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小型移动焊接机器人系统设计及优化

叶艳辉  
【摘要】:近年来,随着我国人口老龄化,劳动力成本增加及制造业不断发展,促使工业自动化进程加速,使中国制造业逐渐转型升级为智能制造。工业机器人作为智能制造技术的关键技术之一,已经成为世界制造大国重点发展领域。在国务院发布的《中国制造2025》中,我国已经把高档数控机床与机器人作为十大重点发展领域之一。因此,工业机器人的应用推广将对世界制造业的发展产生重大影响,进而重塑世界的现代工业。焊接机器人作为一种自动化焊接装备,由于具有提高焊接质量、提高劳动生产率和改善工人劳动强度等优点,已经在汽车、船舶和桥梁等领域得到广泛应用。本文根据大型钢结构现场焊接中作业范围大、空间狭小的特点,结合机器人和焊缝跟踪技术,对焊接机器人机构、传感系统、控制系统和焊接工艺进行集成优化设计和研究,开发了一种小型移动焊接机器人系统,用以解决大型钢结构现场自动焊接问题。首先,根据大型钢结构焊接工况特点,利用轮式移动平台移动范围大和机械手响应速度快的特性,设计了一种小型移动焊接机器人机构。设计了基于旋转电弧传感的焊缝识别系统和基于超声传感器和光电传感器的焊接环境识别,使焊接机器人具有焊缝识别和避障能力。设计了基于PC104总线的小型工控机的控制系统,且集成安装于机器人本体上,减小了焊接机器人的控制线缆和体积。在WinXP环境下,利用VC对控制系统软件进行开发,实现了焊接过程中的电弧信号采集和处理,焊缝偏差识别,焊接工艺参数设置及运行状态数据监测等功能。其次,针对所设计的焊接机器人机构的非完整性和自由度冗余性特点,完成各机构的运动关系分析,建立统一运动学方程。同时,采用非完整动力学Routh方程和拉格朗日法,完成焊接机器人的统一动力学模型建立,为焊接机器人协调控制提供参考。在电弧信号处理方面,根据原始电流数据的结构特点,提出了限幅、多圈均值和卡尔曼滤波的组合滤波方法,有效地抑制噪声,提高了信噪比。针对大型钢结构中的角焊缝形式,在焊缝横向和高度偏差识别上,分别采用特征谐波法和平均电流法实现了大型钢结构中角焊缝偏差提取。同时,通过焊接试验进行验证,试验结果表明,检测结果与实际情况相符,焊缝识别精度符合要求。通过对焊接机器人数学模型以及轮式移动平台与机械手的动态特性进行分析,提出了一种滑模控制与模糊控制相结合的智能控制方法,设计了滑模和模糊控制器实现了轮式移动平台与机械手的协调控制。同时,搭建了小型移动焊接机器人试验平台,进行了不同焊缝形式的跟踪试验和工厂试应用。试验结果表明,所设计的小型移动焊接机器人系统方案可行,性能可靠,满足大型钢结构现场焊接要求。最后,对旋转电弧GMAW焊接过程的熔滴过渡行为进行理论分析,采用高速摄像法,对焊接熔池进行实时观测。研究了不同焊接工艺和传感器性能参数对熔滴过渡和熔池形态的影响,确定旋转电弧GMAW焊接优化的工艺参数,为基于旋转电弧传感器的焊接工艺数据库的建立和应用推广提供基础。通过本论文的研究,研制了小型自动化焊接设备,形成自主知识产权,提高了我国在船舶、集装箱、桥梁和储油罐等领域中的焊接自动化水平,具有良好的经济效益和应用前景。


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