海洋平臺導管架KY型空間焊縫焊接機器人系統(tǒng)研究.pdf

1、為實現(xiàn)海洋平臺導管架T、Y、K型相貫接頭的自動焊接，設計了一種移動式五自由度焊接機器人。針對此類相貫接頭管徑大、管壁厚、坡口焊縫呈空間曲線的特點，以及Y、K型接頭的自動焊接過程中相貫管道與機械臂本體容易發(fā)生碰撞這一特殊情況進行海洋平臺導管架相貫接頭焊接機器人關鍵技術的研究:
　　通過對馬鞍形焊縫曲線進行分析，結合相貫接頭管道切割標準進行厚壁大管徑管道坡口的數(shù)學建模工作。進一步根據(jù)相貫接頭坡口數(shù)學模型及其焊接規(guī)范進行T、Y、K型接頭

2、的多層多道焊路徑規(guī)劃及焊槍姿態(tài)規(guī)劃的建模工作。
　　綜合考慮相貫接頭數(shù)學模型、K型接頭自動焊接的避障及海洋平臺導管架野外施工的具體需求，進行自動焊接機器人的本體結構設計工作。進一步通過建立該機器人運動學模型、本體工作空間分析確定機器人桿件尺寸。
　　針對該機器人有兩個控制焊槍俯仰姿態(tài)自由度的問題，采用兩步法進行機器人逆運動學關節(jié)值的求解工作。提出采用曲線逼近法進行相貫線焊縫長度求解，并在此基礎上計算機器人關節(jié)空間速度、加速度

3、，從而實現(xiàn)相貫接頭焊接機器人連續(xù)軌跡規(guī)劃。
　　針對K型接頭的自動焊接過程中可能存在機器人下臂在兩支管間狹小處會發(fā)生碰撞的問題，進行相貫接頭焊接機器人碰撞檢測算法的研究。采用包裝盒法簡化空間曲面物體數(shù)學模型;采用矛盾不等式判別法判斷代表空間物體的兩個不等式組是否存在交集，以此判斷兩個物體是否發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞則通過計算機器人線條與管道表面間交點進一步求解干涉位置。通過以上過程判斷機器人下臂是否與支管發(fā)生碰撞并量化碰撞情況。

4、r>　　對于機器人與管道間發(fā)生碰撞的情況，采用機器人下臂與另一側(cè)支管平行的策略初算機器人的避障軌跡。然后建立冗余自由度機器人運動雅可比，根據(jù)導數(shù)的極限定義對相貫接頭曲線進行求導，建立機器人關節(jié)速度約束，采用分離空間法保證機器人運行軌跡連續(xù)。進一步采用擴展雅可比法，引入機器人關節(jié)限約束保證機器人關節(jié)值在有效范圍內(nèi)。最后以K型接頭的自動焊接為研究對象，采用簡化的人工勢場法建立K接頭自動焊接機器人的無碰撞連續(xù)軌跡規(guī)劃計算模型。
　　通過

5、分析相貫接頭自動焊接過程中存在的各種誤差及這些誤差對機器人焊接精度的影響，提出一種相貫接頭焊接機器人快速標定方法。該方法首先通過示教相貫焊縫上一組隨機標定點，然后采用模擬退火算法分別進行主管、支管軸線方程的求解，最后根據(jù)兩管道軸線方程計算機器人和管道工件之間的相對位姿矩陣，從而完成相貫接頭焊接工作的快速標定任務。
　　進行相貫接頭焊接機器人本體機械設計，設計了兩個半圓結構的剛性軌道結構，采用偏心輪鎖扣結構保證軌道在支管上的快速安裝

6、，采用彈性錐輪實現(xiàn)小車在軌道上的定位及裝卡。開發(fā)了開放式機器人控制系統(tǒng)，以工控機為核心采用多軸運動控制卡進行機器人關節(jié)電機的協(xié)調(diào)控制。在VC環(huán)境中使用Galil公司提供的動態(tài)鏈接庫編制了機器人控制軟件，并在Solidworks中進行二次開發(fā)編制了相貫接頭焊接機器人離線編程軟件。
　　采用自保護藥芯焊絲焊接工藝在試驗室及現(xiàn)場進行了實驗，實驗結果顯示所設計的機器人可以滿足相貫接頭的自動焊接要求，相貫接頭焊后焊縫成形美觀，能夠滿足海洋平