球管相贯曲线是一类复杂的空间曲线,它是由球体与管体相交形成的交线。球管相贯曲线的切割与焊接作业广泛存在于航空航天、核电、造船、压力容器等领域,其自动化加工技术一直以来都是相关领域的难题。时至今日,球管相贯曲线的切割与焊接仍大量依靠手工作业,劳动强度大,作业环境恶劣,加工质量难以保证。随着工业机器人技术的发展,相贯曲线的机器人切割与焊接成为该领域的重要发展方向。为提高球管相贯曲线切割与焊接的自动化水平,本文对球管相贯曲线数学模型及其几何特性、相贯曲线机器人切割与焊接轨迹智能规划和机器人轨迹控制技术开展了深入研究,系统地解决了球管相贯曲线机器人加工的轨迹智能规划与控制问题,包括球体带单边Y型坡口机器人等离子切割轨迹规划、机器人焊接轨迹规划和非理想球管相贯曲线轨迹重建与规划。首先,以复杂的“一球多管”相贯曲线为研究对象,建立了能够涵盖所有相贯方式的球管相贯数学模型,并给出了标准相贯曲线的参数表达式。在此基础上,给出了球管相贯的二面框架描述并建立了坡口坐标系和工具坐标系,通过坐标系之间的空间变换关系分别得到了坡口和钝边的切割轨迹模型。通过对等离子割枪模型和等离子切割工艺特性的研究,提出了等离子弧半径智能补偿算法,实现切割加工过程中根据切割厚度的动态变化对工具半径的智能补偿。同时,考虑到实际的加工过程,研究了割枪喷嘴高度的动态控制问题,以保证等离子弧压稳定性并防止割枪与工件的干涉碰撞。通过融合等离子弧半径补偿和割枪喷嘴高度动态控制,论文给出了球管相贯曲线机器人等离子切割的轨迹描述。其次,本文在带单边Y型坡口球管相贯数学模型的基础上,建立了焊缝坐标系,并给出了其相对于坡口坐标系的齐次变换矩阵,进而给出了焊缝曲线的参数方程和姿态表示。同时,通过对相贯曲线焊缝焊接工艺的分析,建立了焊枪姿态数学模型。针对球管相贯曲线焊缝的焊缝倾角不断变化带来的焊接难题,提出了两种解决方案:一种是智能调整焊枪姿态并辅以摆动焊技术,有效的解决焊接过程中的上下坡焊问题,这种方案适用于焊缝倾角较小的情况;另一种方案是工业机器人结合双轴变位机构成焊接工作站,利用变位机与工业机器人的联动和相贯曲线焊接位姿规划,将焊缝倾角始终控制在很小的范围内,提高了焊接工艺性,适用于焊缝倾角较大的情况。考虑到带坡口厚壁工件的球管相贯曲线焊接,给出了多层单道摆动焊接规划算法,与机器人焊接轨迹规划相融合,最终得到了球管相贯曲线机器人焊接的轨迹描述。第三,研究了基于激光测量的非理想球管相贯曲线机器人加工技术。采用激光传感器对切割轨迹或焊缝进行扫描,利用提出的测量及焊缝特征识别算法获得实际切割或焊接轨迹上的特征点,采用NURBS曲线对这些特征点进行拟合,重构非理想球管相贯曲线切割与焊缝轨迹,并结合球管相贯模型的几何特征,给出了切割或焊接机器人工具姿态的重建方法。最终,利用MATLAB和ADAMS仿真软件对本文提出的相关理论和算法进行了仿真验证,搭建了相贯曲线机器人切割焊接轨迹验证平台,验证了切割焊接轨迹规划的可行性和精度,开发了相贯曲线机器人切割焊接自动编程系统。论文工作为实现球管相贯曲线的自动切割与焊接奠定了基础。