發(fā)布時間：2017-09-18 03:25

  本文關(guān)鍵詞：薄壁鋁合金導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接偏差主動補(bǔ)償

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【摘要】：導(dǎo)管是航空飛機(jī)上最關(guān)鍵的組成部件之一。目前,國內(nèi)航空飛機(jī)焊接類導(dǎo)管的制造主要采用手工鎢極氬弧焊,焊接工作強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定,無法滿足導(dǎo)管CAD/CAM數(shù)字化制造的需求。針對航空導(dǎo)管制造的落后現(xiàn)狀,本文旨在建立一套導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接試驗系統(tǒng),對系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)如導(dǎo)管與法蘭裝配偏差的補(bǔ)償、導(dǎo)管焊接熱變形偏差的補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容進(jìn)行研究。首先,針對導(dǎo)管形狀復(fù)雜多變、壁厚薄的難點,建立了一套通用的、適應(yīng)導(dǎo)管不同空間走向的柔性數(shù)字化裝配及焊接試驗系統(tǒng)。主要功能包括:a)導(dǎo)管的柔性定位與裝卡;b)導(dǎo)管與法蘭的自動裝配偏差補(bǔ)償;c)導(dǎo)管與法蘭焊接熱變形偏差的實時補(bǔ)償。通過輔助的三坐標(biāo)儀坐標(biāo)系,建立了包括傳感器坐標(biāo)系、三坐標(biāo)儀坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系、機(jī)器人工具坐標(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)閉式鏈,標(biāo)定了機(jī)器人的手眼關(guān)系。采用四點標(biāo)定法標(biāo)定了裝配機(jī)器人與焊接機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的相對位姿關(guān)系,實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。從廣義和狹義兩方面分別對數(shù)字化焊接的定義進(jìn)行了闡述。離線規(guī)劃了裝配機(jī)器人和焊接機(jī)器人的運動路徑,用于系統(tǒng)中裝配以及焊接任務(wù)的初步執(zhí)行。分析了機(jī)器人離線規(guī)劃路徑偏差的產(chǎn)生原因。分析了導(dǎo)管多工序制造過程中,導(dǎo)管尺寸誤差流動的特點及規(guī)律。針對導(dǎo)管多工序制造過程中誤差流動的特殊性,提出了利用導(dǎo)管與法蘭的精確空間位置構(gòu)建導(dǎo)管尺寸偏差的反演模型,通過主動調(diào)整法蘭相對于導(dǎo)管的裝配偏差大小,實現(xiàn)利用一種偏差補(bǔ)償多種偏差的誤差補(bǔ)償思路。提出了通過測量導(dǎo)管與法蘭的相對位置偏差進(jìn)行導(dǎo)管與法蘭裝配偏差補(bǔ)償?shù)牟呗�。法蘭繞自身坐標(biāo)系端面軸旋轉(zhuǎn)時,法蘭軸線與導(dǎo)管軸線之間的夾角先減小后增大。利用旋轉(zhuǎn)過程中夾角變化的對稱性,法蘭經(jīng)過兩次旋轉(zhuǎn),其軸線與導(dǎo)管軸線平行,精度在±0.5°范圍內(nèi)。提出了通過激光條紋與導(dǎo)管相對位姿關(guān)系進(jìn)行裝配偏差補(bǔ)償?shù)牟呗�。結(jié)構(gòu)光條紋與圓柱體相交時,隨著圓柱母線與入射光平面夾角的增大,光平面在圓柱體上的投影逐漸趨近于圓弧。利用這一變化特征,先將光平面調(diào)整到與導(dǎo)管軸線垂直,然后將法蘭調(diào)整到與光平面垂直,完成了導(dǎo)管與法蘭裝配姿態(tài)偏差的調(diào)整,精度在±0.5°~±1.5°范圍內(nèi)。當(dāng)光平面相對于圓柱體平移時,激光傳感器與圓柱體之間的距離先減小后增大,其最小值點恰好對應(yīng)圓柱體的直徑位置,在直徑兩側(cè)呈軸對稱關(guān)系。利用這一對稱性規(guī)律完成了導(dǎo)管與法蘭位置偏差的調(diào)整,精度在±0.20mm范圍內(nèi)。通過系統(tǒng)中機(jī)器人之間的相互位姿關(guān)系,實現(xiàn)了導(dǎo)管數(shù)字化制造過程中模型數(shù)據(jù)的傳遞,減小了后續(xù)焊接機(jī)器人規(guī)劃路徑的偏差。提出了一種新穎的基于視覺的導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差離線自動補(bǔ)償算法。當(dāng)焊槍沿著離線規(guī)劃的橫焊縫路徑運動一周后,利用傳感器采集的焊槍與導(dǎo)管端面焊縫間的橫向及縱向距離,完成了導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差的離線自動補(bǔ)償。補(bǔ)償后,焊槍與焊縫的最大橫向偏差為±0.60mm,最大縱向偏差為±0.64mm。最后,采用Marc數(shù)值模擬軟件模擬了導(dǎo)管焊接熱變形,將熱變形引起的焊接路徑偏差加載到離線規(guī)劃路徑中。在分析結(jié)構(gòu)光前視于焊槍問題的基礎(chǔ)上,將“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人開發(fā)為具備實時跟蹤焊槍位置和姿態(tài)能力的智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)。推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)光傳感器采集的焊槍與焊縫中心線之間的偏差與焊槍調(diào)整量之間的關(guān)系模型;確定了小直徑導(dǎo)管焊接時的傳感器前視時間;借鑒搭接焊縫跟蹤參考點的特征,完成了薄壁導(dǎo)管焊縫橫向特征的識別。跟蹤試驗結(jié)果表明:導(dǎo)管與法蘭焊縫的橫向及高度跟蹤精度為±0.20mm,滿足導(dǎo)管數(shù)字化焊接的要求。
【關(guān)鍵詞】：導(dǎo)管數(shù)字化制造 裝配策略 焊接熱變形 離線編程 偏差補(bǔ)償
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V262.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-33
• 1.1 課題背景及意義15-16
• 1.2 多工序數(shù)字化制造過程中誤差流理論的研究現(xiàn)狀16-20
• 1.2.1 數(shù)字化制造的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.2 多工序制造過程中誤差流理論的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3 機(jī)器人離線編程路徑偏差補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀20-31
• 1.3.1 機(jī)器人自動裝配的研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.2 路徑規(guī)劃補(bǔ)償技術(shù)研究現(xiàn)狀24-28
• 1.3.3 焊縫跟蹤的研究現(xiàn)狀28-31
• 1.4 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及主要研究內(nèi)容31-33
• 第2章 導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接試驗系統(tǒng)33-43
• 2.1 引言33
• 2.2 導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接試驗系統(tǒng)33-36
• 2.3 激光視覺傳感系統(tǒng)36-38
• 2.4 導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接軟件控制系統(tǒng)38-41
• 2.4.1 中央控制單元與焊接機(jī)器人通信38-39
• 2.4.2 中央控制單元與裝配機(jī)器人通信39
• 2.4.3 中央控制單元對系統(tǒng)的統(tǒng)一管理39-41
• 2.5 試驗材料與方法41-42
• 2.6 本章小結(jié)42-43
• 第3章 導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接路徑的離線規(guī)劃43-62
• 3.1 引言43
• 3.2 數(shù)字化焊接的定義43-45
• 3.3 手眼關(guān)系及機(jī)器人之間位姿關(guān)系的標(biāo)定45-51
• 3.3.1 手眼關(guān)系的標(biāo)定46-50
• 3.3.2 機(jī)器人之間位姿關(guān)系的標(biāo)定50-51
• 3.4 導(dǎo)管裝配及焊接路徑的離線規(guī)劃與誤差來源51-56
• 3.4.1 導(dǎo)管裝配及焊接路徑的離線規(guī)劃51-54
• 3.4.2 離線規(guī)劃路徑偏差的來源54-56
• 3.5 導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差56-60
• 3.5.1 導(dǎo)管的空間坐標(biāo)表示56-57
• 3.5.2 導(dǎo)管絕對位置坐標(biāo)向相對位置坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換57-60
• 3.5.3 影響導(dǎo)管彎曲成形尺寸的因素60
• 3.6 本章小結(jié)60-62
• 第4章 視覺輔助導(dǎo)管與法蘭裝配偏差的主動補(bǔ)償62-94
• 4.1 引言62
• 4.2 導(dǎo)管數(shù)字化裝配策略62-69
• 4.2.1 導(dǎo)管多工序制造的尺寸誤差流分析62-68
• 4.2.2 導(dǎo)管數(shù)字化裝配思路68-69
• 4.3 測量導(dǎo)管與法蘭的相對偏差進(jìn)行裝配偏差補(bǔ)償69-80
• 4.3.1 導(dǎo)管與法蘭三維坐標(biāo)的獲取69-70
• 4.3.2 導(dǎo)管與法蘭裝配姿態(tài)偏差調(diào)整策略70-74
• 4.3.3 導(dǎo)管與法蘭裝配位置偏差調(diào)整策略74-76
• 4.3.4 試驗結(jié)果76-80
• 4.4 通過激光條紋與導(dǎo)管相對位姿關(guān)系進(jìn)行裝配偏差補(bǔ)償80-92
• 4.4.1 裝配流程的確定80-83
• 4.4.2 姿態(tài)調(diào)整流程83-86
• 4.4.3 試驗結(jié)果86-92
• 4.5 本章小結(jié)92-94
• 第5章 導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差的離線自動補(bǔ)償94-111
• 5.1 引言94
• 5.2 系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)的傳遞94-99
• 5.2.1 模型數(shù)據(jù)傳遞的分析95-98
• 5.2.2 試驗結(jié)果98-99
• 5.3 導(dǎo)管尺寸偏差的離線自動補(bǔ)償99-109
• 5.3.1 離線自動補(bǔ)償原理100-105
• 5.3.2 試驗結(jié)果105-109
• 5.4 本章小結(jié)109-111
• 第6章 小直徑導(dǎo)管焊接熱變形預(yù)測及在線補(bǔ)償111-126
• 6.1 引言111
• 6.2 熱變形偏差數(shù)據(jù)傳遞111-116
• 6.2.1 導(dǎo)管與法蘭焊接熱變形模擬111-114
• 6.2.2 熱變形偏差數(shù)據(jù)傳遞過程114-116
• 6.3 結(jié)構(gòu)光視覺超前問題分析116-119
• 6.3.1 結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤原理116-118
• 6.3.2 小直徑導(dǎo)管結(jié)構(gòu)光前視時間確定118-119
• 6.4 焊槍位置及姿態(tài)實時修正119-125
• 6.4.1 焊槍姿態(tài)實時修正119-122
• 6.4.2 薄壁導(dǎo)管焊縫橫向特征識別122-123
• 6.4.3 焊縫跟蹤試驗123-125
• 6.5 本章小結(jié)125-126
• 結(jié)論126-128
• 創(chuàng)新點128-129
• 參考文獻(xiàn)129-137
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文137-139
• 致謝139-140
• 個人簡歷140

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本文編號：873117