本文以江苏省科技成果转化专项资金项目“高速重载(500kg)工业机器人核心技术研发及产业化”项目为背景,系统地研究机器人搅拌摩擦焊中的柔性偏差补偿和工件布局优化等应用技术问题,但因本项目中500kg重载机器人的设计研发还处于模型设计阶段,所以本文以150kg大型机器人为实例进行课题研究。运动学求解是机器人运动控制的前提和基础,本文针对自主研发的150kg机器人的结构特性,采用D-H参数法建立了机器人的运动学模型,并推导出机器人运动学的逆解,分析了机器人奇异位姿的判断依据及重解选择方法。本文构建了 150kg机器人的Adams仿真虚拟样机,将6个关节的位置样条曲线作为机器人Adams虚拟样机的关节位置驱动曲线进行运动仿真,得到的机器人末端轨迹与规划的机器人末端轨迹重合,从而验证了机器人运动学方程求解的正确性。重载环境下机器人关节柔性造成的末端形变是影响机器人作业质量的重要因素,本文用关节刚度量化机器人的关节柔性,分析并估算了机器人关节刚度,建立了机器人刚度模型并给出了机器人刚度模型参数的实验辨识过程和辨识结果。本文研究并实现了基于刚度模型的机器人末端偏差补偿方法,详细论述了机器人末端带负载和施加顶锻力两种作业下的轨迹偏差补偿策略和实验分析。文中针对多条运动轨迹进行了偏差补偿实验,实验得出负载和顶锻作业下平均偏差补偿率分别为71.49%和88.84%。本文在负载实验结果分析的基础上提出了 2次偏差补偿方案,分析实验数据发现2次偏差补偿将平均偏差补偿率提高至97.00%,该方案对进行大量重复性作业的机器人的轨迹偏差补偿具有良好效果。实验结果表明偏差补偿方法虽在不同轨迹的补偿上存在补偿率不均衡的问题,但仍能有效减小机器人的末端形变,提高了重载机器人的作业质量。焊接工件在机器人工作空间中的合理布局能提高机器人搅拌摩擦焊作业性能,本文深入分析机器人搅拌摩擦焊工艺的影响因素,以末端形变量、关节力矩、运动灵活性为优化目标,以位姿非奇异、关节运动连续以及关节运动范围、力矩、机器人末端运动范围不超限为约束条件,建立焊接工件布局的多目标优化模型。采用遗传算法搜索最优布局工位,完成布局优化模型的求解,最后通过仿真实验验证了工件布局优化模型的有效性。最后以Solidworks为开发平台、以VC++/MFC为开发语言,在本实验室开发的机器人离线编程与仿真平台ROBOLP的基础上实现了机器人搅拌摩擦焊仿真功能软件的开发与集成。本文详细论述了该软件的设计原理与结构以及接口实现和集成方法,给出了仿真功能软件的焊缝信息提取模块、焊接工艺参数设置模块、工件布局优化模块、偏差补偿与运动仿真模块、数据实时监控模块的功能设计和测试评估分析。