焊接过程自动化是未来焊接发展的必然趋势,越来越多的焊接机器人在生产过程中得到应用。现代焊接生产中,插管焊接是化工和锅炉等行业中非常普遍的一种连接形式,由于现有的焊接机器人系统难以满足使用要求,因此,目前仍然依赖焊工进行手工操作,劳动强度大,操作环境非常恶劣,焊接质量难以保证。本文针对管道插接焊接自动化应用方面所存在的问题,采用PC+DSP的开放式控制模式,进行了开放式管道插接专用焊接机器人系统及控制方法研究。通过深入分析管道插接焊缝的焊缝特征和焊接机器人系统应该具有的特征,建立了基于PC+DSP控制模式下的机器人运动控制和焊接工艺参数控制的集成控制的硬件平台。针对管道插接焊缝的特点,研发了新型的、便携式5轴焊接机器人,该焊接机器人能够借助支管内壁实现锚定,使机器人的旋转中心与支管的轴线同轴。研发了两自由度的、自动定心的新型焊接机器人手腕。该新型手腕由旋转角位台和一套连杆机构组成,实现了焊枪的行走角和工作角的姿态的独立控制,机构性能满足相贯线焊缝焊接工艺的要求,使整个焊接机器人在焊接过程中实现了焊枪轨迹和焊枪姿态的独立控制。以PMAC(Progammable Multi-Axis Controller)运动控制卡为控制核心,建立了焊接电源、焊接机器人、送丝系统和送气系统等系统单元间的接口设计,实现了以PMAC为焊接工艺参数和机器人运动参数的控制核心,以PC机为数据管理中心的开放式控制系统硬件平台。焊接机器人的运动学模型和焊缝的位姿模型是焊接过程自动化控制的理论基础。针对研发的专用焊接机器人,以D-H法建立了机器人的运动学模型,给出了运动学正解和逆解。管道插接相贯线焊缝是典型的、复杂的空间焊缝,通过对相贯线焊缝的分析,在不失一般性的基础上,建立了适用于机器人焊接的管道插接焊缝位姿的特征矩阵,进而建立了焊枪轨迹控制和焊枪姿态控制的数学模型,实现了焊枪轨迹和焊枪姿态的定量描述。以管道插接相贯线焊缝为焊接对象,建立了能够根据焊缝不同位置而实现实时控制的焊接速度模型。针对专用焊接机器人系统,建立了以PMAC为控制核心的分层递阶结构的控制系统操作平台。在Borland C++ builder 6.0开发环境下和Delta Tau提供的PComm32PRO动态链接库,采用了功能强大的SQL Server作为数据库管理引擎,开发开放式专用焊接机器人系统的控制软件平台,主要包括以下模块:系统设置模块、状态监控模块、运动控制模块、专家系统模块、数据管理模块、在线指令模块和通讯模块。根据焊接作业对位置、速度及平稳性控制的要求,实现了以位置环为外环,电流环为内环的,速度环为中间环的三环伺服系统,进行了关节运动间隙补偿,满足了焊接作业的需要。分析了管道插接相贯线焊缝焊接过程的控制要求,提出了以焊接工件基础参数为基准的焊枪轨迹、焊枪姿态和焊接电源参数三位一体的控制系统逻辑结构,建立了源发型控制和继承型控制的两种控制方法。在借鉴管道对接全位置焊接工艺参数分析方法的基础之上,提出了以焊缝姿态为基准的焊缝特征区间的划分方法。开发的由环境建模器、任务编程器、参数运算器、任务规划器和传感信息处理器组成的专用焊接机器人任务级离线编程系统,实现了基本的任务级离线编程功能。实际的焊接试验验证了焊接机器人系统的实用性和可行性。试验结果表明,焊接机器人系统能够很好的实现管道插接相贯线焊缝的焊接功能,能够实现焊枪轨迹、焊枪姿态的独立控制,焊接过程中能够很好的实现焊枪轨迹、焊枪姿态和焊接工艺三位一体的集成控制,为后续全位置多层多道焊接工艺研究建立了一个稳定的、实用的操作平台。