随着现代化矿井采煤装备往大型化、自动化方面发展,焊接机器人成为煤矿机械装备制造“无人工厂”的新“工人”,与此同时对煤矿焊接机器人提出了高效率、高精度、适应性快、匹配度高和寿命长的产品性能要求。液压支架作为典型的综采装备,主要是由焊接成形的复杂箱型结构件组成,其特点是内部焊缝密集,以短距离、立体式交叉焊缝为主,多为三维直线和少量的弧线。传统手工焊接因为频繁的引弧、收弧,尤其遇到难以到达的狭小空间时,很容易造成虚焊和漏焊。为了保证焊接机器人在复杂工况下拥有更高精度,减小静态和动态误差,对其进行动力学和动态特性的分析研究是十分必要的。焊接机器人通常是多自由度、强非线性和刚柔耦合的多体系统。其结构的动力学性能是保证高质量完成复杂箱体结构焊接功能的关键,焊接机器人动力学研究同时还关系到正逆运动学,动态特性,结构强度和多体柔性动力学及控制方面的问题,成为众多国内外学者研究的热点。本文以SR165通用焊接机器人为研究对象,以分析影响焊接机器人焊接精度的因素为目的,通过阅读相关文献并总结近几年工业机器人、焊接机器人方面的研究现状,借助现有计算机虚拟仿真、数学建模和数值仿真等相关的技术,开展运动特性和动力特性方面的研究,对提高焊接机器人产品性能具有理论和工程意义。主要研究工作如下:基于运动学理论,建立位姿误差模型,根据实况分析了焊接机器人运动误差的来源。采用D-H参数法建立SR165机械臂的正逆运动学数学模型,并在此基础上建立机器人位姿误差模型。基于SR165焊接机器人六自由度串联关节式和腕部Pieper结构,选择代数解法进行逆运动学数学模型求解并获得雅克比矩阵。借助MATLAB工具箱对正逆运动学进行还原,控制面板的虚拟仿真验证了正逆运动学数学描述的正确性,并结合液压支架焊接机器人的焊接任务特点规划焊接路径,模拟40s从空间B点（1.985,-0.780,0.733）到C点（1.985,0.769,0.733）（单位/m）的直线焊接过程,获得机械臂的运动特性曲线,描述了直线焊缝仿真过程中各个关节角度位移、角速度和角加速度,以及各个关节力矩的变化情况。基于运动学模型,运用“小位移摄动法”建立结构参数位姿误差模型。在位姿静态误差研究的基础上,对大臂进行静力学分析,分析SR165机械臂在极限平衡位置时,获得大臂的变形误差。大臂是承载并传承力的关键部件,立式六自由度串联结构的缺点是变形误差会传递给末端焊枪从而影响焊接精度。以水平放置为极限位置,对SR165机械臂进行静力学平衡分析,获得临界边界条件。根据大臂真实的工况,添加约束情况分为预紧力作用和理想固定边界两种。首先添加预紧力约束,获得大臂最大变形位移0.217mm,大臂b端A点最大变形位移值为0.1686mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移0.5536,大臂最大等效应力出现在大臂侧面和b端圆孔处,为11.06MPa;理想固定约束下,大臂最大变形位移0.4612mm,b端A点最大变形位移值为0.3817mm,焊接机器人焊枪末端最大变形位移1.2535mm,大臂最大等效应力41.114MPa出现在大臂a端圆孔处。由此可知极限位置状态下,当有预紧力时,SR165机械臂的静态误差在误差允许范围内。大臂材料球墨铸铁的屈服强度为365MPa,对应的许用应力为121MPa。大臂最大等效应力为41.114MPa,完全可以满足静态结构强度。根据不同启动惯性力对大臂进行静态特性分析,可以确定大臂的静态强度是足够的。对比分析大臂在预应力作用下的固有频率,可知预应力对大臂刚度矩阵的影响很小,通过大臂的有限元模态分析,为之后连杆柔性刚柔耦合系统的动力特性研究提供了条件。除了静态误差之外,动力特性对动态误差的影响不容忽视。结合结构动力学和多体柔性动力学理论,主要从关节和连杆的柔性角度分别对SR165机械臂建立两个刚柔耦合系统进行动力学分析。关节柔性-连杆刚性刚柔耦合系统的研究从柔性关节等效弹簧替换开始,推导了空间三连杆柔性关节系统的动力学方程。采用Euler-Bernoulli梁为等效模型进行柔性梁动力学研究。根据弹性理论和连续介质理论对柔性梁的刚性大范围运动的小变形进行物理描述。对旋转梁采用假设模态法离散横向变形和纵向变形,计入横向变形导致纵向变形压缩的非线性耦合项。采用混合坐标法和第二类拉格朗日公式推导动力学方程。在平面旋转柔性梁系统动力学研究的基础上,推导出中心刚体-柔性梁系统的动力学方程,并深入考虑到末端质量的转动惯量,以及它对系统动力学模型的贡献,进一步推导了中心刚体-柔性梁-末端质量系统的动力学方程。方程包含了三种形式,旋转柔性梁系统的结构动力学模型（无大位移）;系统的一次刚柔耦合动力学模型（大位移运动）;以及系统的近似一次刚柔耦合动力学模型（大位移运动）。焊接机器人结构理论上的描述和动力数学模型的建立,为虚拟仿真深入动力学响应分析和误差分析奠定了理论基础。在刚柔耦合动力学研究的基础上,对柔性关节-刚性连杆和刚性关节-柔性大臂两个系统分别进行动力学仿真,通过刚柔耦合动力学动态响应与结构动力学动态响应进行对比分析,进一步验证机械臂的柔性对SR165机械臂动态误差的影响。第一部分,通过ADAMS平台对柔性关节-刚性连杆刚柔耦合系统进行仿真,对三个柔性关节单独赋予不同刚度系数进行曲线模拟,获得腰关节、肩关节和肘关节的稳定刚度系数分别为1.0E06N/mm、4.5E06N/mm和4.5E06N/mm,对应关节最大振动误差为0.41°、1.36°和4°。在此基础上,末端施加不同程度负载（500N、1000N、1500N和2000N）获得关节角速度和力矩变化曲线,负载对柔性腰关节动态特性影响很小,而肩关节和肘关节在不同负载下,突显出柔性对关节动态特性的影响,且随着负载的增加,振动越明显,动态误差值越大。结合焊接实际工况,模拟焊接机器人曲线和折线焊接路径下整机的动态响应,三角折线仿真中腰关节、肩关节和肘关节振动幅度为1°、2°和6°,末端X、Y和Z方向的振动误差为40mm,50mm和120mm。分析动态振动误差可知X和Y方向的振动主要来源于腰关节和肩关节,Z方向误差主要来源肘关节,并且通过焊接路径对振动误差对比分析,直线比曲线对误差产生的影响更大。第二部分,建立刚性关节-柔性连杆的虚拟样机模型,根据实际工况,分别设定曲线和折线两种路径和给予机械臂末端不同负载,然后观察末端的动态响应,以及大臂的受力情况。仿真三角折线路径时,获得SR165机械臂动态误差变化规律,在X,Y和Z三个方向最大位移误差为30mm,77mm和90mm,并且都出现在焊接直线的中间位置（仿真的7.5s）。通过曲线路径动态仿真,获得X、Y和Z方向的动态误差变化规律,最大误差值为1.19mm、2.2mm和0.74mm,并得出结论,及不同路径对大臂刚柔耦合系统的动态响应的影响是不同的,直线位移偏差振幅是曲线的10²倍数量级。再以折线路径条件下观察末端最大动态误差随着负载的增加（500N、1000N、1500N和2000N）的变化情况,振动误差最大值从18mm增加到84mm。同时速度随着负载的增加而增加,在7.5s时出现突变。根据不同负载下的动态响应研究,观察加速度与振动频率的振动三维曲线,获得大臂在横向和纵向上的共振频率为5Hz左右。同时观察不同负载下应力变化曲线,统计大臂的前10个应力最大节点,可知最大应力节点260号出现在大臂根部的关节处（及大臂的危险位置）,在7.5s左右应力值突增为10060N/mm²。在上述理论研究和虚拟仿真的基础上,为进一步验证SR165机械臂的真实运动和动力特性,针对直线精度和机械臂关节零位进行实验测量与数据分析。第一,测量液压支架焊接机器人SR165的直线焊接精度,沿着X,Y和Z三个方向的直线轨迹采集空间散点,通过空间直线的拟合与理论直线轨迹相比,获得直线轨迹在Z方向上的距离偏差（35）D为0.5mm,在X,Y和Z方向上的偏角0.42°,0.27°和0.57°,以及三个方向上直线轨迹的重复定位精度为0.053mm,0.018mm,0.12mm,为焊接机器人焊接直线精度提供了的评定准则。第二,借助激光测量仪对机械臂的六个关节进行单独旋转测量,获得同一关节轴上的两个空间圆,拟合出圆心并获得关节轴矢量X,对比连杆坐标系Z轴计算六个关节零位偏角误差,（35）?₁为0,（35）?₂为-0.0209,（35）?₃为-0.2368,（35）?₄为-0.2142,（35）?₅为-0.0598,（35）?₆为0,为SR165机械臂初始状态误差补偿做铺垫。实验测量为SR165机械臂在静态误差和动态误差的理论和模拟研究提供了数据参考和对比验证。