小型移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)人口老齡化，勞動(dòng)力成本增加及制造業(yè)不斷發(fā)展，促使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程加速，使中國(guó)制造業(yè)逐漸轉(zhuǎn)型升級(jí)為智能制造。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)成為世界制造大國(guó)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中，我國(guó)已經(jīng)把高檔數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用推廣將對(duì)世界制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而重塑世界的現(xiàn)代工業(yè)。
　　焊接機(jī)器人作為一種自動(dòng)化焊接裝備，由于具有提高焊接質(zhì)量

2、、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、船舶和橋梁等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接中作業(yè)范圍大、空間狹小的特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人和焊縫跟蹤技術(shù)，對(duì)焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和焊接工藝進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究，開(kāi)發(fā)了一種小型移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)，用以解決大型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)焊接問(wèn)題。
　　首先，根據(jù)大型鋼結(jié)構(gòu)焊接工況特點(diǎn)，利用輪式移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)范圍大和機(jī)械手響應(yīng)速度快的特性，設(shè)計(jì)了一種小型移動(dòng)焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)。設(shè)

3、計(jì)了基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的焊縫識(shí)別系統(tǒng)和基于超聲傳感器和光電傳感器的焊接環(huán)境識(shí)別，使焊接機(jī)器人具有焊縫識(shí)別和避障能力。設(shè)計(jì)了基于PC104總線的小型工控機(jī)的控制系統(tǒng)，且集成安裝于機(jī)器人本體上，減小了焊接機(jī)器人的控制線纜和體積。在WinXP環(huán)境下，利用VC對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程中的電弧信號(hào)采集和處理，焊縫偏差識(shí)別，焊接工藝參數(shù)設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能。
　　其次，針對(duì)所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)的非完整性和自由度冗余性特點(diǎn)

4、，完成各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析，建立統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。同時(shí)，采用非完整動(dòng)力學(xué)Routh方程和拉格朗日法，完成了焊接機(jī)器人的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)模型建立，為焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)控制提供參考。
　　在電弧信號(hào)處理方面，根據(jù)原始電流數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了限幅、多圈均值和卡爾曼濾波的組合濾波方法，有效地抑制噪聲，提高了信噪比。針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)中的角焊縫形式，在焊縫橫向和高度偏差識(shí)別上，分別采用特征諧波法和平均電流法實(shí)現(xiàn)了大型鋼結(jié)構(gòu)中角焊縫偏差提取。同時(shí)，通過(guò)焊接

5、試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符，焊縫識(shí)別精度符合要求。
　　通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人數(shù)學(xué)模型以及輪式移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，提出了一種滑?？刂婆c模糊控制相結(jié)合的智能控制算法，設(shè)計(jì)了滑模和模糊控制器實(shí)現(xiàn)了輪式移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制。同時(shí)，搭建了小型移動(dòng)焊接機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同焊縫形式的跟蹤試驗(yàn)和工廠試應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的小型移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)方案可行，性能可靠，滿足大型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接要求。<

6、br>　　最后，對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧GMAW焊接過(guò)程的熔滴過(guò)渡行為進(jìn)行理論分析，采用高速攝像法，對(duì)焊接熔池進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。研究了不同焊接工藝和傳感器性能參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡和熔池形態(tài)的影響，確定旋轉(zhuǎn)電弧GMAW焊接優(yōu)化的工藝參數(shù)，為基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)。
　　通過(guò)本論文的研究，研制了小型自動(dòng)化焊接設(shè)備，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，提高了我國(guó)在船舶、集裝箱、橋梁和儲(chǔ)油罐等領(lǐng)域中的焊接自動(dòng)化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景