基于动力学的移动焊接机器人焊缝跟踪控制系统分析-analysis of welding seam tracking control system for mobile welding robot based on dynamics.docx

第一章 绪论§1-1 课题背景及研究意义20 世纪 60 年代，世界上诞生了第一台机器人。当今机器人技术得到了快速发展，已经形成一门专 门的交叉学科——机器人学[1]。这门学科主要以研究、设计、制造和应用机器人为内容，是机械工程、 电子工程、计算机工程、自动控制工程、人工智能、仿生学、传感技术、信号处理技术等多种学科的交 叉。机器人学是机电一体化的代表，是当今工程领域一个研究热点。当今机器人技术主要有两个发展趋 势：一个趋势是机器人应用领域在不断的扩大，机器人的种类在日益增多；另一个趋势则是机器人的各 项性能在不断的提高，并且向着智能化的方向发展[2]。焊接技术是在金属制造业中仅次于装配和机加工的第三大技术。焊接技术的自动化、柔性化和智能 化可以保证高质量的焊接、高效的生产效率、低的制造成本。将机器人技术应用在焊接生产中，是实现 焊接自动化的主要标志[3~7]。随着世界上造船、石油、能源、建筑、机械等领域的快速发展，要求焊接大型结构件的场合越来越 多。目前在大型结构件焊接中主要以人工焊接为主，这样增大了工人的劳动强度，并且焊接质量受工人 焊接技术的影响很大。当今世界上一些科研机构推出了有轨式焊接机器人应用于大型结构件的焊接。有 轨道式的焊接机器人在焊接之前需要先铺设轨道，这需要很大部分时间的铺设轨道，并且价格昂贵。这 样的机器人在弯曲焊缝焊接的场合，由于人为铺设的轨道很难与被焊工件轮廓完全相同，这就使得焊接 精度不高，严重的影响焊接质量。相对于有轨道式的焊接机器人，自主移动焊接机器人具有机构简单， 适应性强，能够在非结构环境下进行作业等特点，这使得移动焊接机器人在造船工业、大型球罐焊接等 大型结构件焊接场合中具有广阔的应用前景[8-13]。许多科研机构相继开始研究移动焊接机器人技术， SUGA 等人[14]研制了能够实现折线跟踪的移动焊接机器人，KAM 等人[15]研制了用于舰船格子型构件焊 接的移动机器人，中国的石油化工学院和清华大学联合研制了用于管道以及球罐等焊接的轮式机器人 [16， 17]，以及南昌大学研制的适应于大型球罐焊接的爬壁机器人[18]，上海交通大学的张柯等人研制了可 以应用于舰船甲板大范围焊接的智能移动焊接机器人[19，20]，该机器人可以自主的寻找到焊缝并且自主 的进行焊接。以上科研单位研究的移动焊接机器人仅从移动焊接机器人的运动学模型出发，较少考虑其动力学特 性。然而，在实际的大型结构件的焊接环境中，存在许多的外部干扰或者系统本身结构参数的摄动，例 如质量、惯性以及质心等结构参数，运动过程中路况的变化，轮子打滑等外界干扰。机器人吸附在大型 结构件上进行全位置焊接时的情况更加复杂，这就使得用基于运动学的控制方法很难得到一个理想的焊 接质量。因此要获得一个稳定及具有良好自适应动态品质的焊缝跟踪和实现基于力矩的控制，必须考虑 系统动力学模型的影响[21]，基于移动焊接机器人的动力学模型设计焊缝跟踪控制器。研究基于移动焊接机器人动力学模型的[22-33]高效的焊缝跟踪控制系统可以很大的提高焊接质量， 这对于我国造船、石油、能源、建筑、机械等领域基础建设自动化、高效化发展具有十分重要的理论意 义和实用价值。§1-2 移动焊接机器人的国内外研究现状日本、韩国等国对移动焊接机器人技术的研究相对较早，已有产品应用于实际工程。我国这几年也 逐渐开始了这方面的研究工作[34]。1. 舱体格子形构件焊接移动机器人韩国的 Kam B. O.等人研制的轮式移动焊接机器人[14] 用于舱体格子形构件焊接，如图 1.1。这种 机器人体积小巧，重量轻，能够在狭窄空间自主焊接，并且可以自动寻找到焊缝的起始点。在焊接格子 框架的拐角处，能够协调移动平台和十字滑块的运动确保焊炬准确对准焊缝的情况下使焊接速度不变。 该移动焊接机器人的移动平台的行走机构采用四轮，侧面两个驱动轮，前后各有一个自位轮；该移动焊 接机器人在移动平台和焊炬上各有一个机械式的接触传感器，焊炬上的传感器用来实时检测焊炬的位 置，移动平台上的传感器的作用是对焊炬传感器的位置检测起补偿作用。该移动焊接机器人在侧面还装 有一个接近传感器，用来检测焊缝的起始点。图 1.1舱体格子形构件焊接机器人[14]Fig.1.1 Shipyard welding robot[14]2. 无导轨全位置爬行式弧焊机器人图 1.2 是南昌大学研制的履带式爬壁弧焊机器人的外形图[9]。整个机器人系统由爬行机构、图象传 感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。可以吸附在壁面、球面及管道等曲面上进行爬行焊 接。由图象传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统用来识别焊缝，并将检测到的焊缝信息输 入到由控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实时控制移动平台和十字滑块运动以实现焊缝 跟踪。