（化工过程机械专业论文）异型接头管道焊接机器人系统的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 。哗泼淄掣蚪湫 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： ；! 象立边 日期： 2 = 垒f2 ：z 星 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： -i-r-，_ - i _ili卜 j 1 学位论文数据集 中图分类号 t h l 2 2 学科分类号 53 0 3 l 论文编号 10 0 10 2 0 1 1 13 6 4 密级公开 学位授予单位代码 l0 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名徐立力学号 2 0 0 8 0 0 13 6 4 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 企、事业单位 课题来源研究方向焊接机器人 委托项目 论文题目 异型接头管道焊接机器人系统的研究 异型截面，焊接机器人，机械结构，运动学分析， 关键词 速度模型，工艺试验 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 3 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师薛龙教授北京石油化工学院焊接自动化 评阅人1王仪明教授北京印刷学院机械设计及理论 评阅人2邓双城教授北京石油化工学院机电一体化 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员糊王奎升教授北京化工大学 机电一体化 答辩委员1车俊铁教授北京石油化工学院机械设计及理论 答辩委员2俞建荣 教授 北京石油化工学院 焊接自动化 答辩委员3刘录教授北京石油化工学院 流体密封技术 答辩委员4曹建树教授 北京石油化工学院机电一体化 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 l_-_-_i_-_-_-_-_-。_-_-。一一 异型接头管道焊接机器人系统的研究 摘要 膨胀波纹管广泛应用于石油钻采行业，但由于其截面形状复杂，管管 之间的焊接多由手工完成，焊接质量受限，生产效率低，因此亟待开发出 能取代手工操作的自动化焊接设备，最大限度地减少生产过程中环境和人 为因素的影响。本文密切结合工程应用中的实际需要，提出了相应的设计 方案，主要研究内容如下： ( 1 ) 针对膨胀波纹管异型接头截面特点，根据实际焊接工况，设计了 能实现此轨迹的焊接机器人三维实体模型，p r o e 仿真表明其运动良好， 无干涉。 ( 2 ) 采用d h 方法建立机器人运动学模型，求出正、逆运动学解，并 通过m a t l a b 仿真证明了该模型的有效性，为后续控制奠定了基础。 ( 3 ) 分段建立焊接速度模型并分析各段运动情况及影响速度的两大 变量，根据速度矢量图推出焊枪速度恒定的条件下，小车和高低滑块的速 度方程，实现了全过程恒速焊接。 ( 4 ) 采用本文研制的焊接机器人在实验室条件下进行了熔化极气体 保护焊工艺试验，对采用不同保护气体、不同坡口和不同焊丝的情况分别 进行了研究，获得最佳试验条件及工艺参数，同时试验表明焊接机器人性 能稳定，能够满足波纹管焊接工艺的要求。 本文设计的焊接机器人还可应用于膨胀波纹管的坡口切割工作，提高 了设备的通用性。 北京化丁人学硕i ：学位论义 关键词：异型截面，焊接机器人，机械结构，运动学分析，速度模型，工 艺试验 p a b s t r a c t r e s e a r c ho fp i p e l i n ew e l d i n gr o b o to n h e t e r o t y p i cc r o s ss e c t l o n a b s t r a c t e x p a n s i o nb e l l o w sa r ew i d e l yu s e di no i ld r il lin gi n d u s t r y ；b u tb e c a u s e t h es h a p eo ft h ec r o s s s e c t i o ni sv e i yc o m p l e x ，b e l l o w sa r eo f t e nw e l d e db y h a n d t h e r e f o r e ，t h ew e l d i n gq u a l i t yi sa f r e c t e da n dr e d u c e d ，t h ee m c i e n c yi s u s u a l l yl o w ，b e s i d e s i no r d e rt or e n o v a t et h em a n u a l - o p e r a t i o n ，n e wa u t o m a t i c w e l d i n ge q u i p m e n ti sn e e d e dt ob ed e v e l o p e d ，w h i c hc a nc l e a r l ym i n i m i z et h e e n v i r o n m e n t a la n ds u b j e c t i v ef a c t o r so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h i sp a p e ri s c l o s e l yg r o u n d e do nt h ea c t u a lr e q u i r e m e n to ft h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a n da g e n e r a lr e s e a r c hp l a ni sp u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r es t a t e d a sb e l o w ： ( 1 ) w i t hav i e wt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc r o s ss e c t i o no ft h ee x p a n s i o n b e l l o w s ，at h r e e - d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lo fw e l d i n gr o b o ti sd e s i g n e d ， w h i c hc a nm o v ei nl i n ew i t ht h ef e a t u r eo ft h ec r o s ss e c t i o n f u r t h e m o r e ， p r o es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew e l d i n gr o b o t c a nm o v er e g u l a r l ya c c o r d i n gt ot h es c h e d u l e d p a t h ( 2 ) d hm e t h o d sa r eu s e dt ob u i l dak i n e m a t i c sm o d e lo ft h ew e l d i n g r o b o t s ， a n dt h e nf o r w a r dk i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o ni s o b t a i n e d m o i e o v e r m a t l a bs i m u l a t i o ni sp e r f o n n e d ，t h er e s u l t so fw h i c h i l i k e yw o r d s ：h e t e r o t y p i cc r o s ss e c t i o n ，w e l d i n gr o b o t ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，v e l o c i t ym o d e l ，w - e l d i n ge x p e r i m e n t s 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 论文选题背景与意义1 1 2 国内外焊接机器人研究现状2 1 2 1 焊接机器人概述2 1 2 2 焊接机器人关键技术4 1 2 3 焊接机器人国内外发展现状一7 1 3 本论文主要研究内容1 0 第二章焊接机器人机械结构设计1 2 2 1 膨胀波纹管截面分析1 2 2 2 焊接工况分析1 4 2 3 焊接机器人整体设计1 6 2 3 1 校正机构1 6 2 3 2 对管装置1 7 2 3 3 焊接轨道18 2 3 4 行走机构19 2 3 5 轮廓跟踪机构2 1 2 3 6 焊枪运动机构2 2 2 4 本章小结2 3 第三章焊接机器人运动学建模与分析2 5 3 1 机器人运动学基础2 5 3 1 1 机器人位姿描述2 5 3 1 2 坐标变换与齐次坐标变换2 8 3 1 3d h 建模方法3l 3 2 焊接机器人运动学分析3 3 3 2 1 机器人运动学j 下解3 4 3 2 2 机器人运动学逆解3 6 3 3 运动学模型仿真3 7 3 3 1m t a l a b 软件简介3 7 3 3 2m a t l a b 仿真一3 8 3 4 本章小结一4 0 第四章焊接机器人恒速控制模型4 2 v 北京化丁人学硕+ i ：学位论义 4 1 第一部分恒速模型 4 1 1 第一阶段 4 1 2 第二阶段 4 1 3 第三阶段 4 2 第二部分恒速模型 4 2 1 第四阶段( 前半段) 4 2 2 第四阶段( 后半段) 4 3 第三部分恒速模型 4 3 1 第五阶段 4 3 2 第六阶段 4 3 3 第七阶段 4 4 第四部分恒速模型5 2 4 4 1 第八阶段5 2 4 4 2 第九阶段5 3 4 5 第五部分恒速模型5 4 4 5 1 第十阶段( 前半段) 5 4 4 5 1 第十阶段( 后半段) 5 5 4 6 第六部分恒速模型5 6 4 6 1 第十一阶段5 6 4 6 1 第十二阶段5 7 4 7 本章小结5 8 第五章焊接工艺试验研究5 9 5 1 焊接方式选择5 9 5 1 1t i g 焊接5 9 5 1 2g m a 、焊接6 0 5 1 3 焊接方式的选择6 l 5 2 坡口设计6 2 5 2 1 坡口形式6 2 5 2 2 坡口尺寸6 2 5 2 3 坡口的选择6 3 5 3 焊丝选择6 4 5 4 焊接工艺试验6 4 5 4 1 试验条件6 4 5 4 2 试验流程6 6 5 4 3 焊接方案6 7 v l 一 - j 目录 5 4 4 结果分析7 0 5 5 本章小结7 2 第六章总结与展望。7 4 6 1 本课题主要研究成果7 4 6 2 展望7 4 参考文献。7 6 致谢7 8 研究成果及发表的学术论文。7 9 作者和导师简介8 0 北京化丁大学硕十学位论文 co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。1 1 1b a c ka n ds i 印i f i c a l l c eo f t h ep a p e r 1 1 21 1 1 er e s e a r c hs t 咖so fw e l d i n gr o b o t 2 1 2 1t h eo v e r v i e wo fw e l d i n gr o b o t 2 1 2 2t h ek e yt e c h n o l o g yo f w e l d i n gr d b o t 4 1 2 3t h ec l l n e n ts i t u a t i o no fw e l d i n gr o b o ta th o m ea i l da b r o a d 7 1 3t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h ep a p e r 1 0 c h a p t e r 2t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no ft h ew e l d i n gr o b o t 12 2 1a n a l y s i so nb e l l o w sc r o s ss e c t i o n 1 2 2 2a n a l y s i so nw e l d i n gw o r k i n gc o n d i t i o n s 1 4 2 3t h em e c h a n i s md e s i g i lo fw e l d i n gr o b o t 16 2 3 1a d j u s t i n gm e c h a n i s m 1 6 2 3 2b e l l o w sa d j u s t i n gd e v i c e 17 2 3 3w e l d i n gr a i l 18 2 3 4m o t i o nm e c h a n i s m 1 9 2 3 51 y a c k i n gm e c h a n i s mo f b e l l o w sc o n t o u r 2 1 2 3 6m o t i o nm e c h a n i s mo f w e l d i n gt o r c h 2 2 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 3 c h a p t e r3t h el d n e m a t i c sm o d e l i n ga n da n a l y s i so fw e l d i n gr o b o t 2 5 3 1r o b o tk i n e m a t i c s 2 5 3 1 1p o s i t o i na n do r i e n t i o nd e s c r i p t i o no f w e l d i n gr o b o t 2 5 3 1 2c o o r d i n a t et r a n s f e r 2 8 3 1 3d hm o d e l i n ga p p r o a c h 3 l 3 2k i n e m a t i c sa n a l y s e so f w e l d i n gm b o t 3 3 3 2 1k i n e m a t i c ss 0 1 u t i o n so f w e l d i n gr o b o t 3 4 3 2 2i n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o n so f w e l d i n gr o b o t 3 6 3 3s i m u l a t i o no f k i n e m a t i c sm o d e l 3 7 3 3 1m a t l a bi n t r o d u c t i o n 3 7 3 3 2m a t l a bs i m u l a t i o n 3 8 3 4c h a p t e rs u m m a r y 3 9 c h a p t e r 4t h er a t ep a t t e r na n a l y s e so fw e l d i n gr o b o t 。4 2 v l i i 4 1t h ef i r s tp o n i o nr a t ep a t t e m 4 2 4 1 1t h ef i r s ts e c t i o n 4 2 4 1 2t h es e c o n ds e c t i o n 4 3 4 1 3t h et 1 1 i r ds e c t i o n 4 5 4 2t h es e c o n dp o r t i o nr a t ep a t t e m 4 6 4 2 1t h ef o r n ls e c t i o n ( t h et o ph a r ) 4 6 4 2 2t h e 矗) r t hs e c t i o n ( t h es e c o n dh a l f s e c t i o n ) 4 7 4 31 1 1 et h i r dp o n i o nr a t ep a t t e n l 4 8 4 3 1t h e 矗r hs e c t i o n 4 8 4 3 2t h es i x t hs e c t i o n 4 9 4 3 3t h es e v e n ms e c t i o n 5 1 4 4t h ef o r t hp o r t i o nr a t ep a t t e m 5 2 4 4 1t l ee i 曲t 1 1 l ls e c t i o n 5 2 4 4 2t h ei l i n t hs e c t i o n 5 3 4 5t 1 1 ef i r hp o n i o nr a t ep a t t 锄? 5 4 4 5 11 1 1 et e n t hs e c t i o n ( m et o ph a r ) 5 4 4 5 1t h et e n ms e c t i o n ( m es e c o n dh a l f s e c t i o n ) 5 5 4 61 1 1 es i x t hp o n i o nr a t ep a t t 锄矗5 6 4 6 1t h ee l e v e n t hs e c t i o n 5 6 4 6 1t h e 觚e l f n ls e c t i o n ：5 7 4 7c h a p t e rs u r 眦a r ) r 5 8 c h a p t e r51 v v b l d i n gp r o c e d u r et e s t 。”“5 9 5 1w e l d i n gm o d e s 5 9 5 1 1t i gw e l d i n g 5 9 5 1 2g m a ww e l d i n g 6 0 5 1 3c h o i c eo f w e l d i n gm o d e s 6 2 5 2g r o o v ed e s i 印6 2 5 2 1g r o o v et y p e 6 2 5 2 2g r o o v es i z e 6 3 5 2 3c h o i c eo f 嚣o o v e 6 4 5 3v 恬l d i n gp r o c e d u r et e s t 6 4 5 3 1t e s tc o n d i t i o n s 一6 4 5 3 2t e s tp r o c e d u r e 6 6 5 3 3w e l d i n gp l a n 6 7 5 3 4r e s u l t sa n a l y s i s 7 0 i ) ( 北京化t 大学硕：l 学位论文 5 4c h a p t e rs u m m a i y 7 2 c h a p t e r6s u m m a r y a n do u t l o o k。7 4 6 1m a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 7 4 6 2o u n o o k 7 4 r e f e r e n c e s 。7 6 a c k n o w l e d g e m e n t s 。7 8 p a p e r sp u b l i s h e do ra c c e p t e dd u r i n gs t u d yf o rm a s t e rd e g r e e 。7 9 e c o m m e n d a t i o no ft u t o ra n da u t h o r 。8 0 x a 第一章绪论 1 1 论文选题背景与意义 第一章绪论 在钻井过程中，常常钻遇低压层、漏失层等复杂地层，需下入套管封固，而目前的 技术套管设计简单，增加套管层次可能导致完井井眼过小，给后期施工带来困难，这个 问题严重增加了钻井的难度，影响着钻井开发进程。 膨胀波纹管技术是石油钻采行业迅速崛起的一项新技术，主要用于钻井过程中在 不减小井眼尺寸情况下封堵复杂地层，补贴修复损坏套管【2 】。其原理是：对塑性变形 量大的金属材料进行冷压处理，使截面形状呈“8 ”字形，以减小管径，与圆管相比， 在等周长条件下，其截面最大直径小，如图1 1 所示；然后将管柱下入预定井段借助液 力或机械力使其产生永久塑性变形；再在膨胀锥作用下完全膨胀成圆管。膨胀波纹管 技术作业周期短，膨胀工艺相对简单，能大幅度降低钻井综合成本。 图1 1 膨胀波纹管截面形状 图1 2 膨胀波纹管管串结构图l - 3 手 ：焊接效果 f i g 1 - 1s h 印eo f b e l l o w sf i g 1 - 2s “a ls 仃u c t l 鹏f i g 1 - 3w e l d i n gb yh a j l d 目f j 采用的膨胀波纹管管串连接结构为：引鞋堵头+ 下接头+ 下封隔器+ 波纹管+ 上 封隔器+ 上接头+ 钴铤+ 钻杆( 如图1 2 所示) ，管管连接是膨胀波纹管技术的关键，连 接质量的优劣与现场施工顺利与否密切相关。波纹管管体材料为管线钢x 3 0 ，截面由 波谷、波峰和过渡曲线组成【3 j ，由于接头形状复杂，目前主要采用两种方法进行连接： 第一，焊接和螺纹连接并用，即在波纹管的两端添加一个接头，将异型截面过渡为圆 形截面，然后采用螺纹连接【l 】，但这种方式的时间成本较大；第二，直接焊接，焊接 能够保证波纹管连接强度，但该截面形状复杂，无法采用常规的自动焊接设备，目前 主要采用手工电弧焊操作，焊接效率低，焊接质量不稳定。结合目前加工工艺的实际 疆缮雾张磋琵荔霪滤搂溪荡鬓荔缀缓鋈 矿蟹； 澎 徽。夔豢舞哆；，一。瓣0一 _；， 。，；轳：，疆 接设 效率 目编 和社 1 2 1 2 1 接在 据统 被称 众所周知，焊接劳动强度大，工作条件恶劣，质量要求高，传统焊接工艺的实施 主要依靠手工操作实施，手工操作具有以下三大特点：烟尘多，热辐射强，危险性高， 在这种环境下长期工作对焊工的身体极为不利，同时容易导致工人疲劳，难以保证焊 接质量的稳定。焊接工作环境、焊接产品和工艺的复杂性、焊接质量和精度的高要求， 迫切需要实现焊接自动化，用“机器代替人焊接1 4 5 】【6 j 。从2 l 世纪先进制造技术 发展要求看，焊接自动化的研究和应用已经成为现代工业生产中亟待解决的问题。 随着计算机与自动化技术的发展，工业机器人技术成为当今世界最引人瞩目的高 新产业之一，近几年来，其研究和应用发展异常迅猛。工业机器人能够在高温、粉尘、 有毒等恶劣环境及一些人不能到达的环境下作业，大量参与了对于人类而言危险、繁 重和难以完成的工作，在建筑业、制造业、石油钻探、矿石开采、军事、医学等领域 辅助或代替人类的劳动。 工业机器人技术的发展为焊接自动化提供了十分有利的技术基础，并己渗透到焊 接的各个领域之中【7 】。在日本，焊接机器人早在1 9 8 0 年就得到了普及【8 】；在美国，焊 2 第一章绪论 接机器人于1 9 世纪6 0 年代被第一次引入到美国工厂，然后迅速发展，在1 9 世纪8 0 年代取得了突破。近年来，焊接机器人以其效率高、通用性强、质量稳定、工作可靠 等优点，受到人们越来越多的重视，目前己广泛应用于船舶【9 】、汽车、兵器、铁路车 辆、建筑机械等行业，对提高焊接质量、降低成产成本起到了重大作用。焊接机器人 的优势归纳如下： ( 1 ) 可在恶劣环境场工作，甚至可在极限条件下完成人工难以进行的焊接作业， 改善工人劳动环境； ( 2 ) 可一天2 4 小时连续生产，提高生产率； ( 3 ) 保证焊接质量稳定性和均一性； ( 4 ) 降低对工人操作技术的要求； ( 5 ) 缩短生产周期，减少相应投资； ( 6 ) 可以实现小批量产品的焊接自动化； 焊接机器人可以实现用稳定的工艺条件保证产品焊接质量并满足产品各项性能 指标要求，同时焊缝成形良好，满足产品外观质量要求，因此，焊接机器人是焊接自 动化的革命性进步。据统计，到2 0 0 1 年，世界上投入使用的1 0 0 多万台机器人中， 焊接机器人超过5 0 【1 0 】【1 1 】；到2 0 0 4 年，意大利每1 万人就拥有焊接机器人1 2 3 台， 而德国制造业中每l 万人拥有的数量为1 6 2 台；到2 0 0 5 年，亚洲地区汽车制造业对 焊接机器人的需求在该地区所有行业中占到3 3 ，美洲这个数目甚至达到6 1 ，如图 1 4 所示。 囊震孀烫憩鬃 焊接机器人分类方式比较多，从不同的角度有不同的分类方法，若根据用途划分， 可以分为以下两类【4 】： ( 1 ) 点焊机器人 点焊机器人的一个典型应用领域是汽车工业，它不仅能保证汽车车身零部件拼接 北京化t 人学硕1 ：学位论文 精度，还能顺利完成定位焊作业 1 3 】。据统计，一辆帕萨特车身上的1 0 9 8 个电阻焊和 螺栓焊焊点中，大约有6 0 由点焊机器人完成【1 4 】；德国大众车身上总共5 3 2 7 个焊点 中，大约有4 6 7 4 个焊点由点焊机器人完成【l5 1 。在这种对焊接产品尺寸精度、焊缝性 能、焊接过程效率都有着高要求的批量化生产中使用点焊机器人，能降低制造成本和 劳动强度，提高生产质量。 ( 2 ) 弧焊机器人 弧焊工艺在诸多行业中广泛普及，因此弧焊机器人起步较早，发展迅速，目前己 广泛应用于通用机械、金属结构等行业，占工业机器人总量的2 0 。与点焊机器人不 同，弧焊机器人系统包括送丝系统等附加装置，而不只是一台以一定速度和姿态携带 焊枪运动的单机，因此对其性能有着较高要求。在弧焊作业中，焊枪应实时跟踪工件 焊道运动，并且不断填充金属形成焊缝，因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是 其重要指标。一般情况下，焊接速度约取5 5 0 m i i l s ，轨迹精度约为o 2 o 5 m m 。弧 焊机器人主要部件是机械臂和作为“大脑”的控制单元，机械臂根据其设计可以分 为几种类型，常见的有水平多关节机械臂和直角坐标机器人【l 6 | 。 随着先进制造技术的深入发展，焊接自动化与柔性化己成为焊接行业的发展趋 势，采用机器人焊接己成为焊接自动化技术现代化的主要标志。从2 0 世纪6 0 年代诞 生和发展到现在，焊接机器人大致可分为三代，如表1 1 所示【l7 1 。 表1 1 焊接机器人发展历程 7 i t a b l e l - ld e v e l o p n l e n th i s t o r yo fw e l d i n gr o b o t s 分类特点 。，、 ：i ：作方式为示教再现，不具备信息反馈能力，雉以适应环境变化，但操作简 c 可巍妊人，羔舞篇蠢笑羹磊i 教时可修正机械结构带来的误差棚前大量应用丁国内外 第二代带有外部传感器，具备信息反馈能力，能够不同程度地感知环境并反馈修正， ( 感知机器人)已进入应用研究阶段。 第三代具有高度感知能力和适应性，能根据客观环境按任务编程，能够进行自我诊 ( 智能机器人)断，独立决策等白土行为，该机器人正处于试验研究阶段。 1 2 2 焊接机器人关键技术 焊接机器人是典型的机电一体化产品，作为现代技术综合发展的产物，其形式多 种多样，但从目前国内外对焊接机器人技术研究来看，它们存在许多共性技术，下面 作简单介绍。 ( 1 ) 焊接机器人结构技术 焊接机器人结构形式应根据实际需要而设计适应不同工作环境的机构，设计的总 4 第一章绪论 体原则是：具有最合理的自由度配置形式，同时尽量使机构轻便、运动灵活。焊接机 器人机械结构主要由行走部分和焊枪运动部分组成，行走结构部分一般采用小车形式 以满足实际焊接需要，小车运动方式主要包括履带式和轮式两类，前者着地面积大， 能适应不同壁面，吸附壁面力可通过电磁吸附控制，但转向性差，结构复杂，应用场 合主要为平面、大型球面等曲率较小的曲面；后者着地面积小，壁面适应能力不如前 者，但相对而言速度快，转向性好，应用场合主要为坡度不大的斜面和横向大范围变 化的平面。由于轮式焊接机器人具有结构简单，运动稳定的特点，因此在各个行业中 得到了广泛应用。焊接机器人的木端焊枪结构形式多样，主要有多关节式、柱坐标式、 极坐标式和直角坐标式几大类，进行高低与横向调节l l 引。 ( 2 ) 传感器技术 焊接过程中，能否准确跟踪焊缝实际位置对焊接质量有着至关重要的影响，而在 焊缝跟踪系统中，传感器对跟踪精度起着决定性作用，因此需要深入研究传感器技术。 焊接过程非常复杂，常会出现如弧光辐射、烟尘高温、加工误差、工件变形等干扰因 素，这些因素往往会降低焊接质量。目前焊接机器人采用的传感器以电弧传感器和光 学传感器为主【1 9 】【2 0 】f 2 1 1 。电弧传感器最大的特点是，其信号检测点就是焊接电弧点， 不需要在焊枪上附加其它装置，因此具有良好的实时性，且焊枪运动灵活，可达性良 好，不受飞溅、烟尘、弧光等的干扰，满足自动化焊接的低成本要求，但它的应用场 合主要限于熔化极焊接心引。电弧传感器主要包括摆动电弧传感器和旋转式扫描电弧传 感器瞳引，摆动电弧传感器的应用比较成熟，但由于受机械机构的限制，这种方法摆动 频率较低，由此导致采样周期、控制周期较长，跟踪精度不高；旋转式扫描电弧传感 器克服了摆动电弧传感器精度不高的缺点，能检测微小偏差，控制性能进一步提高， 因此越来越受到国内外相关研究人员的关注。光学传感器主要包括视觉、红外、光谱 和光纤式，其中最引人注目的是视觉传感器，视觉传感器具有较高的检测精度高和较 强的抗扰能力，并且在各种形状的坡口的均能使用，目前已成为国外内相关学者的研 究热点【2 4 】【2 5 】。 文献【2 5 】【2 6 】中，k 。y b a e 利用视觉传感器高精度的特点，实现了对焊缝的准确跟 踪；文献 2 7 】 2 8 】中，上海交通大学的陈善本教授和哈尔滨工业大学的吴林教授利用图 像传感器采集熔池图像，深入研究了熔池动态过程；文献 2 9 】中，清华大学相关课题 组研究了弧焊跟踪系统中的传感器及其控制方法，提出了一种基于焊缝c c d 图像模 式的焊缝轨迹识别新算法。 近年来，随着模糊数学和神经网络等新兴学科的兴起，焊缝跟踪迈向了智能化的 新阶段。华南理工大学将智能控制与视觉传感器结合，应用到焊缝跟踪系统，提出了 一种基于自适应共振理论( a d a p t i v e r e s o n a l l c m e o r y ) 神经网络的焊缝跟踪新算法，将 焊缝误差信息传到p c 机内，通过模糊控制使焊枪端点移动到准确位置，纠正焊缝偏 差。 5 北京化t 人学硕i ：学位论义 ( 3 ) 运动规划技术 运动规划的目的是，在一个存在障碍物的环境中，为焊接机器人寻找一条无碰撞 的路径。对于自由运动即运动不受限制的机器人，运动规划问题可以通过在自由位形 空间内计算出一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路 径相对应。 焊接机器人的运动规划，通常有表1 2 所示的几种方式。“： 表1 2 焊接机器人运动规划方式 1 1 a b i e l - 2m o t i o nm o d eo fw e l d i n gr o b o t s 运动 方式 运动规划方式 示教再现首先对焊接机器人进行示教，得到沿路径运动时各个关节的位移时间函数，再 运动现时机器人按记录的各点值运动。 关节空间运动直接在关：1 了空间里进行，动力学参数及其极限值直接在关：肖空间里描述， 运动主要有多项式插值、b 样条插值利抛物线插值等。 空粤曼线 直角空间里的运动，便于描述空间操作，计算量小，适丁简单运动。 还明 。 空粤竺线这种运动在描述空间中用明确的函数表达，如螺旋运动、圆周运动等。 为了描述一个完整的作业，常常需要将上述运动组合，通常涉及以下几方面的问 题： ( a ) 描述工作对象及其作业情况，用示教方法给出轨迹上的若干个结点。 ( b ) 用一条轨迹通过或逼近结点，这个轨迹可以根据一定的原则优化，例如，加 速度平滑得到关节空间的位移时间函数或直角空间的位移时间函数；在结点之间进行 插补，根据轨迹方程在每一个采样周期实时计算轨迹上各点的位姿和各关节变量。 ( c ) 通过上述方式产生的轨迹是机器人位置控制的给定值，可以由此并根据机器 人的动态参数设计一定的控制规律。 ( d ) 规划机器人的运动轨迹时，需要明确其路