海洋平臺(tái)導(dǎo)管架KY型空間焊縫焊接機(jī)器人系統(tǒng)研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)導(dǎo)管架T、Y、K型相貫接頭的自動(dòng)焊接，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式五自由度焊接機(jī)器人。針對(duì)此類相貫接頭管徑大、管壁厚、坡口焊縫呈空間曲線的特點(diǎn)，以及Y、K型接頭的自動(dòng)焊接過程中相貫管道與機(jī)械臂本體容易發(fā)生碰撞這一特殊情況進(jìn)行海洋平臺(tái)導(dǎo)管架相貫接頭焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究:
　　通過對(duì)馬鞍形焊縫曲線進(jìn)行分析，結(jié)合相貫接頭管道切割標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚壁大管徑管道坡口的數(shù)學(xué)建模工作。進(jìn)一步根據(jù)相貫接頭坡口數(shù)學(xué)模型及其焊接規(guī)范進(jìn)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(xué)模型、K型接頭自動(dòng)焊接的避障及海洋平臺(tái)導(dǎo)管架野外施工的具體需求，進(jìn)行自動(dòng)焊接機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。進(jìn)一步通過建立該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、本體工作空間分析確定機(jī)器人桿件尺寸。
　　針對(duì)該機(jī)器人有兩個(gè)控制焊槍俯仰姿態(tài)自由度的問題，采用兩步法進(jìn)行機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)值的求解工作。提出采用曲線逼近法進(jìn)行相貫線焊縫長(zhǎng)度求解，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)空間速度、加速度

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

4、r>　　對(duì)于機(jī)器人與管道間發(fā)生碰撞的情況，采用機(jī)器人下臂與另一側(cè)支管平行的策略初算機(jī)器人的避障軌跡。然后建立冗余自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)雅可比，根據(jù)導(dǎo)數(shù)的極限定義對(duì)相貫接頭曲線進(jìn)行求導(dǎo)，建立機(jī)器人關(guān)節(jié)速度約束，采用分離空間法保證機(jī)器人運(yùn)行軌跡連續(xù)。進(jìn)一步采用擴(kuò)展雅可比法，引入機(jī)器人關(guān)節(jié)限約束保證機(jī)器人關(guān)節(jié)值在有效范圍內(nèi)。最后以K型接頭的自動(dòng)焊接為研究對(duì)象，采用簡(jiǎn)化的人工勢(shì)場(chǎng)法建立K接頭自動(dòng)焊接機(jī)器人的無碰撞連續(xù)軌跡規(guī)劃計(jì)算模型。
　　通過

5、分析相貫接頭自動(dòng)焊接過程中存在的各種誤差及這些誤差對(duì)機(jī)器人焊接精度的影響，提出一種相貫接頭焊接機(jī)器人快速標(biāo)定方法。該方法首先通過示教相貫焊縫上一組隨機(jī)標(biāo)定點(diǎn)，然后采用模擬退火算法分別進(jìn)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(jì)算機(jī)器人和管道工件之間的相對(duì)位姿矩陣，從而完成相貫接頭焊接工作的快速標(biāo)定任務(wù)。
　　進(jìn)行相貫接頭焊接機(jī)器人本體機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)半圓結(jié)構(gòu)的剛性軌道結(jié)構(gòu)，采用偏心輪鎖扣結(jié)構(gòu)保證軌道在支管上的快速安裝

6、，采用彈性錐輪實(shí)現(xiàn)小車在軌道上的定位及裝卡。開發(fā)了開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)，以工控機(jī)為核心采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。在VC環(huán)境中使用Galil公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)編制了機(jī)器人控制軟件，并在Solidworks中進(jìn)行二次開發(fā)編制了相貫接頭焊接機(jī)器人離線編程軟件。
　　采用自保護(hù)藥芯焊絲焊接工藝在試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以滿足相貫接頭的自動(dòng)焊接要求，相貫接頭焊后焊縫成形美觀，能夠滿足海洋平