研究生开题报告.docx

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研究生开题报告

湘潭大学

硕士研究生学位论文开题报告及工作计划书

论文题目：

电弧传感移动式焊缝跟踪机器人的

精度研究

学号************

研究生姓名张淇淋

所在学院机械工程学院

专业机械电子工程

研究方向焊接机器人及自动化

导师姓名洪波

入学年月2008.9

开题时间2010.9

2010年9月18日填

一、课题的来源及选择本课题的指导思想

近年来，焊接生产在现代工业生产中的重要性越来越高，实现焊接过程的自动化和智能化更是提高生产效率，改善工人生产环境的关键技术，而所需解决的重要问题之一就是焊缝自动跟踪。

目前，焊缝跟踪方法以及实现焊缝跟踪的焊接设备在国内外已有了一定的发展，各种先进焊缝跟踪设备极大的提高了焊接劳动生产效率，为焊接生产的自动化作出了杰出的贡献。

随着焊接生产方法的发展，生产中对焊缝跟踪精度的要求越来越高，如何提高焊缝跟踪精度成为一个越来越受关注的问题。

旋转电弧焊缝跟踪设备近年来在国内外发展迅速，电弧传感器以其实时性好，灵敏度高、动态品质好、抗干扰性强、结构简单且满足焊接工艺性能等特点占据了焊缝跟踪设备中传感器使用的80％，然而研究如何提高电弧传感焊缝跟踪系统的跟踪精度时，提高机器人重复定位精度对焊缝跟踪性能的提高并不明显，因为焊缝跟踪的主要目的在于控制焊枪头移动轨迹跟踪原焊缝轨迹，对某一点的重复定位精度对其焊缝轨迹覆盖率影响不大。

本课题尝试从焊缝跟踪性能的角度提出了一种新的关于焊缝跟踪精度的概念，并以此为基础研究提高焊缝跟踪精度的方法，进一步提高焊缝跟踪设备的性能。

二、前人对本课题研究取得的成果，存在的问题，当前国内外研究动态和自己的见解

近年来，国外关于焊缝跟踪机器人精度方面的研究日益完善。

激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。

其精度方面主要研究方向包括机器人空间位资精度，空间机器人空间位资的座标系标定，以及焊缝空间轨迹的标定精度及其检测精度。

早在1985年，D.ScottAckerson,DanielR.Harry，提出了机器人准确性和重复定位精度经常用来描述机器人的静态定位，但是其之间的界限没有准确的界定。

并用理论与相关实验描述了关于这些问题的界定。

1987年，L.M.Chao,J.C.S.Yang等提出了用激光测距的方式提高定位精度，随着传感器技术，控制设备技术的发展，2010年，奥地利Graz大学，Kopernikusgasse提出在机器人定位精度中使用额外的精细模块，用显微镜对其微定位进行辅助，提高其定位精度。

同时国内许多高校也在进行相关方向的研究，2002年，清华大学机械工程系韩翔宇等采用D-H方法对工业机器人运动轨迹建立连杆坐标系，运用齐次坐标变换矩阵对其精度进行分析。

2009年，上海交通大学陈善本等对焊缝进行三维建模，研究了机器人重复定位精度以及工具中心点坐标定位精度对视觉计算的影响，以提高焊缝跟踪精度。

2009年，南昌大学张华等运用复合FUZZY-PID焊缝跟踪控制算法，提高焊缝实时跟踪性能，对提高焊缝跟踪精度的研究做出了贡献。

然而大部分关于理论精度的研究主要是针对于机器人空间定位以及位置标定方面的研究，实验证明其某一点的定位精度对于整条焊缝的跟踪性能评定的影响并不大，为了便于焊缝跟踪精度的研究，需要提出一个新的更适合于焊缝跟踪的精度概念，并在其基础上对精度的提高方法进行研究。

本人认为其中一个主要研究方向为焊缝跟踪控制方法的研究，对焊缝跟踪运动学过程进行数学建模，理论分析误差来源，并研究合适的机器人控制方法来提高整体焊缝跟踪精度。

三、本课题研究的内容、目的和意义

研究内容：

本课题是以焊缝跟踪系统精度为研究内容，首先提出一种基于焊缝跟踪性能的精度概念，从跟踪系统运动学建模为基础讨论其误差来源，并且对其控制方法进行研究，对不同的控制方法进行电路设计，软件算法实现，软件模拟仿真以及实验验证，寻找焊缝跟踪系统跟踪精度与控制方法之间的关系。

本课题以旋转电弧焊缝跟踪系统为基础，其主要研究内容包括：

（1）提出焊缝跟踪精度概念，对运动学进行理论数学建模，理论分析误差来源，建立精度的数学模型。

（2）对开环控制方法进行研究，从定步长跟踪与变步长跟踪两方面，进行控制算法研究，并对其进行理论仿真以及实验对比。

（3）对焊缝跟踪系统进行传统PID控制方法以及自适应模糊控制研究，对焊缝过程建立相应的控制算法，并进行理论仿真，针对其稳定性和鲁棒性进行验证。

（4）对不同控制方法下焊缝跟踪精度的仿真结果和实验结果进行对比，总结控制方法对焊缝跟踪精度的影响。

目的和意义：

提出一种反映焊缝跟踪性能的精度概念，从影响焊缝跟踪系统精度的因素出发，进行不同控制方法的研究，研究不同控制方法在旋转电弧焊缝跟踪系统中的应用，并从理论仿真和实验两方面验证了控制方法对焊缝跟踪系统的影响。

四、已有实验条件及实验设计方案

实验条件包括：

熔化极气体保护焊的常用设备：

焊枪、送丝机构、焊接电源、控制装置、供气等。

焊接小车一部

十字滑块一组

旋转电弧焊枪传感头一套

在已有的实验设备基础上进行不同控制方法的硬件电路设计，并对控制算法进行编程实现。

实验方案分以下几步：

（1）焊缝跟踪系统平台搭建，包括十字滑块伺服驱动系统电路设计及传感器信号处理设计。

（2）对开环定步长，变步长，传统PID控制等几种控制方法进地相应的电路改进以及软件控制改进。

（3）在不同的控制方法基础下进行焊接实验，调节相应的焊接参数与焊接工艺。

记录实验数据进行实验对比。

五、目前工作进展情况、存在问题及解决的方法和措施

已经完成文献查阅、平台搭建、运动学理论分析，目前正在进行控制电路改进。

针对于不同的控制方法提供相应的控制电路与算法。

在研究过程中主要包括以下问题及解决方案如下：

（1）焊缝跟踪过程为一个运动过程，单独对某些点的位置精度进行判断并不能代表实际焊缝跟踪精度，而对于焊缝实际轨迹与焊缝初始轨迹的偏差，其测量工作比较困难。

对于焊缝跟踪性能的检测，焊缝跟踪过程结束后，对不同段的焊缝进行取样剖面分析，观察其焊缝内部填满情况判断是否偏离焊缝中心。

再通过整体取样的情况来验证焊缝跟踪精度。

（2）焊缝跟踪过程为一高度非线性的过程，其控制方法的鲁棒性与稳定性的解决是一个难题。

采用自适应模糊控制方法对其稳定性和鲁棒性进行一定的补偿，使得其满足焊缝跟踪控制要求。

六、完成论文时间及预期结果

在2010.5前完成论文，提出一种有效反映焊缝跟踪性能的精度概念，并在旋转电弧焊缝跟踪系统中实现不同的控制方法，并在不同的控制方法中比较其精度值，得出控制方法对焊缝跟踪精度的影响规律。

七、论文工作进度安排

工作内容

目的和要求

完成

日期

检查

方式

前期准备

文献检索与理论分析

2010.8

第一阶段

平台搭建

2011.1

第三阶段

控制算法理论分析

2011.2

第三阶段

焊接跟踪实验、确定系统参数

2011.3

第四阶段

总结整理资料，完成论文

2010.4

八、论文工作出差计划

出差地点

任务及要求

起止日期

检查方式

长沙

购买电子元器件

2010.4-

2010．4

成都

全国暑期机器人学校学习

2010.7.23-

2010.8.6

湘潭

加工控制箱

2010.8-

2010.9

九、经费预算

开支项目及名称

金额

备注

测量仪器，虚拟仪器等

0.8万元

包括计算机

PCB板制作

0.25万元

包括电子元器件

机械加工

0.7万元

传感头，控制箱

焊接试板

0.2万元

钢板

出差学习

0.5万元

差旅费

导师审查意见

导师签字：

年月日

学位点审查意见

学位点负责人签字：

年月日

学院审查意见

学院负责人签字：

年月日