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1、 I华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 随着制造业的不断发展，传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求，提高焊接自动化程度已成为现代焊接工艺发展的关键问题。焊接机器人的发明使焊接自动化产生革命性的进步，它的出现极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接工艺的生产效率和生产质量产生了质的飞跃。 本文设计了一种应用于大口径管道内外壁焊接的全位置爬行式焊接机器人系统。 首先，本文从总体上介绍焊接机器人的系统组成，并具体分析了机器人系统的运动机构、焊接系统、检测系统与控制系统四个组成部分的功能和实现方案。 其次，本文着重研究了机器人焊缝跟踪系统的控制方法。建立了
2、机器人平面运动学模型并以此为基础，提出适合应用于本系统的两种控制方法：PID 控制和模糊控制，结合两种控制方法本身特点并根据实际焊接要求初步设计了 PID 运动控制器和模糊运动控制器。 接着，本文分别建立了基于 PID 控制器和模糊控制器的机器人执行部分Matlab/Simulink 仿真模型，通过对四种典型形状的焊缝跟踪仿真实验， 分析比较两种控制方法的优劣，并对仿真中出现跟踪误差的原因和可能的改进方案做出分析。 最后，结合焊接机器人的控制要求，本文提出了一种由 PLC 作为主控制器的控制实现方法，并具体设计了 PLC 控制系统的硬件组成和软件设计结构。 关键词关键词：焊接机器人 焊缝跟踪
3、PID 控制 模糊控制 Matlab/Simulink 仿真模型 PLC II华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 Abstract With the development of manufacturing industry, the traditional manual welding has not been able to meet the requirements of modern high-tech manufacturing in quality or quantity. Therefore, improving the degree of welding aut
4、omation has become a key issue in modern welding technology. The invention of welding robot was a revolutionary progress in welding automation, which rapidly improved the automatic level of welding and brought essential advances in efficiency and quality of the welding production. A mobile welding r
5、obot system designed for large diameter pipelines welding was proposed in this paper. At first, the system architecture of welding robot was introduced. There are four major parts in the system: motion mechanism, welding system, detection system and control system. The function and scheme of each pa
6、rt was analyzed. Secondly, the paper focuses on the control method of seam tracking system. The robots kinematics model was established. Based on the model, two control methods which are suitable for the system were introduced: PID control and fuzzy control. Then the PID controller and the fuzzy con
7、troller were designed according to the control algorithms characteristics and actual requirements. Subsequently, two robots simulation models were established based on PID controller and fuzzy controller respectively, and simulating experiments were proceeded by tracking four typical trajectories. A
8、ccording to simulating results, the performances of two control methods were compared, the causes for the tracking errors were analyzed and some possible improvement plans were proposed. Finally, a control implementation method was proposed by using PLC as the main controller, and the hardware and s
9、oftwares architectures of the control system were designed concretely. Keywords: welding robot，seam tracking，PID control，fuzzy control， Matlab/Simulink simulation model，PLC 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
10、本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1华中科技大学硕士学位论文
11、华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 课题来源 本课题得到了下列科研项目的资助： 1）武汉市科技对接专向计划项目“全位置自动焊接机器人” ； 2）国家自然科学基金项目“基于分级模糊递阶理论的直线驱动机电系统控制策略的研究” （项目编号：60474021） 。 1.2 课题研究的目的及意义 焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段，发展成为制造业中一项基础工艺，一种生产尺寸精确的产品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量
12、要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近 20 年来，在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从 21 世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。焊接机器人的诞生是焊接自动化革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式，从而使中小批量的产品自动化焊接成为可能1。 焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程
13、机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改善了工人的劳动环境2。 但是， 现在焊接领域中自动化程度最高的手臂式机器人在使用时有两个局限性：2华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 一个是它的活动范围较小，因为它像一个手臂，手臂长 1.52 米，也就是其活动半径，所以焊接的工件不能太长，最大范围也不能超过 2 米。二是它必须用编程或示教进行工作，对不规则的焊缝，特别是在焊接过程中焊缝发生形变时，则很难适应。然而，许多大型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。例如：石化工业中的大型储油罐、球罐，造船业中的各种轮船，对这
14、类产品的焊接，就很难实现自动化，许多建设工作仍然采用人工焊接3。因此，给焊接机器人加装各种传感器，使它们具有焊接路径自主获取、焊缝跟踪以及焊接参数在线调整等能力，具有很高的实用价值。机器人焊接过程的自主化和智能化已经成为科研工作者的一个研究重点。 移动焊接机器人由于其良好的移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法4。 尽管自主移动机器人的实用化研究还不够完善， 但移动机器人是解决无轨道，无导向，无范围限制焊接的良好方案。 本论文的主要研究内容是设计一种应用于大口径管道内外壁焊接的全位置爬行式焊接机器人系统，并着重研究机器人焊缝跟踪系统的控制方法。该机器人能
15、利用 CCD摄相机传感的焊缝信息，采用视觉伺服技术控制机器人携带焊枪沿焊缝运动，使焊枪能够沿焊缝切线方向匀速运动，完成对工件表面的焊接，实现机器人焊接的全程自动化。 1.3 国内外研究现状 自 1962 年美国推出世界上第一台 Unimate 型和 Versatra 型工业机器人以来，越来越多的工业机器人投入生产使用中。这其中大约有半数是焊接机器人。焊接机器人是在工业机器人上装备焊接系统，如送丝机、软管、焊枪、焊炬或焊钳，并配备相应的焊接电源的自动化焊接装备1。 从 20 世纪 60 年代诞生和发展到现在，焊接机器人可大致分为三代： 第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简
16、便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用。 第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人， 得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现已进入应用研究的阶段。 3华中科技大学硕士学位论文 华中科技大学硕士学位论文 第三代是指装有多种传感器， 接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研究阶段。 随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标5。 焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用 32 位的计算机，除可以控制机器人本体的 56 个轴外，还可以使外围设备和机
