相贯线切割机器人作业单元关键技术研究

论文摘要

本文密切结合新型5自由度混联机器人TriVariant-B的钢管相贯线切割应用,系统的研究了该机器人运动学与工作空间分析、空间连续轨迹规划、控制系统开发及钢管相贯线切割工艺等相关理论、方法和关键技术,论文取得如下创造性成果:采用矢量法建立TriVariant-B混联机器人机构的运动学模型,并基于避免干涉和奇异位形的考虑,在末端执行器逆解多解中正确选择了合理解。采用Newton-Raphson法构造出2自由度球面并联机构的位置正解数值算法,并用C语言和LabVIEW环境开发了用于机器人末端位姿实时监控的位置正解软件模块。计算结果表明,在本文开发的控制系统中,位置正解运算时间为35μs,满足了实时性要求。在此基础上,建立了混联机器人的速度映射模型,进而为后续轨迹规划与运动控制提供了运动学基础。根据机器人尺度参数和铰链运动范围约束条件,建立了工作空间边界约束方程,得到TriVariant-B机器人的可达位置空间。在此基础上,应用极坐标描述方法,构造出可达位置空间内部任意点的姿态空间模型。利用上述模型可保证末端执行器在工作空间内的运动连续性,进而为轨迹规划提供了重要依据。在独立规划点和矢量轨迹的基础上,提出了一种基于点矢复合运动的时间同步规划算法和轨迹段间过渡算法,保证了末端执行器位姿运动的同步和轨迹过渡问题。针对任意空间曲线和参数化空间曲线,提出一种基于耦合速度曲线的连续运动轨迹规划方法和轨迹插补算法,在二阶近似条件下可获得理想的轨迹精度,进而将操作空间轨迹映射到关节空间后,利用分段三次样条函数可得到C2连续的高精度实时控制轨迹。基于PC+Motion Controller构建出TriVariant-B混联机器人控制系统核心硬件平台,并结合切割、焊接、喷涂、轻型加工、装配及搬运等多种应用场合,利用可重构思想设计了控制软件的逻辑架构。应用图形化编程环境LabVIEW实现了机器人控制软件的模块化与层次化设计,开发了控制系统回零、轨迹控制、点动控制、在线仿真、网络通讯等核心功能。这种基于数据流的编程方式可有效缩短软件开发和测试周期,提高开发效率。以TriVariant-B机器人为核心构建机器人相贯线切割作业单元,系统地研究了快速零点标定方法、钢管在机器人工作空间中的最优摆放位姿与定位方法和预留坡口角相贯线切割动态轨迹规划等关键技术,基于上述关键技术开发的机器人相贯线切割作业单元成功应用于钢结构生产企业并完成多项石化用火炬塔架相贯线切割任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 工作空间分析
• 1.2.2 轨迹规划
• 1.2.3 控制系统
• 1.2.4 相贯线切割装备与机器人
• 1.2.4.1 零点标定
• 1.2.4.2 钢管坐标系快速定位
• 1.2.4.3 预留焊接坡口切割工艺
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 TriVariant-B机器人运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 系统描述与坐标系建立
• 2.3 位置逆解分析
• 2.4 位置正解分析
• 2.4.1 球坐标并联模块位置正解
• 2.4.2 串联转头位置正解
• 2.5 速度映射模型
• 2.5.1 球面并联模块速度映射模型
• 2.5.2 5 自由度混联机构速度映射模型
• 2.6 正解数值算法示例
• 2.7 小结
• 第三章 工作空间分析
• 3.1 引言
• 3.2 位置空间分析
• 3.2.1 球面并联模块的位置空间分析
• 3.2.2 5 自由度混联机器人的位置空间分析
• 3.3 姿态空间分析
• 3.3.1 坐标系的选择
• 3.3.2 映射姿态空间
• 3.3.3 算例
• 3.4 小结
• 第四章 轨迹规划
• 4.1 引言
• 4.2 空间点矢的基本运动轨迹
• 4.3 空间点矢的运动规划
• 4.3.1 空间直线运动
• 4.3.2 空间圆弧运动
• 4.3.3 矢量运动规划
• 4.3.4 点矢复合运动规划
• 4.3.5 轨迹过渡算法
• 4.4 空间曲线连续轨迹规划
• 4.4.1 任意空间曲线
• 4.4.2 参数化空间曲线
• 4.4.3 耦合速度曲线的空间曲线连续轨迹规划
• 4.4.4 算例
• 4.5 关节空间轨迹规划
• 4.6 小结
• 第五章 控制系统开发
• 5.1 引言
• 5.2 基于PC+Motion Controller的控制系统结构
• 5.3 硬件平台
• 5.4 软件开发
• 5.4.1 软件架构设计
• 5.4.2 模块化与层级式程序设计
• 5.4.3 图形化软件设计
• 5.4.4 控制功能实现
• 5.4.4.1 系统回零
• 5.4.4.2 轨迹控制
• 5.4.4.3 点动控制
• 5.4.5 三维在线仿真
• 5.4.6 网络通讯
• 5.5 小结
• 第六章 相贯线切割机器人关键技术
• 6.1 引言
• 6.2 TriVariant-B机器人相贯线切割作业单元
• 6.3 预留坡口角切割时割炬轴线矢量计算
• 6.4 最优摆放位姿与切割范围
• 6.4.1 最优摆放位姿
• 6.4.2 切割范围
• 6.5 机器人零点快速标定技术
• 6.6 钢管位姿标定
• 6.7 相贯线火焰切割轨迹规划
• 6.7.1 路径规划
• 6.7.2 运动规划
• 6.8 工程应用
• 6.9 小结
• 第七章 全文结论
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢