基于ROBOGUIDE的焊接機器人節能優化研究

宮百香， 張洪博， 韓冬

（長春工業大學機電工程學院，長春 130012）

0 引言

焊接機器人具有高精度、高效率與高穩定性等特點，同時也可以減少物耗與功耗、提高焊接質量、降低勞動強度、改善勞動環境進而降低整體成本，因此，焊接機器人得到越來越廣泛的應用[1]。目前國內外企業在焊接機器人的編程、故障處理、質量監控等方面已經比較成熟[2-5]，進而將研究的重點轉向以低能耗為核心的精益理論研究。國外從事這方面的研究比較早，已經建立了比較完整的理論體系，并且在實際生產中得到了廣泛應用。國內在這方面的研究也發展迅速，主要通過對焊接機器人伺服電動機速度與機器人機構運動學方面的優化而實現能耗的優化[6-8]。

對焊接機器人進行節能研究，可以減少能源的浪費，進而降低制造成本。除此之外，利用能量最優進行軌跡優化的光滑軌跡更易于跟蹤并且能夠減少執行器和操作臂上的應力[9]。當前，能量的優化過程比較復雜，需要大量的運算與反復的參數調整，給工業生產帶來了諸多的不便。為解決上述問題，運用正交試驗法，進行以能量消耗最小為目標的參數優化，結合生產實例利用ROBOGUID軟件仿真焊接過程并驗證。

1 焊接機器人的結構

焊接機器人本體是由伺服電動機驅動的機械機構，一般情況下有6個關節軸組成，每個關節的運動都會影響到機器人末端執行器的位姿[10]。控制器輸出控制命令來控制每個馬達。馬達上裝配的串行脈沖編碼器將信號反饋回控制器。在機器人的操作過程中，控制器不斷地分析反饋信號，修改命令信號，從而在整個過程中一直保持正確的位置和速度。焊接機器人的結構如圖1所示，圖1（a）為焊接機器人結構圖，圖1（b）為機構原理圖。

圖1 焊接機器人的結構及機構原理簡圖

2 焊接機器人能量分析

2.1 焊接機器人能量消耗的數學模型

焊接機器人能量消耗和參數之間的定量關系[11]為：

式中：p為功率；W為功（即能量消耗）；T為力矩；w為角速度；ηm為機械效率；ηe為電氣效率；i為工作電流；t為運行時間。

由式（1）可知，力矩、角速度、機械效率和電氣效率是影響功率的主要參數。由式（2）可知，能量消耗隨功率和時間而變化。

2.2 焊接機器人能量損耗的數學模型

焊接機器人的能量損失包含多個方面：熱量損耗、磁芯損耗、摩擦損耗等。其中熱量損耗，主要來源于線圈電阻產生的熱能。而磁芯損耗則是磁芯材料內交替磁場導致的結果，是由磁芯材料的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。摩擦損耗，來源于機器人各運動零件之間的摩擦。在各種損耗中，熱量損耗和磁芯損耗共占到能量損耗的75%～85%[12]，其它損耗占15%～25%。因影響焊接機器人能量損耗的參數眾多，給應用與研究帶來不便。因此,提出簡化的焊接機器人功率損耗的數學模型，其表達式為

式中：Ploss為機器人某個軸的總損耗功率；i為工作時線圈電流；PC為磁芯的損耗功率；Pr為電流引起的熱量損耗；Pref為磁芯損耗功率系數；V為軸的速度；Vref為相對速度系數；Rope為機器人總電阻。

其中，Rope=Rref（1+αref（Tope－Tref））,所以

所以，功率隨速度的變化速率為

功率隨電流的變化速率為

式中：αref為材料的溫度系數；Rref為電阻系數；Tope為機器人運行溫度；Tref為相對溫度。

由式（4）可知，Ploss與速度平方、電流平方成正比。

由式（5）、式（6）看出，Ploss的變化率隨著軸運動速度、電流的增加而增加。

3 焊接機器人動力學分析

由式（1）可知，各軸的焊接功率與力矩成正比例關系，因此通過對焊接機器人進行動力學分析，有助于進一步研究功率和機器人各參數之間的關系，采用拉格朗日力學理論來進行研究[13]。

圖2 二連桿機械手

拉格朗日函數的定義：

式中：L為拉格朗日函數；K為系統的動能；P為系統的位能。

圖2所示的二連桿機械手的總動能和總位能為：

式中：K1為桿1的動能;K2為桿2的動能;P1為桿1的位能；P2為桿2的位能；m1為連桿1的質量；m2為連桿2的質量；d1為連桿1的長度；d2為桿2的長度；θ1與θ2為廣義的角度；與為桿1和桿2的角速度與為桿1和桿2的角加速度。

將式（8）、式（9）同時代入式（7），得拉格朗日函數L：

式中：T1為桿1的力矩；T2為桿2的力矩。

由式（11）、式（12）可知，影響力矩的因素，除了機器人固有的連桿質量和長度外，主要是角度和角加速度，因此，角速度和角加速度是影響功率的主要參數。

4 基于ROBOGUIDE焊接機器人能量分析

4.1 焊接機器人選型

根據工件尺寸、重量以及焊縫特點，采用FANC－M－10iA型焊接機器人，該機器人的參數如下：控制器R－30iA，最大負載10 kg，最大運動半徑1420 mm，機構質量為130 kg，重復定位精度為±0.08 mm。軸最大運動速度ωJ1≤210 °/s，ωJ2≤190 °/s，ωJ3≤210 °/s，ωJ4≤400 °/s，ωJ5≤400 °/s，ωJ6≤600 °/s，軸最大承受力矩MJ4≤26 N·m，MJ5≤26 N·m，MJ6≤11 N·m。

4.2 焊接軌跡

運用ROBOGUIDE軟件，對底板加強梁焊接過程仿真以進行節能研究。零件及焊接軌跡如圖3所示。

4.3 焊接參數

圖3 零件焊接軌跡圖

焊接參數的設計直接影響焊接質量和焊接速度。根據經驗，初始工藝參數如表1所示。焊接方法為CO2氣體保護焊。

表1 初始工藝參數表

4.4 節能參數優化

設定的焊接工藝參數，需滿足：Tα≤CT。式中，Tα為生產節拍，CT為設定節拍。本例中，CT=15 s。

初始工藝參數，仿真結果：Tα=9.84 s，按照每天工作20 h，每年工作300天計算，每年耗電量W=2931 kW·h。

運用ROBOGUIDE軟件的MOTIONPRO模塊，在實際運動未發生前，對耗電量進行計算。由式（1）、式（2）、式（11）、式（12）可分析出，軸的角速度、角加速度和時間是影響作功的重要參數。在焊接試驗參數設定中，每段軌跡的運行速度決定了軸的角速度、角加速度和運行時間。為了確保低能消耗，采用正交試驗法，優化焊接速度參數和節拍。圖3中，焊槍的空載運行速度，AB、BC、CD四段軌跡焊接速度為影響功率的四個因子,保證焊接質量的速度為67～150 cm/min[14],因此采用四因素、三水平的正交試驗表L9（34），如表2、表3所示。

表2 因素水平表

表3 正交試驗表

因素和水平設定之后，通過正交表設計試驗，并按照表中的順序進行仿真，記錄耗電量。利用MINITAB軟件對數據進行分析，選取耗電量最優的解。

由圖4可知，最佳參數組合為，空載速度為400 mm/s，焊接速度為70 cm/min，但是生產節拍Tα＞CT，因此選擇第二組試驗的參數，空載速度為400 mm/s，焊接速度為100 cm/min，經過優化后，每年可以節省16%的耗電量。

4.5 焊接參數優化后，ROBOGUIDE驗證

圖4 均值主效應圖

焊接機器人的功率隨著時間的變化而變化，在由空載到起始焊接瞬間，功率會突然發生變化，如果變化的幅度過大，不但會導致用電量的增加，還會增大電動機損壞的風險，這種情況是應該盡量避免的。圖5為功率曲線圖，由圖5可知，經過優化后功率曲線的波動變小，一個工作節拍作功減少。

圖5 功率曲線圖

熱能損耗在弧焊機器人的損耗中占的比例最大，并且焊接機器人產生的溫度過高會增大機器人損毀的概率。圖6為優化前后的熱量柱形圖，經分析對比可知，經過優化各個關節產生的熱量明顯減少。

圖6 優化前后的熱量柱形圖

由式（1）可知，焊接機器人的力矩直接影響功率的大小，此外焊接機器人的力矩波動過大會導致機器人機械結構精度下降，減少機器人的使用壽命，因此通過仿真優化力矩是必要的。在焊接機器人焊接的過程中，關節4、關節5、關節6相對轉動較小，所以其力矩值近似等于零。圖7為J1～J6力矩曲線圖，由圖對比可知，優化后關節1、關節2、關節3的力矩波動明顯減小。

圖7 J1-J6力矩曲線圖

由式（4）可知，焊接機器人焊槍的實際速度直接影響功率消耗，除此之外，速度波動過大會影響焊接的質量。由圖8優化前和優化后焊槍的速度曲線圖可知，經過優化焊槍的速度波動明顯減小。

圖8 焊槍速度曲線圖

5 結 語

1）通過研究焊接機器人的能量及動力學的數學模型，明確了做功與各參數之間的關系。影響做功的因素有力矩、角速度和時間等。2）建立了簡化的能量損耗數學模型，為后續焊接機器人節能研究提供了理論參考。3）運用正交試驗法，對焊接參數進行優化，并運用ROBOGUIDE軟件對焊接過程進行仿真、計算與驗證。采用優化后的焊接參數，使功率、力矩、速度曲線平滑，降低了電能和機械能的損耗，而且使焊接機器人各關節產生的熱量明顯減少，延長了焊接機器人的使用壽命，提高了焊接機器人的經濟效益。4）運用ROBOGUIDE軟件，實現了軸的熱能與運動狀態監控，避免了熱量過大或運動狀態突變給焊接機器人帶來的損害。