基于六自由度机器人自动焊缝检漏系统设计与虚拟仿真

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景、目的及意义近几十年来，随着各国航天事业迅猛发展，航天飞船、卫星等航天器产品的泄漏检测已成为从事检漏研究人员的研究内容之一，因为，任何航天器中的[1]任何一个密封件的微小泄漏对航天器的工作都是致命的。航天器是由推进系统、结构系统、计算机系统、电源系统、无线电测控系统、生命保障系统等组成的。而推进系统作为航天器工作的重要组成部分，为航天器提供控制力和力矩，保持航天器正确的姿态和轨道，因此，推进系统一旦发生泄漏将造成航天器任务的失败。推进系统由许多具有密封要求的各种阀和复杂的管路系统组成的，因此需要对推进系统的所有密封件和复杂管路系

2、统进行检漏。在推进系统中，复杂管路系统是由不同直径、不同方位的管道连接而成，管与管之间的连接是通过焊接实现的，因此，连接处之间存在焊缝。检漏的目的是确定管道连接处焊缝泄漏的位置及泄漏率的大小。根据被检测件的不同结构需要采用不同的检漏方法，由此看来，泄漏检测已经成为航天器推进系统正常工作的重要环节，密封[2,3]件及管道焊缝处的微小泄漏都有可能造成毁灭性的灾难。随着科技的发展，航天器产品的型号越来越多，而且推进系统的管路系统变得越来越复杂，这样在进行航天器推进系统复杂管路系统的泄漏检测时，不仅要需要选择合适的检漏方法、提高泄漏检测的可靠性，同时还要提高泄漏检[4]测的工作效率。目前，我国对

3、推进系统管路焊缝的检漏方法采用人工手动操作检漏装置对被检测零件进行检漏，这需要花费大量的时间和精力，故已成为制约航天器研制效率的重要因素。而检漏自动化技术作为21世纪的高新技术，正受到从事相关检漏研究人员的青睐，航天器推进系统管路系统的复杂性给从事泄漏检测的工作人员带来了巨大的挑战。面对这样的难题，人们想到了利用机器人来解决推进系统复杂管路的检漏问题。由于航天器推进系统管路的复杂性，不同的推进系统上存在着许多个需要检测的管路焊缝，少则100多个焊缝，多则几百个焊缝，如图1-1所示。-1-万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图1-1推进系统支撑板上管路焊缝采用机器人进行检漏，需要解决以下

4、几大难题：(1)焊缝识别。对这些管路焊缝进行特征识别，以便得知这些复杂管路焊缝的空间位姿信息；(2)最优路径规划。为了能够提高检测的效率，需要对识别出的无规律分布的管路焊缝进行最优路径规划，以缩短整个检漏的时间；(3)干涉检查。在检漏过程中，必须要保证机器人所带的检漏机械手必须避开被检测对象旁的其它任何一个零部件，如各种阀，以保证检漏的可靠性。(4)机器人程序的开发。为了能够采用机器人进行自动化检漏，需要对以上三部分内容结合所选的机器人进行程序开发，针对不同品牌的机器人需要开发不同语言的焊缝检漏机器人程序。机器人程序的开发涉及到机器人坐标的变换及机器人的运动控制算法。(5)虚拟仿真。采用

5、机器人对航天器推进系统复杂管路焊缝检漏能否满足实际要求，需要借助机器人虚拟仿真技术来实现，这样可以避免实际当中错误的发生。机器人虚拟仿真主要是基于计算机通过机器人程序控制仿真环境中的虚拟机器人来模拟真实机器人的作业任务，即真实机器人的工作再现。借助仿真技术对开发的机器人程序能够在脱离实际机器人生产线的作业情况下，通过在计算机上预先模拟机器人的作业情况，这样可以缩短机器人生产作业线上产品的生产周期。虚拟仿真技术是近年来发展的基于计算机和控制技[5]术的一门综合性技术，通过虚拟仿真技术，不仅可以清晰地看到虚拟机器人-2-万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文模拟真实机器人作业环境的情况，还能

6、够有效地避免错误的发生，虚拟仿真验证后，将其应用到实际工作环境中，可以避免事故的发生，同时能够提高工作效率。如图1-2所示，机器人虚拟仿真系统用于码垛作业任务。图1-2机器人虚拟仿真上述5个难题是利用机器人进行自动检漏时必须研究的问题。这些问题的研究成果，对于利用机器人在航天器推进系统管路的泄漏进行检测有着非常重要的意义。1.2国内外现状1.2.1自动焊缝检漏国外关于自动焊缝检漏研究的比较少，而基于机器人的自动焊缝检漏没有查到相关的参考文献；在国内还没有进行自动焊缝检漏这方面的研究。美国航天局（NASA）研制了一种用于航天飞机空间站结构舱内泄漏位置氢泄漏的自动检漏系统，该系统由多阵列传感

7、器、诊断处理器和信号处理装置[6]三个部分组成。多传感器阵列由放置在可能泄漏位置点上的固态传感器组成，信号处理装置将传感器接收到的模拟信号转换为数字信号。诊断计算机对经过信号处理装置转换后的数字信号进行分析处理，以确定泄漏位置和泄漏量。来自传感器网络的泄漏数据由计算机软件进行分析，实时显示出三维泄漏的图像。美国NASA在航天飞机X-33验证机的推进系统检漏时，对氢泄漏自动检漏系统进行了改进，将检漏系统与航天飞机的航空电子系统集成在一