机器人在自动化焊接领域应用广泛,提高了焊接稳定性和效率,成为现代工业生产的重要装备。随着信息技术的高速发展,焊接机器人与各种设备和传感器进行联接和融合,衍生出了一系列自动化控制技术。随着智能制造和工业4.0的提出,数字孪生概念诞生并逐渐被学者们关注。目前数字孪生技术主要应用于飞机制造、车间管控和数控加工等领域,在机器人焊接范围研究较少。本文以9轴焊接单元作为研究对象,首先分析了数字孪生的概念及定义、技术特点和应用现状,结合焊接自动化的需求和现有的智能化控制技术,提出了一种机器人焊接数字孪生系统架构,并分别针对虚拟模型层、核心处理层和物理实体层进行了设计和实现。本文的主要研究内容如下:分析了当前数字孪生技术研究的主流模型架构,结合单元级孪生系统的特点,确定将机器人焊接数字孪生系统分为三层,分别是虚拟模型层、核心处理层和物理实体层,并结合虚拟仿真与离线编程、机器人变位机协调运动、遗传算法优化、焊接工艺库、焊缝实时跟踪等技术,构成了一套针对机器人焊接的完整数字孪生系统架构。首先研究虚拟模型层。针对机器人地面装配、吊顶装配等常见的焊接场景,搭建了一套仿真环境,基于XML技术进行焊接虚拟场景的生成和导入,建立了物理实体的几何模型。基于VTK三维可视化技术,实现了焊接运动仿真过程的高速渲染,并完成了仿真模型的碰撞检测,对焊接单元的生产数据进行分类,并基于QWT工具库对仿真运动数据和焊接过程的实时运动数据进行曲线绘制,建立了焊接运动的验证模型。针对常见焊缝形状,分析机器人和变位机的协调运动策略,分析了船形焊算法的优点及适用范围,在此基础上提出一种辅助运动策略来提高机器人的接近性,并给出了该策略下变位机的逆运动学解,建立了焊接单元的规划模型。最终在虚拟模型层中建立几何模型、规划模型和验证模型的三角闭环关系,实现了对物理实体的几何、行为和状态特性的复刻。然后研究核心处理层。针对焊接单元能量消耗和运动平稳性等问题,将工件变位机的放置位置作为输入条件,在虚拟模型层的三角闭环关系基础上,利用遗传算法进行迭代分析优化。基于SQLite3对焊接知识库进行设计,基于kd-tree和模糊处理进行案例推理,结合模糊规则推理构成完整的推理方法,基于TFN-AHP设计焊接表面质量评价方法,设计了工艺库更新机制,共同构成孪生系统的工艺知识模型。综合焊缝实时跟踪和数字孪生的技术特性,提出一种融合方案,由于课题总体工作量安排,焊缝实时跟踪仅做方案设计。最后研究物理实体层。选定组合特征点法和三点校正法作为焊接单元的标定方案。结合项目需求,选用Modbus/TCP和TCP/IP作为上下位机间网络通信方式。本文通过虚拟仿真测试和实际焊接实验,对机器人焊接数字孪生系统进行了功能测试,为数字孪生技术在机器人焊接领域的应用提供了新的思路。