科创中国

在海洋平台的组装工程中存在大量的导管架连接件，K/Y型管道接头经常出现在导管架建造中，长期以来我国乃至世界对于此类接头的组装均采用手工焊接，焊接效率低、工人劳动强度大、严重影响着工程进展和企业的生产效率。同时K/Y型管接头存在空间狭小，焊接位置困难、且此类管接头为空间焊缝，焊缝曲线形式复杂，使得焊接难度增大、焊接质量难以保证。开展针对K/Y型管接头专用机器人系统及关键技术的研究对于此类接头高效自动化焊接提供可靠的技术支撑和设备保证具有重要意义。　　天津七所高科技有限公司与天津工业大学联合开发K/Y型导管架焊接机器人，课题来源于天津市科学技术委员会2014年智能制造专项项目，项目于2016年9月完成，2017年4月通过验收。项目取得如下创新：　　1、针对海洋平台导管架接头加工连接时存在复杂空间相贯线，人工施焊环境恶劣、效率低、质量不稳定等问题，建立了K/Y型管接头空间相贯线焊缝的数学模型和焊枪姿态模型，采用圆柱坐标型操作机构和二自由度差速手腕相结合的机器人结构方案，设计开发了一种5自由度的焊接机器人系统。　　2、根据机器人学理论，通过建立焊接机器人运动学、动力学模型，根据其数学模型推导了其运动方程，采用匀速焊接策略，完成了机器人关节空间的轨迹规划。　　3、在厚壁接头的多层多道焊路径规划中，通过建立坡口坐标系进行各焊道分道策略进行位姿建模，对坡口角、坡口尺寸进行多层多道焊路径规划，完成K/Y型厚壁管道接头的多层多道焊路径规划。　　4、针对K/Y型管接头加工避障，提出了两自由度差动结构，大幅减小了手腕结构的体积：结合空间三维物体的数学建模和基于数学方法的三维物体方程交集判定，获得了K/Y型机器人的碰撞检测和避障策略，并综合路径规划结果调整机器人位姿，完成无碰撞路径规划。　　5、完成机器人的控制系统设计开发，控制系统采用先进的工控机和DMC-2183运动控制卡，实现了机器人各轴的数字化控制。在MicrosoftVisualC++***环境下开发了控制软件，完成了K/Y导管架焊接机器人的任务要求。　　主要技术指标：结合焊接工艺进行K/Y型管接头的离线编程路径规划研究，通过实验验证可以达到示教标定精度***。机器人系统可以达到***的重复定位精度，开发了K/Y型管接头焊接机器人专用激光焊缝跟踪系统，焊接实验显示焊缝跟踪精度可以达到***。根据机器人的模块化设计，通过更换配件可实现管径600～1000mm壁厚小于40mm的K/Y型管接头焊接工件的自动焊接。　　开发的5自由度K/Y型导管架机器人满足海洋平台焊接工艺要求，机器人在结构强度、刚度和平稳性满足使用要求，模块化设计，结构轻巧简便，运动空间范围和运动精度满足设计要求。　　项目的完成，为海洋平台导管架K/Y型管接头自动焊接提供了一种新的解决方案，可大幅提高自动化焊接效率，降低工人劳动强度，保证焊接质量，降低企业生产成本，提升施工企业的市场竞争力。