大直径对接管焊接机器人的研究

摘要

管道对接是管道铺设过程中一个重要的工序，它广泛地应用于石油、天然气、化工、城市管道等行业，其焊接质量关系着管道使用的安全性和运行的可靠性。目前，国内的大部分大直径管道对接焊接还是通过传统的手工焊接完成的，从而导致工作效率低，工程进度慢。虽然一些工程项目采用了机器人自动焊接，但是这些设备绝大部分都是欧美等发达国家研发的。这样的情况下，设计出一种适合大直径管道对接的焊接机器人是非常有意义的。
　　论文以大直径对接管焊接机器人为研究对象，应用机器人学、运动学、动力学及计算机仿真技术，着重设计和研究了大直径对接管焊接机器人的机械结构，具体工作有以下几个方面：
　　（1）通过了解焊接机器人的工作环境、工作对象及工作任务，确定焊接机器人的结构设计方案；
　　（2）对机器人的三个运动关节（环形行走机构、轴向摆动机构和径向伸缩机构）进行设计，并对电机、减速器、轴承等标准零部件进行选取；
　　（3）利用机器人矩阵理论知识对焊接机器人的运动学正问题和逆问题进行分析，确定执行机构的运动轨迹（位姿）、焊接机器人的几何参数和焊接机器人的运动参数三者之间的关系；
　　（4）利用Pro/E4.0三维软件建立机器人的三维实体模型，并在Pro/E4.0机构模块下对其进行运动学仿真和位置仿真，得到执行机构（焊枪）的速度及加速度变化曲线和位置轨迹，并对其进行分析，并论证其是否符合工作原理；
　　（5）利用几何法，对机器人在焊接过程中，可能出现的小车与链条存在干涉的问题进行了分析，论证其是否存在干涉；利用力学分析方法，对机器人在焊接过程中，链条在管道上打滑、小车停止不动问题进行了分析，并得出小车顺利运动的条件关系式。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究的背景和意义

1.3 管道焊接的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 大直径对接管焊接机器人总体组成

2.1 常用机器人结构形式

2.2 机械本体

2.3 驱动系统

2.4 跟踪传感系统

2.5 控制系统

2.6 本章小结

第三章 焊接机器人结构设计与建模

3.1 机械本体方案设计

3.2 机械本体结构的设计及建模

3.3 大直径管道焊接机器人三维模型的建立

3.4 本章小结

第四章 大直径对接管焊接机器人的运动学分析

4.1 机器人运动学概述

4.2 机器人参数及臂杆坐标系的建立

4.3 大直径对接管焊接机器人的运动学正解

4.4 大直径对接管焊接机器人的运动学逆解

4.5 本章小结

第五章 焊接机器人运动学干涉及受力问题

5.1 大直径对接管焊接机器人运动学干涉问题

5.2 大直径对接管焊接机器人的受力问题

5.3 本章小结

第六章 大直径对接管焊接机器人运动学仿真

6.1 大直径对接管焊接机器人实体模型的建立

6.2 大直径对接管焊接机器人仿真模型的建立

6.3 大直径对接管焊接机器人运动学仿真

6.4 仿真结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 论文创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

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