CN104607795B - 机器人搅拌摩擦焊接系统及其力位并环混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人搅拌摩擦焊接系统，包括机器人本体、搅拌摩擦焊接机头、搅拌针、固定平台、位移传感器和视觉传感器；搅拌摩擦焊接机头设置在机器人本体下方，搅拌摩擦焊接机头与机器人本体的机械手固定连接，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头运动，搅拌摩擦焊接机头下设置有搅拌针，搅拌针跟随搅拌摩擦焊接机头运动；位移传感器和视觉传感器设置在固定平台上，固定平台用于放置待焊接工件；本发明搅拌摩擦焊接机头的搅拌针与带焊接工件的接触力恒定，搅拌针按照理想焊接轨迹运动，焊接均匀，焊接深浅一致，焊接轨迹根据逆运动学或动力学模型的控制算法获取，焊接轨迹准确，方便实用，能够实时控制机器人完成搅拌摩擦焊接的高精度运动。

Description

机器人搅拌摩擦焊接系统及其力位并环混合控制方法

技术领域

本发明涉及机器人搅拌摩擦焊接和精密制造技术领域的方法，具体是一种机器人搅拌摩擦焊接系统及其力位并环混合控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接(FSW)是一项创新的先进摩擦焊技术。与常规摩擦焊接一样，搅拌摩擦焊接也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，不同之处在于搅拌摩擦焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，完成材料焊接的目的。搅拌摩擦焊接的优势在于可以实现固相材料的连接制造，具有高效、 低耗、低成本等特点，在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通、民用航空、电力、电子、冶金等行业领域具有广泛的应用前景。机器人具有高柔性、多自由度的特点，可以实现了空间曲线轨迹的高精度运动，将重载机器人技术与搅拌摩擦焊接技术相结合，可以提高搅拌摩擦焊接的自动化程度，有利于提升焊接质量和降低焊接生产成本。但是机器人的高柔性特点，易导致搅拌摩擦焊接过程的振动，带来机器人运动精度的下降，从而影响焊接质量，同时，焊接过程中搅拌针与带焊接工件的接触力不恒定，导致焊接深度不均匀。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种机器人搅拌摩擦焊接系统及其力位并环混合控制方法，本发明通过机器人本体的运动实现搅拌摩擦焊接机头上的搅拌针与待焊接工件的接触，当达到接触力符合焊接工艺的要求后，保持搅拌针在接触方向与工件的恒力接触，进而控制机器人末端按照焊接路径以指定的进给速度运动，完成焊接过程，其中，位置控制器保证机器人末端的搅拌针沿焊接路径的精密运动，力控制器保证搅拌针在整个焊接过程中与待焊接工件的接触力恒定。

本发明技术方案如下：一种机器人搅拌摩擦焊接系统，包括机器人本体、搅拌摩擦焊接机头、搅拌针、固定平台、位移传感器和视觉传感器。

搅拌摩擦焊接机头设置在机器人本体下方，搅拌摩擦焊接机头与机器人本体的机械手固定连接，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头运动，搅拌摩擦焊接机头下设置有搅拌针，搅拌针跟随搅拌摩擦焊接机头运动；机器人本体的关节带动机械手运动，进而带动搅拌摩擦焊接机头、搅拌针运动

位移传感器和视觉传感器设置在固定平台上，固定平台用于放置待焊接工件；

位移传感器用于采集搅拌摩擦焊接机头的位移，在搅拌摩擦焊接过程中实时获取机器人本体机械手（机器人本体末端）的运动位移，用于辨识机器人搅拌摩擦焊接系统的运动学和动力学模型的系统参数。

视觉传感器用于实时监控机器人搅拌摩擦焊接系统的焊接过程，提供用户可视化的图像显示，一般视觉传感器与外置的显示装置相连接，实时显示焊接过程。

机器人本体为串联或者并联结构，包括关节传感器、力传感器和控制器，控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器，关节传感器与位置控制器相连接，力传感器与力控制器相连接，前馈控制器、力控制器均与位置控制器相连接，位置控制器控制机器人搅拌摩擦焊接系统的机械手运动；控制器控制机器人本体的机械手实现六自由度运动，能够实现搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的高速旋转和精密运动。

位置控制器用于控制机器人本体连接的搅拌针沿焊接路径轨迹运动，力控制器用于控制搅拌针在整个焊接过程中与待焊接工件的接触力恒定。

搅拌摩擦焊接机头是能够实现搅拌摩擦焊接的装置，一端需要有与机器人本体操作末端（机械手）相固连的结构，一端需要提供安装搅拌针的装置。

当机器人本体进行搅拌摩擦焊接时，采用力位并环混合控制策略控制机器人运动。力位并环混合控制策略即为下述的机器人搅拌摩擦焊接的力位并环混合控制方法。

一种机器人搅拌摩擦焊接的力位并环混合控制方法，包括以下步骤：

S1，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头、搅拌针下移，当搅拌针未与待焊接工件接触时（力传感器没有采集到接触力），力控制器模块不被激活，机器人只在位置控制器控制下工作；当机器人搅拌摩擦焊接系统的搅拌针与待焊接工件接触后（力传感器采集到压力），力控制器模块被激活，机器人在位置控制器和力控制器结合的并环控制模式下工作；

S2，搅拌摩擦焊接机头的理想规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取任务空间下理想规划轨迹的位移和姿态变量到机器人关节空间下关节位置的映射，输出机器人理想关节空间位移轨迹；

S3，根据设定的接触力阈值，力控制器控制机器人在指定方向上保持恒力运动；

S4，力控制器输出的恒力控制、步骤S2输出的关节空间位移轨迹同时传输为位置控制器，位置控制器控制搅拌摩擦焊接机头按照理理想规划轨迹运动；位置控制器为机器人关节按照理想轨迹运动提供控制策略；力控制器为实现机器人在指定方向上保持恒力运动提供控制策略；）

S5，关节传感器采集机器人的实际关节空间位移数据，比较实际关节空间位移数据与前馈控制器计算获取的理想关节空间位移轨迹，通过鲁棒自适应闭环控制算法调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集焊接实际接触力，比较实际接触力与设定的接触力阈值，通过比例积分微分控制算法调整力控制器的输出控制量；位置控制器的部分采用鲁棒自适应控制器，力控制器一般采用PID或滑模控制；

S6，调整后的力控制器的输出控制量与位置控制器的控制量叠加后，控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动，且在竖直方向上保持恒定接触力。

S7，重复步骤S5、S6，力控制器、位置控制器依据关节传感器、力传感器实时采集的实际搅拌摩擦焊接机头（机器人本体末端）的位移数据，实时调整输出控制量，实现力控制器、位置控制器并环混合控制搅拌焊接接触力和运行轨迹。

所述的力控制器的控制策略为：

101，根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取焊接轨迹规划，并控制搅拌针运动到焊接轨迹的初始点；

102，控制搅拌针沿焊接轨迹运动，力传感器检测是否存在压力，如果检测到压力，则进入步骤103判断搅拌针是否与焊接面垂直，否则，搅拌针继续按照焊接轨迹运动；

103，当搅拌针与焊接面垂直，则进入步骤104判断压力是否到达设定阈值，否则调整机器人本体机械手姿态，直至搅拌针与焊接面垂直；设定阈值指设定的接触力阈值，即力控制器保持的模板恒定接触力；

104，当压力到达设定阈值，则搅拌针到达指定工作状态，否则，调整机器人本体机械手姿态，直至压力到达设定阈值（设定的接触力阈值）。

相比与现有技术，本发明具有以下优点，

本发明搅拌摩擦焊接机头的搅拌针与带焊接工件的接触力恒定，同时，搅拌针按照理想焊接轨迹运动，焊接均匀，焊接深浅一致，焊接轨迹根据逆运动学或动力学模型的控制算法获取，焊接轨迹准确，方便实用，能够实现实时控制机器人完成搅拌摩擦焊接的高精度运动；

本发明力控制器、位置控制器依据关节传感器、力传感器实时采集的实际搅拌摩擦焊接机头（机器人本体末端）的位移数据，实时调整输出控制量，实现力控制器、位置控制器并环混合控制搅拌焊接接触力和运行轨迹，实现实时控制机器人完成搅拌摩擦焊接的高精度运动。

附图说明

图1为机器人搅拌摩擦焊接系统组成的结构示意框图；

图2为机器人搅拌摩擦焊接的力位并环混合控制方法示意图；

图3为机器人搅拌摩擦焊接系统控制模式选择的示意图；

图4为搅拌针与待焊接工件接触力检测的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，一种机器人搅拌摩擦焊接系统，包括机器人本体、搅拌摩擦焊接机头、搅拌针、固定平台、位移传感器和视觉传感器。

搅拌摩擦焊接机头设置在机器人本体下方，搅拌摩擦焊接机头与机器人本体的机械手固定连接，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头运动，搅拌摩擦焊接机头下设置有搅拌针，搅拌针跟随搅拌摩擦焊接机头运动；机器人本体的关节带动机械手运动，进而带动搅拌摩擦焊接机头、搅拌针运动

位移传感器和视觉传感器设置在固定平台上，固定平台用于放置待焊接工件；

位移传感器用于采集搅拌摩擦焊接机头的位移，在搅拌摩擦焊接过程中实时获取机器人本体机械手（机器人本体末端）的运动位移，用于辨识机器人搅拌摩擦焊接系统的运动学和动力学模型的系统参数。

视觉传感器用于实时监控机器人搅拌摩擦焊接系统的焊接过程，提供用户可视化的图像显示，一般视觉传感器与外置的显示装置相连接，实时显示焊接过程。机器人本体为串联或者并联结构，包括关节传感器、力传感器和控制器，控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器，关节传感器与位置控制器相连接，力传感器与力控制器相连接，前馈控制器、力控制器均与位置控制器相连接，位置控制器控制机器人搅拌摩擦焊接系统的机械手运动；控制器控制机器人本体的机械手实现六自由度运动，能够实现搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的高速旋转和精密运动。

位置控制器用于控制机器人本体连接的搅拌针沿焊接路径轨迹运动，力控制器用于控制搅拌针在整个焊接过程中与待焊接工件的接触力恒定。

搅拌摩擦焊接机头是能够实现搅拌摩擦焊接的装置，一端需要有与机器人本体操作末端（机械手）相固连的结构，一端需要提供安装搅拌针的装置。

当机器人本体进行搅拌摩擦焊接时，采用力位并环混合控制策略控制机器人运动。

如图2所示，一种机器人搅拌摩擦焊接的力位并环混合控制方法，包括以下步骤：

S1，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头、搅拌针下移，当搅拌针未与待焊接工件接触时（力传感器没有采集到接触力），力控制器模块不被激活，机器人只在位置控制器控制下工作；当机器人搅拌摩擦焊接系统的搅拌针与待焊接工件接触后（力传感器采集到压力），力控制器模块被激活，机器人在位置控制器和力控制器结合的并环控制模式下工作（如图3所示）；

S2，搅拌摩擦焊接机头的理想规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取任务空间下理想规划轨迹的位移和姿态变量到机器人关节空间下关节位置的映射，输出机器人理想关节空间位移轨迹；

S3，根据设定的接触力阈值，力控制器控制机器人在指定方向上保持恒力运动；

S4，力控制器输出的恒力控制、步骤S2输出的关节空间位移轨迹同时传输为位置控制器，位置控制器控制搅拌摩擦焊接机头按照理理想规划轨迹运动；位置控制器为机器人关节按照理想轨迹运动提供控制策略；力控制器为实现机器人在指定方向上保持恒力运动提供控制策略；

S5，关节传感器采集机器人的实际关节空间位移数据，比较实际关节空间位移数据与前馈控制器计算获取的理想关节空间位移轨迹，通过鲁棒自适应闭环控制算法调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集焊接实际接触力，比较实际接触力与设定的接触力阈值，通过比例积分微分控制算法调整力控制器的输出控制量；位置控制器的部分采用鲁棒自适应控制器，力控制器采用PID或滑模控制；

S6，调整后的力控制器的输出控制量与位置控制器的控制量叠加后，控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动，且在竖直方向上保持恒定接触力；

S7，重复步骤S5、S6，力控制器、位置控制器依据关节传感器、力传感器实时采集的实际搅拌摩擦焊接机头（机器人本体末端）的位移数据，实时调整输出控制量，实现力控制器、位置控制器并环混合控制搅拌焊接接触力和运行轨迹。

如图4所示，力控制器的控制策略为：

101，根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取焊接轨迹规划，并控制搅拌针运动到焊接轨迹的初始点；

102，控制搅拌针沿焊接轨迹运动，力传感器检测是否存在压力，如果检测到压力，则进入步骤103判断搅拌针是否与焊接面垂直，否则，搅拌针继续按照焊接轨迹运动；

103，当搅拌针与焊接面垂直，则进入步骤104判断压力是否到达设定阈值，否则调整机器人本体机械手姿态，直至搅拌针与焊接面垂直；

104，当压力到达设定阈值，则搅拌针到达指定（设定）工作状态，否则，调整机器人本体机械手姿态，直至压力到达设定阈值。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机器人搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，包括机器人本体、搅拌摩擦焊接机头、搅拌针、固定平台、位移传感器和视觉传感器；

所述搅拌摩擦焊接机头设置在机器人本体下方，搅拌摩擦焊接机头与机器人本体的机械手固定连接，所述机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头运动，所述搅拌摩擦焊接机头下设置有搅拌针，搅拌针跟随搅拌摩擦焊接机头运动；

所述位移传感器和视觉传感器设置在固定平台上，固定平台用于放置待焊接工件；

所述的位移传感器用于采集搅拌摩擦焊接机头的位移，在搅拌摩擦焊接过程中实时获取机器人本体机械手的运动位移；

所述的视觉传感器用于实时监控机器人搅拌摩擦焊接系统的焊接过程，提供用户可视化的图像显示；

所述机器人本体为串联或者并联结构，包括关节传感器、力传感器和控制器，所述控制器包括前馈控制器、力控制器和位置控制器，所述关节传感器与位置控制器相连接，所述力传感器与力控制器相连接，所述前馈控制器、力控制器均与所述位置控制器相连接，位置控制器控制机器人搅拌摩擦焊接系统的机械手运动；所述控制器控制机器人本体的机械手实现六自由度运动；

所述力控制器的控制策略为：

101，根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取焊接轨迹规划，并控制搅拌针运动到所述焊接轨迹的初始点；

102，控制搅拌针沿所述焊接轨迹运动，力传感器检测是否存在压力，如果检测到压力，则进入步骤103判断搅拌针是否与焊接面垂直，否则，搅拌针继续按照焊接轨迹运动；

103，当搅拌针与焊接面垂直，则进入步骤104判断压力是否到达设定阈值，否则调整机器人本体机械手姿态，直至搅拌针与焊接面垂直；

104，当压力到达设定阈值，则搅拌针到达指定工作状态，否则，调整机器人本体机械手姿态，直至压力到达设定阈值。

2.根据权利要求1所述的一种机器人搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，所述位置控制器用于控制机器人本体连接的搅拌针沿焊接路径轨迹运动，力控制器用于控制搅拌针在整个焊接过程中与待焊接工件的接触力恒定。

3.根据权利要求1所述的一种机器人搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，当机器人本体进行搅拌摩擦焊接时，采用力位并环混合控制策略控制机器人运动。

4.根据权利要求3所述的一种机器人搅拌摩擦焊接系统，其特征在于，

所述力位并环混合控制策略具体包括以下步骤：

S1，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头、搅拌针下移，当搅拌针未与待焊接工件接触时，力控制器模块不被激活，机器人只在位置控制器控制下工作；当机器人搅拌摩擦焊接系统的搅拌针与待焊接工件接触后，力控制器模块被激活，机器人在位置控制器和力控制器结合的并环控制模式下工作；

S2，搅拌摩擦焊接机头的理想规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取任务空间下理想规划轨迹的位移和姿态变量到机器人关节空间下关节位置的映射，输出机器人理想关节空间位移轨迹；

S3，根据设定的接触力阈值，力控制器控制机器人在指定方向上保持恒力运动；

S4，力控制器输出的恒力控制、步骤S2输出的关节空间位移轨迹同时传输为位置控制器，位置控制器控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动；

S5，关节传感器采集机器人的实际关节空间位移数据，比较实际关节空间位移数据与前馈控制器计算获取的理想关节空间位移轨迹，通过鲁棒自适应闭环控制算法调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集焊接实际接触力，比较实际接触力与设定的接触力阈值，通过比例积分微分控制算法调整力控制器的输出控制量；

S6，调整后的力控制器的输出控制量与位置控制器的控制量叠加后，控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动，且在竖直方向上保持恒定接触力；

S7，重复步骤S5、S6，力控制器、位置控制器依据关节传感器、力传感器实时采集的实际搅拌摩擦焊接机头的位移数据，实时调整输出控制量，实现力控制器、位置控制器并环混合控制搅拌焊接接触力和运行轨迹。

5.一种机器人搅拌摩擦焊接的力位并环混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，机器人本体控制搅拌摩擦焊接机头、搅拌针下移，当搅拌针未与待焊接工件接触时，力控制器模块不被激活，机器人只在位置控制器控制下工作；当机器人搅拌摩擦焊接系统的搅拌针与待焊接工件接触后，力控制器模块被激活，机器人在位置控制器和力控制器结合的并环控制模式下工作；

S2，搅拌摩擦焊接机头的理想规划轨迹输入到前馈控制器，前馈控制器根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取任务空间下理想规划轨迹的位移和姿态变量到机器人关节空间下关节位置的映射，输出机器人理想关节空间位移轨迹；

S3，根据设定的接触力阈值，力控制器控制机器人在指定方向上保持恒力运动；

S4，力控制器输出的恒力控制、步骤S2输出的关节空间位移轨迹同时传输为位置控制器，位置控制器控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动；

S5，关节传感器采集机器人的实际关节空间位移数据，比较实际关节空间位移数据与前馈控制器计算获取的理想关节空间位移轨迹，通过鲁棒自适应闭环控制算法调整位置控制器的控制量；同时，力传感器采集焊接实际接触力，比较实际接触力与设定的接触力阈值，通过比例积分微分控制算法调整力控制器的输出控制量；

S6，调整后的力控制器的输出控制量与位置控制器的控制量叠加后，控制搅拌摩擦焊接机头按照理所述理想规划轨迹运动，且在竖直方向上保持恒定接触力；

S7，重复步骤S5、S6，力控制器、位置控制器依据关节传感器、力传感器实时采集的实际搅拌摩擦焊接机头的位移数据，实时调整输出控制量，实现力控制器、位置控制器并环混合控制搅拌焊接接触力和运行轨迹；

所述力控制器的控制策略为：

101，根据逆运动学或动力学模型的控制算法，获取焊接轨迹规划，并控制搅拌针运动到所述焊接轨迹的初始点；

102，控制搅拌针沿所述焊接轨迹运动，力传感器检测是否存在压力，如果检测到压力，则进入步骤103判断搅拌针是否与焊接面垂直，否则，搅拌针继续按照焊接轨迹运动；

103，当搅拌针与焊接面垂直，则进入步骤104判断压力是否到达设定阈值，否则调整机器人本体机械手姿态，直至搅拌针与焊接面垂直；

104，当压力到达设定阈值，则搅拌针到达指定工作状态，否则，调整机器人本体机械手姿态，直至压力到达设定阈值。