箱型钢结构焊接机器人系统构建和运动学建模.PDF

第 39 卷 第 8 期 焊 接 学 报 Vol.39(8):032 − 037 2 0 1 8 年 8 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION August 2018 箱型钢结构焊接机器人系统构建及运动学建模 郭吉昌， 朱志明， 陈敏鹤， 李秋宇 (清华大学机械工程系 先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084) 摘 要： 针对箱型钢结构现场焊接施工中的自动化程度低、高空作业和接头质量稳定性不足等问题，设计了一款新 型箱型钢结构全位置焊接机器人系统. 在介绍机器人系统的结构设计方案和原理的基础上，根据箱型钢结构的结 构特征，对其直拐角的焊接运动过程进行了详细的探讨，对其各种运动状态进行了基于Craig D-H 模型的运动学建 模和分析. 针对焊接机器人在过渡运动过程中存在连杆偏距和关节角变量的问题，提出了一种额外引入中间坐标 系的正运动学求解方法. 结果表明，机器人系统的结构设计和参数选择合理，系统运动学建模及求解正确. 关键词： 箱型钢结构；焊接机器人；D-H 模型；正运动学求解；工作空间分析 中图分类号：TG 433 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.2018390196 0 序　　言 统，适用于箱型钢结构现场环缝对接中的全位置焊 接，解决了第一代焊接机器人系统对轨道加工精度 箱型钢主要应用于钢结构建筑和桥梁中的立 要求较高、运动平台和轨道之间的运动配合精度难 柱和横梁等重要承力部位. 在施工安装现场，箱型 以保证以及分体式运动平台结构对运动精度影响 钢结构的焊接以不同角度的对接或角接环缝为主， 较大等问题. 深入探讨了箱型钢独特的结构特征所 目前采用的焊接工艺主要为焊条电弧焊和熔化极 决定的焊接机器人运动学建模及求解问题；同时， 气体保护半自动焊，普遍存在焊接自动化程度低、 对焊接机器人的工作空间进行了分析，以验证系统 接头质量稳定性不足、工人劳动强度大和高空作业 结构设计的合理性和运动学求解的正确性. 危险性等问题. 因此，研究开发适用于施工现场的 箱型钢结构焊接机器人具有重要意义和应用价值. 1 机器人系统结构设计 移动式现场焊接机器人可分为轨道式和无轨 道式两类，主要应用于平滑过渡的管道环缝对接和 焊接机器人系统采用刚性轨道设计方案，主要 [1-3] 钢结构的纵向角接直焊缝的焊接 . 无轨式焊接机 包括：基于永磁吸附的轨道固定和支撑机构、采用 器人主要适用于平面或平滑过渡的结构表面焊接， 双侧轮轴夹持结构的运动配合系统、4 自由度焊接 在类似箱型钢结构的具有直角棱角的环缝焊接结 机械手、基于数字信号处理器DSP 的运动控制系 构中未见应用. 用于箱型钢结构施工现场对接或角 统等. 系统三维模型如图1 所示. 接环缝 (全位置) 的焊接机器人，国外仅见于日本 系统采用永磁吸盘将直— 弧组合轨道固定在 Nippon Steel Corporation 公司开发的箱型柱—柱焊 箱型钢结构上，实现了轨道与钢结构的非破坏性安 接机器人系统，其采用卧式轨道结构并通过机械连 装及对轨道的有效支撑. 基于直—弧组合的轨道设 [4] 接将轨道固定在箱型柱上 . 国内仅见于清华大学 [5-8] 计，能有效减小轨道系统的结构尺寸；通过替换直 研发的箱型钢结构柱或