题目：大构件相贯线埋弧焊接机器人技术研究

大型构件相贯线焊接结构在工业制造业中应用十分广泛，但是目前相贯线焊接成为大型构件制造过程中的制约瓶颈。埋弧机器人焊接技术目前成为解决此类问题的重要发展方向，然而国内在这一领域仍是空白。因此本论文在研究大型相贯线埋弧焊接理论的基础上，自行研制了具有自主知识产权、能用于大型相贯线焊缝埋弧焊接的BHWR-I型机器人，并从轨迹规划、机器人控制算法和误差补偿等方面进行了深入研究。在分析埋弧焊接中焊枪姿态对焊接质量和焊缝成形影响的基础上建立了焊缝-焊枪的统一模型，并成功地将其应用于相贯线埋弧焊缝中，从而有效地减少了机器人控制过程中的运算量。通过对相贯线埋弧焊接过程中熔滴受力和熔池动态平衡地分析，总结出在大型相贯线埋弧焊接中的关键工艺参数。分析结果为大型相贯线埋弧焊接机器人的结构设计和控制算法设计提供了理论基础。根据大型相贯线埋弧焊接的特殊要求，提出了一种圆柱坐标系和两垂直相交虚轴相结合的新型机器人结构，并申请了国家发明专利。在对新构型进行运动学和动力学分析的基础上，采用虚拟样机下的动力学仿真技术进行了BHWR-I相贯线埋弧焊接机器人的详细结构优化设计，并对机器人的控制系统进行了设计研究。仿真结果表明BHWR-I埋弧焊接机器人具有良好的运动学特性和动力学特性。针对大型相贯线构件装配中存在严重误差的状况，设计了两种基于有限个示教点的相贯线焊缝轨迹拟合算法：椭圆拟合法和三坐标轴分立最小二乘法。通过仿真比较，三坐标轴分立最小二乘拟合法具有更高的精度和更好的适用性，因此BHWR-I埋弧焊接机器人轨迹拟合采用三坐标轴分立最小二乘拟合法。由于采用新型结构将BHWR-I埋弧焊接机器人的焊枪位置控制和姿态控制有效解耦，因此对相贯线埋弧焊接中焊枪位姿规划也采用位置规划和姿态规划分离的方法。其中位置规划采用了弗莱纳-雪列矢量法，而姿态规划采用了系数加权模糊专家系统进行规划。在完成相贯线第一道焊缝规划后研究了多层相贯线埋弧焊缝的填充策略和焊道轨迹规划方法。提出了一种焊缝填充策略，并以此为基础推导出多层焊道的规划轨迹。通过仿真实验证明这种方法可以有效的应用于大型构件相贯线埋弧机器人焊接中，实现一次示教操作完成所有焊道的轨迹规划。本文给机器人各轴设计了PID+速度/加速度反馈+NOTCH滤波的控制环算法，并通过实验对各轴控制器的参数进行有效整定，使机器人达到了良好的动态特性和稳态特性，能够满足相贯线埋弧焊接和其它调节任务。在分析BHWR-I相贯线埋弧焊接机器人误差来源的基础上，提出了一种分步式小波神经网络误差补偿模型，该模型首先补偿两个虚轴引起的焊枪端点的位置误差，然后在此基础上对各个轴的运动误差进行补偿。补偿分为两步进行，两步补偿中采用不同形式的小波神经网络，通过激光干涉仪的标定实验分析可知，这种误差补偿模型可以将焊枪端点的平均位置误差降低了原来的80%以上，各个轴的运动误差也可以降低原来的61%以上。