● 摘要
中厚板广泛用于发电设备、石化设备、输油气管线、造船、重型机械、航空航天、大型建筑及冶金等大型钢结构建造的场合。目前，在国内中厚板多层多道焊接广泛采用手工焊接方式，质量差、效率低，而且还存在重大事故安全隐患，特别是在对焊接质量要求很高的压力容器、核工业等领域。随着中厚板结构件的应用增加和对焊接质量的要求提高，人们对自动化以及生产效率提高的要求更加强烈，因此，对多层多道自动化焊接的研究具有重要的现实意义。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，作为自动化技术代表的弧焊机器人技术已日益成熟，正逐步得到应用。因此，研究中厚板弧焊机器人技术是解决当前中厚板焊接难题的迫切需求。
中厚板弧焊机器人技术是多学科交叉、集成创新的前沿技术。本文针对中厚板弧焊机器人工作站机器人技术、多层多道焊接技术及弧焊应用中的辅助技术进行了研究。其主要研究内容如下：
对实际生产中常见的圆柱管与圆柱管轴线垂直相交的形式进行建模，建立以接管和母管相贯的坡口模型。以等截面为边界条件，建立用于接管端部和母管的切割数学模型，包括接管与母管相贯的空间曲线及坡口角的数学模型，对模型输出的离散点拟合形成三维模型，为数控切割加工提供源模型。实际加工工件满足焊接需要。以圆柱管为支管，建立了一般情况下与圆柱管、圆锥、椭球、板相贯的模型，为后续的切割和多层多道焊接提供基础。
建立圆柱管与圆柱管轴线垂直相交的多层多道焊接模型。确立焊接道数、层数及机器人焊枪位姿，建立符合焊接工艺要求的多层多道焊接轨迹曲线族的数学模型，编制计算程序，生成焊接离散点txt文档，并能满足与MOTOMAN机器人的软件接口的格式要求。对焊枪摆弧算法进行了分析研究。对十自由度弧焊机器人工作站焊接实验方案进行了介绍。采用电弧跟踪焊接第一道焊缝，在七自由度和十自由度工作站上进行焊接实验，对实验过程进行了介绍，并对实验结果进行了分析，经检测得到了良好的实用效果，从而对计算模型进行了较好的实验验证。
采用遗传算法对十自由度弧焊机器人工作站机器人基座进行位置优化分析，提出多目标优化函数，建立适应度函数，优化机器人在三自由度基座中的位置。以七自由度弧焊机器人工作站中自主研制的六自由度机器人为研究对象，完成机器人正逆解，应用蒙特卡洛方法确定机器人的工作空间，计算了雅克比矩阵，在笛卡尔空间对空间直线与直线的连接轨迹进行规划。在机器人运动学分析的基础上，推导出适用于弧焊机器人标定技术的误差模型，利用MATLAB和最小二乘法求解线性方程组，验证该误差标定模型的合理性。采用有限元法建立了焊接机器人的有限元模型，针对在焊接空间内焊接机器人动态特性的变化问题，采用正交试验法选取位姿参数组合，对每个姿态下的焊接机器人进行了有限元分析，得到了典型位姿下的机器人动态特性，通过极差分析进一步分析得到了位姿参数对焊接机器人低阶固有频率的影响程度，指出了位姿参数θ3是影响低阶固有频率的关键因素。以PMAC运动控制卡为核心，搭建弧焊机器人系统硬件平台，完成控制电路的设计，开发上位机软件操作界面，设计弧焊机器人控制系统应用程序，完成下位机运动程序的编写，实现控制系统通信、各功能模块设计。
对弧焊机器人离线编程技术进行了研究，确立了离线编程系统总体方案。采用SolidWorks为平台进行设计。通过宏文件的录制及宏程序的修改对六自由度机器人进行参数化设计，提供参数化的人机交互界面。采用六点法对相贯工件进行标定，解决实际工件与离线编程环境中的工件模型的校正问题。针对没有具体参数方程有三维信息的工件，对工件焊接路径离散化，提取位置信息，并进行焊枪姿态规划。最后进行了弧焊机器人工作站运动学仿真。