[发明专利]机器人搅拌摩擦焊在线力位混合控制系统

说明书

本发明公开了一种机器人搅拌摩擦焊接系统，包括机器人本体、专用电主轴、六维力传感器、点激光传感器、搅拌针、变位机或固定平台；六维力传感器安装在机器人末端法兰盘与专用电主轴之间，实时测量搅拌头的末端受力，并转换到机器人工具坐标系中；点激光传感器安装在专用电主轴下方，测量搅拌轴肩与焊接工件的高度差；焊接工件放置在变位机或者固定平台上；机器人搅拌摩擦焊接系统共包括三种模式，分别是恒压力控制模式、恒位移控制模式和力位混合控制模式。采用本发明的技术方案，提高机器人搅拌摩擦焊的焊接质量，实现空间复杂曲面壁板的连接。

该发明受到国家重点研发计划——复杂曲面壁板结构搅拌摩擦焊机器人技术及系统(基金号：2018YFB1306400)的支持。

技术领域

本发明属于机器人搅拌摩擦焊领域，尤其涉及搅拌摩擦焊机器人末端的在线力位混合控制，适用于空间曲线链接，广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通等领域。

背景技术

高强铝合金大型薄壁复杂曲面壁板被广泛的应用于航空航天等领域，壁板具有结构尺寸大、形态各异、曲率变化大等特点。搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的固相连接技术，具有无熔化，焊接变形及残余应力低，焊接表面光滑，绿色环保，接头力学性能优异等优点。搅拌摩擦焊机器人系统灵活性好，智能化水平高，可完成空间曲面连接，采用搅拌摩擦焊机器人系统是提高新型轻质高强铝合金复杂空间曲线焊缝质量和焊接效率的有效途径和必然趋势。但机器人柔性高，搅拌摩擦焊末端受力复杂且顶锻力较大，促使机器人搅拌摩擦焊末端易产生振动，焊接过程中收到的力不恒定，搅拌轴肩与焊接板面接触不均匀，焊接深度不一，导致焊接质量降低。

发明内容

本发明针对以上存在的问题，提出一套机器人搅拌摩擦焊系统，实现搅拌摩擦焊机器人末端的在线力位混合控制，本发明通过机器人本体实现搅拌针与焊接材料的接触，通过对搅拌摩擦焊机器人末端的受力以及位置的反馈信息，实现搅拌摩擦焊过程中的恒压力控制、恒位移控制以及力位混合控制，提高机器人搅拌摩擦焊的焊接质量，实现空间复杂曲面壁板的连接。

一种机器人搅拌摩擦焊接系统，包括机器人本体、专用电主轴、六维力传感器、点激光传感器、搅拌针、变位机或固定平台；其中，六维力传感器安装在机器人末端法兰盘与专用电主轴之间，实时测量搅拌头的末端受力，并转换到机器人工具坐标系中；点激光传感器安装在专用电主轴下方，测量搅拌轴肩与焊接工件的高度差；焊接工件放置在变位机或者固定平台上；机器人搅拌摩擦焊接系统共包括三种模式，分别是恒压力控制模式、恒位移控制模式和力位混合控制模式；恒压力控制模式采用六维力传感器实时监测搅拌头受力，当搅拌轴肩与焊接板材充分接触时，该受力恒定，搅拌针按照预定轨迹运动并进行实时调整完成焊接；恒位移控制模式采用点激光传感器实时监测末端位置与焊接板材的高度差，促使焊接深度一致，搅拌针按照预定轨迹运动并进行实时调整；力位混合控制采用六维力传感器实时监测搅拌头受力，采用点激光传感器实时监测末端位置距离焊接板材的高度差，建立力与位置之间的控制算法，得出末端位置偏差量ΔZ₁，点激光传感器得出末端位置偏差量ΔZ₂，在PC中建立系数公式ΔZ＝a×ΔZ₁+b×ΔZ₂，并将ΔZ实时传递给控制器进行实时调整，实现力位混合控制。

进一步，六维力传感器安装在机器人的末端法兰盘与专用电主轴之间，点激光传感器安装在电主轴的下方。机器人本体带动专用电主轴运动，专用电主轴具有高转速、高性能、轴向承载能力大等优点，电主轴的输出端安装搅拌针，搅拌针跟随电主轴运动。

进一步，焊接板材放置在重载变位机或者固定平台上，变位机配置相应的驱动器，和机器人形成联动，当有变位机时，让机器人工作在最优的位置，减少各个关节的受力，变位机运动实现焊接。

进一步，机器人本体为串联机器人，具有高柔性、大工作空间的特点，包括关节、伺服电机、驱动器、运动控制器和PC等，控制器控制机器人本体实现六自由度运动，可承载较大的轴向载荷。