機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)及其力位并環(huán)混合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人攪拌摩擦焊接和精密制造技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)及其力位并環(huán)混合控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊接(FSW)是一項(xiàng)創(chuàng)新的先進(jìn)摩擦焊技術(shù)。與常規(guī)摩擦焊接一樣，攪拌摩擦焊接也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源，不同之處在于攪拌摩擦焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，完成材料焊接的目的。攪拌摩擦焊接的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)固相材料的連接制造，具有高效、低耗、低成本等特點(diǎn)，在航空、航天、汽車、船舶、軌道交通、民用航空、電力、電子、冶金等行業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。機(jī)器人具有高柔性、多自由度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)了空間曲線軌跡的高精度運(yùn)動(dòng)，將重載機(jī)器人技術(shù)與攪拌摩擦焊接技術(shù)相結(jié)合，可以提高攪拌摩擦焊接的自動(dòng)化程度，有利于提升焊接質(zhì)量和降低焊接生產(chǎn)成本。但是機(jī)器人的高柔性特點(diǎn)，易導(dǎo)致攪拌摩擦焊接過程的振動(dòng)，帶來機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的下降，從而影響焊接質(zhì)量，同時(shí)，焊接過程中攪拌針與帶焊接工件的接觸力不恒定，導(dǎo)致焊接深度不均勻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)及其力位并環(huán)混合控制方法，本發(fā)明通過機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接機(jī)頭上的攪拌針與待焊接工件的接觸，當(dāng)達(dá)到接觸力符合焊接工藝的要求后，保持?jǐn)嚢栳樤诮佑|方向與工件的恒力接觸，進(jìn)而控制機(jī)器人末端按照焊接路徑以指定的進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)，完成焊接過程，其中，位置控制器保證機(jī)器人末端的攪拌針沿焊接路徑的精密運(yùn)動(dòng)，力控制器保證攪拌針在整個(gè)焊接過程中與待焊接工件的接觸力恒定。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案如下:一種機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，包括機(jī)器人本體、攪拌摩擦焊接機(jī)頭、攪拌針、固定平臺(tái)、位移傳感器和視覺傳感器。
[0005]攪拌摩擦焊接機(jī)頭設(shè)置在機(jī)器人本體下方，攪拌摩擦焊接機(jī)頭與機(jī)器人本體的機(jī)械手固定連接，機(jī)器人本體控制攪拌摩擦焊接機(jī)頭運(yùn)動(dòng)，攪拌摩擦焊接機(jī)頭下設(shè)置有攪拌針，攪拌針跟隨攪拌摩擦焊接機(jī)頭運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人本體的關(guān)節(jié)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)攪拌摩擦焊接機(jī)頭、攪拌針運(yùn)動(dòng)
位移傳感器和視覺傳感器設(shè)置在固定平臺(tái)上，固定平臺(tái)用于放置待焊接工件；
位移傳感器用于采集攪拌摩擦焊接機(jī)頭的位移，在攪拌摩擦焊接過程中實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人本體機(jī)械手(機(jī)器人本體末端)的運(yùn)動(dòng)位移，用于辨識機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的系統(tǒng)參數(shù)。
[0006]視覺傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的焊接過程，提供用戶可視化的圖像顯示，一般視覺傳感器與外置的顯示裝置相連接，實(shí)時(shí)顯示焊接過程。
[0007]機(jī)器人本體為串聯(lián)或者并聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括關(guān)節(jié)傳感器、力傳感器和控制器，控制器包括前饋控制器、力控制器和位置控制器，關(guān)節(jié)傳感器與位置控制器相連接，力傳感器與力控制器相連接，前饋控制器、力控制器均與位置控制器相連接，位置控制器控制機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)；控制器控制機(jī)器人本體的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌摩擦焊接過程中攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)和精密運(yùn)動(dòng)。
[0008]位置控制器用于控制機(jī)器人本體連接的攪拌針沿焊接路徑軌跡運(yùn)動(dòng)，力控制器用于控制攪拌針在整個(gè)焊接過程中與待焊接工件的接觸力恒定。
[0009]攪拌摩擦焊接機(jī)頭是能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌摩擦焊接的裝置，一端需要有與機(jī)器人本體操作末端(機(jī)械手)相固連的結(jié)構(gòu)，一端需要提供安裝攪拌針的裝置。
[0010]當(dāng)機(jī)器人本體進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，采用力位并環(huán)混合控制策略控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。力位并環(huán)混合控制策略即為下述的機(jī)器人攪拌摩擦焊接的力位并環(huán)混合控制方法。
[0011]一種機(jī)器人攪拌摩擦焊接的力位并環(huán)混合控制方法，包括以下步驟:
SI，機(jī)器人本體控制攪拌摩擦焊接機(jī)頭、攪拌針下移，當(dāng)攪拌針未與待焊接工件接觸時(shí)(力傳感器沒有采集到接觸力)，力控制器模塊不被激活，機(jī)器人只在位置控制器控制下工作；當(dāng)機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的攪拌針與待焊接工件接觸后(力傳感器采集到壓力)，力控制器模塊被激活，機(jī)器人在位置控制器和力控制器結(jié)合的并環(huán)控制模式下工作；
S2，攪拌摩擦焊接機(jī)頭的理想規(guī)劃軌跡輸入到前饋控制器，前饋控制器根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型的控制算法，獲取任務(wù)空間下理想規(guī)劃軌跡的位移和姿態(tài)變量到機(jī)器人關(guān)節(jié)空間下關(guān)節(jié)位置的映射，輸出機(jī)器人理想關(guān)節(jié)空間位移軌跡；
S3，根據(jù)設(shè)定的接觸力閾值，力控制器控制機(jī)器人在指定方向上保持恒力運(yùn)動(dòng)；
S4，力控制器輸出的恒力控制、步驟S2輸出的關(guān)節(jié)空間位移軌跡同時(shí)傳輸為位置控制器，位置控制器控制攪拌摩擦焊接機(jī)頭按照理理想規(guī)劃軌跡運(yùn)動(dòng)；位置控制器為機(jī)器人關(guān)節(jié)按照理想軌跡運(yùn)動(dòng)提供控制策略；力控制器為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在指定方向上保持恒力運(yùn)動(dòng)提供控制策略；)
S5，關(guān)節(jié)傳感器采集機(jī)器人的實(shí)際關(guān)節(jié)空間位移數(shù)據(jù)，比較實(shí)際關(guān)節(jié)空間位移數(shù)據(jù)與前饋控制器計(jì)算獲取的理想關(guān)節(jié)空間位移軌跡，通過魯棒自適應(yīng)閉環(huán)控制算法調(diào)整位置控制器的控制量；同時(shí)，力傳感器采集焊接實(shí)際接觸力，比較實(shí)際接觸力與設(shè)定的接觸力閾值，通過比例積分微分控制算法調(diào)整力控制器的輸出控制量；位置控制器的部分采用魯棒自適應(yīng)控制器，力控制器一般采用PID或滑?？刂疲?br> S6，調(diào)整后的力控制器的輸出控制量與位置控制器的控制量疊加后，控制攪拌摩擦焊接機(jī)頭按照理所述理想規(guī)劃軌跡運(yùn)動(dòng)，且在豎直方向上保持恒定接觸力。
[0012]S7，重復(fù)步驟S5、S6，力控制器、位置控制器依據(jù)關(guān)節(jié)傳感器、力傳感器實(shí)時(shí)采集的實(shí)際攪拌摩擦焊接機(jī)頭(機(jī)器人本體末端)的位移數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出控制量，實(shí)現(xiàn)力控制器、位置控制器并環(huán)混合控制攪拌焊接接觸力和運(yùn)行軌跡。
[0013]所述的力控制器的控制策略為:
101，根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型的控制算法，獲取焊接軌跡規(guī)劃，并控制攪拌針運(yùn)動(dòng)到焊接軌跡的初始點(diǎn)；
102，控制攪拌針沿焊接軌跡運(yùn)動(dòng)，力傳感器檢測是否存在壓力，如果檢測到壓力，則進(jìn)入步驟103判斷攪拌針是否與焊接面垂直，否則，攪拌針繼續(xù)按照焊接軌跡運(yùn)動(dòng)； 103，當(dāng)攪拌針與焊接面垂直，則進(jìn)入步驟104判斷壓力是否到達(dá)設(shè)定閾值，否則調(diào)整機(jī)器人本體機(jī)械手姿態(tài)，直至攪拌針與焊接面垂直；設(shè)定閾值指設(shè)定的接觸力閾值，即力控制器保持的模板恒定接觸力；
104，當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定閾值，則攪拌針到達(dá)指定工作狀態(tài)，否則，調(diào)整機(jī)器人本體機(jī)械手姿態(tài)，直至壓力到達(dá)設(shè)定閾值(設(shè)定的接觸力閾值)。
[0014]相比與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)，
本發(fā)明攪拌摩擦焊接機(jī)頭的攪拌針與帶焊接工件的接觸力恒定，同時(shí)，攪拌針按照理想焊接軌跡運(yùn)動(dòng)，焊接均勻，焊接深淺一致，焊接軌跡根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型的控制算法獲取，焊