球管相贯焊缝机器人焊接与控制基础理论研究

结合核电压力容器焊接结构中的半球与多个圆管相贯焊缝自动焊接问题提炼出球面与圆管相贯焊缝机器人焊接的一般科学问题进行基础理论研究。通过研究，建立通用的球面与圆管相贯焊缝轨迹数学模型；结合球面与圆管相贯焊缝焊接机器人模型，建立球面与圆管相贯焊缝机器人焊接模拟仿真系统；结合典型焊缝焊接的工艺实验研究，提出"马蹄窝"焊缝焊接工艺选择的基本原则；结合焊接工艺参数选择原则，应用机器人逆运动学的研究方法，建立焊接机器人的运动模型，通过逆向运动学的求解，得到球面与圆管相贯焊缝焊接机器人的运动规律，提出球面与圆管相贯焊缝机器人焊接规划的规则并提出专用机器人多轴协同控制策略与规则。

自行研制了我国第一台用于核电装置球管相贯焊缝焊接的机器人；建立了通用的球面与圆管相贯焊缝轨迹数学模型，并根据工程结构实际，提出了在一定条件下，圆管相贯焊缝轨迹可以简化为平面曲线进行机器人焊接轨迹的初步规划；结合专用机器人结构分析，建立了机器人运动分析仿真模型，开展了球面与圆管相贯焊缝焊接机器人运动学、动力学分析，得到了球面与圆管相贯焊缝焊接机器人的运动规律，实现了专用机器人多轴联动控制的逆向求解及协同控制；结合核电装置中典型球管相贯焊缝焊接的工艺实验研究，提出了"马蹄窝"焊缝焊接工艺选择的基本原则；建立了球面与圆管相贯焊缝机器人焊接轨迹模拟仿真系统，可以得出不同球面曲率半径、不同圆管直径、以及不同位置球管相贯机器人焊接轨迹理论初始值，以该初始值为基础，通过在线示教进行轨迹修正，完成球管相贯焊缝机器人焊接轨迹规划；在机器人轨迹在线修正中采用微粒群算法（PSO)，微粒群算法具有收敛快，效率高，易于实现并隐含并行计算等特点，研究表明，该方法可以有效地解决球管相贯线机器人焊接轨迹的在线示教调整。