核电封头管座焊接用腿式移动作业机器人控制系统设计与实验研究

发布时间：2020-11-18 10:11

　　 超大尺寸工件复杂加工是国家重型装备制造领域的关键问题之一。由于超大尺寸工件普遍重量大不便移动,长期以来加工仅能通过人工方式,加工效率低下,质量难以保证。向超大尺寸工件复杂加工中引入具有移动作业能力的机器人系统成为新的发展趋势。核电封头是超大尺寸工件的典型代表,在国家重点自然科学基金“核电封头与管座复杂空间型面焊接机器人设计方法研究”课题支持下,上海交通大学研究了基于P-P并联构型的新型腿式移动作业机器人并应用于核电封头管座焊接。本文研究该腿式移动作业机器人在核电封头管座焊接环境中应用所需控制方法及实时控制系统并进行相关实验,为机器人在实际环境中的自主移动作业提供方法及系统支持。首先本文针对核电封头管座焊接环境中机器人定位需求,建立基于RGBD视觉传感器管座检测的机器人定位方法。该定位方法充分利用核电封头中管座分布规律建立管座间位置拓扑数据结构,进一步在匹配视觉检测中的管座位置拓扑关系基础上建立机器人与核电封头间的坐标关系。该方法通过直接目标识别获取在核电封头管座焊接环境中机器人相对于核电封头参考位置,无需附加参考物体,具有较高的实用性。其次本文基于并联构型腿式移动机器人性能空间提出核电封头管座覆盖方法并分析机器人全局移动策略,在此基础上建立机器人自主移动规划并设计具有模块化的机器人实时移动控制模型。该模型将机器人运动进行状态划分,并通过运动指令及安全操作两种方式建立外部系统对模型的实时控制。之后本文在以上控制方法和模型基础上设计并实现移动焊接任务的移动作业机器人实时控制系统。根据移动焊接任务提出机器人对于控制系统需求,建立混合行为控制系统框架及PC多核CPU控制系统平台,并搭建控制系统软硬件。控制系统具有高度实时性以及良好的开放性,通过建立基于状态的顺序控制以及基于安全操作的并发控制混合行为提升了机器人控制安全性及对于外界环境的适应和反应能力。最终本文在实验环境中建立控制系统并对控制方法及控制系统性能进行检验,实验初步验证控制方法以及控制系统具有良好的可靠性与稳定性,具备进一步在实际工程环境中进行移动焊接作业的控制系统条件。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL623;TP242
【部分图文】：

1图 1-1 中国大陆核电厂分布图（截至 2018 年 3 月 9 日）[4]Fig. 1-1 China Nuclear Power Plant distribution map (as of March 9, 2018)

核电封头管座焊接一般采用弧焊焊接方式[14]。典型弧焊接机器人系统如图1-3 所示，整体系统从功能上可以划分成机器人本体、机器人控制系统（控制器）以及焊接系统三大组成部分。图 1-3 典型焊接机器人系统组成Fig. 1-3 The composition of typical welding robot system机器人本体是整体作业的执行机构，也是主要负载的承重机构，决定着焊接作业范围[15]。机器人控制系统主要负责机器人运动控制及与其余系统间的作业协调，包括中央控制器、电机驱动器、电机以及传感器等部分。焊接系统包括焊接电源、焊枪、送丝机、保护气等部分，是焊接过程的主要执行系统，目前焊接电源从简单的提供焊接能力到具备独立通信能力的智能调节参数的数字化方向发展。1.2.2 核电封头管座焊接机器人研究现状国外在核电封头管座焊接相关配套自动化设备方面已经进入实际应用，例如法国 AREVA 公司开发了 J 形坡口焊接无损检测机器人[16]，日本 Toshiba 公司开发的远程 J 型焊缝检测设备[17]以及韩国 DOOSAN 公司开发了修补核电封头管座焊接设备[18]。

1-4 POLYSOUDE 与 IGM 联合研制 J 形坡口焊接机器J shaped groove welding robot created by POLYSOUDRM 管座的自动焊接设备研制仍然处于初步阶的 J 型坡口自动焊接机（图 1-5）填补了国内空
【参考文献】

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本文编号：2888603