冗余自由度弧焊机器人系统.研究

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1、硕士学位论文第1章绪论1．1冗余自由度焊接机器人的研究背景及意义焊接是制造业中最重要的技术之一，自20世纪初发展至今己有90多年的历史了。目前，焊接已成为一门不可缺少的独立的制造技术，在制造业中没有一种技术能像焊接技术那样被制造商如此普遍地用于金属及合金的高效连接。目前，它在汽车、航空航天、机械制造、建筑、能源交通、石油化工及电子行业中的应用越来越广泛并采用了诸如激光、电子束焊等先进技术。随着人类社会的不断发展，保证产品的质量、提高劳动生产率和改善劳动条件成为现代各种制造技术必须解决的共同问题，同时大

2、型重要构件的焊接越来越多，焊接作业的对象也呈现出日益多样化的趋势，在此种情况下，仅仅依靠手工焊接己难于满足焊接质量、焊接效率的要求和现代制造业本身发展的需要，迫切需要提高焊接过程的自动化。科学技术的发展，特别是电子技术、计算机技术、数控技术和机器人技术的发展，为焊接过程的自动化提供了技术基础，因此焊接自动化生产成为焊接技术发展的必然趋势同时也成为可能，而焊接机器人是焊接自动化中的一个典型代表。工业上管道之间的焊缝连接十分普遍，其中既有两管道端口之间的环形连接，也有两管道插接而形成的T型、Y型或K型管道

3、焊缝，这两种焊缝的焊接方法在焊接领域内分别成为环形焊【1】与对接焊【21。图1．1为不同类型对接焊管道接头外形示意图。可以看出管道焊缝是一条复杂空间曲线，而且焊缝截面形状变化较大，所以这就对焊接机器人提出了更高的要求。y型芷型图1-l不同类型对接焊缱管道示意图机器人学中指出，冗余自由度机器人是指具有的自由度多于完成某项作业任务所需的最少自由度的一类机器人。多余的自由度可以用来改善机器人的运动学和动力学特性，如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化主运动任务下的辅助操作指标、优化关节速度、加速度、力矩等。

4、本文即在此背景下，设计了一种管道插接焊缝专用的七自由度弧焊机器人，对其运动学进行了深入的分析和研究，建立了焊缝和焊枪位姿的特征坐标系，提冗余自由度弧焊机器人系统研究出了一种基于焊缝位姿特征坐标系，综合应用几何法和D．H法的逆运动学分析方法。此方法为以后的动力学分析、轨迹规划和力／力矩控制提供可靠的基础。然后，在传统遗传算法的基础上引入了病毒，应用基于病毒遗传算法(VEGA)建立了插接管道焊缝弧焊机器人以最小能量优化为目标的综合轨迹规划算法，在机器人冗余自由度空间内确定了综合性能最优的关节姿态。1．2焊

5、接机器人的国内外发展现状机器人焊接是机器人技术研究和应用的一个重要领域，在世界上当前服役的工业机器人中，焊接机器人占了很大比例，日本是世界上拥有机器人最多的国家，其中焊接机器人所占的比例约为35％【11。自从20世纪60年代第一台商用机器人问世以来，机器人技术无论在研究还是在应用方面都达到了相当的水平。作为机器人的种类之一的焊接机器人，其发展己经历了三个阶段：即示教再现型焊接机器人、感觉型焊接机器人和智能型焊接机器人，随着计算机技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成

6、为科研人员的追求目标。目前在世界各主要工业国，包括焊接机器人在内的工业机器人的应用已经很普遍。据IFR(InternationalFederationofRobotics)的统计数据，2003年日本工业机器人装备数为34．9万台，美国11．2万台，德国l1．3万台，韩国4．7万台，世界总的装备数为80．1万台。据2002不完全统计，我国现有机器人仅1800余台，且我国的焊接机器人94％以上是从国外进口的【ll。对于中国这样一个13亿人口的大国来说，差距是很明显的。尽管形成这一现实有许多方面的历史的和现

7、实的原因，但逐步改变这种现状是我们不容回避的历史责任。我国的焊接机器人学术研究和应用推广工作开展大约已有20多年的历史了，同其他行业引进先进技术的过程一样，我国的焊接机器人也走过了一条从引进、消化到自行研制的过程，目前我国在焊接机器人研究和应用方面虽然具有一定的规模，在某些方面甚至达到了国际先进水平，但仍然存在明显不足。特别是国产化程度极低，尤其在弧焊机器人方面，目前应用的焊接机器人中大部分是点焊机器人。其次，许多引进的机器人国内还没有相应的部配件生产，且缺乏足够的售前、售后服务和技术支持，造成使用成

8、本加大，效率降低。第三，许多国外系统不适合中国企业的工艺现状，主要表现在由于焊接前零件的质量较低，而导致机器人的使用效率降低，适用范围受限，焊接机器人不能满足生产要求，以至造成大量昂贵的设备处于半闲置的不利状态。使用焊接机器人主要有以下优点：1)稳定和提高焊接质量；2)提高劳动生产率；3)改善工人劳动条件，可在有害环境下工作；4)降低了对工人操作技术的要求；5)缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6)为焊接机器人工作站和焊接柔性生产线提供技