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哈尔滨理工大学工程硕士学位论文开题报告学院自动化学院学科、专业控制工程导师李东洁研究生张宁入学时间2014年05月开题报告日期2015年09月论文题目四自由度相贯线自动焊接的机器人设计研究生学院1说明一、开题来源应包括下列主要内容：1、课题来源及研究的目的和意义；2、国内外在该方向的研究现状及分析（文献综述）；3、主要研究内容；4、研究方案及进度安排，预期达到的目标；5、预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施；6、主要参考文献（应在30篇以上，其中外文资料不少于三分之一，参考文献中近五年内发表的文献一般不少于三分之一，且必须有近二年内发表的文献资料）。二、开题报告字数应不少于5000字三、开题报告时间最迟应于第三学期结束前完成四、若本次课题的开题报告未通过，需在一个月内再次进行开题报告。第二次学位论文开题报告仍未通过者，不能继续进行学位论文工作。五、开题报告结束后，评议小组要填写《硕士学位论文开题报告评议结果》报院研究生教学秘书备案。六、此表不够填写时，可另加附页。2(-)课题研究的目的和意义随着科技的高速发展，各种各样的科技产品、生产自动化开始走入人们的生活，这一切都大大地提高人们的工作效率、改善人们的生活。在机械行业里，零件的形状往往是由两个以上的基本空间形体，通过不同的方式组合而成的，组合时两立体相交就称之为两立体相贯，它们表面形成的交线就称作相贯线。机械制造业中的加工工艺门类很多，焊接工艺是其中很重要的一种，传统手工焊接行业的标准不统一，很多时候都是依靠焊接操作工人的技能熟练程度来判断焊接工艺的完成情况，这样缺乏科学测量的依据，使得即便是同一批次的焊接件的质量良莠不齐，由于工人的熟练程度不同，还会造成较高的工件废品率，工业机器人越来越普及，在制造业中到处都有机器人的身影，因此实现对焊缝焊接过程的自动化控制与实时监测是势在必行的。随着计算机自动化技术的蓬勃发展，计算机工控系统已经广泛应用在焊接设备的中。在工业生产和应用领域里，圆柱形管件被广泛采用，经常会有大量圆形管件需要焊接。例如液压和气动行业里广泛采用的三通管件，就是两圆形管件焊接而成的，为了保证焊接处的质量，首先必须求得两管相接处相贯线的轨迹，以便在加工出相贯线孔和相贯线端头后能正确焊接。由于两圆形管件相交的相贯线是-条空间曲线，其计算和测量都比较复杂（特别是两管偏置斜交构成相贯时），传统的焊接方法很难保证生产效率和焊缝的质量。计算机控制的多轴焊接系统，可以精确的实现对相贯线的插补，并能在焊接过程中接受反馈信号，实现对焊接过程的实时监测，从而能保证较高的质量和精度，因此在相贯线焊接中引入计算机控制的圆管相贯线自动焊接设备是十分必要的。本课题的内容是产生于这种背景下的具有现实意义的研究。通过该课题的研究，希望能够通过结合机械结构设计、可重构装备和计算机控制技术，设计一种圆形管件相贯线焊接装备，实现三通管件相贯线的自动化焊接功能，满足工作需求，同时使它具有良好的通用性，进一步的深入研究可以使其应用到多种相贯线的自动化焊接中，具有广泛的使用前景。(二)国内外在该方向的研究现状及分析在现代焊接生产中，插管焊接是化工和锅炉等行业中非常普遍的-种连接形式。为了达到受力均匀的目的，封头通常采用碟形、球形或椭球形等几何形体。对于封头和插管相贯线接缝的焊接，一般工厂仍由手工焊接完成，制造周期长，劳动强度大，生产效率低，焊接质量难以保持稳定；对于大型的厚壁容器在焊接的过程中，需要对焊接部位进行预热，一般的预热温度都要达到150度以上，在这种温度下人工操作环境非常恶劣。这就迫切需要机器人来代替手工焊来完成这些困难的焊接任务。国内许多专家和学者对管道插接或类似于该种焊接工况的焊接机器人及焊接自动化设备的设计和研究也做了很多工作，取得了一定的成果。中国石油管道科学院闫政等研制了管与管对接的自动焊机，如图1所示，解决了平面封闭环线的全位3置焊接问题。山东工业大学的张忠厚等文献研制了低成本的自动焊接装置，较好地解决了薄壁封头和接管相贯线接缝的单层自动焊接问题。它是通过特制专用凸轮，类似靠模仿型的原理实现的，然而对于不同形状相贯线接缝的焊接，需要更换和制作不同的凸轮；对于厚壁封头与接管相贯线接缝进行多层、不同道数焊接时，专用凸轮的制作难度很大，另外，对于曲率变化较大的接缝很难实现匀速焊接，因此，限制了系统的通用性。山东大学的霍孟友等研制了一种椭球面接头的自动焊接装置，如图2所示，实现了多球面的相贯线焊接，系统可以根据相贯线轨迹来控制焊枪的位置，但是仍然需要将焊件安装到变位机上。对于大型的锅炉等容器，使整个容器进行旋转是很难实现的，特别是在一个大的容器上面要焊接多个插管的情况。北京石油化工学院还研制了啮合式导轨管道焊接机器人，该机器人主要由导轨、行走机构、焊枪位置调整机构、摆动机构、送丝等机构组成。行走机构采用齿轮与导轨啮合，沿着导轨绕着轨道360度正反向行走，实现管道180度或者360度的全位置自动焊接。图1管道双焊炬全位置自动焊机图2椭球面封头接管自动焊接执行机构原理示意图在国外，焊接机器人的研制也代表着管道焊接发展的趋势。如德黑兰机械工程4学院与澳大利亚伍伦贡大学共同研制的并联型管道焊接机器人，如图3所示，其采用了并联式结构，让结构变得更回紧凑，体积更小，而且不失实用性。图3并联式结构管道焊接机器人(三)主要研究内容本课题在研发焊接机器人专机的过程中，取长补短，借鉴传统焊接机器人的优点，改进其不足之处，拟自主创新设计一套专用的焊接机器人专机，专门针对管道插管相贯线焊缝进行焊接。借鉴传统焊接机器人的优点，改进其不足之处，从研究机构的改进方法着手，对比借鉴传统焊接机器人，确定相贯线焊接所需的自由度，选择适于该特定工况的机构，进行结构设计，分析相贯线焊缝的数学模型以及焊枪位置姿态的变化，为了使控制系统方便简单，尽量使机器人在结构上完全解耦或部分解耦，即采用并联结构，使得每一个关节的运动独立控制，与相贯线焊缝的特征一一对应，直观明了，同时有效避免焊接过程中导线发生缠绕的现象，整个机构设计运用简单的传动设计，各部分机构互换性较好，控制过程较简单。论文的具体内容如下：(1)综合考虑相贯线焊接时的各种因素，确定四自由度并联传动型相贯线焊接机器人的结构设计方案，推导相贯线的方程，获取相贯线各点的位置，得到焊枪末端的行走轨迹，建立相贯线焊缝位姿模型、焊枪姿态模型。(2)采用圆柱坐标系对焊接机器人各部分进行结构设计，机器人的驱动电机全部固定安装在机架上不跟随焊缝轨迹运动，机器人的旋转与升降运动解祸，采用锥形齿轮差动轮系来设计差动手腕机构。(3)对机器人进行仿真，验证运动方程推导是否正确。(四)系统方案1.坐标结构的选择圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人，如图4，其轴线按圆柱坐标配置，三个关节包含有一个旋转运动副与两个移动运动副(RTT)，运动学模型简单直观，它可以绕中心轴旋转一个θ角，因此其工作范围可以扩大，且计算简单；又可以沿着中心轴Z直线移动，同时手臂还有-个直线伸缩r。5图4圆柱坐标型机器人它直线驱动部分若采用液压驱动，则可以输出较大动力；此外它能伸入型腔式机器的内部，但是手臂可以达到的空间受到限制，不能达到靠近立柱或地面的空间；直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质的缺点依然存在；后缩手臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。采用圆柱型坐标结构，其转动副可以实现相贯线整周运动，纵向移动副可以实现相贯线上各点的高度变化，伸缩移动副可以适应支管不同管径的变化，运动直观明了，从圆柱形坐标结构的解析式来看，各个方程均由单变量控制，各个关节线性化控制，没有相互耦合的情况，它们的运动是相互独立的，互不影响，因此，且能够实现规划角度与转动角度在数值上的一致性，对位置的控制算法比关节型结构的算法简单，因此针对相贯线焊缝的特点来说，选用圆柱型坐标结构比多关节型结构更具有优势。2.机构类型的选择并联机器人采用的是一种闭环机构，通常由两条或多条运动支链和上下运动平台构成，运动支链和上下运动平台之间组成一个或多个闭环结构，通过各支链运动状态的改变，使整个机构具有可操纵的多个自由度，图5是Stewart并联机构原理简图。并联机器人具有以下的特点：(1)驱动装置可以安放在或接近机架的位置，避免运动过程中的位置干涉，减小了系统的惯量，动力性能得到提升；(2)机器人的运动部分重量轻、速度高、动态性能好、精度较高，没有串连机器人末端执行件的误差累积和放大；(3)运动平台通过几个运动链与机架相联接，因此其结构紧凑、刚性好，与同等体积与质量的串连机器人相比，承载能力高、能重比高；6(4)并联机器人往往采用对称式结构，其各项同性好，互换性较高；(5)动力学特性较好，甚至在尺寸增大时仍保持好的动力学特性；(6)并联机器人的运动学反解简单，正解较麻烦，在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势。图5Stewart并联机构原理简图3.结构方案完成相贯线焊缝需要五个自由度，其五个自由度如图6。图6机器人结构简图7其中自由度1是转动副，可以带动整个机器人围绕支管筒体的轴线旋转，实现相贯线整周焊接；自由度2是伸缩移动副，功能是适应支管不同直径的变化；自由度3是升降移动副，以实现相贯线上各点的高度变化；自由度4和5的目的是调节焊枪姿态，即焊枪的偏转与俯仰。其中自由度1和3称作位置调节自由度，自由度4和5称作姿态调节自由。本文设计的相贯线焊接机器人暂不考虑支管管径方向的变化，为四自由度。综合考虑以上因素，焊接机器人总体结构方案如下：(1)采用圆柱型坐标机器人结构；(2)机器人具有四个自由度；(3)机器人由位置调节机构和姿态调节机构组成；(4)四个自由度以并联方式传动。4.仿真MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，它是一种高效的科学及工程计算语言，它将计算、可视化和编程等功能集于一体，广泛地应用于数学分析、计算、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图像处理、数理统计、人工智能、通信工程和金融系统等领域。考虑一般的情况，插接的两根管道斜交偏置，将管道参数设置为如下：主管半径R：150mm，支管半径：90mm，偏置a：20mm，相贯角：70°。由于机器人是装卡在支管上的，因此以支管坐标系作为参照，根据推导的支管坐标系下相贯线方程，使用MATLAB软件编好程序，将各参数输入后，得到相贯线的轨迹。(五)进度安排2015.06---2015.07查找与课题相关的资料，了解该课题的国内外研究现状，并完成开题报告。2015.07---2015.08选择坐标、机构类型，确定结构方案。2015.08---2015.11建立相贯线数学模型，推导其方程，焊枪姿态模型和焊接速度模型的建立。2016.11---2016.01机器人结构设计与选型。2016.01---2016.03仿真及系统调试，对于调试出现的问题进行分析并解决。2016.03---2016.05撰写论文，准备进行答辩。(六)主要参考文献1.唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势(一）.电焊机，2006，36(3)：1-52.卢本.焊接机器人的类型与应用(一).现代焊接，2006，6：11-123.哈恩晶.焊接机器人的应用现状与发展趋势.机械工人(热加工)，2004，(5：16-1884.黄政艳.焊接机器人的应用现状与技术展望.装备制造技术，2007，3：22-245.Bolmsjo,Gunnar,Olsson,Magnus.Roboticarewelding-trendsanddevelopmentsforhigherautonomy[J].Industrialrobot,20026.刘阳，冯宝富，蔡光启.并联机器人的研究现状与展望.机床与液压，20047.工业机器人渊源.伺服控制，2010，1：48.任福深.基于PC+DSP模式的管道插接专用焊接机器人系统研究.北京工业大学博士论文，2009，2-39.LeilaH.Sharif,SatoshiYamane,TomotakaSugimoto.IntelligentCooperativeContr