空间相贯曲线五自由度焊接机器人控制系统研究

摘要

焊接技术在现代制造业的发展中发挥着十分关键的作用，广泛应用于汽车制造、石油输送等各行业。在实际的焊接作业中，管与管相交会产生复杂的空间相贯曲线，对焊接技术提出了更高的要求。
　　本文分析了当前焊接机器人的设计特点和研究趋势，开发了五自由度空间相贯曲线焊接机器人。该机器人采用直角坐标型位置机构，搭配两自由度姿态控制机构的方案，并建立了整体的三维模型。介绍了基本焊接参数在焊接过程中对焊缝质量的影响。建立了空间相贯曲线在笛卡尔坐标系下的数学模型，提出了等角度弦线逼近非圆曲线的方法，基于MATLAB/GUI开发了此类曲线的仿真及逼近软件。分析了空间相贯曲线焊缝的姿态，运用空间几何学的知识建立了相应的数学模型，并通过坐标变换的方法获得末端焊枪姿态的表达式。介绍了刚体在固定参考坐标系下的位姿描述方法，基于D-H参数建模法建立D-H坐标系和D-H参数列表。分析了机器人各连杆之间的相对位姿关系，将齐次变换矩阵按照规则进行乘法计算。采用双变量正切函数形式表示出机器人各关节变量的数学表达式，完成机器人运动学正逆解分析。在控制系统的设计上，硬件系统以固高GUC系列运动控制器为核心，搭配安川SGDV系列交流伺服控制系统。描述了运动控制器主要引脚功能信号，并给出了电气接线设计图。在软件设计上，基于固高CPAC软件开发平台Otostudio，快速高效的开发定制控制系统，详细描述了各主要功能模块的设计步骤。设计了人机交互模块，进行了焊接机器人控制系统的实现。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 存在的主要问题

1.5 本文主要研究工作

2 空间相贯曲线五自由度焊接机器人总体方案

2.1 引 言

2.2 焊接机器人基本结构

2.3 焊接机器人焊接参数与工艺分析

2.4 本章小结

3 空间相贯曲线焊缝的轨迹控制

3.1 引 言

3.2 空间相贯曲线焊缝数学模型的建立

3.3 空间相贯曲线的逼近处理

3.4 焊缝姿态和焊枪姿态数学模型

3.5 本章小结

4 五自由度焊接机器人的运动学分析

4.1 引 言

4.2 刚体的位姿描述方法

4.3 运动学正解分析

4.4 运动学逆解分析

4.5 本章小结

5 空间相贯曲线五自由度焊接机器人控制系统设计

5.1 引 言

5.2 控制系统的硬件选型

5.3 控制系统的软件设计

5.4 本章小结

6 空间相贯曲线五自由度焊接机器人控制系统实现

6.1 引 言

6.2 控制系统软件人机交互模块的实现

6.3 控制系统软件安装准备

6.4 系统实现

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况