复杂空间曲线路径机器人运动轨迹与工艺协同规划

作     者：李赛松 

作者单位：北华航天工业学院 

学位级别：硕士

导师姓名：孙艳荣;黄宁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：空间曲线 机器人 离线编程 轨迹规划 协同 

摘      要：随着国家载人航天技术的蓬勃发展,载人航天器舱体结构和种类逐渐多样化,载人航天器密封舱的舱体结构作为主要承力部件,承载着航天员的生命安全,意义重大。复杂空间曲线焊缝广泛存在于载人航天器各舱体中,焊缝的质量是保证航天器结构质量性能的关键。由于传统的手工焊接工艺得到的焊缝质量一致性差,且存在补焊、漏焊、错焊等情况,变位姿、变曲率形式的复杂空间曲线焊缝对手工焊接技术的要求越来越高。而焊接机器人的应用改善了工人的工作环境,提高了劳动生产率,而且具有良好的焊缝质量稳定性。本课题围绕国家载人航天器研制重大需求,依托北京卫星制造厂有限公司,开展复杂空间曲线路径机器人运动轨迹与工艺协同规划课题研究,主要研究内容如下:首先通过应用标准D-H参数法建立工业机器人连杆坐标系,求得工业机器人正逆运动学解,运用MATLAB平台的Robotics Toolbox对工业机器人正逆运动学模型进行仿真验证,对工业机器人进行运动学分析是后续实现机器人离线编程与轨迹规划的前提和关键。然后通过构建十一轴联动复杂空间曲线工业机器人自动氩弧焊试验平台和复杂曲面壁板搅拌摩擦焊接试验平台,为后续课题开展试验研究提供硬件工作环境。其次通过我国首款工业机器人离线编程仿真软件PQArt,针对不同的工艺需求分别构建对应的三维虚拟工作场景,通过场景搭建、轨迹设计、轨迹仿真、代码后置等步骤,生成机器人程序。再次基于不同的工艺要求进行工艺规划,基于工业机器人离线编程仿真软件进行轨迹规划,进而实现轨迹与工艺的协同规划。最后针对三种不同类型的典型空间曲线焊缝,采用不同的焊接工艺方式进行具体试验验证,对获得的典型验证样件空间曲线焊缝进行X射线、超声相控阵、真空氦质谱质量检测。本文以载人航天器中广泛存在的复杂空间曲线焊缝作为研究对象,利用自动氩弧焊与搅拌摩擦焊试验平台,借助PQArt离线编程软件进行轨迹规划,针对生产实际中存在的弧焊工艺与搅拌摩擦焊工艺分别进行工艺规划,试验结果表明本文针对复杂空间曲线焊缝的工业机器人轨迹与工艺协同规划方法可行,所获得的焊缝内部质量、气密性满足航天行业标准I级焊缝要求。