基于弧焊机器人的典型零件柔性再制造系统研究

摘要

再制造工程是以产品全寿命周期管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。随着计算机技术和机器人技术的发展，自动化、智能化是再制造工程发展的方向。为了适应再制造工程的发展趋势，必需提高再制造系统自主适应加工对象的能力，从而提高再制造系统的智能化水平。为此，本文针对弧焊机器人，对废旧产品柔性再制造加工系统的关键技术进行了研究。
　　本文采用线结构光三维视觉传感器实现对零件缺损部分的测量和定位。激光视觉传感器固定在机器人手臂末端，机器人手臂带动激光传感器沿零件表面扫描，获取零件的三维信息。传感器的标定是实现零件测量与定位的核心内容。本文提出了一种线结构光视觉传感器的视觉模型，该模型简单，参数物理意义明确。并提出一种参数分离的方法对传感器进行了标定，采用消隐线法标定激光平面的法矢量，利用交比不变原理标定激光平面的基线长度。这种参数分离法避免了标定过程中对空间点坐标的测量过程，不需要复杂精密的测量设备，计算速度快，试验表明传感器的精度达到0.15mm。文中结合标定要求设计了标定靶。本文采用改进的三点法对机器人手眼关系进行了标定，采用Tsai两步法对摄像机参数进行了标定。
　　本文以线结构光视觉传感器获取的点云数据为对象，对扫描数据的预处理和断层扫描数据的曲面拟合进行了研究。在数据的预处理上对点云数据的噪声点处理、数据压缩处理和数据的区域分割进行了研究，给出了相应的算法。对断层扫描数据的曲面拟合，给出了一种采用统一节点矢量进行插值，在对曲线形状没有限制的插值区间插入型值点，对不符合拟合误差的点，插入节点区间的中点，最后获得统一的节点矢量，然后对各条B样条曲线进行蒙面。按照这种方法构造的B样条曲面具有较少的控制点，很好的光顺性，并且计算速度比普通蒙面算法提高了很多。
　　本文应用ANSYS软件，利用生死单元技术，对低碳钢中厚度板堆焊再制造进行了温度场和应力场的三维数值模拟。焊接温度场和残余应力仿真结果和试验测量结果相吻合。对中厚度板多层堆焊再制造的规律进行了研究，得出了主要结论如下：对裂纹倾向低的材料进行堆焊再制造，采取较少的焊道数，适当减小焊道间隔时间，采用从两侧向中间的方式进行，不但可以有效降低表面的残余应力，而且提高了再制造的效率。
　　本文建立了一个基于弧焊机器人的柔性再制造系统，系统由测量、建模和离线编程三个子系统组成。对不同缺损程度的零件，采用研制的弧焊机器人的柔性再制造加工单元能够完成自动辨识、测量和定位，建立零件的再制造模型，通过对模型进行处理，生成焊接再制造程序，包括自动分层、自动设置焊道数及长度、自动设置焊接参数，然后下载至机器人控制器，控制弧焊机器人，完成零件的再制造。对平板缺损件、轴类缺损件和圆周磨损件进行了试验验证，系统可以满足再制造的要求。

目录

基于弧焊机器人的典型零件柔性再制造系统研究

RESEARCH ON FLEXIBLE REMANUFACTURING SYSTEM BASED ON WELDING ROBOT FOR TYPICAL COMPONENT

摘要

ABSTRACT

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 结构光三维视觉测量方法研究现状

1.3 曲面重构研究现状

1.4 焊接结构数值模拟研究现状

1.5 表面技术在再制造中的应用

1.6 本文的主要研究内容

第2章 线结构光三维视觉测量系统

2.1 引言

2.2 线结构光三维视觉测量系统组成

2.3 线结构光三维视觉传感器的标定

2.4 摄像机的标定

2.5 手眼关系标定

2.6 试验

2.7 本章小结

第3章 测量数据的曲面重构

3.1 引言

3.2 测量数据的预处理

3.3 逐层扫描数据的曲面拟合

3.4 二次曲面的求取

3.5 本章小结

第4章 中厚度板堆焊再制造数值模拟

4.1 引言

4.2 焊接有限元分析理论基础

4.3 中厚度板堆焊再制造热应力分析有限元模型

4.4 中厚度板堆焊再制造的数值模拟

4.4 本章小结

第5章 弧焊机器人柔性再制造系统

5.1 引言

5.2 弧焊机器人柔性再制造系统的构成

5.3 测量系统

5.4 建模系统

5.5 离线编程系统

5.6 试验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢

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