● 摘要
中厚壁管件的相贯连接形式在石油、化工等行业的设备中广泛的存在，这种连接形式往往采用焊接技术实现。相比于传统的手工焊接，引入机器人多层多道的自动焊接技术可显著提高焊接效率、保证焊接质量。基于管件焊接连接形式的特点，如何使机器人行走出具有马鞍形相贯线空间形状曲线的焊道并实现多层多道的焊接是本课题的难点。
本文以机器人多层多道的路径规划算法为核心，通过离线编程控制机器人实现中厚壁管件的相贯连接处的焊接作业。主要研究内容分为以下几个方面。
第一，通过分析目标焊接管件的连接形式、规格参数，与针对管道焊接的机器人常见结构布局形式，选择了机器人倒置式的安装方式设计了焊接机器人工作站方案。焊接机器人工作站的主要部件的技术参数也逐一确定。
第二，设计了管件连接处的焊接坡口形状，从一般的焊接坡口横截面的焊缝填充区的规划出发，建立了焊接坡口的数学模型。以两个管件的轴线和轴线的交点建立机器人参考坐标系，得出了焊接坡口的三条特征曲线的解析表达式与一般的焊接坡口横截面的特征几何参数。
第三，划分了焊接坡口截面的焊缝填充区并制定了焊道的多层多道排布策略。结合机器人焊接运动的方式，确定了多层多道焊道的焊接顺序。利用焊接坡口的数学模型的已知条件进一步求解了每条焊道穿过每个特征焊接坡口截面中的特征点的位置坐标，并确定了机器人的位姿、动力头转角与焊道特征点的位置修正方法。
第四，根据焊接坡口模型与路径规划算法编制了机器人多层多道焊接的离线编程控制程序。利用MATLAB & Visual C#混合编程技术，编制了以离线编程程序为核心的图形用户接口GUI，并扩展实现了输入参数数据库处理、焊接过程监控等模块。软件运行得到了机器人多层多道焊接的路径绘图与数据文件。机器人焊枪末端运动的仿真也为实际的焊接工作建立了一个预期。
第五，开展了机器人多层多道焊接的试验，并得到了理想的试验结果。
最后，总结现阶段取得的成果，并对本课题未来可进行的研究方向做出展望。