毕业论文-管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究

管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 2摘 要 简要介绍了焊接机器人技术发展的历程及我国焊接机器人技术研究的现状。论述了焊接机器人技术发展的趋势及研究的热点问题， 即随着智能机器人技术和人工智能理论的进一步发展，多智能体焊接系统、焊接机器人中基于 PC 的控制器和模糊逻辑与神经网络的融合技术将成为研究的热点问题。 重点设计了机器人的横向/高度调节机构，由滚珠丝杠实现 400mm 的横向位移，和 120mm 的高度调整。采用视觉伺服反馈系统，实现机器人在多层多道焊接时的重复自动跟踪以及跟踪机构的控制和焊枪横向调节机构的控制，并使之协调联动，满足焊接过程的要求。此种焊接机器人的主要创新点是，实现了复合管内外环焊缝和纵焊缝的自动焊接。 另外，还利用OpenGL软件就焊接机器人实际的工作过程进行了模拟。 关键词 :焊接机器人，电焊机，视觉系统，焊缝跟踪 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 3ABSTRACT The course of welding robotic technology development and its research present situation are introduced briefly. Then the tendency and the hot aspect of research have been discussed. Along with the further development of intelligent robotic technology and artificial intelligence theory，multivalent welding system/PC controller and composite technique of the syncretism of fuzzy and NN should become the hot aspect of research. The multiple point design the robot horizontal/ high conditioning from roll the horizontal displacement that the bead guide screw carries out the 400 mms, high tune of the sum 120 mms. Theoretical analysis of web tracking system with a leading sensor is stated; the deuce vision feedback system is used and realized the repeated and automatic tracking in multiplayer seam a controlling of system of tracking and system of motion. The main innovate point of the welding robot is that it realizes automatic weld between outer hoop seam and longitudinal seam in the multiunit tube. The OpenGL program has been used to simulate the process of the robot when it is working. KEY WORDS: welding robot, electric welding ，vision system, slot tracking 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 4目 录 第一章 绪论 .6 1.1 焊接机器人技术发展的回顾与展望 .6 1.1.1 国内外工业机器人技术发展的历程 .6 1.1.2 机器人焊接技术研究现状 .6 1.1.3 焊接机器人技术发展展望 .9 1.1.4 焊接机器人在生产中应用的主要经验和问题 .11 1.2 移动式焊接机器人研究现状 .12 1.3 课题的提出及研究内容 .13 1.3.1 课题的提出 .13 1.3.2 基本结构 .14 1.3.3 论文研究内容简介 .14 第二章 结构设计及其控制 .15 2.1结构设计方案 .15 2.2 焊接机器人机构的设计计算 .16 2.2.1 丝杠的选择 .16 2.2.2 其他零件的选择 .25 小 结 .26 第三章 步进电机及其控制技术 .27 3.1 步进电机的特点 .27 3.2 步进电机的工作原理 .28 3.3 步进电机实时驱动方法 .29 小 结 .30 第四章 自动控制系统组成 .31 4.1 控制系统主要电路组成简介 .31 4.2 视觉伺服系统 .32 4.2.1 工作原理 .32 4.2.2 传感器输出信号的计算机处理 .33 4.2.3 存在的问题与解决途径 .33 4.3 焊枪横向调节控制系统 .35 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 54.3.1 控制器工作原理 .35 4.3.2 软件简介 .35 4.3.3 微机协调控制系统 .37 小 结 .38 第五章焊接机器人工作过程的模拟与仿真 .39 5.1 OpenGL模拟软件简介 .39 5.2 焊接机器人工作过程的模拟和仿真 .39 5.2.1 模拟界面的设计 .39 5.2.2 模拟界面的工作方式 .41 5.2.3 部分程序 .41 小 结 .45 第六章 技术经济性分析 .46 6.1 直接经济效益 .46 6.2 本机器人经济效益分析 .46 6.3 社会效益分析 .46 结论与展望 .47 参考文献 .48 致 谢 .50 声 明 .51 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 6第一章 绪论 1.1 焊接机器人技术发展的回顾与展望 1.1.1 国内外工业机器人技术发展的历程 工业机器人技术是当今世界最引人注目的高新产品之一。 许多国家都把发展机器人作为高技术领域的战略目标列入国家发展计划， 但各国的发展模式有所不同。美国是最早出现机器人的国家，1954年美国的G. G戴沃尔发表了“通用重复性机器人”专利论文，第一次提出了“工业机器人”和“示教再现”的概念，1959 年 Unimation 公司推出了第一台工业机器人。 1967 年日本从美国引进Unimate 和 Veisatran 等类型的工业机器人以后，仅用了 10 年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，成为世界上应用和生产机器人最多的国家，其工业机器人的安装数量约占全世界的60%。从世界上工业机器人应用的统计来看，主要应用领域是焊接，尤其是在汽车生产国，焊接机器人已占总数的40%以上2。 我国开发工业机器人晚于美国和日本，但也己有 20 多年的发展历史，并在“七五”期间对工业机器人进行了攻关，由于 部门分割等缘故，所研制的 220台机器人中竟有 80 多个类型，所以工业机器人一直没有形成规模，很多停留在样机水平，距产品还有相当的差距。随着国家经济的发展，对高技术的要求也发生了变化， 我国于1986年将发展机器人列入国家 “863” 高科技计划。 在国家 “863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。以后又列入国家“八五”和“九五”中。在国家的组织和支持下，经过十几年的持续努力， 在机器人的基础技术， 控制技术， 关键元器件等方面取得了重大进展，并形成了适合我国国情的工业机器人应用领域7。 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一。我国在引进国外技术的基础上，在 20 世纪 70 年代开始研究焊接机器人，1985 年哈尔滨工业大学研制成功了我国第一台HY1型焊接机器人。随后，其他的儿个主要科研机构也分别研制成功了相关领域的焊接机器人。例如:北京机 床研究所和华南理工大学联合研制的TJR-G 1型弧焊机器人，广东焊接研究所研制的点焊机器人，首钢和日本安川株式会社推出的焊接机器人，以及 1999 年北京机械工业自动化研究所机器人中心研制的 AW-600 型弧焊机器人工作站等，由此可见，我们国内的焊接机器人已开始走向实用化阶段。 1.1.2 机器人焊接技术研究现状 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 7随着国内外的焊接机器人研究和应用的大力发展， 我国及其制造行业中焊接机器人的数量也急剧增加，形成一股“机器人热” 。这些变化极大的推动了国内外目前对焊接机器人的应用研究。总的看来，主要是以机器人焊接智能化为核心来进行的。 一、焊缝跟踪技术的研究 所谓的焊缝跟踪，即以焊枪为被控对象，电弧(或焊枪)相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，通过机械、电磁、激光、视觉等各种传感测量手段，控制焊枪使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。 实现精确的焊缝跟踪是保证自动焊接跟踪质量的关键。 目前的机器人大多为可编程的示教再现机器人。 这种机器人可以在其工作空间内精确地完成示教的操作。 在弧焊机器人施焊过程中， 如果焊接条件基本稳定，或者弧焊机器人的工作条件比较适宜， 那么机器人一般能够保证焊接质量。 但是，由于焊接环境等各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如，由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等这些焊接中经常出现的情况的影响，往往会使焊枪偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。因此，焊接条件的这种变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。人们为了使得机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置，开始了弧焊机器人焊缝跟踪技术的研究3。 焊接过程的实时焊缝跟踪的研究己经不是新课题了， 发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已经进行了多年的研究和探索，取得了可观的成绩。近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将它应用到焊接这一复杂的不确定性的非线性系统，是焊缝跟踪踏入了一个崭新的时代-一智化能焊缝跟踪时代。 清华大学对弧焊跟踪系统中的传感器和其中的控制系统进行了研究， 详尽论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器， 并提出了一种基于焊缝CCD图像模式特征模式特征的焊缝轨迹识别的新算法4j。天津大学研制了一种非接触超声传感埋弧焊焊缝跟踪系统， 通过计算传感器从发射到接受的声程时间可以得到传感器和焊件之间的垂直距离，从而进行控制。华 北石油管理局利用面阵 CCD 摄像机作为前焊缝检测传感器，STD工控以及作为图像数字处理，识别，确定焊缝位置，并抑制焊头移动机构来实现焊缝在线自动跟踪实时纠偏。 华南理工大学在焊缝跟踪方面主要侧重于应用视觉传感器来检测焊缝，利用视觉传感器所获信息量大，接近人的视觉等突出优点，并将神经网络和模糊控制应用到焊缝跟踪系统中，提出了一种基于自适应共振理论 (Adaptive Resonance Theory)神经网络的焊缝跟管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 8踪算法，即把焊缝横 截面方向上的灰度分布归为若干种空间，并使之记忆在ART神经网络中，在实际焊接中获取的图像空间模式与之进行匹配程度检测， 根据模式分布情况确定焊枪和焊缝中心的偏差，以此偏差为模糊变量设计了自调整PID模糊控制器。 二、焊接机器人与周边焊接设备的柔性化集成 随着机器人控制技术的发展和焊接机器人应用范围的扩大， 尤其为适应现代产品更新换代快和多品种小批量的需要，要求焊接机器人和变位机，弧焊电源等周边设备实现柔性化集成。 这有助于减少辅助时间， 是提高生产效率的关键之一。例如， 在球形或椭圆形工件的径向焊缝或复杂形状工件的周边的卷边接头等状态下焊接时，为了使整条焊缝在焊接时都能使焊池水平或稍微下坡状态，焊接时变位机必须不断地变换工件位置和姿态。即变位机在焊接过程中不是静止不动的，而是要做相应的协调的运动。 弧焊电源和工装夹具等也要在机器人统一控制下作相应的协调运动，才能保证整个系统的高效率，高质量的工作15。 三、智能传感器和机器人多传感器信息融合技术 在整个闭环系统中，传感器起着非常重要的作用，它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度。在焊接过程中，传感器必须精确地检测出焊缝的位置和形状信息，然后传送给控制器进行处理。随着大规模集成电路、半导体技术、光纤及激光等的迅速发展，促进了焊接技术向自动化、智能化方向发展，并出现了多种用于焊缝跟踪的传感器，它们主要是检测电磁、机械等各物理量的传感器。我们知道，在电弧焊接的过程中，存在着强烈的弧光、烟尘、电磁干扰以及高温辐射、烟尘、飞溅等，焊接过程伴随着传热传质和物理化学冶金反应，工件会产生热变形，因此，用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能力。 基本传感器仅是一个信号变换元件，随着智能化技术的出现，也就出现了其内部具有对信号进行某些特定处理的传感器，即智能传感器。传感器智能化的发展得利于电子电路的集成化， 高集成度的处理器件使得传感器能够具备传感系统的部分信息加工能力。在弧焊机器人传感技术的研究中，电弧传感器和光学传感器占有突出地位。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，实时性好，不需要在焊枪上附加任何装置，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程低成本自动化的要求。 在多种光学传感器的研究中尤其以视觉传感器最引人注目，由于视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理最新技术成果，可增强弧焊机器人的外部适应能力。特别是近几年以模糊控制技术和人工神经网络为主的智能控制技术在传感器研究中的应用， 大力推动了传感器智能化的发展。机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多。为有效的利管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 9用这种传感器的信息，需要对不同信息进行综合处理，从多种传感器信息中获取单一传感器不具备的新功能和新特点6。 电子工业、计算机软硬件、网络通讯和图像处理算法等技术的飞速发展，机械控制、电气及材料技术日益更新，新的传感器、控制器、控制软件和机器人等先进系统的不断推出，使得弧焊机器人焊缝跟踪控制技术变得更加先进与复杂。 1.1.3 焊接机器人技术发展展望 一、PC机与焊接机器人的结合应用 近几年，随着微电子技术的大力发展，以 PC 机为代表的计算机软硬件得到了空前的发展，制造业也以建立FMS为目标，向“开放的工厂自动化”方向发展。为顺应这一趋势，焊缝跟踪控制系统中弧悍和器人 r*la 必须由专用的控制器向基于PC机的开放通用型控制器过渡。PC机在焊缝跟踪控制系统中的应用，不但解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题，同时能够将其他领域如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。另外，PC 机具有良好的开放性、安全性和联网性、标准的实时多任务操作系统、标准的总线结构、标准接口等特点，打破了机器人专用控制器结构封闭的局面，开发出结构开放性、功能模块化的标准化弧焊机器人焊缝跟踪控制系统。目前，系统中应用 PC 机的方式一般是在原来的机器人专用控制器中配置与 PC机通讯的总线及接口板，加上相应的通讯软件和开发相应的应用软件及接口板，用户即可在 PC 机上编程读取机器人跟踪焊缝的当前位置，对机器人的运动进行实时控制，从而监控机器人焊缝跟踪系统的工作状态26。 二、焊缝智能跟踪和控制技术的研究 焊接过程的自动化和智能化是未来焊接技术的发展方向， 但焊接过程是一个复杂的过程，焊接电弧是一个多输入多输出、强祸合、非线性时变的受控对象，电源一电弧系统具有时变、非线性及干扰因素多等特点，因而很难建立起精确的数学模型，使用经典控制理论和现代控制理论难以实现自动控制或控制效果不佳，而智能控制作为一种通过定性与定量相结合的综合集成方法，是人工智能和控制系统相结合的产物， 能够针对系统环境和任务的复杂性、 模糊性和不确定性，有效的实现复杂的信息处理功能3。智能控制系统的基本特点就是不完全依赖于受控对象的数学模型，而主要利用人的操作经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息，如控制输出、误差及其延迟等。因此，在不确定性、非线性过程或对像的控制理论中系统辨识的自适应控制具有更好的鲁棒性，所以以模糊控制、神经网络、专家系统为代表的智能控制理论在弧焊过程控制中的应用越来越广管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 10泛。 所谓专家系统是指专门设计的用以模仿某一领域专家的知识和推理方法， 并能使其知识被他人所用的计算机软件系统。该系统一般包括知识系统、开发环境和操作环境。知识系统是指包含所有专家知识，并能灵活应用的系统:开发环境包括开发专家系统所需的必要软件工具;操作环境即是与外部进行交流的软件和硬件。其中知识系统是专家系统的核心所在，它由知识库、推理机和用户界面三个主要部分组成。焊接领域中专家系统的开发最早始于 80 年代中期，英、美、日、德等国先后进行了这方面的研究开发工作。我国从 80 年代末开始焊接专家系统的研制。目前总的看来，焊接专家系统的安放站还不够成熟，大多数专家系统的推理过程简单，多为导果式推理，而很少涉及到归因式推理。所有焊接专家系统仅覆盖人工智能的知识表达和智能推理，而普遍缺乏获得新知识的能力。未来的开发方向是:集成化及网络通讯化将 进一步加强;专家系统的开发工具将不断更新，以Windows为开发平台，结合ANN,OO, FUZZY等人工智能的开发工具将不断涌现并成为主流;趋向于混合化互补性强的系统，自动获取知识的能力也将不断提高;开发具有元知识处理能力的焊 接专家系统;多媒体技术将应用到系统中去28。 近年来，随着模糊控制理论和技术的大力发展，特别是它有着较为完善的数学理论基础，模糊控制在焊缝跟踪中得到了广泛的应用，从而使焊缝跟踪系统的调节速度和跟踪精度得到了很大提高。 日本等国家大量地将模糊控制技术用于焊缝跟踪及焊接动态过程的控制中，并取得了满意的效果。国内清华大学、哈尔滨工业大学、 华南理工大学等单位在弧焊过程的模糊跟踪及控制方面进行了大量的卓有成效的研究工作。 人工神经网络(ANN)是随着神经科学与脑功能研究的发展而开始出现， 并得到迅速发展。与传统的专家系统(ES)相比，人工神经网络具有自学习、自组织、容错与自修复、模式识别与检索等能力特点。人工神经网络的种种特性为研制弧焊智能控制系统，特别是高智能的弧焊机器人的焊缝跟踪提供了一条重要途径，把该技术应用于弧焊机器人的焊缝跟踪系统在国内外己有很多成功的例子。 神经网络的并行处理能力、 自适应能力以及极强的容错性和映射力正是研制具有视觉信息并行处理能力及智能化焊缝跟踪控制系统所需要的特性3。 焊缝的自动跟踪是通过传感器从电弧电流和电压的变化中获取焊枪与焊缝中心的横向与高低偏差信息，对这些信息处理后，采用不同的控制算法得到控制信号，使得焊枪与工件距离变化时，电流相应改变，以保持原有的熔化率，驱动焊枪使其对准焊缝，然而电弧电流与焊枪高度变化量之间是时变非线性的关系，管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 11其精确的数学模型较难建立，自适应和鲁棒性比较差，而模糊控制具有很好的鲁棒性和非线性映射能力，因此，非常适于电弧传感跟踪控制。采用参数自调整、自学习模糊控制器可使焊缝跟踪控制系统具有很好的自适应能力。 三、多智能体焊接机器人系统的研究 目前的工业生产系统向大型，复杂，动态和开放的方向发展，为了解决传统工业系统和多机器人技术在许多关键问题上遇到的严重挑战， 将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用到工业生产系统和多机器人系统， 便产生了一门新兴的机器人技术领域一多智能体机器人系统。焊接是工业生产的一大领域，焊接机器人的发展基本上同步与整个机器人行业的发展。所以，多智能体机器人的发展和研究将要很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型，复杂，动态和开放的方向发展以及焊接过程向高自动化完全智能化的方向发展， 多智能化焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。 工业机器人技术的研究，发展和应用，有力的推动了世界工业技术的进步。特别是焊接机器人在高质高效焊接生产中，发挥了极其重要的作用。我国焊接机器人技术的研究应用虽然较晚，但鉴于国外的成熟技术，得到了迅速的发展。近年来，我国在焊缝跟踪，智能控制，信息传感。周边设备及机器人专用电源等方面进行了大量的研究和应用，取得了许多优秀的成果。随着智能机器人技术和人工智能理论的进一步发展，焊接机器人系统还有许多值得我们认真研究的问题，特别时多智能体系统、基于 PC 的控制器和模糊神经网络等方面将是研究的热点问题。 1.1.4 焊接机器人在生产中应用的主要经验和问题 弧焊机器人在实际生产中的应用及产业化仍有如下的关键问题鱼待进一步研究解决: (1)弧焊机器人系统的柔性化集成及优化，减少辅助时间，提高生产效率; (2)新型机器人用弧焊逆变电源结构和性能的优化及电流波形控制，使熔滴实现最佳过渡，减少飞溅; (3)弧焊过程实用传感技术，快速准确地提取弧焊过程的特征信息，实现焊缝自动跟踪; (4)实用化的弧焊动态过程和焊接质量的实时智能控制技术; (5)弧焊机器人工程应用和产业化中的技术成果转化。 我国机械工业己经步入应用焊接机器人的时代， 目前大约有70家工厂近500台焊接机器人在生产中使用，对推动我国焊接自动化起着带头示范作用。为了加管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 12快我国焊接机器人的应用，一方面需重视普及机器人的知识，提高对焊接自动化过程和发展趋势的认识， 经常组织交流使用机器人的经验和分批对工程技术人员进行深层次的技术培训;另一方面需加快建立我国自己的机器人产业，立足国内的技术力量，建立一支强有力的配套研制与开发队伍。创造条件，争取我国焊接机器人的快速发展和在更加广泛的领域里的应用。 1.2 移动式焊接机器人研究现状 近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展、像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。水下机器人、空间机器人、核工业用机器人、地下机器人、医用机器人、建筑机器人、军用机器人等各种用途，各种领域的移动式机器人都己经得到了进一步的研究开发甚至应用。 传统的固定式机器人，其工作空间范围受到很大限制，这在一定程度上降低了机器人的利用率，随着机器人技术的不断发展，机器人在社会服务、野外作业以及在有害、危险环境作业中的应用已受到世界各发达国家的高度重视。因此研究能够在复杂环境中自主运动和自动作业的智能自主移动机器人势在必行。 移动式机器人采用自主导向技术，可以在较大的空间范围内自主运动，一台机器人可以对在空间上相距较远的不同对象进行服务，即可以省去一些中间输送设备，也扩展了其应用范围。 移动式机器人自主导向技术的关键是对机器人进行定位， 只有确定了某一时刻机器人的位置和姿态，才能根据一定的动作要求对其下一步运动进行控制，目前移动式机器人实现自主定位的方法有多种，比如使用测程仪或惯性导航系统(INS)推测机器人的运行轨迹、使用超声 测距或红外测角装置确定机器人的绝对位置，还有使用摄像机摄入机器人周围场景，通过对图像特征的匹配来确定机器人的位置等等。 移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行， 必须具备自动导向和避障功能。导向和避障的方法有很多，如基于地图导航、基于航标导航、基于视觉导航、基于传感器导航等。无论采用哪种导航方法，自主移动机器人都应具有路径规划与避障、探测与定位等功能。 浙江大学提出了一种用于自主式移动机器人的障碍物类型识别的数据融合管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 13新方法， 他们根据两种不同的神经网络小脑模型联接控制器(CMAC)和多层前向网分别对来自 CCD 摄像机的二维图像和来自超声测距系统的距离信息进行数据融合，而这两种神经网络事先都用围绕障碍物采集的数据集进行过离线训练。山东矿业学院机器人研究中心采用多超声波传感器来获取移动机器人的环境信息，并利用人工神经网络对获取的信息进行分析和融合， 从而达到对被测物体影像比较准确的识别和定位，具有很好的使用价值。上海交通大学则主要针对移动式机器人超声波信标导航系统的定位误差进行了分析， 为进一步提高移动式机器人工作过程中的定位精度提供了理论依据18。 多传感器移动机器人导航技术、机械工业、计算机技术、网络通讯以及电子技术的日新月异，新的传感器、控制器、科学理论等先进系统的不断出现，使得移动式焊接机器人技术得到了长足的发展和完善。可以预见，在 21 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域， 成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 1.3 课题的提出及研究内容 1.3.1 课题的提出 随着我国现代化经济建设的迅猛发展，石油化工产品逐年增多，尤其是自国家实施“西气东输”计划以来，石油管道的体积容量以及数量急剧增加，迫切需要改善石油管道的施焊条件，提高管道焊接的自动化程度，以降低成本、提高效率与焊缝质量。随着中国海洋石油工业高速高效的发展,新开发的海上油气田逐年增多,海洋石油总公司铺设的海地管道总长度目前已超过 2000,而渤海海域最早铺设的埕北油田海底管道已运行近20年。 进入20世纪90年代后,海底管道损坏事故逐年增多,仅2002年海洋石油总公司就发生了4起海底管道损坏事故,不但影响了海上油气产量,而且修复费用高达几千万元1。海底油气管道工程是一项巨大的工程，它对海上油气田的开发与生产起着至关重要的作用，被喻为油气田的生命线。但是海洋管道运输工程风险性较大，一次性投资较多;且管道通常处于海底，所以检查维护，日常管理不便，一旦出了事故，修复极为困难。鉴于此，在海底管线设计和安装运行期间，为保证海底管线免遭损伤，应预先考虑到可能出现的每一种情况，并尽量避免之，但是由于许多不确定性因素以及海洋环境的复杂性，海底管道的损伤又是不可避免的。一旦发现损伤或缺陷，就要根据诸多因素选择合理有效的修理方法，使得管线得到及时可靠的修复。保证海上油气田的安全生产1。 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 14罐道焊接机器人是我院承担的国家 863nxTorch= -0) GetRobotView()-InvalidateRect(NULL,FALSE); else if(pView-nxTorchnxTorch=pView-nxTorch+0.01; m xtorch=m xtorch+0.01; pView-nxNum=pView-nxTorch; 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 43UpdateData(FALSE); GetRobotView()InvalidateRect（NULL,FALSE); else/为正 p View-nxTorch=p View-nxTorch-0.01; m_xtorch=m_xtorch-0.01; pView-nxNum=pView-nxTorch; UpdateData(FALSE); GetRobotViewQ-InvalidateRect(NULL,FALSE); /高度调节 if(pView-nPositionnPosition0.99&pView-nyTorchnyTorch=p View-nyTorch+0.02; m-ytorch=m xtorch+0.02; UpdateData(FALSE); GetRobotView()-InvalidateRect(NULL,FALSE); if(pView-nPositionnPosition_1.01 &pView-nyTorchnyTorch=p View-nyTorch+0.02; mtorch=m xtorch+0.02 UpdateData(FALSE); GetRobotView()-InvalidateRect(NULL,FALSE); i f(pView-nyTorch0.16&pView-nyTorchnyTorch=0.0; KilITimer(1); UpdateData(FALSE); GetRobotView()一InvalidateRect(NULL,FALSE); 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 44/焊车z位置以及转动 If(justl=FALSE) p View-nPos ition=pView-nPosition+0.01; pView-round=pView-round+l .8; pView-nPoss=pView-nPosition; if(p 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起海底管道损坏事故,不但影响了海上油气产量,而且修复费用高达几千万元。海底油气管道工程是一项巨大的工程，它对海上油气田的开发与生产起着至关重要的作用，被喻为油气田的生命线。但是海洋管道运输工程风险性较大，一次性投资较多;且管道通常处于海底，所以检查维护，日常管理不便，一旦出了事故，修复极为困难。对焊接施工自动化的要求已经非常迫切2。 自动焊接在焊接工艺等情况的影响下，可采取最快的焊接速度，使焊接成本降低、接口缩短，焊接质量提高，减少了返修率。这些都能产生巨大的经济效益，可以降低焊接成本。 6.2 本机器人经济效益分析 我国海域已铺设的海底管道达到2 000 km,“十五”期间至少会有约1 700 km新的海底管道投入运营。其中大多数管道，比如渤海海域管道都已经达到或者接近设计寿命，管道维护的潜在需求量很大。 目前国内管道维修多引进国外机器人进行作业，每次维修花费约上千万元，这个数目是巨大的。如果自主研发出适合国内海底管道维修的水下焊接机器人，将为国家节约大量资金。为管道运输行业的发展提供强有力的支持。 6.3 社会效益分析 目前焊接行业中，海底管道焊接时，施工环境恶劣，致使劳动强度大，技术难度高，所以造成管道焊工人才培养困难，流失严重。 而管道焊接机器人具有操作简便易学的特点，同时也解决了上述难题，增强了同类企业中的竞争能力和企业生产能力，可以为社会作出巨大的经济贡献。 管道焊接机器人移动机构设计及其控制系统研究 47结论与展望 本论文简要介绍了焊接机器人技术发展 的历程及我国焊接机器人技术研究的现状。论述了焊接机器人技术发展的趋势及研究的热点问题，即随着智能机器人技术和人工智能理论的进一步发展，多智能体焊接系统、焊接机器人中基于PC 的控制器和模糊逻辑与神经网络的融合技术将成为研究的热点问题。并基于计算机视觉的焊缝跟踪控制系统， 提出了一种在机器人电弧焊接过程中进行轨迹跟踪的实时图像处理方法。 提出了一种实现机器人头部焊枪大的横向位移和高度调节的机构设计方案，并提出了对机构进行自动控制的方法。 此种焊接机器人的主要创新点是，体积小，质量轻，便于安装和搬运。并使以往多为固定的焊接机器人可以移动，可以应用于恶劣的下作环境，完成许多焊工所不能完成的工作，扩大了焊接机器人的应用范围，提高了焊接质量，减轻人的劳动强度，提高工作效率，降低成本。 另外还利用 OpenGL 软件，对此系统中的移动式焊接机器人的焊接工作过程进行了模拟仿真。主要包括两个视图窗口，一个用于实现控制作用，另一个用于机器人工作过程的动作演示。 使得观察者更直观明了的了解焊接机器人的工作过程。 工业机器人技术的研究、发展和应用，有力的推动了世界工业技术的进