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相贯线全位置焊接机器人构型及结构的最优化

刘廷顺  
【摘要】:在石化、锅炉和船舶的制造行业中,存在着大量的球罐、油罐和管道的焊接作业,传统的焊接机器人难以对这种封头和接管的空间相贯线进行焊接。新型的空间相贯线焊接机器人有行走式、电磁吸附式和采用新型手腕结构的圆柱式机器人等。 本文提出了一种基于全域性能指标的高条件数性能指标优化方法对结构参数进行优化。在操作任务相同时,机器人的灵活度性能指标越高,各关节的驱动电机的转速会越低。在管道插接空间相贯线焊接任务中,焊枪的工作速度很慢,容易导致驱动电机速度过低。本文提出与传统灵活度性能指标相反的设计思路,适当降低机构的灵活度,有效的提高了电机的转速。 针对圆柱式机器人设计了一种新型的定心手腕机构,实现了焊枪位置和姿态调整的解耦,而且易于实现模块化设计。定心手腕机构由摇杆机构和弧形导轨机构构成。在调整焊枪姿态的过程中,焊点的位置保持不动。 利用Matlab编写了基于高条件数性能指标对机器人结构参数进行优化的程序,程序综合考虑了结构紧凑性指标和防干涉性指标。文中定义了防干涉性指标的概念,建立了焊缝和焊枪的数学模型,并针对不同的机构分别进行了结构参数的优化。 通过三维建模验证了采用优化的结构参数进行机器人结构设计的可行性,也通过对模型的测量验证了机构的结构紧凑性指标和防干涉性指标值与编写的程序求解结果的一致性。 对不同机构的性能指标进行对比得出圆柱式机器人机构最优的结论。虽然采用定心手腕结构的圆柱式机器人存在着焊枪姿态的调整范围受到限制的缺点,但是其优点更明显。圆柱式机器人的优点有:电机工作性能得到改善,便于实现机构的解耦和模块化设计,机器人的行程大能适应更大范围的焊接任务要求等等。这些优点都是关节式机器人所不能比拟的。


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