移動焊接機器人彎曲焊縫跟蹤控制研究

張 涼

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，常州 213169）

移動焊接機器人采用模塊化設計，包括參數設定、數據采集、信號處理、控制以及波形顯示等模塊，其中控制模塊是設計重點。移動焊接機器人具備焊接質量穩定和焊接作業效率高的優勢，在先進制造領域應用廣泛。在移動焊接機器人焊接作業過程中，需要處理大量隨機不確定性因素帶來的焊接難題。因為常規控制手段難以滿足焊接動態控制要求，所以必須引入智能控制技術，以提高焊縫跟蹤控制性能。對于彎曲焊縫而言，運用模糊控制系統控制移動焊接機器人操作，能夠大幅提高焊縫跟蹤控制的精度，減少焊接振蕩。

1 移動機器人彎曲焊縫跟蹤控制方案

移動機器人彎曲焊縫跟蹤控制系統（簡稱跟蹤控制系統）由工控機、機器人、傳感器、焊機和循環水箱等硬件設備構成。根據焊接作業模塊，可將跟蹤控制系統分為機器人本體機構、主控系統和焊接系統[1]。跟蹤控制器系統要通過獲取偏差信號精確輸出控制量，從而驅動執行機構運動，以達到跟蹤控制彎曲焊縫、保證焊接質量的目的。為此，必須制定可行的跟蹤控制技術方案。

1.1 建型與仿真

建立跟蹤控制系統模型時，可以采用ADAMS軟件生成機電液一體化虛擬樣機模型，根據樣機模型提供焊接機器人產品設計方案，提出優化設計方案的策略，并提供產品仿真實驗，以驗證焊接機器人對焊縫的跟蹤控制的精確度，從而保證焊接產品的質量。進行仿真試驗時，可以在ADAMS軟件的支持下，利用軟件中的Controls模塊實現仿真功能。該模塊可以將復雜的控制操作添加到樣機模型中，并聯合分析系統運行情況，在設定的控制環境中輸出機電聯合仿真效果[2]。

1.2 并行控制方案

1.2.1 并行控制原理

跟蹤控制系統擁有粗略跟蹤執行機構和精確跟蹤二維運動平臺兩套執行機構。本文提出的跟蹤控制系統執行機構采用并行控制方案。方案運行時，從傳感器獲取焊接電流信號，自動識別焊縫位置偏差，將信息傳輸到滑動控制器，對執行機構操作發出指令，從而驅動移動焊接機器人左右輪移動，通過橫向運動滑塊和縱向位移滑塊，達到跟蹤控制彎曲焊縫的目的。在并行控制模式下，執行機構不僅會接收橫向滑塊位置信號，而且會接收焊縫偏差信號。在彎曲焊縫跟蹤控制中，并行控制能夠準別識別偏差大小，提前調整執行機構的運行姿態，避免機器人錯誤焊接。

1.2.2 糾偏控制

在彎曲焊縫跟蹤控制過程中，需要解決橫向糾偏問題。并行控制策略下的橫向糾偏主要通過機器人本體和橫向滑塊的共同作用實現。首先，在沒有發生焊接偏差的情況下，橫向滑塊不作出動作，其位置在對中位置附近，機器人本體執行直線運動。當橫向滑塊偏離對中位置后，機器人本體根據偏移量調整轉彎，避免橫向滑塊運行超出限定區域。其次，在發生較小焊接偏差的情況下，橫向滑塊快速作出糾偏動作，但機器人本體不需要調整轉彎。在橫向滑塊動作若干個周期后，若偏差問題并未解決且橫向滑塊伸出較大距離，機器人本體向偏差相反方向調整轉彎。在焊接作業中，如果曲線焊縫弧度較小且傳感器傳輸較小的偏差信號，則橫向滑塊作出糾偏動作，機器人緩慢調整控制參數，從而保證橫向滑塊動作不會超出行程范圍。最后，在發生較大焊接偏差的情況下，橫向滑塊作出糾偏動作，同時機器人本體作出相應的轉動。若經過若干個糾偏周期后仍然存在較大偏差，則逐步增大橫向滑塊與機器人本體的動作幅度；如果偏差逐步縮小，則執行上述較小焊接偏差的糾偏策略。在焊接弧度較大的彎曲焊縫時，橫向滑塊運動糾偏，機器人也跟隨作出姿態調整。在弧度逐步減小后，焊接偏差隨之減小，機器人本體的運行方向與焊縫處于平行狀態。

1.2.3 選擇跟蹤控制器

跟蹤控制系統要綜合考慮影響焊接過程的多種變量參數和大量不確定性因素，如焊接精度要求、焊接變形、算法精確性以及空間諧波干擾等因素。因為焊接過程屬于非直線運動，建模復雜程度和實時控制要求較高，所以對跟蹤控制器的選擇要求更高。本文設計的跟蹤控制系統采用智能控制技術和模糊控制器，可以將控制誤差轉變為模糊量，并遵循語言控制規則推理出模糊控制量，再通過解模糊算法將模糊量轉換成精確控制量，從而完成模糊控制調節任務。采用模糊控制器后，橫向滑塊成為實時糾偏的主要執行機構。它的運行軌跡由模糊控制器提供，橫向滑塊運動的同時機器人本體配合橫向滑塊動作，從而實現對彎曲焊縫軌跡的跟蹤控制[3]。

2 跟蹤控制系統中模糊控制器設計

2.1 模糊控制器的構成

模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫和解模糊接口3個部分構成。

2.1.1 模糊化接口

模糊控制器的輸入接口能夠將輸入的真實確定量轉換為模糊矢量。以模糊輸入變量e為例，其模糊子集包括正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負小（NS）、負中（NM）以及負大（NB）。

2.1.2 知識庫

數據庫和規則庫是知識庫的主體結構。其中：數據庫的作用是存儲、輸入和輸出模糊矢量值，當矢量值的論域為連續域時，建立隸屬度函數關系式；規則庫用于存儲模糊控制規則，積累了豐富的專家知識與經驗，能夠根據推理生成精確信息。模糊變量子集劃分與規則條數有著密切關聯。劃分子集越詳細，對應的規則條數越多。

2.1.3 解模糊接口

模糊控制器完成推理后，需要將模糊量輸入解模糊接口，根據解模糊關系方程得出模糊控制量[4]。該控制量經過轉換后能夠生成精確控制量，并將推理結果傳輸給控制器中心，完成解模糊量的過程。

2.2 模糊控制器系統分析

模糊控制器的控制對象為橫向滑塊和機器人本體，兩種均屬于二維運動。橫向滑塊控制器需要輸入的數據信息為焊縫與焊炬的偏差e和偏差變化ec，輸出數據為橫向滑塊運動的電機驅動信號，即移動速度信號u；機器人本體控制器需要輸入的數據信息為焊縫與焊炬的偏差e和橫向滑塊位置量e1，輸出數據為本體轉彎速度ω。橫向變量與機器人本體控制器的本質區別在于前者為單變量控制器，后者為多變量控制器[5]。

2.3 輸入量與輸出量模糊化

模糊控制器要確定輸入模糊集和輸出模糊集，需要用模糊語言描述輸入與輸出的精確量。在跟蹤控制中，采用七級語言變量描述物理量變化并判斷控制速度，將e、ec、u、e1和ω這5項輸入與輸出數據的模糊子集均確定為正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負小（NS）、負中（NM）和負大（NB）。假設傳感器的旋轉頻率為3，橫向滑塊的左右兩極限位移動為100 mm，那么輸出與輸出模糊量的范圍分別為：e=[-3，3]、ec=[-3，3]、e1=[-50，50]，ω=[-1.5，1.5]，u=[-4.5，4.5]。

確定輸入與輸出模糊子集和取值范圍后，要對模糊變量賦值，確定其隸屬度。若取值范圍屬于離散域，則需要建立模糊變量賦值表；若取值范圍屬于連續域，則需要建立模糊變量函數關系式。本文采用連續域定義變量建立三角形隸屬函數，以保證輸出控制量的精確度。隸屬度函數的重疊度選為0.5，避免了重疊度選取值過大而造成控制器分辨能力下降和重疊度過小而導致控制器魯棒性較差。

2.4 建立模糊控制規則庫

模糊控制規則庫是將手動控制策略歸納整合為語言控制策略的數據庫，推導輸出控制量的模糊語言值。橫向滑塊控制器規則庫的執行原則：誤差較大時，快速消除誤差；誤差較小時，防止超調，以穩定控制系統運行。機器人本體控制器規則庫的執行原則：配合橫向滑塊糾偏，跟蹤橫向滑塊運動，控制本體轉彎幅度，減少跟蹤調節波動。

3 結語

在移動焊接機器人設計中，需要引入智能控制技術，便于對彎曲焊縫等復雜形態的焊縫采用跟蹤控制策略，以提高復雜焊縫的跟蹤控制精確度。在跟蹤控制系統中，可以采用模糊控制器，結合焊接工藝實際要求改進模糊控制，使模糊控制具備自調整和自適應功能，進而提升移動焊接機器人對焊縫的跟蹤控制效果。