核电封头与管座复杂空间型面焊接机器人设计方法研究

The welding robot for nuclear power pressure vessel head with complex spatial surfaces is applied for automatic argon arc welding operation for AP1000 and CAP1400 nuclear power head and the control rod drive mechanism that performs saddle shaped intersecting curve welding and automatic measuring and cleaning. China is currently lack of basic research related to nuclear power pressure vessel's welding and mainly depends on the manual operation with low welding quality and efficiency. This project will investigate the design principle of robot automatic welding of nuclear power head, including feature analysis of welding groove, welding wire movement adaptability and type synthesis of automatic welding robot, argon arc welding torch system integration, dimensional synthesis of welding robot system, modeling of welding socket and special-shaped groove welding fluid, collision avoidance of weld bead shape socket and trajectory planning, as well as prototype and experiment, that provides theoretical support for the China's independent innovation, design and development of welding robot for nuclear power head socket welding.

核电封头与管座复杂空间型面焊接机器人用于AP1000和CAP1400核电封头与控制棒驱动机构管座高精度自动钨极氩弧焊接作业，对马鞍形空间相贯曲线焊接坡口进行多层多道焊接，并实现焊道自动测量和清理。我国目前缺乏相关基础研究，核电焊接主要依赖人工作业，焊接质量和效率低。本项目研究核电封头管座自动焊接机器人的设计原理，包括核电站CRDM管座的焊接坡口特征分析、焊丝运动适应性与自动焊接机器人构型、氩弧焊焊枪系统集成、焊接机器人机构尺度综合、管座焊接坡口建模与异形坡口焊液流动性分析、管座焊道形态自动测量与建模、焊接避碰与作业规划、实验样机与自动焊接作业实验等，为建立我国核电封头管座自动焊接机器人的自主创新、设计和开发能力提供理论支持，为我国核电装备制造打下坚实基础，使我国核电封头管座自动焊接机器人设计理论与应用技术研究水平进入国际先进行列。

核电封头与管座复杂空间型面焊接机器人用于AP1000和CAP1400核电封头与控制棒驱动机构管座高精度自动钨极氩弧焊接作业，我国缺乏相关基础研究，核电焊接主要依赖人工作业，焊接质量和效率低。通过四年项目研究，本项目建立了适合核电封头管座自动焊接的机器人设计方法，创新性提出基于腿式移动焊接机器人的核电封头管座焊接解决方案。项目提取了核电封头CRDM管座几何分布和焊接坡口特征，确定出核电封头焊接机器人作业功能与性能需求；提出机器人输入输出关联关系解耦特性与末端运动特征，求解出焊接机器人构型；在封头管座几何分布形态和参数分析基础上，结合自动氩弧焊接机器人系统组成原理，完成焊枪系统集成设计；建立了工作空间和干涉约束与管座焊接机器人尺度关系、承载、速度与管座焊接机器人尺度关系，分析了焊接机器人作业各向同性性能；提出核电封头CRDM管座激光测量方法，结合点云处理算法，将坡口数学模型和测量点云匹配完成测量点云与焊道配准，实现焊道形态自动测量；提出焊接作业避碰准则和运动几何条件，建立了机器人焊接作业避碰算法；提出自动焊接作业路径规划算法，使得焊接机器能适应轨迹参数变化。在理论研究基础上，开发出核电封头管座自动焊接机器人实验样机1台，完成配套轨迹规划与控制软件开发，开展了相关自动焊接作业实验研究，实现了输入输出关联关系解耦、机器对中过程与焊接过程解耦、微调运动与焊接运动解耦三重特性，项目建立的核电封头管座自动焊接机器人轨迹规划、焊接作业参数、焊缝测量关系模型为核电封头管座自动焊接机器人自动焊接提供了核心算法，项目研究成果有助于推动我国该类机器人装备的实用化进程。