重載攪拌摩擦焊機器人性能分析及其閉環控制研究

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焊接技術，它可實現不同材質的固態連接，具有低孔隙率、高強度力學特性、無填充劑等優點[1]。所以，該種焊接技術在焊接領域受到越來越廣泛的關注，現已大量應用于航空、航天、船舶、軌道交通、汽車等領域及國內高鐵車體制造中[2-3]。

攪拌摩擦焊設備從結構形式上分為臺式、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，不適用于自動生產線上的焊接，所以將攪拌摩擦焊技術與工業機器人相結合，便產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、自動化生產制造的極大優勢，其市場需求巨大。如今，機器人攪拌摩擦焊已經成為焊接領域的重要發展方向。

如今在國外，工業機器人攪拌摩擦焊已走出實驗室，開始在工業生產上應用；在國內，工業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等[5]。

由于很難實時確定工業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，應用中的工業機器人一般都屬于開環控制，真正意義上的閉環控制還沒有實現。

1 重載攪拌摩擦焊機器人結構性能分析

如圖1所示，是一款載重為3 kN的工業機器人。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，對機器人本體結構進行性能分析。

1.1 機器人結構靜力學分析

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對其結構進行靜力學分析。

沿Z軸加載3.5 kN，經過計算得出，機器人結構最大應力是264.6 MPa，出現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，經過計算得出，機器人結構最大應力是389.3 MPa，出現在下臂與腰部的連接處，沒有超過合金結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 機器人結構模態分析

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

表1 機器人結構模態頻率

由表1可知，攪拌摩擦焊電機工作頻率與前幾階模態頻率相差很遠，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構共振，所以機器人結構能滿足模態相關要求。

從機器人靜力學分析和模態分析可知，機器人結構強度和振動特性滿足工作條件要求，但其結構剛度不能滿足實際加工要求，這也是重載工業機器人設計時常遇到的一個問題。為了增加工業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構尺寸，又因為大尺寸、高性能的減速器等關鍵零部件國內仍不能提供，所以一直制約著我國重載攪拌摩擦焊工業機器人研制。

2 閉環控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統的組成

目前，主流的室內定位技術包括：輔助全球衛星定位系統(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]。

隨著室內定位技術的發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合，可以真正實現重載攪拌摩擦焊機器人的閉環控制。

本文中閉環控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統由信號發射裝置、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。

適合該系統的室內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，但由于其發射信號容易受外部環境及噪聲的影響，其穩定性比較難保證。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、器件的高速發展，并可對定位精度的各影響因素進行有效控制，能實現較高精度定位，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 閉環控制的重載攪拌摩擦焊機器人系統組成

2.1 信號發射裝置

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

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射裝置發出的信號，就能確定信號發射裝置所在位置。考慮到機器人在運行過程中，信號源發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據傳遞。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傳感器，以精確分辨紅外強度。

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射裝置，并將信號發射裝置和信號接收裝置送過來的信息進行處理，計算出信號發射裝置在定位區域內的具體位置，再將位置信息傳送給機器人。定位服務器還有對信號發射裝置信號產生方式控制的功能，也有對信號發射裝置信號發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閉環控制原理

紅外線在機器人工作范圍內受外界干擾較小，以紅外室內定位技術為例，信號發射裝置向信號接收裝置發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 信號發射點與接收點之間的坐標關系

設信號發射裝置的坐標為(xd,yd,zd)，則有

(1)

紅外信號從發射點到接收點其信號強度會發生變化，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為包含紅外發射信號強度、光電發射管的光譜靈敏度、放大器增益等信息的常數；b為放大器的誤差和環境光效應，可根據不發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、調用函數、按規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，開環控制的機器人運動軌跡插補方法和原理是:機器人根據曲線類型及其走向，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，機器人位控系統根據這些中間點的位姿值，控制各個坐標軸相互協調運動，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。對于閉環控制的機器人系統，與開環控制的系統最大的區別是：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，機器人就能根據兩者之間的偏離值，自動將工具坐標系調整到沿預定軌跡運動。所以，這決定了閉環控制的機器人系統其運動軌跡插補原理和方法與開環控制的機器人系統是絕然不同的。

閉環控制的執行系統執行部件的運動，其實質是對預定軌跡的跟蹤，閉環控制的數控機床如此，閉環控制的機器人系統也是如此。閉環控制的數控機床刀具運動軌跡的插補原理和方法已經相當成熟，其插補方法可分為脈沖增量插補和數據采樣插補，因此閉環控制的機器人運動軌跡的插補方法可以借鑒數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，機器人根據位移增量值，驅動機器人各關節運動，達到預定位置。機器人信號發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，可根據信號發射裝置的具體位置值，經轉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，室內定位系統坐標系與機器人世界坐標系不同，為了將2種坐標系關聯，可將機器人底座圓心在室內定位系統坐標系內進行標定。

4 實驗

對于式(2)中的常數a和b：a為與紅外發射器有關的常數，不同的發射器a的值是不一樣的；b實際上是環境光產生的紅外強度，相對于發射的紅外光，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的值在紅外室內定位系統實際運用之前，需要經過反復的測試、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，將紅外發射裝置固定于機器人的末端執行器的適當位置，在機器人一側固定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°紅外發射器，發射波長為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，同時測得紅外發射器的第1個位置的坐標；然后讓機器人運動，使紅外發射器移動到第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 結束語

將1臺載重能力為3 kN的重載工業機器人改造為攪拌摩擦焊機器人后，對其結構性能進行了分析，發現該機器人結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定位技術的機器人閉環控制系統。該系統由信號發射裝置、信號接收裝置、定位服務器、重載機器人組成，通過對該系統的原理進行研究，從理論上證明了機器人閉環控制系統的可行性。通過實驗，粗略得到了與紅外發射器有關的常數a和與紅外接收器有關的常數b的值。該機器人閉環控制系統可為生產線上自動攪拌摩擦焊的實現提供一種解決方案。隨著將來室內定位技術定位精度的提高，閉環控制的工業機器人定位精度也會越來越高。