CN112192018B - 一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法，在机器人搅拌摩擦焊焊接过程中通过振动传感器获取末端电主轴振动信号，根据提取振动信号的频率及幅值，结合由大量搅拌摩擦焊工艺实验建立的工艺数据库所提供的数据，经主动抑振控制算法计算出所要叠加进机器人的高频振动信号，然后以电流补偿信号的形式叠加进机器人的电流环控制中，达到抑制机器人末端电主轴低频振动的目的，使得机器人搅拌摩擦焊焊接得以平稳运行，提升了焊缝质量。

Description

一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法
技术领域
本发明涉及一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法，具体涉及一种当机器人实施搅拌摩擦焊焊接时，对电主轴末端产生的低频振动进行主动抑制的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连接技术，利用搅拌头与焊件挤压摩擦生热和材料塑性变形热软化材料，将高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，获得搅拌摩擦焊焊缝。与熔焊相比，焊接温度一般低于焊件材料熔点，合金元素烧损倾向低；焊缝平整，变形小；无需填充材料，节约资源。目前，在轻金属－铝合金焊接领域应用成熟。
航空航天高强铝合金大型薄壁复杂曲面壁板结构需求日益旺盛，具有壁板结构尺寸大、壁薄刚性弱、壁板和焊接法兰构型各异、曲率变化大等特点，亟需研制高刚度、高运动精度、高可达性的柔性智能化搅拌摩擦焊机器人系统，突破搅拌摩擦焊过程中动负载下的机器人振动抑制、多约束条件下的力位混合控制、变位姿弱特征焊缝的实时跟踪及在线调控、多维数据感知分析及挖掘等关键技术，实现高强铝合金复杂薄壁曲面壁板结构的优质高效焊接。
发明内容
航空航天高强铝合金大型薄壁复杂曲面壁板结构需求日益旺盛，为解决机器人搅拌摩擦焊末端电主轴低频外部振动问题，基于对机器人搅拌摩擦焊工艺性力学参量周期性变化规律的研究，本发明提出一种针对电主轴末端低频振动问题的主动抑振方法，保证了机器人搅拌摩擦焊焊接过程的平稳性。
本发明的具体技术方案如下：一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法，该方法包括如下步骤，步骤一，启动机器人搅拌摩擦焊设备，并将机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化。
步骤二，在机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化后，打开焊接参数配置页面，对机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数(进给速度、下压量、电主轴转速)进行配置。
步骤三，在配置好机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数后，对机器人搅拌摩擦焊需要焊接的焊缝进行轨迹示教，由控制器中的机器人控制程序逆运动学完成轨迹规划与插补运算。
步骤四，在完成焊缝轨迹规划和插补运算后，打开振动传感器通讯参数配置页面，进行通讯参数(通讯IP、端口号、采样频率)的配置。
步骤五，在完成振动传感器通讯参数配置后，判断振动传感器通讯是否连通，若为是则继续后续步骤，反之，则转回步骤四，检查通讯参数配置是否正确。
步骤六，在振动传感器通讯正常后，开始进行机器人搅拌摩擦焊焊接，运动过程中通过加速度传感器采集机器人末端的低频振动信号，并由绝对值编码器反馈机器人实时位置信息，经由驱动器发送给机器人控制器，在机器人控制器中对这些数据进行处理。
步骤七，机器人搅拌摩擦焊焊接过程中，机器人控制器对由步骤六所得数据进行处理，判断机器人末端主轴是否振动，这里设定一个阈值，如超过阈值范围则判定为主轴振动，进入步骤八，反之则判定为主轴不振动，然后不对机器人施加控制，顺利完成这个运动周期焊接即可。
步骤八，经由步骤七判断为主轴振动，则调用主动抑振控制算法，结合经由大量工艺实验建立的工艺数据库中的数据，将采集到的主轴末端加速度数据以及驱动器提供的机器人实时位置信息(关节位置速度加速度等信息)进行处理，输出电流补偿信号(电流补偿信号包含频率幅值占空比的设定)叠加进电流环中去，使得主轴末端产生一个高频振动，打散其原有的低频振动信号，从而达到主动抑振的目的。
抑振方法得具体实施方式为在该规划周期内，调用Fun_VibrationFrequency振动频率功能函数，在最小时间片单元中，根据输入参数频率、振幅和占空比获得该时间片的电流补偿信号，然后将该信号叠加在机器人动力学前馈补偿上一起输出到驱动器的电流环力矩前馈。
振动频率信号发生函数接口：
Figure BDA0002685497160000021
Figure BDA0002685497160000031
步骤九，判断主轴振动是否减弱，若是，则完成后续焊接任务结束焊接；若否，则转至步骤六。
研究机器人振动机理，在基于双RV减速器的机器人高刚度设计基础上，基于机器人搅拌摩擦焊工艺性力学参量周期性变化数据，开发机器人的主动抑振算法，实现本体刚度和电气控制两个角度的机电耦合抑振。
(1)搅拌摩擦焊机器人振动机理的研究
本研究首先深入研究搅拌摩擦焊工艺特性，揭示搅拌摩擦焊大载荷和工艺性力学参量周期变化规律。基于上述研究结果提出搅拌摩擦焊机器人振动机理。
(2)基于有源阻尼能量补偿的主动抑振系统
机器人控制器轨迹规划周期为6ms，因此在控制器层面最小的操作时间片单元为6ms，由工艺振动试验中的数据挖掘优化，可以通过加速度传感器获得机器人在实施搅拌摩擦焊的过程中的低频振动信号，获得抑制该振动所需要信号的频率、振幅和占空比。举例，假设测得的工艺过程中的低频振动信号为40Hz，那么可以人为增加一个最小周期为12ms(最大频率为83hz＝1000/12)的周期性信号，来帮助抑制机器人搅拌摩擦焊过程中的低频振动。
在伺服层面，采用基于有源阻尼抑制的方式，通过获取系统振动频率，针对特定频率的振动采取控制阻尼能量的方式来达到抑制振动的目的；运动控制层面，针对机器人进行动力学建模，结合动力学前馈补偿方法，根据机器人各关节实时运行过程中的运动学信息(关节位置速度加速度)、动力学信息(关节质量、转动惯量、摩擦系数、阻尼等)和参数化的负载信息(来自工艺数据库获得的末端振动模型)，计算前馈电流，实现对机器人的变刚度控制、达到主动振动抑制的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明所提供的机器人搅拌摩擦焊主动抑振流程示意图。
图2为本发明所提供的动力学前馈参数化补偿流程示意图。
图3为本发明所提供的主动抑振技术流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的说明。该附图仅仅是本发明中的一部分案例，是为了对本发明作出一个更清楚的解释。
如图1所示为本发明所提供的机器人搅拌摩擦焊主动抑振流程示意图。
步骤一，启动机器人搅拌摩擦焊设备，并将机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化。
步骤二，在机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化后，打开焊接参数配置页面，对机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数(进给速度、下压量、电主轴转速)进行配置。
步骤三，在配置好机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数后，对机器人搅拌摩擦焊需要焊接的焊缝进行轨迹示教，由控制器中的机器人控制程序逆运动学完成轨迹规划与插补运算。
步骤四，在完成焊缝轨迹规划和插补运算后，打开振动传感器通讯参数配置页面，进行通讯参数(通讯IP、端口号、采样频率)的配置。
步骤五，在完成振动传感器通讯参数配置后，判断振动传感器通讯是否连通，若为是则继续后续步骤，反之，则转回步骤四，检查通讯参数配置是否正确。
步骤六，在振动传感器通讯正常后，开始进行机器人搅拌摩擦焊焊接，运动过程中通过加速度传感器采集机器人末端的低频振动信号，并由绝对值编码器反馈机器人实时位置信息，经由驱动器发送给机器人控制器，在机器人控制器中对这些数据进行处理。
步骤七，机器人搅拌摩擦焊焊接过程中，机器人控制器对由步骤六所得数据进行处理，判断机器人末端主轴是否振动，这里设定一个阈值，如超过阈值范围则判定为主轴振动，进入步骤八，反之则判定为主轴不振动，然后不对机器人施加控制，顺利完成这个运动周期焊接即可。
步骤八，经由步骤七判断为主轴振动，则调用主动抑振控制算法，结合经由大量工艺实验建立的工艺数据库中的数据，将采集到的主轴末端加速度数据以及驱动器提供的机器人实时位置信息(关节位置速度加速度等信息)进行处理，输出电流补偿信号(电流补偿信号包含频率幅值占空比的设定)叠加进电流环中去，使得主轴末端产生一个高频振动，打散其原有的低频振动信号，从而达到主动抑振的目的。
抑振方法得具体实施方式为在该规划周期内，调用Fun_VibrationFrequency振动频率功能函数，在最小时间片单元中，根据输入参数频率、振幅和占空比获得该时间片的电流补偿信号，然后将该信号叠加在机器人动力学前馈补偿上一起输出到驱动器的电流环力矩前馈。
振动频率信号发生函数接口：
Figure BDA0002685497160000051
步骤九，判断主轴振动是否减弱，若是，则完成后续焊接任务结束焊接；若否，则转至步骤六。
如图2所示为本发明所提供的动力学前馈参数化补偿流程示意图。由机器人伺服驱动器获取机器人各关节位置速度加速度等信息，经由机器人动力学前馈补偿，给到驱动器；然后由工艺数据库工艺参数获取抑制末端振动所需信号的频率、振幅、占空比，得到前进方向振动抑制动力学参数化补偿量给到驱动器。二者结合以电流前馈的方式叠加进机器人电流环中去，使机器人末端产生高频振动，打散原有的低频振动信号，从而达到主动抑振的目的。
如图3所示为本发明所提供的主动抑振技术流程示意图。机器人搅拌摩擦焊主动抑振方法具体实施由运动控制模块，电机伺服驱动模块，机器人模块三部分构成。运动控制模块由X86 CPU+DSP Core1以及DSPCore2+FPGA构成；点击伺服驱动模块由伺服控制以及电流放大器构成；机器人模块由机器人执行机构电机+编码器构成。
在运动控制器中，首先设定机器人各个参量以及工艺参数，然后进行机器人焊接轨迹示教，在任务空间进行轨迹规划，经由机器人逆向运动学求解各关节运动，进行关节空间轨迹插补后，发送脉冲指令给伺服驱动器对电机进行伺服控制。再由末端执行器参考位置gst转换成关节参考位置经由P、PI、PD调节电机电流控制电机运动。经由工艺数据库获取前进方向负载动力学参数化补偿结合机器人动力学补偿以电流前馈的形式叠加进机器人电流环中去，使机器人末端产生高频振动，打散原有的低频振动信号，从而达到主动抑振的目的。

Claims (2)

1.一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法，是对电主轴末端产生的低频振动进行主动抑制的方法；其特征在于，该方法包括如下步骤，步骤一，启动机器人搅拌摩擦焊设备，并将机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化；
步骤二，在机器人搅拌摩擦焊控制系统主程序运行初始化后，打开焊接参数配置页面，对机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数进行配置；
步骤三，在配置好机器人搅拌摩擦焊焊接工艺参数后，对机器人搅拌摩擦焊需要焊接的焊缝进行轨迹示教，由控制器中的机器人控制程序逆运动学完成轨迹规划与插补运算；
步骤四，在完成焊缝轨迹规划和插补运算后，打开振动传感器通讯参数配置页面，进行通讯参数的配置；
步骤五，在完成振动传感器通讯参数配置后，判断振动传感器通讯是否连通，若为是则继续后续步骤，反之，则转回步骤四，检查通讯参数配置是否正确；
步骤六，在振动传感器通讯正常后，开始进行机器人搅拌摩擦焊焊接，运动过程中通过加速度传感器采集机器人主轴末端的低频振动信号，并由绝对值编码器反馈机器人实时位置信息，经由驱动器发送给机器人控制器，在机器人控制器中对这些数据进行处理；
步骤七，机器人搅拌摩擦焊焊接过程中，机器人控制器对由步骤六所得数据进行处理，判断机器人主轴末端是否振动；设定一个阈值，如超过阈值范围则判定为主轴振动，进入步骤八，反之则判定为主轴不振动，然后不对机器人施加控制，顺利完成这个运动周期焊接；
步骤八，经由步骤七判断为主轴振动，则调用主动抑振控制算法，由机器人伺服驱动器获取机器人各关节位置速度加速度信息，经由机器人动力学前馈补偿，给到驱动器；然后由工艺数据库工艺参数获取抑制末端振动所需信号的频率、振幅、占空比，得到前进方向振动抑制动力学参数化补偿量给到驱动器；以电流前馈的方式叠加进机器人电流环中去，使机器人主轴末端产生高频振动，打散原有的低频振动信号，从而达到主动抑振的目的；
步骤九，判断主轴振动是否减弱，若是，则完成后续焊接任务结束焊接；若否，则转至步骤六。
2.如权利要求1所述的一种机器人搅拌摩擦焊的主动抑振方法，其特征在于，机器人搅拌摩擦焊主动抑振方法具体实施由运动控制模块、电机伺服驱动模块和机器人模块三部分构成；运动控制模块由X86 CPU+DSP Core1以及DSP Core2+FPGA构成；电机伺服驱动模块由伺服控制以及电流放大器构成；机器人模块由机器人执行机构电机和编码器构成。
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