萬(wàn) 強(qiáng)，石從繼，吳修玉

(武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430064)

0 引言

攪拌摩擦焊是一種先進(jìn)固態(tài)焊接技術(shù)，它可實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)的固態(tài)連接，具有低孔隙率、高強(qiáng)度力學(xué)特性、無(wú)填充劑等優(yōu)點(diǎn)[1]。所以，該種焊接技術(shù)在焊接領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已大量應(yīng)用于航空、航天、船舶、軌道交通、汽車(chē)等領(lǐng)域及國(guó)內(nèi)高鐵車(chē)體制造中[2-3]。

攪拌摩擦焊設(shè)備從結(jié)構(gòu)形式上分為臺(tái)式、龍門(mén)式和機(jī)器人式等多種類(lèi)型，而臺(tái)式和龍門(mén)式常規(guī)攪拌摩擦焊設(shè)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(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的焊接，所以將攪拌摩擦焊技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，便產(chǎn)生了機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)[4]。機(jī)器人攪拌摩擦焊具有批量化、柔性化、自動(dòng)化生產(chǎn)制造的極大優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)需求巨大。如今，機(jī)器人攪拌摩擦焊已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

如今在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人攪拌摩擦焊已走出實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用；在國(guó)內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)還處于研究階段，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有突破，比如，重載工業(yè)機(jī)器人本體及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、適用于攪拌摩擦焊機(jī)器人集成的各種復(fù)雜傳感器和測(cè)控系統(tǒng)等[5]。

由于很難實(shí)時(shí)確定工業(yè)機(jī)器人末端點(diǎn)位置并符合一定精度要求，或者其位置不能全自動(dòng)跟蹤確定，目前，應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人一般都屬于開(kāi)環(huán)控制，真正意義上的閉環(huán)控制還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

1 重載攪拌摩擦焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)性能分析

如圖1所示，是一款載重為3 kN的工業(yè)機(jī)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(jī)器人，如圖2所示，對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析。

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有限元建模，針對(duì)機(jī)器人臂展較大時(shí)的某一工況，在考慮各部件重力作用的同時(shí)，分別沿Z軸和X軸對(duì)其進(jìn)行加載(載荷為3.5 kN)，再利用ANSYS對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

沿Z軸加載3.5 kN，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，機(jī)器人結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力是264.6 MPa，出現(xiàn)在下臂與腰部的連接處，沒(méi)有超過(guò)合金鋼的屈服強(qiáng)度極限(395 MPa)；但最大位移變形達(dá)到了14.11 mm。

沿X軸加載3.5 kN，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，機(jī)器人結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力是389.3 MPa，出現(xiàn)在下臂與腰部的連接處，沒(méi)有超過(guò)合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度極限(395 MPa)；但最大位移變形達(dá)到了12.86 mm。

1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

將機(jī)器人有限元模型導(dǎo)入ANSYS中，再對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到前8階模態(tài)頻率，如表1所示。

表1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率

由表1可知，攪拌摩擦焊電機(jī)工作頻率與前幾階模態(tài)頻率相差很遠(yuǎn)，可以確定，在進(jìn)行焊接工作時(shí)攪拌摩擦焊電機(jī)及攪拌頭不會(huì)引起機(jī)器人結(jié)構(gòu)共振，所以機(jī)器人結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足模態(tài)相關(guān)要求。

從機(jī)器人靜力學(xué)分析和模態(tài)分析可知，機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)特性滿(mǎn)足工作條件要求，但其結(jié)構(gòu)剛度不能滿(mǎn)足實(shí)際加工要求，這也是重載工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)常遇到的一個(gè)問(wèn)題。為了增加工業(yè)機(jī)器人的載重能力同時(shí)又保證足夠的剛度，需要加大機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸，又因?yàn)榇蟪叽?、高性能的減速器等關(guān)鍵零部件國(guó)內(nèi)仍不能提供，所以一直制約著我國(guó)重載攪拌摩擦焊工業(yè)機(jī)器人研制。

2 閉環(huán)控制的重載攪拌摩擦焊機(jī)器人系統(tǒng)的組成

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

隨著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展和定位精度的不斷提高，該項(xiàng)技術(shù)在很多方面逐漸得到應(yīng)用，但在精度要求高的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，其應(yīng)用顯得比較滯后。對(duì)于焊縫較寬(10 mm以上)的攪拌摩擦焊，如果其加工精度能達(dá)到毫米級(jí)，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(guān)定位技術(shù)，特別是紅外定位技術(shù)或者跟其他定位技術(shù)相結(jié)合，可以真正實(shí)現(xiàn)重載攪拌摩擦焊機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射裝置、信號(hào)接收裝置、定位服務(wù)器、重載機(jī)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(shù)包括超聲波定位技術(shù)、紅外定位技術(shù)等。對(duì)于超聲波單向測(cè)距室內(nèi)定位技術(shù)，不受多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)的影響，其定位精度比較高，例如美國(guó)Hexamite超聲波傳感器，測(cè)距精度已達(dá)到1 mm，但由于其發(fā)射信號(hào)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(duì)于單向測(cè)距紅外定位技術(shù)，影響其精度的因素包括發(fā)射源的紅外光譜及紅外強(qiáng)度均勻性、紅外傳感器的響應(yīng)光譜、響應(yīng)時(shí)間及測(cè)量精度、傳感器的安裝精度等。目前，隨著紅外探測(cè)器材、器件的高速發(fā)展，并可對(duì)定位精度的各影響因素進(jìn)行有效控制，能實(shí)現(xiàn)較高精度定位，常用紅外設(shè)備的測(cè)量精度已達(dá)1 mm，而特殊用途設(shè)備的測(cè)量精度更高。

圖3 閉環(huán)控制的重載攪拌摩擦焊機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.1 信號(hào)發(fā)射裝置

信號(hào)發(fā)射裝置固定在機(jī)器人末端執(zhí)行器的適當(dāng)位置，用來(lái)給信號(hào)接收裝置發(fā)射信號(hào)。信號(hào)發(fā)射裝置有通信傳輸接口，通過(guò)接口將發(fā)射信號(hào)相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳送給定位服務(wù)器。對(duì)于紅外發(fā)射裝置，需要采用各角度信號(hào)強(qiáng)弱均勻的發(fā)射器件，同時(shí)兼具良好的廣角發(fā)射性能，有利于3個(gè)以上的信號(hào)接收裝置能夠?qū)崟r(shí)接收到信號(hào)。

2.2 信號(hào)接收裝置

圖3中包含8個(gè)信號(hào)接收裝置，分布在機(jī)器人四周，其中角上布置4個(gè)，離地面一定高度；兩角連線(xiàn)的中點(diǎn)、接近地面布置4個(gè)。如果有3個(gè)信號(hào)接收裝置能同時(shí)收到信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出的信號(hào)，就能確定信號(hào)發(fā)射裝置所在位置。考慮到機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)可能會(huì)被遮擋，故進(jìn)行過(guò)多布置。為了確保有3個(gè)信號(hào)接收裝置能同時(shí)收到信號(hào)，還可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更多的布置。8個(gè)信號(hào)接收裝置有通信傳輸接口，通過(guò)接口與定位服務(wù)器進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)傳遞。對(duì)于紅外接收裝置，由于要考慮信號(hào)接收角度的問(wèn)題，需要采用高靈敏度的面?zhèn)鞲衅?，以精確分辨紅外強(qiáng)度。

2.3 定位服務(wù)器

定位服務(wù)器能分辨出不同的信號(hào)接收裝置和信號(hào)發(fā)射裝置，并將信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行處理，計(jì)算出信號(hào)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(jī)器人。定位服務(wù)器還有對(duì)信號(hào)發(fā)射裝置信號(hào)產(chǎn)生方式控制的功能，也有對(duì)信號(hào)發(fā)射裝置信號(hào)發(fā)射打開(kāi)和關(guān)閉的功能。

2.4 重載機(jī)器人

定位服務(wù)器有輸出接口，將計(jì)算出的信號(hào)發(fā)射裝置實(shí)時(shí)位置值傳送給機(jī)器人。為了對(duì)機(jī)器人工具坐標(biāo)系預(yù)定軌跡進(jìn)行跟蹤，機(jī)器人控制柜內(nèi)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)按要求進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，算出從前一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)到下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)機(jī)器人所需的位移增量，再驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，一步一步使機(jī)器人工具坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置。

3 重載攪拌摩擦焊機(jī)器人系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

紅外線(xiàn)在機(jī)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(shù)為例，信號(hào)發(fā)射裝置向信號(hào)接收裝置發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外信號(hào)。已知紅外接收傳感器1的坐標(biāo)(x1,y1,z1)，紅外接收傳感器2的坐標(biāo)(x2,y2,z2)，紅外接收傳感器3的坐標(biāo)(x3,y3,z3)，如圖4所示。

圖4 信號(hào)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系

設(shè)信號(hào)發(fā)射裝置的坐標(biāo)為(xd,yd,zd)，則有

(1)

紅外信號(hào)從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，而強(qiáng)度變化與信號(hào)的接收距離和接收角度有關(guān)[18]，其關(guān)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(hào)強(qiáng)度；a為包含紅外發(fā)射信號(hào)強(qiáng)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(yīng)，可根據(jù)不發(fā)射紅外信號(hào)時(shí)從接收端測(cè)得。而α1、α2、α3關(guān)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(gè)方程和3個(gè)未知變量，所以對(duì)于不同的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度值和接收信號(hào)強(qiáng)度值，都有對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(xd,yd,zd)的確定解。該方程組的解析表達(dá)式不容易得出，但在編程時(shí)，可以通過(guò)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(jìn)行求解。

已知起始點(diǎn)A(x,y,z)和到達(dá)點(diǎn)A′(x,y′,z′)，機(jī)器人工具坐標(biāo)系要從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A′點(diǎn)，開(kāi)環(huán)控制的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)方法和原理是:機(jī)器人根據(jù)曲線(xiàn)類(lèi)型及其走向，將AA′這段曲線(xiàn)進(jìn)行離散化，假設(shè)離散出n個(gè)點(diǎn)C1，C2，…，Cn，機(jī)器人便實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)中間點(diǎn)的位姿值，機(jī)器人位控系統(tǒng)根據(jù)這些中間點(diǎn)的位姿值，控制各個(gè)坐標(biāo)軸相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，走出預(yù)定軌跡。在這個(gè)過(guò)程中機(jī)器人工具坐標(biāo)系是沿著預(yù)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，由于外部作用和影響的存在，機(jī)器人工具坐標(biāo)系有沒(méi)有到達(dá)預(yù)定軌跡中間點(diǎn)是無(wú)法測(cè)定和知曉的。對(duì)于閉環(huán)控制的機(jī)器人系統(tǒng)，與開(kāi)環(huán)控制的系統(tǒng)最大的區(qū)別是：機(jī)器人工具坐標(biāo)系實(shí)時(shí)位置是可以確定和知曉的，當(dāng)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡偏離了預(yù)定軌跡，機(jī)器人就能根據(jù)兩者之間的偏離值，自動(dòng)將工具坐標(biāo)系調(diào)整到沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。所以，這決定了閉環(huán)控制的機(jī)器人系統(tǒng)其運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)原理和方法與開(kāi)環(huán)控制的機(jī)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(yùn)動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)預(yù)定軌跡的跟蹤，閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床如此，閉環(huán)控制的機(jī)器人系統(tǒng)也是如此。閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)原理和方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，其插補(bǔ)方法可分為脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，因此閉環(huán)控制的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)方法可以借鑒數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)方法。

定位服務(wù)器將計(jì)算出的信號(hào)發(fā)射裝置實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(xd,yd,zd)傳送給機(jī)器人，機(jī)器人控制柜內(nèi)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)將該位置值與預(yù)定到達(dá)位置值或插補(bǔ)位置值相對(duì)應(yīng)，再計(jì)算出機(jī)器人要達(dá)到預(yù)定位置或插補(bǔ)位置所需的X、Y、Z方向位移增量△x、△y、△z，機(jī)器人根據(jù)位移增量值，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定位置。機(jī)器人信號(hào)發(fā)射裝置的位置并不等同于機(jī)器人工具坐標(biāo)系的位置，它們之間存在一定的位置關(guān)系，可根據(jù)信號(hào)發(fā)射裝置的具體位置值，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到工具坐標(biāo)系的位置。機(jī)器人世界坐標(biāo)系一般是以機(jī)器人底座圓心作為參考，室內(nèi)定位系統(tǒng)坐標(biāo)系與機(jī)器人世界坐標(biāo)系不同，為了將2種坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，可將機(jī)器人底座圓心在室內(nèi)定位系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。

4 實(shí)驗(yàn)

對(duì)于式(2)中的常數(shù)a和b：a為與紅外發(fā)射器有關(guān)的常數(shù)，不同的發(fā)射器a的值是不一樣的；b實(shí)際上是環(huán)境光產(chǎn)生的紅外強(qiáng)度，相對(duì)于發(fā)射的紅外光，其強(qiáng)度非常小，由于不同的接收傳感器有不同的測(cè)量誤差，所以b還與接收器誤差有關(guān)。a和b的值在紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用之前，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試、計(jì)算、對(duì)比、修正而得到。在此，利用輻射照度計(jì)測(cè)得3個(gè)接收裝置接收到的紅外強(qiáng)度，再反向計(jì)算而粗略得到a的值；b的值可以通過(guò)不接收紅外光時(shí)輻射照度計(jì)的讀數(shù)得到。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)方法，還可以用來(lái)初步驗(yàn)證a的實(shí)際值。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖5所示，將紅外發(fā)射裝置固定于機(jī)器人的末端執(zhí)行器的適當(dāng)位置，在機(jī)器人一側(cè)固定3個(gè)紅外輻射照度計(jì)，并使輻射照度計(jì)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(zhǎng)為940 nm；紅外輻射照度計(jì)的型號(hào)為L(zhǎng)H-130，響應(yīng)光譜為760～1 100 nm，測(cè)量范圍為1～105μW/cm2，分辨率為1 μW/cm2。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

打開(kāi)紅外發(fā)射裝置和紅外輻射照度計(jì)，記錄第1組輻照值，同時(shí)測(cè)得紅外發(fā)射器的第1個(gè)位置的坐標(biāo)；然后讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使紅外發(fā)射器移動(dòng)到第2個(gè)位置，記錄第2組輻照值，測(cè)得第2個(gè)位置坐標(biāo)；利用同樣的方法，記錄第3組輻照值，測(cè)得第3個(gè)位置坐標(biāo)。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(xiàn)時(shí)，輻射照度計(jì)測(cè)得b的值為2 μW/cm2，并將b的值、輻照值和位置坐標(biāo)值分別代入式(3)和式(4)中的第1個(gè)方程，分別計(jì)算出3組a的值，然后取平均值，得a=4 266 μW/cm2。也可將測(cè)得值代入式(3)和式(4)中的第2個(gè)或第3個(gè)方程，以進(jìn)一步驗(yàn)證a的值。

5 結(jié)束語(yǔ)

將1臺(tái)載重能力為3 kN的重載工業(yè)機(jī)器人改造為攪拌摩擦焊機(jī)器人后，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)特性可滿(mǎn)足使用要求，但其剛度在某些工況下還達(dá)不到要求，因此針對(duì)這種情況，提出并設(shè)計(jì)了一種基于室內(nèi)定位技術(shù)的機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射裝置、信號(hào)接收裝置、定位服務(wù)器、重載機(jī)器人組成，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的原理進(jìn)行研究，從理論上證明了機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，粗略得到了與紅外發(fā)射器有關(guān)的常數(shù)a和與紅外接收器有關(guān)的常數(shù)b的值。該機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)可為生產(chǎn)線(xiàn)上自動(dòng)攪拌摩擦焊的實(shí)現(xiàn)提供一種解決方案。隨著將來(lái)室內(nèi)定位技術(shù)定位精度的提高，閉環(huán)控制的工業(yè)機(jī)器人定位精度也會(huì)越來(lái)越高。