本發(fā)明涉及焊接機(jī)器人，尤其涉及一種軌跡偏移調(diào)整方法及焊接控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、有色金屬的攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，fsw)是廣泛應(yīng)用在多種制造業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)，目前最熱門的技術(shù)是使用工業(yè)機(jī)器人作為fsw的平臺(tái)，其同時(shí)具有柔性和成本兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是在復(fù)雜的三維空間曲線焊縫的場(chǎng)景應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)更為明顯。

2、傳統(tǒng)的fsw控制方法有一個(gè)基本假設(shè)：焊接執(zhí)行系統(tǒng)的剛性遠(yuǎn)大于工件作用于焊接主軸受到的焊接抗力。這個(gè)假設(shè)的前提是，通常用于攪拌摩擦焊的專用機(jī)床就有很高的結(jié)構(gòu)鋼性，可以保證工藝的準(zhǔn)確執(zhí)行。

3、而現(xiàn)有技術(shù)中，使用串聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行fsw作業(yè)時(shí)，相比于專用機(jī)床，串聯(lián)機(jī)器人的系統(tǒng)剛性較差，如果使用傳統(tǒng)的控制原理和工藝進(jìn)行焊接，作業(yè)過(guò)程中復(fù)雜多變的受力狀態(tài)常常導(dǎo)致焊接路徑偏離預(yù)設(shè)路徑。此外，機(jī)器人的加工柔性優(yōu)勢(shì)使得機(jī)器人fsw作業(yè)常常被用于應(yīng)對(duì)三維空間的焊縫，為了同時(shí)滿足預(yù)設(shè)移動(dòng)路徑和fsw攪拌頭傾角的要求，機(jī)器人往往需要多軸電機(jī)配合動(dòng)作，這又使得剛性問題更加突出。

4、雖然除了fsw，其他類型的機(jī)器人焊接過(guò)程中例如大型結(jié)構(gòu)件的電弧焊接過(guò)程中也存在焊接路徑的偏離問題。但是，其他類型的焊接過(guò)程中的路徑偏離問題往往是機(jī)器人本身的精度問題和被焊對(duì)象的形狀偏離(包括加工缺陷、裝配誤差和熱輸入變形等)共同影響的結(jié)果。而機(jī)器人fsw作業(yè)的路徑偏離問題主要來(lái)源于fsw作業(yè)工具(主要是攪拌頭)和被焊工件間的相互作用力，所以在前述影響因素全部消除的情況下，機(jī)器人fsw作業(yè)過(guò)程中的路徑偏離問題依然存在。

5、下文中具體描述機(jī)器人fsw作業(yè)過(guò)程中存在的路徑偏離問題：

6、如圖2中所示為現(xiàn)有的串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行fsw作業(yè)時(shí)，其攪拌頭的行進(jìn)示意圖。具體地，在串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行fsw作業(yè)時(shí)，攪拌頭的前進(jìn)方向?yàn)閤軸的正方向，攪拌頭的側(cè)向?yàn)閥軸的正方向，攪拌頭的法向向上(垂直于xoy平面)為z軸的正方向，從而可以基于焊接過(guò)程中的焊縫位置來(lái)構(gòu)建xyz坐標(biāo)系。

7、圖3中為現(xiàn)有的串聯(lián)機(jī)器人在進(jìn)行fsw作業(yè)時(shí)，攪拌頭的運(yùn)行原理。攪拌頭在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中是高速旋轉(zhuǎn)的，通常把攪拌頭線速度和前進(jìn)方向同向的一側(cè)稱為前進(jìn)側(cè)(即x軸的正方向)，相反的一側(cè)稱為后退側(cè)。按照現(xiàn)有技術(shù)中心傳統(tǒng)的fsw作業(yè)方法，串聯(lián)機(jī)器人在進(jìn)行焊接時(shí)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)，下扎到焊縫位置，具體位置通過(guò)力傳感器判斷，即沿著主軸方向的抗力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)認(rèn)為達(dá)到目標(biāo)位置。然后，機(jī)器人沿著x軸的前進(jìn)方向前進(jìn)完成焊接作業(yè)。在焊接過(guò)程中，將攪拌頭保持在xoz平面內(nèi)，其相對(duì)于法向軸z有2.5°的傾角(視具體工況，這個(gè)角度通常在0°～5°范圍內(nèi)調(diào)整)。

8、則現(xiàn)有技術(shù)中，采用傳統(tǒng)的fsw控制方法會(huì)產(chǎn)生典型的如圖3中所示的軌跡偏移。具體地，焊接過(guò)程中，實(shí)際的位置和示教位置之間存在一個(gè)位移，標(biāo)注為δ。這個(gè)偏移出現(xiàn)在焊接開始階段，其大小跟多種因素有關(guān)，包括焊接目標(biāo)的材料，焊接的工藝參數(shù)，機(jī)器人的剛性等。理論上，機(jī)器人的剛性提高到專用機(jī)床的水平，可以消除這個(gè)偏移，但是，對(duì)于目前商業(yè)化的攪拌摩擦焊的應(yīng)用(主要是鋁合金焊接)而言，市場(chǎng)上常見的負(fù)載700kg以下的串聯(lián)機(jī)器人均不能提供足夠的剛性支撐。

9、進(jìn)一步地，在現(xiàn)有的fsw恒力控制技術(shù)中，力傳感器的作用在于監(jiān)控?cái)嚢桀^的軸向力，即與圖2中的z軸呈0°～5°角度方向的力的變化，通過(guò)調(diào)整軸向的進(jìn)給量將壓力保持在某個(gè)范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的fsw恒力控制技術(shù)的參數(shù)控制點(diǎn)通常包括焊接速度、焊縫軌跡坐標(biāo)以及xoz傾角，攪拌頭的轉(zhuǎn)速是和焊接速度鎖定的非獨(dú)立調(diào)節(jié)參數(shù)，即在調(diào)節(jié)焊接速度的同時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生調(diào)整，但不對(duì)轉(zhuǎn)速做單獨(dú)調(diào)整。則現(xiàn)有的fsw恒力控制技術(shù)使得機(jī)器人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性遠(yuǎn)低于專用機(jī)床，使用這樣的控制方法會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的軌跡偏離和焊接失效。

10、圖4是另外一種更極端的情況，即預(yù)定的焊縫上會(huì)有堆焊點(diǎn)。fsw由于其原理特點(diǎn)，焊接過(guò)程中需要對(duì)焊接對(duì)象進(jìn)行強(qiáng)固定，則在實(shí)際操作中，常常通過(guò)手工焊接等方法制造固定點(diǎn)。這樣的固定點(diǎn)不會(huì)對(duì)專用機(jī)床的工作造成困難，但是對(duì)于剛性本來(lái)就相對(duì)不足的機(jī)器人fsw平臺(tái)，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的偏移，即遇到這樣的固定點(diǎn)，δ值會(huì)遠(yuǎn)大于無(wú)固定點(diǎn)的情況。

11、綜上所述，現(xiàn)有的機(jī)器人fsw恒力控制方式，無(wú)法解決以上兩種δ值大于零的情況，即因機(jī)器人平臺(tái)本身剛性問題產(chǎn)生的焊接軌跡偏移，以及因堆焊點(diǎn)而進(jìn)一步加大焊接軌跡偏移的情況，因此會(huì)大幅降低焊接成功率，使得串聯(lián)機(jī)器人fsw平臺(tái)相對(duì)于專用機(jī)床的fsw作業(yè)存在產(chǎn)品良率和焊接效率的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，現(xiàn)提供一種軌跡偏移調(diào)整方法及焊接控制系統(tǒng)的技術(shù)方案，旨在對(duì)串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行fsw作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的軌跡偏移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。上述技術(shù)方案具體包括：

2、一種軌跡偏移調(diào)整方法，應(yīng)用于焊接機(jī)器人，所述焊接機(jī)器人用于進(jìn)行fsw作業(yè)；其中，基于焊接過(guò)程中的焊縫位置構(gòu)建xyz坐標(biāo)系，其中x軸指向焊接前進(jìn)方向，y軸和z軸均同時(shí)垂直于x軸以及待焊接的工件表面，y軸垂直于xoz平面，z軸垂直于xoy平面；

3、所述軌跡偏移調(diào)整方法中包括：

4、步驟s1，獲取所述焊接機(jī)器人在焊接時(shí)產(chǎn)生偏移的偏移起始位置；

5、步驟s2，于所述偏移起始位置開始執(zhí)行對(duì)所述焊接機(jī)器人沿y軸和z軸之間的yoz傾角進(jìn)行調(diào)整的第一調(diào)整過(guò)程；

6、步驟s3，于所述第一調(diào)整過(guò)程執(zhí)行完畢后，開始執(zhí)行對(duì)所述焊接機(jī)器人的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度進(jìn)行調(diào)整的第二調(diào)整過(guò)程；

7、步驟s4，于所述第二調(diào)整過(guò)程執(zhí)行完畢后，返回所述步驟s1，以獲取下一個(gè)所述偏移起始位置。

8、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，所述步驟s2中，所述第一調(diào)整過(guò)程為：

9、步驟s21，在所述偏移起始位置對(duì)yoz傾角進(jìn)行調(diào)整；

10、步驟s22，對(duì)yoz傾角調(diào)整完畢后，逐漸回正yoz傾角，并在所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置使得yoz傾角正好回正至對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，以完成所述第一調(diào)整過(guò)程。

11、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，所述步驟s3中，所述第二調(diào)整過(guò)程包括：

12、步驟s31，在所述第一調(diào)整過(guò)程執(zhí)行完畢后，在所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置對(duì)所述攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度進(jìn)行調(diào)整；

13、步驟s32，對(duì)所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度調(diào)整完畢后，逐漸恢復(fù)所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度，并在所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置使得所述攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度分別正好恢復(fù)至對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，以完成所述第二調(diào)整過(guò)程。

14、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，在所述焊接機(jī)器人的本體與連接所述攪拌頭的主軸的法蘭之間設(shè)置多維力傳感器，通過(guò)所述多維力傳感器檢測(cè)所述焊接機(jī)器人沿xyz坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸方向的力；

15、則在執(zhí)行所述步驟s1之前，首先根據(jù)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)所述焊接機(jī)器人當(dāng)前的偏移狀態(tài)；

16、在所述焊接機(jī)器人產(chǎn)生偏移且處于非由堆焊點(diǎn)造成的第一類的偏移狀態(tài)時(shí)：

17、將與所述偏移起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的位置確認(rèn)為所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置。

18、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，在所述焊接機(jī)器人的本體與連接所述攪拌頭的主軸的法蘭之間設(shè)置多維力傳感器，通過(guò)所述多維力傳感器檢測(cè)所述焊接機(jī)器人沿xyz坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸方向的力；

19、則在執(zhí)行所述步驟s1之前，首先根據(jù)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)所述焊接機(jī)器人當(dāng)前的偏移狀態(tài)；

20、在所述焊接機(jī)器人產(chǎn)生偏移且處于非由堆焊點(diǎn)造成的第一類的偏移狀態(tài)時(shí)：

21、在所述第一調(diào)整過(guò)程執(zhí)行完畢后，將所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)條件的位置作為所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置，以及

22、將與所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的五倍的位置確認(rèn)為所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置。

23、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，在所述焊接機(jī)器人的本體與連接所述攪拌頭的主軸的法蘭之間設(shè)置多維力傳感器，通過(guò)所述多維力傳感器檢測(cè)所述焊接機(jī)器人沿xyz坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸方向的力；

24、則在執(zhí)行所述步驟s1之前，首先根據(jù)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)所述焊接機(jī)器人當(dāng)前的偏移狀態(tài)；

25、在所述焊接機(jī)器人產(chǎn)生偏移且處于由堆焊點(diǎn)造成的第二類的偏移狀態(tài)時(shí)：

26、根據(jù)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置：

27、若從所述偏移起始位置至一預(yù)設(shè)的初始終止位置之間，所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果始終滿足預(yù)設(shè)的檢測(cè)條件，則將預(yù)設(shè)的所述初始終止位置確認(rèn)為所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置；

28、若從所述偏移起始位置至一預(yù)設(shè)的初始終止位置之間的任意一個(gè)位置，所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果不滿足預(yù)設(shè)的所述檢測(cè)條件，則將不滿足預(yù)設(shè)的所述檢測(cè)條件所在的位置確認(rèn)為所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置；

29、所述偏移起始位置與預(yù)設(shè)的所述初始終止位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的1.8倍。

30、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，預(yù)設(shè)的所述檢測(cè)條件為：

31、dfx+dfy≤40；

32、其中：

33、dfx用于表示所述多維力傳感器檢測(cè)到的所述焊接機(jī)器人沿x軸方向的實(shí)時(shí)的力的變化率；

34、dfy用于表示所述多維力傳感器檢測(cè)到的所述焊接機(jī)器人沿y軸方向的實(shí)時(shí)的力的變化率。

35、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，在所述焊接機(jī)器人的本體與連接所述攪拌頭的主軸的法蘭之間設(shè)置多維力傳感器，通過(guò)所述多維力傳感器檢測(cè)所述焊接機(jī)器人沿xyz坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸方向的力；

36、則在執(zhí)行所述步驟s1之前，首先根據(jù)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果確認(rèn)所述焊接機(jī)器人當(dāng)前的偏移狀態(tài)；

37、在所述焊接機(jī)器人產(chǎn)生偏移且處于由堆焊點(diǎn)造成的第一類的偏移狀態(tài)時(shí)：

38、在所述第一調(diào)整過(guò)程執(zhí)行完畢后，將所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)條件的位置作為所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置，以及

39、將與所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的五倍的位置確認(rèn)為所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置。

40、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，當(dāng)所述多維力傳感器的檢測(cè)結(jié)果滿足下述預(yù)設(shè)條件時(shí)，將當(dāng)前的位置作為所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置：

41、

42、其中：

43、fx用于表示所述多維力傳感器檢測(cè)到的所述焊接機(jī)器人沿x軸方向的實(shí)時(shí)的力；

44、fy用于表示所述多維力傳感器檢測(cè)到的所述焊接機(jī)器人沿y軸方向的實(shí)時(shí)的力；

45、fx0用于表示所述焊接機(jī)器人沿x軸方向的力的標(biāo)準(zhǔn)值；

46、fy0用于表示所述焊接機(jī)器人沿y軸方向的力的標(biāo)準(zhǔn)值。

47、優(yōu)選的，該軌跡偏移調(diào)整方法，其中，根據(jù)焊縫形態(tài)預(yù)先獲得所述偏移起始位置，并根據(jù)所述偏移起始位置預(yù)先設(shè)置所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置、所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置以及所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置；

48、針對(duì)所述焊接機(jī)器人非因堆焊點(diǎn)產(chǎn)生偏移的情況：

49、所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置與所述偏移起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸；

50、所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置與所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置之間的距離范圍為[1l,1.5l]，其中l(wèi)用于表示所述攪拌頭的軸肩的尺寸；

51、所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置與所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的五倍；

52、針對(duì)所述焊接機(jī)器人因堆焊點(diǎn)產(chǎn)生偏移的情況：

53、將所述偏移起始位置確定為所述攪拌頭的軸肩的前端與所述堆焊點(diǎn)的末端齊平時(shí)的位置；

54、將所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置確定為所述攪拌頭的軸肩的后端與所述堆焊點(diǎn)的末端齊平時(shí)的位置；

55、所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置與所述第一調(diào)整過(guò)程的終止位置重合；

56、所述第二調(diào)整過(guò)程的終止位置與所述第二調(diào)整過(guò)程的起始位置之間的距離等于所述攪拌頭的軸肩的尺寸的五倍。

57、一種焊接控制系統(tǒng)，應(yīng)用于焊接機(jī)器人，所述焊接機(jī)器人用于進(jìn)行fsw作業(yè)；其中，應(yīng)用上述的軌跡偏移調(diào)整方法，在所述焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接的過(guò)程中進(jìn)行軌跡偏移調(diào)整。

58、上述技術(shù)方案的有益效果為：通過(guò)轉(zhuǎn)速和焊接速度的調(diào)整實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接時(shí)的熱輸入，通過(guò)yoz傾角的調(diào)整實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)y軸方向和z軸方向的力的分配情況，以及調(diào)整熱輸入在y軸方向的分布情況，從而避免焊接抗力超過(guò)機(jī)器人剛性而導(dǎo)致的軌跡偏移的可能性，提升fsw作業(yè)的焊接成功率，解決了串聯(lián)機(jī)器人fsw作業(yè)平臺(tái)所存在的產(chǎn)品良率和焊接效率的問題。