摘要
随着焊接自动化技术的飞速发展，以点焊机器人为核心设备的自动生产线已经广泛应用于机械生产的各个领域，日渐增多的自动化设备和生产资料使得工位焊接环境也日益复杂。因此，如何在保证生产效率和焊接质量的前提下，对担任复杂任务的点焊机器人进行路径及轨迹规划成为当前研究的热点。 本文以轿车白车身曲面工件为研究对象，进行机器人避障、避碰和避奇异的焊接路径及轨迹规划方法研究，并对提出的规划方法进行仿真与实例验证。论文主要研究内容包括： （1）以C型焊钳为例，建立焊钳、机器人、工件与焊点的坐标变换矩阵。分析白车身曲面工件焊接运动特点，建立机器人正逆运动学模型，构建无碰焊接的运动约束条件。根据复杂曲面工件的结构特点，在三维栅格空间内进行建模。采用扫掠球体积法（SweptSphereVolume，SSV）对除工件和机器人外的结构化障碍物进行球体包络建模，同时利用胶囊体包络简化点焊机器人模型。上述建模方法有利于提高后续避障及碰撞检测的运算效率。 （2）针对白车身曲面工件的焊接过程，提出一种基于Memetic算法框架的避障路径规划混合优化方法。采用改进的A*算法，获得焊点间平滑无碰最优路径集，并构造以最短路径长度和最高平滑度遍历焊点的目标函数，采用多目标精英模拟退火遗传算法（MultiobjectiveElitistSimulatedAnnealingGeneticAlgorithm，MESAGA）进行焊点的焊接顺序规划，从而得到白车身曲面工件下避障平滑最优焊接路径。 （3）根据工位内障碍物的特点，提出了一种基于改进鲸鱼优化算法（ImprovedWhaleOptimalAlgorithm，IWOA）的时间最优避障轨迹规划方法，并对途经奇异区域的直线轨迹进行奇异规避处理。采用基于斥力场目标偏置和目标偏好扩展策略的改进RRT*算法求得无障碍路径，利用惩罚权值来限制机器人速度、加速度和冲击值（加速度的时间变化率，即加加速度），路径中节点间的时间作为IWOA算法的位置维度信息，从而完成复杂工位环境下的规避障碍物和奇异位形的时间最优轨迹规划。 （4）以白车身曲面结构的轿车侧围内板为研究对象，提出一种考虑焊接质量和焊接变形的双机器人焊接任务分配和焊接顺序规划方法，以及一种基于最优布局的双机器人避碰轨迹规划方法。将所有焊点分为四个焊接优先级，以两条机器人焊接路径的和值最小和差值最小为优化目标，利用非支配排序遗传算法（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithm-II,NSGA-II）获得双机器人焊接顺序的Pareto最优解集。以机器人静态性能指标和运动性能指标构建评价体系，以双机器人的布局位置为优化目标，利用改进的鸡群优化算法（ChickenSwarmOptimization,CSO）求解出最优布局下的双机器人避碰协作轨迹。 （5）将规划好的路径及轨迹导入汽车自动生产线仿真软件ProcessDesigneramp;ProcessSimulate中，验证本文所提的点焊机器人路径及轨迹规划方法的有效性。首先，对轿车后地板工位内焊接路径进行干涉分析，讨论焊点可达性后，形成后排座椅横梁总成工位的平滑避障焊接路径。其次，分析负责轿车侧围内板焊接的双机器人操作时序和布局优化，利用双机器人运动包络体干涉检测，并对机器人运动性能分析，生成完整的基于最优布局下的双机器人避碰焊接轨迹。最后，输出机器人离线控制指令，调试机器人完成焊接工作。验证结果表明，本文所提出的路径及轨迹规划方法可以达到缩短新产品开发周期、降低生产成本的目的，为工艺规划人员提供点焊机器人调试或仿真的思路。
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