摘 要

大型工程装备在港口装卸、铁路桥梁施工、石油采矿等作业领域应用广泛，其机身和基座一般由型钢、钢板等通过铆接、焊接或螺栓连接而成，由于室外作业环境以及使用过程中载荷变化和振动冲击，往往会发生弯曲、凹陷、塑性变形最终产生断裂、裂纹等现象，需要现场对其进行校正修复和焊接维修。本文针对大型工程装备现场焊接维修的需要，以设计开发基于机器视觉的焊接维修机器人为研究目标，通过研究焊道规划和焊机轨迹的控制算法，具体分析并进行设计、仿真和实验，为有效完成对缺陷部位的焊接维修奠定基础。本文主要的研究内容如下:

（1）设计基于机器视觉的焊接维修的总体方案。在分析大型装备机身和基座裂纹缺陷堆焊维修方法的基础上，设计基于机器视觉的焊接维修流程，进行待维修部位的检测和重构，并针对待修复部位的形状特点，依据焊接工艺要求提出多层多道焊的路径规划。

（2）建立焊接维修机器人的运动学模型。采用D-H法定义连杆坐标系，并在此基础上建立了焊接维修机器人的正运动学和逆运动学模型；运用MATLAB进行焊接维修机器人运动学建模，并通过MATLAB实现了轨迹运动的仿真，验证了D-H参数运动学模型的正确性。

（3）设计焊接维修机器人的控制方案。在计算焊枪末端在待修复部位中的空间位置的基础上，设计了焊接维修机器人的控制流程，开发了控制机器人运动的软件程序，通过RobotStudio软件对机器人进行控制仿真，并搭建小关节机器人实验系统通过实验验证控制程序的正确性。

（4）搭建基于Galil运动控制器的机器人轨迹控制实验平台，阐述控制模块、检测模块等组成及实验流程，通过本文开发的程序对需要维修部位的焊接模型的进行了模拟焊接实验，并对实验结果进行了分析。

关键词：大型工程装备；机器视觉；焊接维修；焊道规划；机器人

Abstract

Large-scale engineering equipment is widely used in port loading and unloading, railway bridge construction, oil mining and other fields of operation, its fuselage and base is generally composed of steel, steel plate and so on through riveting, welding or bolt connection, due to outdoor operating environment and the use of load changes and vibration impact, often will occur bending, sag, The plastic deformation eventually produces fracture or cracks and other phenomena, which need to be corrected and repaired and welded in the field. Aiming at the requirement of field welding maintenance of large engineering equipment, this paper takes the design and development of welding maintenance robot based on machine vision as the research object, studies the welding path planning and the control algorithm of welding machine trajectory, carries out specific analysis, design, simulation and experiment, which lays a foundation for effectively completing welding maintenance of defective parts. The main contents of this paper are as follows:

(1) The overall scheme of welding maintenance based on machine vision is designed. Based on the analysis of surfacing repair methods for crack defects of fuselage and base of large equipment, the welding repair process based on machine vision is designed to detect and reconstruct the parts to be repaired. According to the shape characteristics of the parts to be repaired, the path planning of multi-layer and multi-pass welding is proposed according to the requirements of welding technology.

(2) Establishing Kinematics Model of Welding Maintenance Robot. The D-H method is used to define the linkage coordinate system, and on this basis, the forward and inverse kinematics models of the welding maintenance robot are established. The kinematics model of the welding maintenance robot is established by using MATLAB, and the trajectory motion simulation is realized by using MATLAB, which verifies the correctness of the D-H parameter kinematics model.

(3) The control scheme of welding maintenance robot is designed. On the basis of calculating the space position of the end of the welding torch in the part to be repaired, the control flow of the welding maintenance robot is designed, and the software program for controlling the motion of the robot is developed. Robot Studio software is used to simulate the control of the robot, and the experimental system of the small joint robot is built to verify the correctness of the control program through experiments.

(4) The experimental platform of robot trajectory control based on Galil motion controller is built. The composition and experimental process of control module and detection module are described. The simulation welding experiment of welding model for repairing parts is carried out through the program developed in this paper, and the experimental results are analyzed.

Key words: large-scale engineering equipment; machine vision; welding maintenance; weld path planning; robot

目 录

摘 要 1

Abstract 2

目 录 4

第1章 绪论 6

1.1目的和意义 6

1.1.1 目的和意义 6

1.1.2 课题来源 7

1.2国内外研究现状 7

1.2.1 焊接维修国内外研究现状 7

1.2.2 焊接维修机器人国内外研究现状 8

1.3研究目标与内容 9

1.3.1 研究目标 9

1.3.2 研究内容 10

1.4 本章小结 11

第2章 基于机器视觉的焊接维修总体方案设计 12

2.1 概述 12

2.2 总体方案设计 13

2.2.1 焊接维修基本要求 13

2.2.2 基于机器视觉的焊接维修方案 14

2.2.3 基于机器视觉的焊接维修系统组成 15

2.3 基于机器视觉的焊道规划 16

2.3.1 焊道检测 16

2.3.2 多层多道焊规划 18

2.4 本章小结 22

第3章 焊接维修机器人运动学建模与分析 23

3.1 运动学基本理论 23

3.2 运动学建模与分析 24

3.2.1 焊接维修机器人要求 24

3.2.2 模型简化 24

3.2.3 运动学建模 25

3.3 运动学分析与仿真 26

3.3.1 运动学分析 26

3.3.2 运动学仿真 31

3.4 运动轨迹仿真 33

3.5 本章小结 34

第4章 焊接维修机器人控制算法与仿真实验 35

4.1 焊接维修机器人控制方案 35

4.1.1 焊接维修机器人控制系统组成 35

4.1.2 控制系统各部分组成 36

4.2 焊接维修机器人控制算法 38

4.2.1 焊枪末端位姿计算 38

4.2.2 控制程序介绍 42

4.2.3 程序验证实验 44

4.3 焊接轨迹仿真 48

4.3.1 仿真软件 48

4.3.2 焊接轨迹仿真结果 48

4.4 本章小结 51

第5章 焊接维修机器人轨迹控制实验 52

5.1 焊接维修机器人轨迹控制实验平台搭建 52

5.1.1 焊接维修机器人实验平台硬件组成 52

5.1.2 焊接维修机器人实验平台软件组成 55

5.2 焊接维修机器人轨迹控制实验 57

5.2.1 焊接维修机器人轨迹控制实验方案 57

5.2.2 焊接维修轨迹控制实验结果 58

5.3 焊接维修实验分析 60

5.4本章小结 64

第6章 总结与展望 65

6.1 总结 65

6.2 展望 65

参考文献 67

致 谢 69

毕业设计期间取得成果 70

第1章 绪论

1.1目的和意义

1.1.1 目的和意义

随着人民生活水平日益增长，经济飞速发展，科技水平不断的提高，利用大型工程装备协助工作正在不断的普及，在港口装卸、铁路桥梁施工、石油采矿等作业领域，大型工程装备的应用越来越广泛。如图1.1所示为铁路桥梁的施工过程中使用的大型架桥机，属于大型工程装备，其机身和基座由型钢、钢板等通过铆接、焊接或螺栓连接而成，由于处于室外工作且在使用的过程中载荷不断变化以及受到振动冲击，其机身和基座往往会发生弯曲、凹陷、塑性变形最终产生裂纹。 图1.1 架桥机

架桥机在其使用的过程中，会产生如图1.2所示的裂纹，针对架桥机产生裂纹的部位，通常采用堆焊的方式进行维修。焊接是工业制造中一种经常使用的加工手段，焊接结构具有水密性和气密性良好、连接性能好、生产工艺简单且对于连接的厚度几乎没有限制等优点，对于架桥机机身和基座产生裂纹的部位而言，采用焊接方式可有效的对于裂纹部位进行维修。虽然运用焊接维修可以有效的修复装备，但焊接工作本身是一项对操作人员熟练程度要求高、工作强度大、对操作人员会产生潜在危害且工作环境一般较为恶劣的工作，进入21世纪20年代，伴随国家经济的发展，人民生活水平不断提升，同时我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人数量呈现减少趋势^[1]。由于桥架机工作环境的原因且具有较大的体积和质量，对焊接工人现场对其进行焊接维修造成较大难度，焊接维修机器人的出现有效解决了这种矛盾，通过工人与维修机器人的配合，可有效对桥架机设备的机身、基座等产生缺陷的部位进行修复。