基于運(yùn)動(dòng)控制器的三自由度焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯

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附錄 1：外文翻譯 基于運(yùn)動(dòng)控制器的三自由度焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 采用運(yùn)動(dòng)控制器，工控機(jī)硬件，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)等，我們開發(fā)了一種平面曲線弧焊機(jī)。該焊機(jī)采用 DLL 窗口和多線程的軟件開發(fā)技術(shù)，從而滿足平面曲線焊縫的需要， 平面曲線焊機(jī)的軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，有模塊的通用性。AutoCAD VBA 軟件包采用逐點(diǎn)比較法。實(shí)踐證明，整個(gè)焊接過程中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接位置和焊接姿態(tài)的精確控制。 1 簡介 自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，有效推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展。焊接系統(tǒng)涉及的變量越來越多。現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，如開環(huán)和閉環(huán)控制，很方便就能獲得高質(zhì)量焊縫。 在汽車配件、五金加工行業(yè)、家用電器及裝飾禮品業(yè)、飛機(jī)曲線焊縫越來越被需要，傳統(tǒng)手工操作，不僅效率低，而且不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要相一致。焊接機(jī)器人可以測量多類型、小批量、多品種的需求—階段的制造和焊接質(zhì)量的一致性，對(duì)大多數(shù)的中小企業(yè)，一次性投資巨大、昂貴的維護(hù)成本，阻礙了推廣。應(yīng)用焊接慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)機(jī)器人能很好地滿足這種需求，以下是本課題研制的一三自由度焊接機(jī)器人。 2 焊接機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 精密 X-Y 工作臺(tái) 為完成平面曲線焊接，焊接需要三個(gè)自由度，其中，兩個(gè)是線性的運(yùn)動(dòng)（X 和 Y 方向），一個(gè)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（角θ）。本課題采用精密 X-Y 工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) X-Y 平面位置控制，從而實(shí)現(xiàn)在 X-Y 平面自動(dòng)焊接。一般來說，精確 X-Y 工作臺(tái)采取滾動(dòng)直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的硬件主要包括工作臺(tái)、火炬控制機(jī)制、梁、指南、夾具等。 為了防止濺起污染，設(shè)計(jì)一個(gè)懸掛結(jié)構(gòu)曲梁形，導(dǎo)軌安裝在機(jī)構(gòu)上的夾機(jī)制，火炬被布置在下面。為了快速計(jì)算，設(shè)計(jì)的前端的火炬，以配合這些直線導(dǎo)軌，火炬的幻燈片中間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度等于兩直線夾角，使 X-Y 平面等于合成曲線路徑尖火炬的軌跡， 這種設(shè)計(jì)避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算。 2.2 焊接速度和姿態(tài)控制 焊槍的運(yùn)動(dòng)都是三維的，一個(gè)是依靠 X-Y 運(yùn)動(dòng)表，另一個(gè)是可以控制旋轉(zhuǎn)角度的步進(jìn)電機(jī)。在操作過程中，焊接接頭的焊接運(yùn)動(dòng)，在直角坐標(biāo)系中，焊縫的速度和坐標(biāo)方向均為要求是一樣的火炬手的速度應(yīng)該是不變的。所以在本設(shè)計(jì)中，作者設(shè)計(jì)了一種特殊的曲梁，可避免焊接過程中復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，提高了軟件處理的效率。作為圖 3 顯示，火炬槍點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)調(diào)節(jié)焊槍的姿態(tài)，盡管整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)（X，Y 軸的速度），相對(duì)于 X-Y 運(yùn)動(dòng)表，槍點(diǎn)速度等于零。 V =ωR 其中，V 是火炬槍點(diǎn)的速度，單位為厘米/分鐘；ω是軸的角速度操作，單位是弧度/秒；R 是從火炬槍指向軸中心線的距離，單位為厘米。 如果 r=0，則為 v=0。相反，如果火炬槍點(diǎn)不在旋轉(zhuǎn)軸，即 R≠0，然后≠0 V。為了確?；鹁婧附拥墓ぷ骷谝粋€(gè)均勻的速度，復(fù)雜的矩陣運(yùn)算將被誘導(dǎo)。 此外，該裝置還設(shè)計(jì)了可調(diào)的橫向杠桿和垂直角度可調(diào)杠桿?？烧{(diào)橫向杠桿可根據(jù)不同的火炬調(diào)節(jié)距離向旋轉(zhuǎn)軸的距離；垂直角度可調(diào)杠桿可調(diào)節(jié)火炬手勢?？刂圃淼幕鹁媸謩菥拖駡D 4 顯示。 如圖 4 所示，線 AO 和 OC 短線段的 VBA 軟件包生成的，從 A 點(diǎn)火炬經(jīng)過 O 點(diǎn)到 C 點(diǎn)，做⊥AO，OE / FB，F(xiàn)B⊥OC?；鹁妫哼^程可以分為三個(gè)步驟： 第一步：當(dāng)火炬在初始位置（點(diǎn)）時(shí)，火炬是垂直于坳的軌跡，這保證了在這一軌跡操作中的火炬手勢要求。 第二步：火炬從 X-Y 工作臺(tái)移動(dòng)到 O 點(diǎn)，當(dāng)它到達(dá)的點(diǎn)的位置，這將觸發(fā)步進(jìn)電機(jī) Z 和它會(huì)旋轉(zhuǎn)幾角、旋轉(zhuǎn)角等于∠DOE，在同時(shí)，假設(shè) FB⊥OC 在 B 點(diǎn)的位置，火炬鹵水沿 X-Y 工作臺(tái)移動(dòng)向點(diǎn)。 第三步：到達(dá) B 點(diǎn)后，X-Y 工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，但步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 從而保證 FB⊥OC 火炬手勢要求。一般來說，由于步進(jìn)電機(jī)的 Z 和角∠DOE 的高轉(zhuǎn)速小后插值，從而忽略了火炬運(yùn)行時(shí)間表格線做線 FB，它大約是認(rèn)為火炬是垂直線從 O 點(diǎn)到 C 點(diǎn)發(fā)生在運(yùn)動(dòng)過程中循環(huán)三步以上，它可以滿足在整個(gè)操作過程中的火炬始終垂直焊接這一姿態(tài)的要求。 3 自動(dòng)焊機(jī)控制系統(tǒng)平面曲線設(shè)計(jì) 采用控制系統(tǒng)、執(zhí)行器和輔助設(shè)備組合的平面曲線自動(dòng)焊機(jī)。這個(gè)控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括 X-Y 運(yùn)動(dòng)表和焊槍；輔助設(shè)備包括支架、導(dǎo)軌、夾具、夾持機(jī)構(gòu)等。 3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 硬件系統(tǒng)包括 IPC-610 機(jī)架式工業(yè)計(jì)算機(jī) ISA 總線，gt-400-sg 運(yùn)動(dòng)控制器、連接板、驅(qū)動(dòng)程序和步進(jìn)電機(jī)。圖 5 為系統(tǒng)的總體框圖。工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器相互傳遞信息，使其能控制執(zhí)行元件完成運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)行。 研究采用三組兩相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由該公司使，第一組和第二組是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中包含指南，平臺(tái)位移230mm 230mm，最大運(yùn)行速度約為 70 毫米/秒， 負(fù)載 30N，匹配的驅(qū)動(dòng)程序是 2m412 型；第三組的步進(jìn)電機(jī)是 2s56q-02754，其最大靜扭矩 is0.98n?m，匹配的驅(qū)動(dòng)程序是 2m530 型。 在這個(gè)系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的最大接受脈沖，但不是異步的 12000pluse／s，步進(jìn)角 1.8，在標(biāo)準(zhǔn)荷載單臺(tái)最大速度約為 70 毫米/秒，考慮安全邊際和制造商推薦的參數(shù)，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，使用 8 個(gè)細(xì)分模式作為標(biāo)準(zhǔn)的工作模式。 3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該軟件系統(tǒng)使用了兩種語言——VBA 和 Visual C++聯(lián)合開發(fā)。VBA 程序是主要的圖形信息的認(rèn)定。dll，用于研究屬于 googoltech 公司；它使用的用戶接口函數(shù)庫的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。 根據(jù)不同的功能，軟件可分為九個(gè)模塊：通信模塊，加工模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、顯示模塊、故障診斷模塊、輔助功能模塊，軌跡仿真模塊，圖形信息提取和數(shù)學(xué)處理模塊。 通過程序顯示在圖 6 中，它將讀取 AutoCAD VBA 數(shù)據(jù)文件信息，這將產(chǎn)生焊縫跟蹤和模擬焊接過程中，在焊接過程中，焊接火炬位置和姿態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示在主程序界面上。 3.3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 圖形信息提取與數(shù)學(xué)處理模塊主要負(fù)責(zé)圖形信息提取和生成焊縫軌跡，是焊縫軌跡規(guī)劃中最重要的一個(gè)鏈接。 程序設(shè)計(jì)方法。利用 AutoCAD VBA 處理圖形文件。輪廓曲線連接的直線和圓弧， 用 AutoCAD，不能直接運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器，我們用線性方法處理提取曲線。數(shù)學(xué)方法模塊采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)誤差控制在允許范圍內(nèi)的曲線。它可以得到短線段組成的曲線，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算完成快速準(zhǔn)確。提取的數(shù)據(jù)將被序列化治療保證焊接連續(xù)。 該機(jī)器人噴漆系統(tǒng)的另一個(gè)嚴(yán)重問題是它不能在內(nèi)部橫向方向自由移動(dòng)封閉的塊。工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所 (IAI) 在西班牙已開發(fā)了稱為賽艇 ,可以使用機(jī)器人系統(tǒng)在封閉的塊,機(jī)器人移動(dòng)像一只蜘蛛，并有四條腿有能力的延伸和收縮。它可以自行 移動(dòng)因此可以克服許多焊接方面遇到的障礙在一個(gè)封閉的塊，卻要分解為七個(gè)模塊才可以放入一個(gè)封閉的塊，然后再組裝起來在原位。重新組裝需要大約 15 分鐘，這是長足以嚴(yán)重影響生產(chǎn)力的系統(tǒng)位置和軌跡，根據(jù)比較結(jié)果來確定下一步的進(jìn)給方向， 它可以減少進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給誤差，它只吃一個(gè)方向。 4 典型曲線焊縫 圖 10（1）是一個(gè)不銹鋼工具支架，其焊縫曲線幾乎是一個(gè)周期，需要水平焊接一次完成。工件焊縫軌跡描述的 AutoCAD 是如圖 10（b）， 但是這些信息不能直接傳送給運(yùn)動(dòng)控制器，所以它應(yīng)該與流量相一致。提取信息是短線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的日期有很多，形成一個(gè)完整的，連續(xù)的坐標(biāo)點(diǎn)序列。同時(shí)， 基于線段的終點(diǎn)是后線段的起始點(diǎn)，所以它只需要考慮資產(chǎn)（點(diǎn)（鉀）點(diǎn)（1））< 0.0000001 真或不。如果真的，它顯示的序列是正確的，它不需要進(jìn)行調(diào)整；如果沒 有，就要繼續(xù)尋找下一個(gè)坐標(biāo)。想點(diǎn)一開始點(diǎn)，就會(huì)形成序列為 1 2 3 4→→→→5→6 →7→8→9→10→14→13→12→11→→→18 17 16→15。通過數(shù)據(jù)的序列化和反時(shí)針選 擇對(duì)象，AutoCAD 將自動(dòng)生成一個(gè)圖 10 顯示的坐標(biāo)序列。圖 10 為不銹鋼工具支架的外形曲線；曲線由直線和圓弧組成。對(duì)于該行組成的實(shí)體，它只需要獲得行端點(diǎn)，它沒有錯(cuò)誤，它不應(yīng)該給予測試，輸入近似誤差為 0.1。 5 總結(jié)和結(jié)論 本文利用硬件的運(yùn)動(dòng)控制器、工控機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，開發(fā)出一種平面曲線焊機(jī)。該焊機(jī)采用 DLL 窗口和多線程的軟件開發(fā)技術(shù)，滿足平面曲線焊縫的需要，進(jìn)一步， 軟件系統(tǒng)平面曲線焊機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，部分模塊通用性。 （1）基于 gt-sg-400 運(yùn)動(dòng)控制器，開發(fā)一種弧形縫自動(dòng)焊機(jī)。 （2）設(shè)計(jì)了一種特殊的曲梁形狀為“”在作動(dòng)器中，這種特殊的結(jié)構(gòu)簡化主程序計(jì)算的復(fù)雜性，和 X-Y 平臺(tái)的復(fù)合軌跡在焊接過程中避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，是焊接噴槍的軌跡并提高了軟件處理的效率。 （3）在軟件設(shè)計(jì)中，采用 Visual C++和 AutoCAD VBA 開發(fā)焊機(jī)的軟件系統(tǒng)，通過逐點(diǎn)比較插補(bǔ)技術(shù)在圖像提取中的應(yīng)用曲線上，保證了在焊接時(shí)的手勢要求始終與曲線正常。 附錄 2：外文原文