基于复函数控制的焊接机器人焊缝跟踪方法的研究

It aims to carry out seam tracking research in middle-thickness board welding in this project bases on the arc sensor, and then to research the seam tracking control methods and self-adjusting welding control methods for width-narrow variety seam and random irregular seam. It firstly aims to design a welding robot (vehicle) structure, set up kinematic model and analyze the kinematic characteristics of the robot, set up theoretical model of each fuctional module, deduce the linkage control model of each driving axis of the robot, and then research the linkage control methods about each driving axis of the robot. Secondly, it will deduce the theoretical model of intelligent searching the initial position of seam, and then research on the control methods to realize the intelligent searching function, and solve the seam position error result from assemble error, fix error and others. Thirdly, it aims to set up the swift control model of the robot torch based on the complex variables functions G=AoCos(ωt)+ioBoSin(ωt+φ), and deduce out the seam tracking model and self-adjusting welding control model of the random irregular seam for the robot, and then carry out the control algorithm research of the robot, take imaginary number unit i as the control factor, make the robot automatically select the value of the factor i and automatically adjust the swift amplitude of the robot torch and welding parameters according to the acquisited signal data of welding current result from the welding arc variety when the robot uses swift welding, then realize the consistence welding for the width-narrow seam and random irregular welding seam. Lastly, it will carry out the embeded control system research of the robot based on the FPGA chip and develop the intelligent welding control software for users, and carry out research on external extended axis synchronous control methods with the robot and multi sensors' information fusion control methods.

以中厚板焊缝跟踪为研究对象，基于电弧传感，开展焊缝跟踪及随机不规则焊缝的自适应焊接控制方法的研究。首先开展机器人总体设计，建立其运动模型并进行运动学分析；在机器人各功能单元理论模型基础上，建立机器人各轴联动控制模型，开展各轴联动控制方法的研究；推导焊缝初始位置智能寻位理论模型并开展相应控制方法的研究，补偿焊缝因装配、安装所造成的初始位置误差；基于复函数G=AoCos(ωt)+ioBoSin(ωt+φ)，建立机器人焊枪摆动控制模型，推导焊缝跟踪与随机不规则焊缝的机器人自适应焊接控制模型，并开展控制算法的研究，以虚数单位i为智能控制因子，根据所采集的摆动焊接电弧变化引起的电流变化信号，自动判断i的取值，并自动调整焊枪摆幅、焊接速度等控制及焊接工艺参数，实现对宽窄随机变化焊缝的一致性焊接；基于FPGA开展嵌入式机器人控制系统的研究；开展外部扩展轴同步控制策略及多传感器信息融合控制方法的研究。

在中厚板MAG焊接过程中，由于工件下料、组对等误差影响，导致工件焊缝变形、焊缝坡口宽窄不一等，给机器人定幅摆动焊接及焊接起点寻找带来了很大的难度，工件焊接完成后需要补焊和打磨工时多。项目基于电弧传感，开展机器人焊缝轨迹跟踪及复函数控制的随机不规则焊缝坡口的自适应焊接控制方法的研究，使机器人在摆动焊接过程中，通过检测焊缝边际电流，从而改变焊枪的摆动幅度，调节机器人焊接速度，从而确保焊缝填充量的一致均匀性。.首先，确定机器人结构方案，完成了结构设计、选型，采用二值法与逼近法研究运动插补算法，完成了机器人运动学建模分析。采用试探与接触传感法，建立了机器人焊缝智能寻位控制模型；结合电弧传感采样数据，引入复函数控制方法G=A·cos(ωt)+i·B·cos(ωt+ψ)，完成了机器人焊接运动与焊枪摆动调节的复函数自适应控制算法研究，实现了机器人对宽窄不规则变化焊缝的自适应跟踪焊接。.其次，开发了基于ARM的机器人嵌入式系统控制器及基于μC/OS-II的嵌入式操作系统，同时将智能寻位算法、复函数焊缝跟踪控制算法，运动插补算法，底层驱动控制等进行了系统移植。硬件控制器具有液晶显示与触摸控制，键盘操作与示教编程，IO输入输出，WIFI与CAN总线通讯等功能，可同时实现5路伺服电机的驱动控制。.随后，基于移动互联与物联网，开发了基于安卓的机器人移动APP示教控制系统，实现了智能手机、平板对机器人的示教编程控制。.最后，搭建完成了试验样机平台，并分别开展了运动插补、智能寻位、焊缝轨迹跟踪、不规则焊缝坡口自适应跟踪焊接等仿真试验测试，取得了较好的结果。机器人最大焊接速度为100mm/s，摆动控制频率为0~5Hz，摆动幅度0~20mm（软限位），寻位速度按最大运动速度10%设定。.通过与其他公司合作，实现了自适应焊缝跟踪控制的部分研究成果及基于ARM的机器人多轴伺服驱动控制器的应用转化。