圆柱式、关节坐标式焊接机器人是马鞍型焊缝应用首选 机器人对马鞍型焊缝进行焊接时，一般是先使焊前末端靠近焊缝点，然后根据焊接所定义的工艺要求，调整焊枪在每一个焊缝点的焊枪姿态。在全局坐标下，用6个独立的变量就可以准确表达当前焊缝点的位置和焊枪的姿态，其中空间位置和空间姿态各需要3个自由度进行描述。然而，在马鞍型相贯线焊缝的焊接中，焊丝自身旋转对焊接无影响。所以，本课题设计的马鞍型焊缝焊接机器人包括5个自由度。这5个自由度可分为两个部分:保证焊枪不偏离焊缝点的情况下绕腰部轴线旋转;改变焊枪的焊接姿态满足焊接工艺要求。 机器人的结构对其控制系统有着很大的影响，采用彼此之间互不影响的解祸的运动机械机构可以使控制系统设计变得简单。因此，在进行机器人机构设计时，应尽可能采用解藕结构。 机器人的类型 机器人的分类方法有许多，一般常见的有五类分类方法，分别为按机器人的几何结构、机构类型、控制方式、移动方式以及智能程度等来分类。 1.按机器人的几何结构分类 机器人有着多种多样的结构形式，我们常常用其坐标特性来描述机器人的结构形式。其中常见的有四种坐标类型的机器人，包括直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、球坐标式机器人、关节坐标机器人。 (1)直角坐标式机器人 直角坐标式机器人具有三个移动关节(PPP)，通过移动这三个垂直的移动关节实现机械手的空间位置。其运动形式如图2.6所示，直角坐标型机器人有许多优点:由于在X, Y, Z方向上的运动方程是线性且独立的，使得机器人控制系统变得简单:该类型操作机构具有较高的定位精度。同时，正是由于直角坐标式机器人在三个方向上独立运动的特性，使得其运动灵活性变差，当需要空间中从一点移动到另外一点时，机器人只能沿直角坐标行走，无法直接到达，且在移动过程中若遇见障碍物，无法直接避开，工作柔性差，对环境适应能力差。当工作空间大小相同时，直角坐标操作机器人尺寸较大。 (2)圆柱式坐标机器人 圆柱式坐标机器人具有一个转动关节和两个移动关节(RPP)，所以它的工作空间是一个空心圆筒。如图2.7所示，对于两个移动自由度其分辨率为常数且控制系统较为简单，但对于旋转自由度来说，由于其分辨率与一个方向上的手臂伸缩有关系，所以使得其控制系统变得复杂。另外由于机器人沿着中心轴线旋转，扩大了机器人的工作空间，且计算简单。两个移动副若采用液压驱动，可以输送较大的动力，在设计过程中可以把移动副设计成可以伸缩进机器内部的结构，但是手臂到达的空间有一定的限制，不可能到达靠近中间轴和地面的空间，由于移动副的存在使得直线驱动部分难以密封和防尘。 (3)球坐标式机器人 球坐标式机器人又称极坐标式机器人，该类机器人采用两个转动副和一个移动副(RRP)控制手部空间的位置，其工作空间为球状面。如图2.8所示，该机器人可以绕中心轴转动，另外两自由度是转动副和移动副，它的工作空间是一个类似于一个有一定厚度的球壳。 球坐标式机器人的优点是中心支架区域的工作范围大、两个控制转动的驱动装置较易密封、工作空间较大。由于存在移动副给直线驱动装置的密封带来困难，另外它的坐标系统复杂，对控制系统提出了更高的要求。 (4)关节坐标式机器人 关节坐标式机器人拥有三个转动副(RRR)来控制手部空间的位置，如图2.9所示，其中两个转动副的中心轴线是平行的，由于三个转动副的存在使得关节坐标式机器人动作较灵敏，工作空间大，驱动处封装较容易，可适用于水下环境工作，适合电机驱动等。也正是由于采用了三个转动副，使得该类型机器人运动学模型复杂、计算量大、末端执行结构误差积累大，由于机器人整个机械结构形成了悬臂梁的结构，降低了其刚度。 通过前文的分析，相贯线焊缝实际上可以看成是绕支管旋转的圆周运动和在支管纵向的升降运动的合成，根据这一特点及各类机器人的特点进行比较，圆柱式坐标机器人和关节坐标式机器人都能比较好的完成焊接要求，其中，圆柱式坐标机器人具有结构紧凑、刚度较好、运动直观等优点:关节式坐标机器人具有运动空间大、可达性强、灵活度好等优点。 对于使用关节式坐标机器人进行该类焊缝的焊接，焊缝位置位于底座一周的小区域内，体现不出关节式坐标机器人的优势，而且关节坐标式机器人前一个关节的参数影响着后一个关节的参数，当改变焊枪末端姿态的时候，其之前的关节也将改变位置状态的信息，这使得控制系统变得非常复杂，增大了关节运动的不可预见性。正是由于关节坐标式机器人的前后关节相互影响的特性，使得焊接工艺的控制变得非常困难。 采用圆柱坐标式机器人焊接该类焊缝时，利用圆柱式坐标机器人机械机构本身的特点，其腰部转动副可以实现绕支管圆柱面的圆周运动，纵向移动副可以调节相贯线上各个焊接点的高度的变化，横向的移动副可以改变机械手臂支管径向的调节范围，各个方向的运动直观明了，而且其数学运动表达式均有单独的变量线性化控制，他们的运动相互独立，互不影响，因此，圆柱坐标式机器人的控制算法比关节坐标式机器人的简单。通过以上分析，采用圆柱式坐标机器人比关节坐标式机器人更具有优势。

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