非完整约束水下焊接机器人运动控制及工艺参数协同机制研究

摘要

随着海洋活动及开发日益频繁，水下结构物种类繁多，有些钢构部件在水下长期服役中会出现失效损坏，需要及时修复。针对此种需求，本文提出了水下移动平台搭载焊接操作臂形式的水下焊接机器人模型，水下移动平台通过永磁体车轮吸附在钢结构表面并在其上移动行走，移动平台上搭载焊接操作臂，操作臂末端安装有局部排水罩，焊枪位于排水罩内，采用局部干法的焊接方式进行全位置焊接操作。本文分别对机器人的运动学和局部干法水下焊接所用的关键部件排水罩及焊接工艺进行研究，主要研究内容为:
　　(1)对非完整约束的移动焊接机器人进行运动学建模，分别建立轮式移动平台和焊接操作臂的运动学模型，并计算运动学正逆解，进行轨迹控制研究，给出移动平台和焊接操作臂的规划轨迹和运动时间，通过逆解计算相应的运动参数，然后把计算的运动参数导入ADAMS进行仿真，模拟移动机器人大范围全位置的焊接轨迹。
　　(2)针对水下全位置焊接对矩形排水罩的排水要求，利用FLUENT对典型空间位置角度的排水过程进行模拟，并根据模拟结果对排水罩结构形式进行优化，同时确定相应的排水速度和管路布置。按照模拟优化结果制作排水罩进行排水实验，验证了其可行性。
　　(3)利用干式高压舱模拟水下干法焊接环境，在高压舱内进行了全位置焊接实验，获得典型位置的焊接参数，并基于获得的焊接参数进行数值拟合，得到焊接参数与位置的关系，为水下机器人焊接操作提供基础数据。
　　(4)利用研制的水下移动焊接机器人，采用局部干法焊接方式进行平焊位置的焊接实验，获得成形良好焊缝。
　　通过上述理论分析、仿真模拟及实验研究，验证水下移动焊接机器人能够满足全位置焊接的轨迹要求，更适合采用梯形结构排水罩进行局部干法焊接，同时初步具备进行水下大型钢结构焊接的可行性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水下焊接概述

1．2．2 水下焊接机器人概述

1．2．3 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 非完整约束移动平台及操作臂组合式机器人运动学分析

2．1 机器人运动学分析

2．1．1 移动平台运动学分析

2．1．2 操作臂运动学基础

2．1．3 操作臂正运动学

2．1．4 操作臂逆运动学

2．2 焊接机器人轨迹控制

2．2．1 轨迹插值原理

2．2．2 直角坐标轨迹控制

2．3 运动仿真

2．4 本章小结

第三章 水下全位置局部干法排水研究

3．1 FLUENT数值模拟软件简介

3．2 排水罩结构设计

3．2．1 排水罩进气管布置

3．2．2 仿真模型确定

3．2．3 GAMBIT建模及网格划分

3．2．4 边界条件设置

3．2．5 仿真结果分析

3．3 排水罩结构优化

3．3．1 进气管位置确定

3．3．2 优化设计

3．3．2 排水过程模拟

3．3．3 进气速度确定

3．4 排水罩排水实验

3．4．1 排水实验系统

3．4．2 排水实验

3．5 本章小结

第四章 水下机器人工艺参数协同控制及焊接实验

4．1 焊接参数与焊接位置协同

4．1．1 焊接速度、摆动速度与焊接位置关系

4．1．2 焊接电流、电压与焊接位置关系

4．2 排水作业与焊接位置协同

4．3 水下机器人焊接实验

4．3．1 水下焊接机器人

4．3．2 焊接实验

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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