徐志明 陳 吉 張 杰 劉學(xué)坤

1.上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化工程有限公司 上海 200233 2.上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司 上海 201906

1 應(yīng)用背景

攪拌摩擦焊是一種綠色環(huán)保的固相焊接技術(shù),將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入待焊材料表面,沿著焊縫行進(jìn),攪拌頭與待焊材料產(chǎn)生摩擦熱,使待焊材料軟化,在攪拌頭的帶動(dòng)下發(fā)生塑性流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)焊接。整個(gè)攪拌摩擦焊過程發(fā)生在待焊材料的熔點(diǎn)以下,避免了傳統(tǒng)熔焊帶來的氣孔、凝固裂紋、變形過大等缺陷[1-3]。攪拌摩擦焊技術(shù)自發(fā)明以來,在航空航天、船舶、軌道交通、汽車等多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用,成為與鋁合金最為契合的焊接技術(shù)[4-5]。

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人攪拌摩擦焊的研究與應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。加之重載工業(yè)機(jī)器人載荷能力的不斷提高,重載機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)和裝備已走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段,大大提高了焊接裝備自動(dòng)化程度和焊接生產(chǎn)效率,并進(jìn)一步提升了攪拌摩擦焊的工藝靈活性,使攪拌摩擦焊更適用于空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的焊接[6-7]。

攪拌摩擦焊在應(yīng)用中,對(duì)焊接設(shè)備剛度和焊接軌跡精度提出了較高的要求。相比傳統(tǒng)攪拌摩擦焊專機(jī)依靠絲桿和直線導(dǎo)軌來保證焊接軌跡精度,機(jī)器人攪拌摩擦焊依靠機(jī)器人串聯(lián)的機(jī)械臂和關(guān)節(jié)來保證焊接軌跡精度。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛性存在先天劣勢,導(dǎo)致機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中軌跡會(huì)發(fā)生偏移。機(jī)器人攪拌摩擦焊的軌跡偏移問題長期以來是一大痛點(diǎn),軌跡偏移不僅來源于機(jī)器人的控制精度,而且來源于整個(gè)系統(tǒng)的剛性[8-9]。目前,最有希望對(duì)機(jī)器人攪拌摩擦焊軌跡精度進(jìn)行在線補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎玫诙幋a器。標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)編碼器位于減速器之前,無法檢測角度偏差,第二編碼器位于減速器之后,可以在加載時(shí)補(bǔ)償減速器的畸變。筆者對(duì)第二編碼器在機(jī)器人攪拌摩擦焊軌跡精度補(bǔ)償中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊的基本過程如圖1所示。高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入工件表面,經(jīng)數(shù)秒加熱后,攪拌頭以一定的進(jìn)給速度沿焊縫向前行進(jìn),實(shí)現(xiàn)焊接。在攪拌摩擦焊過程中,焊接工具要承受豎直方向的軸向壓力FZ、水平方向的前進(jìn)抗力FX、側(cè)向力FY,如圖2所示。通常軸向壓力大于前進(jìn)抗力,前進(jìn)抗力大于側(cè)向力。外力的加載導(dǎo)致機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中會(huì)出現(xiàn)軌跡偏差,軸向壓力導(dǎo)致的軌跡偏差可以通過恒壓力控制系統(tǒng)來矯正,前進(jìn)抗力和側(cè)向力導(dǎo)致的橫向偏差目前尚無很好的解決方法,這一偏差反映在實(shí)際攪拌摩擦焊過程中焊接軌跡偏離實(shí)際焊縫,從而產(chǎn)生焊接缺陷。

圖1 攪拌摩擦焊基本過程

圖2 攪拌摩擦焊受力分析

工業(yè)機(jī)器人屬于半閉環(huán)結(jié)構(gòu),具有成本低、工作空間大、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)在于剛性不足。在攪拌摩擦焊產(chǎn)生較大外力的作用下,機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形。

六軸機(jī)器人J2軸如圖3所示。機(jī)器人法蘭端受到外力F作用時(shí),J2軸承受的力矩為FD,D為外力F相對(duì)于J2軸關(guān)節(jié)中心的力臂。

圖3 六軸機(jī)器人J2軸

力矩使關(guān)節(jié)實(shí)際位置q′2與電機(jī)編碼器顯示位置q2之間存在小角度偏差Δq2,Δq2為|q′2-q2|。顯然,力矩越大,小角度偏差越大。力矩又與外力和力臂成正比,因此小角度偏差既與外力大小有關(guān),又與機(jī)器人當(dāng)前位置有關(guān)。外力越大,機(jī)器人懸伸越長,小角度偏差越大。

小角度偏差經(jīng)機(jī)器人杠桿臂放大,導(dǎo)致機(jī)器人法蘭端產(chǎn)生數(shù)毫米的偏移Δx。機(jī)器人的總體偏差ΔX為:

ΔX=[ΔxΔyΔzΔwΔpΔr]T

(1)

式中:Δx、Δy、Δz依次為機(jī)器人x軸、y軸、z軸方向的直線偏差;Δw、Δp、Δr依次為機(jī)器人繞x軸、y軸、z軸的角度偏差。

以J2軸推及機(jī)器人的全部六軸,機(jī)器人總體偏差取決于各軸的小角度偏差,即:

ΔX=function(Δq1,Δq2,Δq3,Δq4,Δq5,Δq6)

(2)

六軸機(jī)器人總體偏差分析如圖4所示。

圖4 六軸機(jī)器人總體偏差分析

3 第二編碼器原理

由以上分析可知,機(jī)器人總體偏差既取決于外力大小,又受機(jī)器人位置影響。對(duì)于焊接特定材料,在穩(wěn)定焊接階段,外力大體保持恒定,機(jī)器人位置則時(shí)刻發(fā)生變化,總體偏差隨之變化,使離線補(bǔ)償極為困難。對(duì)于在線補(bǔ)償,標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)編碼器位于減速器之前,原理如圖5所示,無法檢測上述角度偏差,導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行軌跡偏離編程軌跡。第二編碼器由測頭和環(huán)形光柵尺構(gòu)成,設(shè)置于電機(jī)減速器之后,原理如圖6所示,可以在機(jī)器人加載條件下補(bǔ)償減速器的畸變,使機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行軌跡與編程軌跡更加吻合。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)編碼器原理

圖6 第二編碼器原理

采用發(fā)那科M-900iB機(jī)器人,搭建機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng),原理如圖7所示。通過在主軸上集成壓力傳感器,形成壓力控制系統(tǒng),補(bǔ)償機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中軸向壓力導(dǎo)致的軌跡偏差,保證焊接工藝設(shè)定的下壓量。再通過第二編碼器所測位置數(shù)據(jù),使控制系統(tǒng)補(bǔ)償機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中前進(jìn)抗力和側(cè)向力導(dǎo)致的橫向偏差,以保證焊接軌跡的精度。

圖7 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)原理

4 試驗(yàn)

采用上述機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng),對(duì)3 mm厚6061鋁合金進(jìn)行機(jī)器人攪拌摩擦焊試驗(yàn),如圖8所示。使用的攪拌頭軸肩直徑為9 mm,攪拌針長為2.9 mm,焊接過程中攪拌頭傾角為2.5°,焊接工具轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,進(jìn)給速度為800 mm/min,起焊壓力為3 400 N,焊接壓力為3 500 N,過程壓力控制精度為50 N,對(duì)比測試第二編碼器關(guān)閉和開啟條件下的焊接軌跡偏移量。焊縫軌跡偏移量測試結(jié)果如圖9所示。起焊壓力指在攪拌頭插入工件表面直至穩(wěn)定時(shí)所設(shè)置的壓力值,對(duì)應(yīng)攪拌摩擦焊過程中的加熱階段。焊接壓力指正式焊接過程中所設(shè)置的壓力值,一般大于起焊壓力,這是因?yàn)榧訜犭A段高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭停留在工件表面定點(diǎn)集中加熱,焊接階段攪拌頭沿焊縫行進(jìn),熱量分散,加熱階段工件的軟化程度更高,下壓力更小。焊接過程壓力控制精度設(shè)為50 N,意味著壓力傳感器數(shù)值變化在50 N以內(nèi)視為壓力恒定。焊接壓力過大,會(huì)使焊接工具略微抬離工件表面。焊接壓力過小,焊接工具會(huì)略微壓入工件。由此,保證焊接壓力為3 550 N±50 N。關(guān)閉和開啟第二編碼器時(shí),焊縫軌跡偏移量分別為2 mm和0.72 mm。

圖8 機(jī)器人攪拌摩擦焊試驗(yàn)

圖9 焊縫軌跡偏移量測試結(jié)果

機(jī)器人攪拌摩擦焊試驗(yàn)結(jié)果表明,第二編碼器開啟后,焊縫軌跡偏移量減小了64%。

5 結(jié)束語

筆者采用發(fā)那科M-900iB機(jī)器人,集成壓力控制系統(tǒng)和第二編碼器控制系統(tǒng),搭建機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)。機(jī)器人本體仍為標(biāo)準(zhǔn)型,控制軟件集成在機(jī)器人控制器中,機(jī)器人的一致性和安全性得到保障,既保留了機(jī)器人攪拌摩擦焊的高自動(dòng)化程度和工藝靈活性,又節(jié)省了系統(tǒng)集成成本。

攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的載荷對(duì)機(jī)器人的剛度和控制精度提出了較高的要求,標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)編碼器不足以補(bǔ)償機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中的軌跡偏差,第二編碼器可以在較大程度上彌補(bǔ)這一不足。試驗(yàn)結(jié)果表明,開啟第二編碼器能有效減小機(jī)器人攪拌摩擦焊軌跡偏移量。應(yīng)用第二編碼器進(jìn)行軌跡精度補(bǔ)償,可以解決機(jī)器人攪拌摩擦焊過程中的軌跡偏移問題,對(duì)機(jī)器人攪拌摩擦焊的推廣應(yīng)用有促進(jìn)作用。