摘 要

对于工字钢以及箱型钢此类典型钢件，由于其规格参差且焊缝多样的原因，人工焊接在质量及效率上都差强人意。因此，为提高焊接效果，本课题设计了一种基于C#上位机的焊接机器人自动化焊接系统，可以利用机械臂带动焊枪实现运动，完成工字钢以及箱型钢的焊接轨迹规划以及自动焊接，同时具备急停，复位等功能。

本文介绍了焊接控制系统设计的总体方案、硬件组成以及上位机的软件设计。根据焊接机器人机器臂的结构与尺寸，利用D-H参数法，实现了焊接机器人运动学逆解的算法求解，并进行算法优化，从而减少了计算量，提高工作效率。

结合工艺设计，查表得到不同尺寸的工字钢以及箱型钢的焊接参数，并利用关节空间轨迹法，设计并实现了对这两种钢材坡口不同时的焊缝排道以及轨迹规划控制，并利用Matlab的robotic tool工具，实现焊接轨迹的运动仿真，并对L型焊缝以及直线焊缝的运动过程进行了分析。确保了运动过程的连续性和平稳性。

通过对基于C#的上位机软件的调试与仿真，建立上下位机通讯，进行上位机与下位机数据传输，对整个软件系统验证其可行性，并对数据进行分析，探讨可能存在的优化方案。

通过此课题的研究，证明了焊接机器人控制系统的设计的合理性，能够较好的实现焊机机器人的功能，验证了利用焊接机器人对工字钢以及箱型钢进行轨迹规划及焊接工作的可行性。

关键词：焊接机器人；控制系统设计；运动学逆解；轨迹规划

Abstract

For the typical steel parts such as I-beam and box-type steel, the quality and efficiency of manual welding are unsatisfactory due to the uneven specifications and various welds. Therefore, in order to improve the welding effect, a welding robot automatic welding system based on C# host computer is designed in this paper. It can use manipulators to drive the welding torch to realize the movement, complete the welding path planning and automatic welding of I-beam and box section steel, and has the functions of emergency stop and reset.

This paper introduces the overall scheme of the welding control system design, the hardware composition and the software design of the host computer. According to the structure and size of the welding robot arm, the D-H parameter method is used to solve the inverse kinematics of the welding robot, and the algorithm is optimized to reduce the calculation and improve the work efficiency.

Combined with the process design, the welding parameters of different sizes of I-beam and box-type steel are obtained by checking GB. By using the joint space trajectory method, the welding path arrangement and trajectory planning control of these two kinds of steel with different grooves are designed and realized, and the Robotic Tool of MATLAB is used to realize the movement simulation of welding track, and analyze the movement process of L-shaped path and linear path. It ensures the continuity and stability of the movement process.

Through the debugging and simulation of the host computer software based on C#, the communication between the host computer and the slave computer is established, the data transmission between the host computer and the slave computer is carried out, the feasibility of the whole software system is verified, the data is analyzed, and the possible optimization scheme is discussed.

Through the research of this subject, it is proved that the design of the welding robot control system is reasonable, and it can better realize the function of welding robot. It is verified that it is feasible to use the welding robot to carry out track planning and welding work for I-beam and box-type steel.

Key Words：welding robot；control system design；inverse kinematics solution；trajectory planning

目 录

第1章 绪论 1

1.1 焊接机器人国内外现状 2

1.2 伺服控制系统概述 3

1.3 论文研究内容及方案 4

1.4 研究意义及创新点 4

第2章 机器人控制系统设计 2

2.1 控制系统总体设计方案 2

2.2 控制系统硬件设计 3

2.2.1 控制系统硬件组成 3

2.3 上位机软件设计 4

2.3.1 软件总体设计 4

2.3.2 各模块设计及功能 4

2.3.3 软件开发环境简介 5

2.3.4 软件工作流程图 4

2.3.5 通信接口协议 5

2.4 章节小结 4

第3章 机器人运动学逆解算法 6

3.1 旋转矩阵详解 6

3.2 建立D-H参数模型 6

3.2.1 建立机器臂物理模型 7

3.2.2 机器臂类型分析 7

3.2.3 D-H参数列表 7

3.3 建立六自由度机器臂齐次方程 6

3.4 运动学逆解算法求解与优化 6

3.5 章节小结 4

第4章 机器人轨迹规划设计 6

4.1 工字钢焊接轨迹规划设计 6

4.1.1 工字钢焊接工艺设计 6

4.1.2 直线式轨迹规划控制 6

4.1.3 焊接轨迹运动学分析 6

4.2 箱型钢焊接轨迹规划设计 6

4.2.1 箱型钢焊接工艺设计 7

4.2.2 L型轨迹规划控制 7

4.2.3 焊接轨迹运动学分析 7

4.3 章节小结 4

第5章 调试与仿真 6

5.1 上位机软件调试 6

5.2 基于MATLAB的仿真演示 6

5.3 章节小结 4

第6章 总结与展望 8

参考文献 9

致谢 11

第1章 绪论

焊接机器人国内外现状

在“中国制造2025”的大环境下，随着工业自动化、智能化的发展，大规模、高效率、低成本将是未来工业生产的基本要求。基于此，利用机器人作业取代传统工人作业的模式已是大势所趋。焊接作为一项古老的传统工艺，为满足现代工业高产低耗的需求，正不断地结合现代的高新技术。其中，焊接机器人作为焊接现代技术中亮眼的一项技术，具备工作效率高、产品质量稳定、降低生产成本、可于有害环境中作业等得天独厚的优势与特点，于国内外的焊接生产领域取得了广泛的应用与发展。

焊接机器人最早诞生于美国，经过几十年的发展，国外焊接机器人的研究已趋于成熟，现处于第三代焊接机器人的阶段，即实现了焊接机器人的智能化。第三代焊接机器人功能强大，除拥有类人的感应能力以外，还具备判断能力和行动能力，可根据实际情况做出正确决策。同时，焊接机器人还可以对自身故障进行诊断处理，适用于各类复杂作业环境。现阶段，焊接机器人在西方国家的工业生产中的运用已十分普遍，广泛存在于汽车工业、航天制造、机械生产等领域中。从市场占额而论，目前世界上较为知名的焊接机器人制造商主要存在于欧、美、日等地区，包括ABB、KUKA、OTC等^[12]。

　　我国焊接机器人的相关研究和发展起步较晚，但随着“工业4.0”、“中国制造2025”等政策的推动与影响，以及国家经济实力的不断雄厚，正不断取得迅猛的突破。