重載攪拌摩擦焊機器人性能分析及其閉環(huán)控制研究

萬 強，石從繼，吳修玉

(武昌首義學院機電與自動化學院，湖北 武漢 430064)

0 引言

攪拌摩擦焊是一種先進固態(tài)焊接技術，它可實現(xiàn)不同材質(zhì)的固態(tài)連接，具有低孔隙率、高強度力學特性、無填充劑等優(yōu)點[1]。所以，該種焊接技術在焊接領域受到越來越廣泛的關注，現(xiàn)已大量應用于航空、航天、船舶、軌道交通、汽車等領域及國內(nèi)高鐵車體制造中[2-3]。

攪拌摩擦焊設備從結(jié)構形式上分為臺式、龍門式和機器人式等多種類型，而臺式和龍門式常規(guī)攪拌摩擦焊設備通用性差、能焊接的焊縫形式有限、效率不是很高，不適用于自動生產(chǎn)線上的焊接，所以將攪拌摩擦焊技術與工業(yè)機器人相結(jié)合，便產(chǎn)生了機器人攪拌摩擦焊技術[4]。機器人攪拌摩擦焊具有批量化、柔性化、自動化生產(chǎn)制造的極大優(yōu)勢，其市場需求巨大。如今，機器人攪拌摩擦焊已經(jīng)成為焊接領域的重要發(fā)展方向。

如今在國外，工業(yè)機器人攪拌摩擦焊已走出實驗室，開始在工業(yè)生產(chǎn)上應用；在國內(nèi)，工業(yè)機器人攪拌摩擦焊技術還處于研究階段，仍有許多關鍵技術沒有突破，比如，重載工業(yè)機器人本體及關鍵零部件設計與制造技術、適用于攪拌摩擦焊機器人集成的各種復雜傳感器和測控系統(tǒng)等[5]。

由于很難實時確定工業(yè)機器人末端點位置并符合一定精度要求，或者其位置不能全自動跟蹤確定，目前，應用中的工業(yè)機器人一般都屬于開環(huán)控制，真正意義上的閉環(huán)控制還沒有實現(xiàn)。

1 重載攪拌摩擦焊機器人結(jié)構性能分析

如圖1所示，是一款載重為3 kN的工業(yè)機器人。在其末端安裝自行研制的攪拌摩擦焊裝置，改造為攪拌摩擦焊機器人，如圖2所示，對機器人本體結(jié)構進行性能分析。

1.1 機器人結(jié)構靜力學分析

對機器人進行有限元建模，針對機器人臂展較大時的某一工況，在考慮各部件重力作用的同時，分別沿Z軸和X軸對其進行加載(載荷為3.5 kN)，再利用ANSYS對其結(jié)構進行靜力學分析。

沿Z軸加載3.5 kN，經(jīng)過計算得出，機器人結(jié)構最大應力是264.6 MPa，出現(xiàn)在下臂與腰部的連接處，沒有超過合金鋼的屈服強度極限(395 MPa)；但最大位移變形達到了14.11 mm。

沿X軸加載3.5 kN，經(jīng)過計算得出，機器人結(jié)構最大應力是389.3 MPa，出現(xiàn)在下臂與腰部的連接處，沒有超過合金結(jié)構鋼的屈服強度極限(395 MPa)；但最大位移變形達到了12.86 mm。

1.2 機器人結(jié)構模態(tài)分析

將機器人有限元模型導入ANSYS中，再對其結(jié)構進行模態(tài)計算，得到前8階模態(tài)頻率，如表1所示。

表1 機器人結(jié)構模態(tài)頻率

由表1可知，攪拌摩擦焊電機工作頻率與前幾階模態(tài)頻率相差很遠，可以確定，在進行焊接工作時攪拌摩擦焊電機及攪拌頭不會引起機器人結(jié)構共振，所以機器人結(jié)構能滿足模態(tài)相關要求。

從機器人靜力學分析和模態(tài)分析可知，機器人結(jié)構強度和振動特性滿足工作條件要求，但其結(jié)構剛度不能滿足實際加工要求，這也是重載工業(yè)機器人設計時常遇到的一個問題。為了增加工業(yè)機器人的載重能力同時又保證足夠的剛度，需要加大機器人的結(jié)構尺寸，又因為大尺寸、高性能的減速器等關鍵零部件國內(nèi)仍不能提供，所以一直制約著我國重載攪拌摩擦焊工業(yè)機器人研制。

2 閉環(huán)控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統(tǒng)的組成

目前，主流的室內(nèi)定位技術包括：輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(A-GPS)[6]、射頻識別定位技術(RFID)[7]、Wi-Fi定位技術[8]、超寬帶定位技術[9-10]、ZigBee技術、藍牙定位技術[11]、超聲波定位技術、紅外定位技術[12]、地磁定位技術[13]等。其中A-GPS、Wi-Fi定位技術、藍牙技術精度可達米級；RFID和ZigBee技術可達分米級；超寬帶定位技術可達厘米級；超聲波定位技術和紅外定位技術可達毫米級[14-17]。

隨著室內(nèi)定位技術的發(fā)展和定位精度的不斷提高，該項技術在很多方面逐漸得到應用，但在精度要求高的工業(yè)機器人領域，其應用顯得比較滯后。對于焊縫較寬(10 mm以上)的攪拌摩擦焊，如果其加工精度能達到毫米級，則此精度下的攪拌摩擦焊加工質(zhì)量可以被接受。因此，采用相關定位技術，特別是紅外定位技術或者跟其他定位技術相結(jié)合，可以真正實現(xiàn)重載攪拌摩擦焊機器人的閉環(huán)控制。

本文中閉環(huán)控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統(tǒng)由信號發(fā)射裝置、信號接收裝置、定位服務器、重載機器人四部分組成，如圖3所示。

適合該系統(tǒng)的室內(nèi)定位技術包括超聲波定位技術、紅外定位技術等。對于超聲波單向測距室內(nèi)定位技術，不受多徑效應、多普勒效應的影響，其定位精度比較高，例如美國Hexamite超聲波傳感器，測距精度已達到1 mm，但由于其發(fā)射信號容易受外部環(huán)境及噪聲的影響，其穩(wěn)定性比較難保證。對于單向測距紅外定位技術，影響其精度的因素包括發(fā)射源的紅外光譜及紅外強度均勻性、紅外傳感器的響應光譜、響應時間及測量精度、傳感器的安裝精度等。目前，隨著紅外探測器材、器件的高速發(fā)展，并可對定位精度的各影響因素進行有效控制，能實現(xiàn)較高精度定位，常用紅外設備的測量精度已達1 mm，而特殊用途設備的測量精度更高。

圖3 閉環(huán)控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統(tǒng)組成

2.1 信號發(fā)射裝置

信號發(fā)射裝置固定在機器人末端執(zhí)行器的適當位置，用來給信號接收裝置發(fā)射信號。信號發(fā)射裝置有通信傳輸接口，通過接口將發(fā)射信號相關信息實時傳送給定位服務器。對于紅外發(fā)射裝置，需要采用各角度信號強弱均勻的發(fā)射器件，同時兼具良好的廣角發(fā)射性能，有利于3個以上的信號接收裝置能夠?qū)崟r接收到信號。

2.2 信號接收裝置

圖3中包含8個信號接收裝置，分布在機器人四周，其中角上布置4個，離地面一定高度；兩角連線的中點、接近地面布置4個。如果有3個信號接收裝置能同時收到信號發(fā)射裝置發(fā)出的信號，就能確定信號發(fā)射裝置所在位置。考慮到機器人在運行過程中，信號源發(fā)出的信號可能會被遮擋，故進行過多布置。為了確保有3個信號接收裝置能同時收到信號，還可根據(jù)實際情況進行更多的布置。8個信號接收裝置有通信傳輸接口，通過接口與定位服務器進行信息和數(shù)據(jù)傳遞。對于紅外接收裝置，由于要考慮信號接收角度的問題，需要采用高靈敏度的面?zhèn)鞲衅鳎跃_分辨紅外強度。

2.3 定位服務器

定位服務器能分辨出不同的信號接收裝置和信號發(fā)射裝置，并將信號發(fā)射裝置和信號接收裝置送過來的信息進行處理，計算出信號發(fā)射裝置在定位區(qū)域內(nèi)的具體位置，再將位置信息傳送給機器人。定位服務器還有對信號發(fā)射裝置信號產(chǎn)生方式控制的功能，也有對信號發(fā)射裝置信號發(fā)射打開和關閉的功能。

2.4 重載機器人

定位服務器有輸出接口，將計算出的信號發(fā)射裝置實時位置值傳送給機器人。為了對機器人工具坐標系預定軌跡進行跟蹤，機器人控制柜內(nèi)專用計算機按要求進行插補運算，算出從前一個插補點到下一個插補點機器人所需的位移增量，再驅(qū)動伺服電機運動，一步一步使機器人工具坐標系運動到預定位置。

3 重載攪拌摩擦焊機器人系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

紅外線在機器人工作范圍內(nèi)受外界干擾較小，以紅外室內(nèi)定位技術為例，信號發(fā)射裝置向信號接收裝置發(fā)射一定強度的紅外信號。已知紅外接收傳感器1的坐標(x1,y1,z1)，紅外接收傳感器2的坐標(x2,y2,z2)，紅外接收傳感器3的坐標(x3,y3,z3)，如圖4所示。

圖4 信號發(fā)射點與接收點之間的坐標關系

設信號發(fā)射裝置的坐標為(xd,yd,zd)，則有

(1)

紅外信號從發(fā)射點到接收點其信號強度會發(fā)生變化，而強度變化與信號的接收距離和接收角度有關[18]，其關系可表示為

(2)

其中，r1(D1,α1)、r2(D2,α2)、r3(D3,α3)為接收距離分別為D1、D2、D3，接收角度分別為α1、α2、α3的紅外接收傳感器接收信號強度；a為包含紅外發(fā)射信號強度、光電發(fā)射管的光譜靈敏度、放大器增益等信息的常數(shù)；b為放大器的誤差和環(huán)境光效應，可根據(jù)不發(fā)射紅外信號時從接收端測得。而α1、α2、α3關系式為

(3)

式(1)和式(2)經(jīng)變換可得

(4)

將式(3)代入式(4)中，得到

(5)

式(5)包含3個方程和3個未知變量，所以對于不同的發(fā)射信號強度值和接收信號強度值，都有對應坐標(xd,yd,zd)的確定解。該方程組的解析表達式不容易得出，但在編程時，可以通過定義變量、調(diào)用函數(shù)、按規(guī)則形成方程組或利用其他方法進行求解。

已知起始點A(x,y,z)和到達點A′(x,y′,z′)，機器人工具坐標系要從A點運動到A′點，開環(huán)控制的機器人運動軌跡插補方法和原理是:機器人根據(jù)曲線類型及其走向，將AA′這段曲線進行離散化，假設離散出n個點C1，C2，…，Cn，機器人便實時計算出各個中間點的位姿值，機器人位控系統(tǒng)根據(jù)這些中間點的位姿值，控制各個坐標軸相互協(xié)調(diào)運動，走出預定軌跡。在這個過程中機器人工具坐標系是沿著預定軌跡進行運動的，由于外部作用和影響的存在，機器人工具坐標系有沒有到達預定軌跡中間點是無法測定和知曉的。對于閉環(huán)控制的機器人系統(tǒng)，與開環(huán)控制的系統(tǒng)最大的區(qū)別是：機器人工具坐標系實時位置是可以確定和知曉的，當機器人工具坐標系的實際運動軌跡偏離了預定軌跡，機器人就能根據(jù)兩者之間的偏離值，自動將工具坐標系調(diào)整到沿預定軌跡運動。所以，這決定了閉環(huán)控制的機器人系統(tǒng)其運動軌跡插補原理和方法與開環(huán)控制的機器人系統(tǒng)是絕然不同的。

閉環(huán)控制的執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行部件的運動，其實質(zhì)是對預定軌跡的跟蹤，閉環(huán)控制的數(shù)控機床如此，閉環(huán)控制的機器人系統(tǒng)也是如此。閉環(huán)控制的數(shù)控機床刀具運動軌跡的插補原理和方法已經(jīng)相當成熟，其插補方法可分為脈沖增量插補和數(shù)據(jù)采樣插補，因此閉環(huán)控制的機器人運動軌跡的插補方法可以借鑒數(shù)控機床運動軌跡的插補方法。

定位服務器將計算出的信號發(fā)射裝置實時位置坐標(xd,yd,zd)傳送給機器人，機器人控制柜內(nèi)專用計算機將該位置值與預定到達位置值或插補位置值相對應，再計算出機器人要達到預定位置或插補位置所需的X、Y、Z方向位移增量△x、△y、△z，機器人根據(jù)位移增量值，驅(qū)動機器人各關節(jié)運動，達到預定位置。機器人信號發(fā)射裝置的位置并不等同于機器人工具坐標系的位置，它們之間存在一定的位置關系，可根據(jù)信號發(fā)射裝置的具體位置值，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到工具坐標系的位置。機器人世界坐標系一般是以機器人底座圓心作為參考，室內(nèi)定位系統(tǒng)坐標系與機器人世界坐標系不同，為了將2種坐標系關聯(lián)，可將機器人底座圓心在室內(nèi)定位系統(tǒng)坐標系內(nèi)進行標定。

4 實驗

對于式(2)中的常數(shù)a和b：a為與紅外發(fā)射器有關的常數(shù)，不同的發(fā)射器a的值是不一樣的；b實際上是環(huán)境光產(chǎn)生的紅外強度，相對于發(fā)射的紅外光，其強度非常小，由于不同的接收傳感器有不同的測量誤差，所以b還與接收器誤差有關。a和b的值在紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)實際運用之前，需要經(jīng)過反復的測試、計算、對比、修正而得到。在此，利用輻射照度計測得3個接收裝置接收到的紅外強度，再反向計算而粗略得到a的值；b的值可以通過不接收紅外光時輻射照度計的讀數(shù)得到。通過該實驗方法，還可以用來初步驗證a的實際值。

實驗設計如圖5所示，將紅外發(fā)射裝置固定于機器人的末端執(zhí)行器的適當位置，在機器人一側(cè)固定3個紅外輻射照度計，并使輻射照度計紅外接收面平行。

采用輻射方向角度為120°紅外發(fā)射器，發(fā)射波長為940 nm；紅外輻射照度計的型號為LH-130，響應光譜為760～1 100 nm，測量范圍為1～105μW/cm2，分辨率為1 μW/cm2。

圖5 實驗設計

打開紅外發(fā)射裝置和紅外輻射照度計，記錄第1組輻照值，同時測得紅外發(fā)射器的第1個位置的坐標；然后讓機器人運動，使紅外發(fā)射器移動到第2個位置，記錄第2組輻照值，測得第2個位置坐標；利用同樣的方法，記錄第3組輻照值，測得第3個位置坐標。輻照值如表2所示。

表2 3組輻射照度值 (μW/cm-2)

在不接收紅外線時，輻射照度計測得b的值為2 μW/cm2，并將b的值、輻照值和位置坐標值分別代入式(3)和式(4)中的第1個方程，分別計算出3組a的值，然后取平均值，得a=4 266 μW/cm2。也可將測得值代入式(3)和式(4)中的第2個或第3個方程，以進一步驗證a的值。

5 結(jié)束語

將1臺載重能力為3 kN的重載工業(yè)機器人改造為攪拌摩擦焊機器人后，對其結(jié)構性能進行了分析，發(fā)現(xiàn)該機器人結(jié)構強度和振動特性可滿足使用要求，但其剛度在某些工況下還達不到要求，因此針對這種情況，提出并設計了一種基于室內(nèi)定位技術的機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信號發(fā)射裝置、信號接收裝置、定位服務器、重載機器人組成，通過對該系統(tǒng)的原理進行研究，從理論上證明了機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的可行性。通過實驗，粗略得到了與紅外發(fā)射器有關的常數(shù)a和與紅外接收器有關的常數(shù)b的值。該機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)可為生產(chǎn)線上自動攪拌摩擦焊的實現(xiàn)提供一種解決方案。隨著將來室內(nèi)定位技術定位精度的提高，閉環(huán)控制的工業(yè)機器人定位精度也會越來越高。