弧焊机器人工作站智能化技术研究
【摘要】：近年来，兵器行业建立了几十套11个自由度的机器人焊接工作站，并在继续推广应用。然而目前弧焊机器人采用示教编程，编程效率低且没有智能化，机器人再现焊接时没有视觉，不能感知焊接真实环境的变化，实际应用局限性大的企业应用现状，提高机器人编程的效率和质量以及智能传感和自动补偿能力意义重大，研究焊接机器人智能化技术是多学科交叉的前沿课题。
本文提出了一个融合视觉传感信息的机器人焊接CAD／CAPP／CAM／PDM的智能化系统(WROBCAM)总体方案，并围绕关键技术展开研究。
机器人焊接过程三维仿真是离线编程的图形平台，提出了一个新的开发方式实现三维图形仿真系统，即自主开发基于C／S结构的包含OLE项的机器工作站离线编程系统WROBCAM，通过COM接口实现焊接工件三维图形及几何拓扑信息的无缝集成。目前焊接机器人图形仿真采用二次开发实现，存在开放性差、仿真效果不理想、无自主产权等问题，本文在VC++开发环境下，使用OpenGL图形开发工具，基于面向对象的编程自主开发了三自由度龙门机架、六自由度关节型弧焊机器人和两自由度变位机的三维造型及焊接过程图形仿真系统。对一类关节型焊接机器人的运动学计算问题，给出了通用解。
焊接工件特征设计是解决机器人焊接CAD与CAPP、CAM系统集成的重要支撑技术之一。探讨了焊接产品特征的定义与分类以及特征造型方法，提出了自动焊接装配的概念。提出了一种复合方式开发焊接标准件、通用件的变量化设计方法，实现了焊接标准件、通用件的特征设计。提出特征库的变量化设计方法，建立了各种坡口特征库，实现了基于特征库的坡口特征设计，并提出了一种改进的坡口特征设计方法。实现了接头特征设计及基于接头特征的自动焊接装配。
为实现焊接产品的信息集成和管理，提出了焊接产品数据管理(PDM)的功能，建立了焊接产品数据模型，解决了与Solid Edge的双向数据流动，实现各系统之间的信息共享和集成管理。提出了焊缝特征坐标系的概念，实现了焊缝特征的识别、提取。
焊接工艺规划和机器人路径规划是实现编程智能化的关键。针对空间焊缝机器人焊接工艺规划问题，提出了一种新的技术途径，将空间焊缝分解为一个立坡焊和横坡焊的组合，设计了空间焊缝焊接工艺的推理策略，实现了针对装甲车辆的富氩气体保护焊工艺规划。针对重型产品的大型机器人工作站的无碰路径规划问题，分析了其特点，提出转化为机器人机座的位置优化和路径及轨迹联合优化两个问题。
对机器人机座的位置优化问题，建立了多目标优化数学模型及解决方法，采用遗传算法为优化方法，建立了本问题的适应度函数，经过大量实践获得了合适的参数。基于该算法对典型空间相贯线焊缝优化实验，并下载到机器人控制器执行焊接实验，
【关键词】：焊接机器人 特征设计 三维图形仿真 路径规划 遗传算法 人工势场 自适应控制
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TP242
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.183369
【目录】：
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TP242
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.183369
【目录】：
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 1 绪论13-30
- 1.1 问题提出及意义13-14
- 1.2 机器人离线编程系统国内外现状14
- 1.3 焊接机器人离线编程及自适应系统国内外现状14-17
- 1.4 弧焊机器人工作站智能化关键技术研究现状及分析17-28
- 1.4.1 几何造型技术及 CAD/CAPP/C AM集成技术17-21
- 1.4.2 焊接机器人规划技术21-24
- 1.4.3 机器人焊接自适应控制24-28
- 1.5 本文主要研究内容28-29
- 1.6 取得的成果29-30
- 2 大型弧焊机器人工作站智能化系统总体方案设计30-36
- 2.1 系统需求分析及总体结构30-31
- 2.2 各子系统及模块之间的协作关系31-32
- 2.3 系统开发方式32-34
- 2.4 机器人路径规划技术34-35
- 2.5 融合视觉信息的自适应技术35
- 2.6 开发环境及开发工具35-36
- 3 弧焊机器人工作站三维仿真系统36-54
- 3.1 弧焊人工作站三维仿真系统概述36-38
- 3.1.1 弧焊机器人工作站概述36
- 3.1.2 三维图形开发工具0penGL36-38
- 3.2 机器人工作站三维仿真系统设计38-41
- 3.2.1 工作站结构分析38-39
- 3.2.2 机器人工作站仿真系统总体结构39-40
- 3.2.3 机器人工作站三维造型设计40-41
- 3.3 机器人工作站三维造型实现41-45
- 3.3.1 基本体素的造型实现41-42
- 3.3.2 机器人工作站各部件及实体的三维造型实现42-44
- 3.3.3 工作单元的布置44-45
- 3.4 三维工件与仿真环境的无缝集成45-47
- 3.4.1 问题提出45
- 3.4.2 三维工件与仿真环境的无缝集成实现45-47
- 3.5 工作站运动仿真的实现47-48
- 3.5.1 示教仿真47
- 3.5.2 焊接过程图形仿真47-48
- 3.6 关节型工业机器人运动学计算48-54
- 3.6.1 机器人运动学概述48
- 3.6.2 关节型机器人的运动学方程建立48-51
- 3.6.3 关节机器人的运动学方程逆解51-54
- 4 焊接工件特征造型54-80
- 4.1 概述54
- 4.2 系统总体方案设计54-62
- 4.2.1 焊接工件特征的一般概念54-55
- 4.2.2 焊接特征的分类55-56
- 4.2.3 焊接特征造型方法的选择56-58
- 4.2.4 焊接装配设计58-59
- 4.2.5 焊接工件特征造型系统总体设计59-62
- 4.3 系统开发关键技术及实现62-73
- 4.3.1 Solid Edge及二次开发技术62-63
- 4.3.2 通用件的参数化造型63-64
- 4.3.3 焊接通用件的特征设计64-65
- 4.3.4 焊接接头特征设计65-66
- 4.3.5 焊接装配66-68
- 4.3.6 焊接坡口特征设计68-73
- 4.4 焊接产品数据管理(PDM)73-75
- 4.4.1 概述73
- 4.4.2 焊接产品数据管理的功能73
- 4.4.3 焊接产品数据管理的设计73-75
- 4.5 焊缝特征的识别及提取75-80
- 4.5.1 焊缝特征的描述75-76
- 4.5.2 焊缝的识别及特征提取76-77
- 4.5.3 焊接产品数据结构77-78
- 4.5.4 CAD/CAPP/ CAM集成管理78-80
- 5 机器人规划技术研究及实验80-114
- 5.1 弧焊机器人空间焊缝焊接参数与姿态规划研究80-81
- 5.2 焊缝焊接位置的研究81-82
- 5.2.1 焊缝位置的描述及分解81
- 5.2.2 空间焊缝分解计算81-82
- 5.3 工艺参数和焊枪姿态规划的设计思想82-85
- 5.4 典型行业计算机辅助焊接工艺规划系统85-86
- 5.4.1 88C坦克基本焊接信息85-86
- 5.4.2 系统实例86
- 5.5 大型机器人工作站无碰路径规划86-89
- 5.5.1 大型机器人工作站路径规划86-88
- 5.5.2 移动机器人及机器人关节与障碍物间的最小距离计算88-89
- 5.6 机器人机座位置优化89-91
- 5.6.1 优化机器人机座位置的问题描述89-90
- 5.6.2 遗传算法的发展90-91
- 5.6.3 遗传算法步骤91
- 5.7 机器人机座位置优化遗传算法91-94
- 5.7.1 机架自由度的编码91-92
- 5.7.2 建立适应度函数92-93
- 5.7.3 算法实现93-94
- 5.8 机器人机座位置优化实验研究94-105
- 5.8.1 实验条件及缩略词94
- 5.8.2 机器人位置优化枚举搜索法94-95
- 5.8.3 遗传算法优化机座位置95-104
- 5.8.4 优化结果机器人图形仿真104-105
- 5.9 机器人工作站路径及轨迹联合优化105-111
- 5.9.1 获取优良初始值问题106-107
- 5.9.2 势函数的构造107-109
- 5.9.3 机器人工作站路径及轨迹联合优化策略109
- 5.9.4 炮塔接缝路径规划实验109-111
- 5.10 锅炉机器人离线编程焊接实验111-114
- 5.10.1 实验条件111
- 5.10.2 机器人程序的解析与自动生成111-112
- 5.10.3 实验结果112-114
- 6 基于视觉的机器人自适应控制技术114-130
- 6.1 概述114
- 6.2 焊接机器人自适应控制技术内涵114-115
- 6.3 视觉传感系统框架设计及关键技术115-116
- 6.4 结构激光视觉传感跟踪系统平台建立116-118
- 6.4.1 结构激光视觉传感器原理116-117
- 6.4.2 硬件设计117-118
- 6.4.3 传感器装置结构参数设计118
- 6.5 图象采集与处理118-127
- 6.5.1 图象特征分析119
- 6.5.2 图象干扰信号处理119-120
- 6.5.3 干扰信号处理实验120-122
- 6.5.4 接头形状特征提取122-127
- 6.6 接缝位置激光视觉跟踪实验127-130
- 6.6.1 实验装置127
- 6.6.2 实验条件127-128
- 6.6.3 实验结果128-130
- 结论130-132
- 致谢132-133
- 参考文献133-141
- 攻读博士学位期间发表的论文及参加科研情况141
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