【摘 要】
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随着现代控制技术、计算机技术以及机器人技术的不断发展,焊接机器人所要执行的焊接任务日渐复杂。焊接在船舶制造行业中起着举足轻重的作用,它与船舶建造的质量和效率息息相关。船舶中小组立构件的焊接中存在焊缝位置复杂、焊缝种类繁多和弧线焊缝路径规划困难等问题。为了使焊接机器人能更好地用于船舶中小组立焊接的实际生产中,对焊接机器人进行轨迹规划研究非常有意义。本文以船舶中小组立焊接机器人为背景,进行焊接工作站结
【基金项目】
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工信部高技术船舶科研项目（[2019]360 号）,项目名称为“船舶中小组立弧线焊缝机器人焊接技术研究”；
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随着现代控制技术、计算机技术以及机器人技术的不断发展,焊接机器人所要执行的焊接任务日渐复杂。焊接在船舶制造行业中起着举足轻重的作用,它与船舶建造的质量和效率息息相关。船舶中小组立构件的焊接中存在焊缝位置复杂、焊缝种类繁多和弧线焊缝路径规划困难等问题。为了使焊接机器人能更好地用于船舶中小组立焊接的实际生产中,对焊接机器人进行轨迹规划研究非常有意义。本文以船舶中小组立焊接机器人为背景,进行焊接工作站结构分析、运动学分析、工作空间可达性、灵活性分析和焊接轨迹规划研究等。本文主要研究内容如下:（1）首先分析船舶中小组立焊接的工作需求,引入龙门架作为变位机与焊接机器人组成焊接工作站系统,扩大空间范围内的移动距离。其次介绍了其机械结构和相关参数。分析了不同关节连杆的连接和运行方式,对自由度问题进行了分析。（2）对船舶中小组立焊接工作站进行运动学分析。首先对机器人的建模方法进行分析。然后以焊接工作站系统为研究对象,采用改进D-H法建立其运动学模型,求解其正运动学方程。对焊接机器人进行逆运动学分析,并利用Matlab的机器人工具箱进行了仿真验证。最后利用矢量法建立了系统各关节的雅克比矩阵和微分运动学方程。（3）为求解中小组立焊接机器人末端的精确操作空间以及可达性分布,对其工作空间进行分析。首先选用由数值法衍生出来的蒙特卡洛法为求解方法,在Matlab中进行编程求得工作空间的点云图,并进行了空洞空腔分析。其次给出了工作空间内任一点灵活度的计算方法,并对具有代表性的特定点进行了灵活度分析,最后求出灵巧工作空间,为研究焊接机器人的轨迹规划奠定基础。（4）对中小组立焊接机器人在关节空间和笛卡尔空间坐标系中的轨迹规划算法展开研究。在关节空间中分析了五次和七次多项式算法;在笛卡尔空间内提出了基于梯形和S形加减速控制的直线插补和圆弧插补算法。中小组立构件中典型焊缝为直线焊缝和弧线焊缝,基于上述算法进行了仿真分析,仿真结果曲线变化平缓,表明了其正确性。（5）针对中小组立中的典型焊缝展开协同轨迹规划研究。首先对中小组立中的典型焊缝进行分析,包含直线焊缝、立角焊缝和弧线焊缝。其次分析了焊缝的位置和姿态离散化。然后提出对焊接工作站中的不同关节进行运动优先级的划分和将双臂系统解耦成单臂系统分开规划的策略,在Matlab的Simulink中搭建仿真模型进行焊接轨迹规划研究,以小组立的顶边舱小肋板和底板工件为对象,仿真结果表明各关节均在合理角度内运动且变化平稳,验证了所提策略和轨迹规划算法的正确性。
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