【摘 要】
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球管相贯线焊缝作为一种较为常见的空间焊缝,主要由球壳与圆管相交连接而产生的复杂曲线焊缝。球管相贯线焊缝常存在于压力容器、核电等领域,其焊接质量是管道和压力容器使用寿命的直接影响因素。当前焊接机器人虽发展迅速,但在球管相贯线焊缝焊接领域使用还较为薄弱。中国现阶段的球管相贯线焊缝焊接还处于机器人示教阶段或人工焊接阶段,这两种焊接方式都较为落后,无法达到兼顾高品质和高效率的焊接要求。因此为了降低工人工作
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球管相贯线焊缝作为一种较为常见的空间焊缝,主要由球壳与圆管相交连接而产生的复杂曲线焊缝。球管相贯线焊缝常存在于压力容器、核电等领域,其焊接质量是管道和压力容器使用寿命的直接影响因素。当前焊接机器人虽发展迅速,但在球管相贯线焊缝焊接领域使用还较为薄弱。中国现阶段的球管相贯线焊缝焊接还处于机器人示教阶段或人工焊接阶段,这两种焊接方式都较为落后,无法达到兼顾高品质和高效率的焊接要求。因此为了降低工人工作强度,提升焊接质量,满足国内制造业市场需求,研发高质高效的自动化焊接机械臂,对推动我国焊接领域制造业发展有重要意义。本文以球管相贯线焊缝为研究对象,利用ABB IRB 1410机器人进行轨迹规划及优化,通过Robot Studio仿真与实际焊接试验证明方法的有效性。开展研究如下:（1）基于ABB IRB 1410焊接机器人的结构和尺寸,建立机器人D-H模型,通过对刚体位姿的描述、坐标系变换,建立齐次方程,并对机器人的正、逆运动学方程进行求解。针对机器人的工作空间,依据蒙特卡洛方法在MATLAB软件中仿真出点云图,并加以分析。（2）建立球管相贯线焊缝数学模型,分析球管相交的三种情况。基于理想的相贯线焊缝数学模型建立方程,对相贯线的几何特征（曲率、扰率、最小曲率半径和弧长）进行估算;建立焊接位姿模型,利用NURBS曲线对焊缝路径点进行插值,再使用MATLAB仿真出焊缝曲线,实现了球管相贯线焊缝的轨迹优化。（3）对机器人的焊接效果进行多目标优化。综合考虑时间、能耗、脉动冲击工作指标,通过约束机械臂的各关节的速度、加速度、加加速度,建立归一化目标函数。并提出一种具有混沌寻优的多目标自适应粒子群优化算法（CPSO）,在工作轨迹数学模型采用五次NURBS曲线插值机械臂末端路径点,把混沌寻优的方法融合进粒子群优化中,并提出采取动态加权方法进行选择适应度最高的全局最优粒子;通过外部存档改进粒子群的自适应变异规则,进而产生更加优异的粒子,降低局部最优的可能性,提高运算效率,改进了 Pareto取值集合空间。通过软件仿真,在已知约束条件下,该优化算法可以实现目标轨迹的多目标优化,保证焊接机械臂以最优路线运行。（4）在Robot Studio软件中,调用ABB IRB 1410机器人和焊枪工作单元,建立工作站,并运行编写的Rapid程序,记录并分析机器人的关节位移数据和TCP轨迹。仿真结果表明机器人建模和焊缝轨迹规划和优化的有效性。在对球管材料进行预处理后,通过了实际焊接作业。实际焊接效果良好,焊缝光滑,焊枪枪头与焊缝轨迹拟合度较好,满足预设加工要求。
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