在船体顶部，底部和侧壁上以加强船舶结构。

工作场景的复杂性和系统移动性的要求使得步行机这个应用程序成为最佳选择。 有腿运动已在过去二十年中得到广泛调查，期间许多步行机已经构建成为用于满足研究目的的测试台。 大部分步行机是实验室原型，那是用于在室外环境和极端条件下测试的机器。 这些原型中的一些主要集中应用于空间[1]和潜艇任务[2]，机器的可靠性对使命的成功至关重要。 这种应用不允许在部件缺失或在子系统崩溃后能容易地恢复机器。 步行/爬山机在工业中的应用过程[3，4]以及在自然地形上的特殊应用[5,6]需要可靠性，速度和准确性，以及可维护性。

过程概述

如上所述，船舶安装过程包括三个主要活动：

◆在工作区域分段建造。

◆分段运输到干船坞或滑道。

◆在干坞或滑道中的分段装配。

第一个活动是船舶大型分段的建造，如图1所示。这个过程很容易自动化，其生产率相对较高。第三个活动包括通过将所有纵向增强件和所有垂直件焊接在一起进而连接两个连续的块舱壁。对于环境安全，大多数船舶，特别油轮和散货船，建有双层底和双壳体，所以如果船体破裂，货物不会溢出。这种双重结构组成整个船的各个分段（见图1）。典型的油轮底部分段可以长达10米，宽4米，高3米。焊接这些分段中的接缝主要位于壁，底，以及连接平面截面上的加强件，垂直舱室隔板和底部。因此，焊接过程可以定义为将所有基本分段焊接在一起，这可以被认为是移动平台的工作场景。

总而言之，该情景为一个大约7到10m长，2到4m宽，1.5〜3m高的分段。纵向加强筋构成的舱室隔板以及分段底部用以加强船体结构。扶强材高度范围为约0.2m至0.7m。移动平台必须承载焊接系统在定义的纵向和横向范围内的任何分段上通过，并帮助操纵者到达舱室隔板和底部。为了允许工人在里面，分段具有约0.8times;0.6m的人孔（参见图1）。这个功能在设计中非常重要。整个系统，因为每个子系统的大小必须是受限于检修孔的尺寸。另一个约束是每个子系统（操纵器，焊接系统，移动平台，视觉系统等）的重量必须小于50公斤，根据操作员携带物品的劳动法规。这就是为什么移动平台必须划分分成不同的部分并在分段内部组装的原因。我们的项目参考分段是10times;4times;3米，顶部扶强材是0.635米高，底部扶强材是0.575米高。加强件必须距离分段的顶部和底部0.88m。在水平面上以及扶强材上移动的要求使得情况对于使用轮式或履带非常困难。表1总结了步行机的主要要求。有腿的运动似乎比传统运载工具更适合在这种环境中的移动。对于这种特殊的应用，不同的腿配置设想为在分段中行走的可能选择。 pantographic配置被拒绝，因为脚踝在向前/向后或向上/向下推动身体时扫过体积[7,8]。这可能导致脚踝与加强筋碰撞，这必须避免。在船体分段中，限制脚运动的位置区域太多了。也考虑了正交腿选择。其主要优点是可以设置成垂直链接使其非常接近加劲肋，而不会在移动身体时扫过任何体积。因此，脚踝不会陷入加强件。在这个过程中，在监控器数据库中定义的单元的几何形状在大约plusmn;20mm的精度之前是已知的。对于焊接，机械手必须由移动平台最准确地放置。因此，移动平台必须足够准确以完成这一点任务。这使得精确定位必须成为步行机应用前必备的功能。

ROWER步行机的结构主要结构

身体的结构取决于有效载荷布局和操纵器的功能。 在本案中，操纵器可以在向上和向上的位置工作。 但是，如果是壁挂式的，它不能正常工作。该特征使我们设计了安装在能够围绕U形的纵向轴线旋转的转台上的操纵器框架结构体（参见图2）。 然而，关于操纵器和相关焊接设备的问题在本文的研究范围之外。 因此，本文剩下部分将一个平行六面体结构作为假设。 它的身体结构由焊接铝板制成。 每块板都有一个窗口，通过剥离不需要的材料，这种设计使得结构重量更轻。

造船程序不能保证我们的目的所需的精度; 因此，使用传感器来检测加强件

精度至关重要。

虽然六腿机提供非常好的稳定性，特别是对于工业应用，但为了最小化机器的总重量， 四足机动车平台被选择，这是本应用的首要要求。 同时使用四条腿大大降低了最终价格，这通常是一个重要的工业要求。 这种初始选择被认为是最终机器的理想解决方案结构，因为没有机器稳定性问题，因为评论如下。 腿和机器结构是如图1所示。 图3和图4。 4，分别讨论在段落。 图4还示出了机器相对于接缝路径的工作位置和周围的扶强材[9,10]。

腿结构和抓握装置

如前所述，正交腿被认为是最好的这个应用程序。因此，腿由通过棱柱形接头致动的垂直连杆和两个以上的自由度组成产生水平运动。不同的组合关节类型考虑 - 前两个关节 - 包括旋转 - 平移接头（如在Ambler步进机中）[1]）和旋转 - 旋转关节（类SCARA机器人）中的后者被最终选择，因为它相比其他提供了更大的速度，因为电动旋转接头通常比电动棱柱接头更快。

所选择的腿结构的另一个问题是所需的垂直链路的尺寸，其必须是2m高以便将操纵器放置得足够靠近分段的顶部。这个长链接和重负载的机器必须携带约130公斤的重物，以致垂直连杆非常容易弯曲和振动，特别是当身体位于其最高位置时。此功能也危及到了机器的静态稳定性。为了克服这个问题，提出了通过抓紧加强件行走的附加结构。与步行者结构基本相同，但是在每个垂直链路上添加了非常简单的抓取机制。这种把握机构由两个抓握脚和棱柱致动器组成。抓握脚由盘和能够围绕垂直轴线被动旋转的销钉组成，如图3所示。径向对称装置是必要的，以避免在抓住加强件之前又必须重新定向该装置。这些脚放在垂直链接的顶部和底部。棱柱式执行器位于垂直链接的顶部，其功能是将顶部压脚顶住顶部加强筋，如图4所示。此外，该装置可以缩回以便使腿部通过顶部和底部加强筋之间的间隙。这个简单的脚设计特色有着能够抓紧不同形状的加强件的优点，例如球形加强件，T形加强件和L形加强件这些船舶建造中最常见的加强件形状。

图3标识了腿中的不同元件。腿被设计为能尽可能地使用商业子系统。腿的SCARA结构基本上包括两个由工业铝型材制作水平链接，它们由直流电动机和谐波驱动减速器（100W）制动以消除反冲。垂直驱动器是一个能使商用线性表上的导螺杆旋转的直流电动机（250W）。可延伸的上连杆由商用电动缸构成。传输的一些部分机构和附接到身体的腿由钢或特殊的7075铝制作以尽可能减轻重量。

抓握是通过所有四个腿抓住在相对侧的加强件（如图4）来完成。与这最后的机器配置没有稳定性问题，因为抓握是牢靠的;然而，却出现了加强件检测问题，这意味着有必要非常精确地知道加强件的位置，进而使脚完全位于其中，或者先了解加劲肋的近似位置，再使用某种传感器精确检测。 如前所述，分段的几何形状是先验已知的，但分段内构建方式不明使得模型不能在其中行走，因此加强件检测传感器被证明是绝对必要的。

组装/拆卸机器

除了移动平台，这些项目子系统能够满足最大操作员承载重量和人孔尺寸要求。因此，必须采取措施移动平台使它可以通过人孔进入分段。最简单的解决方案似乎是将移动平台分解到更小的模块。这意味着需要建造机器模块或系列标准化组件使其在整个系统中协同工作。第一种方法是划分机器的身体和腿部，使得其变成5个能够控制的主要件。身体已经能满足重量和尺寸要求（见图2）。腿设计成满意的尺寸要求也容易，但是不满足重量要求，因此需要将一条腿分解。最后解决方法是将腿分为两部分：垂直链接和水平链接;因此，步行平台被分成九个不同部分。

移动平台旨在在不同的分段中安装/拆卸;因此，一个简单的机制还需要能够组装/拆卸。有两个方面被考虑，第一是如何把结构打破不同的部分。第二是如何打破沿着腿结构分布电源/信号系统。这些在ROWER步行机的设计中均予以考虑，其配置为快速组装/拆卸。解决方案只是为机械提供螺栓和导轨组件和用于在点C1处电连接的连接器（4个螺栓和2个连接器）和C2（5个螺栓和1个连接器），如图1所示。这些易于操作的元件使得一对操作者在小于3min的时间内将腿部固定到身体。拆卸腿需要相同的时间。

腿和身体尺寸

要选择每个主片的尺寸，这是必要的不仅考虑最小和最大尺寸的电池，同时也要求当脚被扣紧到扶强材时平台身体能够移动，移动平台的运动通过分段基本上是非常慢。因此，为了优化处理时间，操纵器（即，主体的中心）需要最大位移以尽可能多地焊接而不移动脚。这个身体运动被称为沿着分段的纵轴为plusmn;0.4m，沿着分段的横轴为plusmn;0.2m单元，并且沿着分段的垂直轴约0.5m。

移动平台的工作空间是衡量当右和移动平台的左腿夹紧交替的加强件（见图4）。要找到移动平台的工作区，水平链接的长度已经在模拟中计算为约0.630m。可延伸连杆的行程已经选择为0.5米。因此，移动平台可以适于在许多不同的分段工作。垂直连杆中的棱柱形接头提供了半电池行程，如电池规格所要求的。身体的尺寸使用子系统的布局在身上后能满足人孔的尺寸。最后，身体被定义为0.56times;1.2times;0.25米平行六面体。表2总结了ROWER移动平台的尺寸。腿元素则在表2的图3中定义。

硬件软件控制系统

控制硬件被设想为传统的机器人控制系统。它位于和分布在船体上主机的身体上。主控制器是基于PC的计算机作为一个独立的系统。该控制器通过串连连接到管理计算机。联合控制器为特别定制的基于LM628的卡微控制器，其提供可编程PID控制滤波器和轨迹跟踪命令跟随由主机指定的联合轨迹。驱动程序，也基于PWM技术，为此应用程序量身定制。移动平台的供电与通信管理控制器和焊接系统相连的直流电源。的移动平台在运动期间拉动系链。它附加到

移动平台以不干扰的方式该区域被脚扫过。控制软件用C 语言编写，它在DOS操作的实时多任务系统上运行系统。该系统是要与应用程序链接的库。它提供了许多管理功能任务，信号量，邮箱，中断等。主要的程序可以分为以下模块：主机通讯，步态发电机，监控系统，控制器通信和传感器系统。这最后一个模块是

主要负责液位传感器和定位传感器。

步态生成

步态发生器是控制器的主要模块之一。它负责控制腿和身体的运动，进而推动移动平台向前，向后和侧向。当移动平台被紧固到加强件上时，不会出现静态稳定性问题。身体只有当4条腿都被扣紧到加强件上时才能移动。平台的移动通过一次一次移动腿进而实现平台从一个姿势到下一个姿势。紧握加强件的一条腿（参见图5中的1）在可扩展链路的恢复后得到释放。然后，竖直连杆被提升并放置在顶部 - 底部的中间加强件间隙（见图5中的2）。在这个位置，腿得以高速移动到靠近下一个加强件的位置。在这个位置，可扩展链接被扩展，垂直链接被扩展降低直到腿不能通过顶部 - 底部加强件间隙（见图5中的4）。现在速度降低，腿向前移动，直到下一个加强筋（参见图5中的5）。在这个阶段，垂直链接被降低，直到脚接触底部加强件，并且例如。对于90度转弯，机器必须执行八个腿运动和三个身体旋转。因此，机器显示出高的移动性以实现所需的焊接任务。

加强器检测

之前提到的ROWER步行机可以在加强件上移动，因为分段几何形状是已经给定的。然而，造船程序不能保证我们的目的所需的精度;因此，使用传感器以精确检测加强件是必要的。在这一点上出现了一些问题。第一个是脚的方向和腿的脚踝到达加强件时会发生改变（见图5）;因此，不可能找到一个简单的范围或者连在腿上的传感器来检测加劲肋。许多简单的圆形配置传感器因为价格和位置的因素被排除。另一个问题是自由旋转脚上电缆的安装和从连接器C安装电缆2到脚（见图3）的电缆安装。底部的电缆没有特殊

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