摘要
相贯线型焊接结构在海洋平台导管架、石油和化工管道等领域有着广泛的应用。由于管管相贯曲线的复杂性导致相贯线焊接的自动化程度较低，大量的焊接作业由手工焊接完成。随着国内的制造行业将朝着新型工业化、信息化发展，相贯曲线自动化焊接将成为该领域的重点发展方向。激光焊接拥有热输入量小、热变形小和焊接效率高等一系列优点，在焊接领域有着重要的应用。 机器人运动和焊接轨迹是自动化焊接的前提，焊接参数是激光焊接技术应用的基础，三者在相贯曲线焊接领域中紧密相关。本文对复杂空间相贯曲线焊接作业时机器人逆运动学最优解的选取、焊接轨迹规划和激光焊接工艺参数展开研究。 首先，分析机器人运动状态。基于标准D-H参数法建立连杆坐标系对机器人正、逆运动学求解。分析机器人运动时的约束条件并结合“加权最短行程”法选择最优逆解。使用5阶S型速度算法控制焊接机器人末端工具，采用蒙特卡洛法分析机器人有效工作空间，联立焊接系统中各个坐标系间的变换矩阵，求解机器人末端相对基座的变换矩阵。 其次，以管管相贯曲线为研究对象，对焊接轨迹进行规划。建立斜交偏置的相贯线数学模型，得到曲线参数方程和主管、支管坐标系之间的变换矩阵。对比等参数法、等弦长法和等弓高误差变步长法的离散效果，发现等弓高误差变步长法离散产生的弓高误差均在许用弓高误差附近波动，满足许用弓高误差的要求并且分段数量最少。在此基础上，建立焊缝坐标系和焊枪坐标系并对焊接轨迹曲线进行验证。 随后，搭建焊接实验平台，以2mm厚304不锈钢板为前期实验对象，研究激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响。建立面体组合热源，在仿真中通过单因素变量法研究激光功率和焊接速度对焊缝熔池的影响。在实验中以焊透钢板为实验指标，研究发现激光功率450W，焊接速度1.5mm/s的焊接参数组合满足实验要求。 最后，基于不锈钢板的实验结果，以相同厚度管道为实验对象。采用优化后的离散方法、关节轨迹和焊接参数进行实验，表明焊接机器人能实现目标轨迹焊接，焊缝完整，符合预期焊接要求，为实现管管相贯曲线自动焊接奠定基础。
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