移動(dòng)焊接機(jī)器人彎曲焊縫跟蹤控制研究

張 涼

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，常州 213169）

移動(dòng)焊接機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，包括參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、控制以及波形顯示等模塊，其中控制模塊是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。移動(dòng)焊接機(jī)器人具備焊接質(zhì)量穩(wěn)定和焊接作業(yè)效率高的優(yōu)勢(shì)，在先進(jìn)制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在移動(dòng)焊接機(jī)器人焊接作業(yè)過(guò)程中，需要處理大量隨機(jī)不確定性因素帶來(lái)的焊接難題。因?yàn)槌Ｒ?guī)控制手段難以滿足焊接動(dòng)態(tài)控制要求，所以必須引入智能控制技術(shù)，以提高焊縫跟蹤控制性能。對(duì)于彎曲焊縫而言，運(yùn)用模糊控制系統(tǒng)控制移動(dòng)焊接機(jī)器人操作，能夠大幅提高焊縫跟蹤控制的精度，減少焊接振蕩。

1 移動(dòng)機(jī)器人彎曲焊縫跟蹤控制方案

移動(dòng)機(jī)器人彎曲焊縫跟蹤控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱跟蹤控制系統(tǒng)）由工控機(jī)、機(jī)器人、傳感器、焊機(jī)和循環(huán)水箱等硬件設(shè)備構(gòu)成。根據(jù)焊接作業(yè)模塊，可將跟蹤控制系統(tǒng)分為機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)、主控系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)[1]。跟蹤控制器系統(tǒng)要通過(guò)獲取偏差信號(hào)精確輸出控制量，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到跟蹤控制彎曲焊縫、保證焊接質(zhì)量的目的。為此，必須制定可行的跟蹤控制技術(shù)方案。

1.1 建型與仿真

建立跟蹤控制系統(tǒng)模型時(shí)，可以采用ADAMS軟件生成機(jī)電液一體化虛擬樣機(jī)模型，根據(jù)樣機(jī)模型提供焊接機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的策略，并提供產(chǎn)品仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接機(jī)器人對(duì)焊縫的跟蹤控制的精確度，從而保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量。進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，可以在ADAMS軟件的支持下，利用軟件中的Controls模塊實(shí)現(xiàn)仿真功能。該模塊可以將復(fù)雜的控制操作添加到樣機(jī)模型中，并聯(lián)合分析系統(tǒng)運(yùn)行情況，在設(shè)定的控制環(huán)境中輸出機(jī)電聯(lián)合仿真效果[2]。

1.2 并行控制方案

1.2.1 并行控制原理

跟蹤控制系統(tǒng)擁有粗略跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)和精確跟蹤二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文提出的跟蹤控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用并行控制方案。方案運(yùn)行時(shí)，從傳感器獲取焊接電流信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別焊縫位置偏差，將信息傳輸?shù)交瑒?dòng)控制器，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作發(fā)出指令，從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)焊接機(jī)器人左右輪移動(dòng)，通過(guò)橫向運(yùn)動(dòng)滑塊和縱向位移滑塊，達(dá)到跟蹤控制彎曲焊縫的目的。在并行控制模式下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅會(huì)接收橫向滑塊位置信號(hào)，而且會(huì)接收焊縫偏差信號(hào)。在彎曲焊縫跟蹤控制中，并行控制能夠準(zhǔn)別識(shí)別偏差大小，提前調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行姿態(tài)，避免機(jī)器人錯(cuò)誤焊接。

1.2.2 糾偏控制

在彎曲焊縫跟蹤控制過(guò)程中，需要解決橫向糾偏問(wèn)題。并行控制策略下的橫向糾偏主要通過(guò)機(jī)器人本體和橫向滑塊的共同作用實(shí)現(xiàn)。首先，在沒(méi)有發(fā)生焊接偏差的情況下，橫向滑塊不作出動(dòng)作，其位置在對(duì)中位置附近，機(jī)器人本體執(zhí)行直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)橫向滑塊偏離對(duì)中位置后，機(jī)器人本體根據(jù)偏移量調(diào)整轉(zhuǎn)彎，避免橫向滑塊運(yùn)行超出限定區(qū)域。其次，在發(fā)生較小焊接偏差的情況下，橫向滑塊快速作出糾偏動(dòng)作，但機(jī)器人本體不需要調(diào)整轉(zhuǎn)彎。在橫向滑塊動(dòng)作若干個(gè)周期后，若偏差問(wèn)題并未解決且橫向滑塊伸出較大距離，機(jī)器人本體向偏差相反方向調(diào)整轉(zhuǎn)彎。在焊接作業(yè)中，如果曲線焊縫弧度較小且傳感器傳輸較小的偏差信號(hào)，則橫向滑塊作出糾偏動(dòng)作，機(jī)器人緩慢調(diào)整控制參數(shù)，從而保證橫向滑塊動(dòng)作不會(huì)超出行程范圍。最后，在發(fā)生較大焊接偏差的情況下，橫向滑塊作出糾偏動(dòng)作，同時(shí)機(jī)器人本體作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。若經(jīng)過(guò)若干個(gè)糾偏周期后仍然存在較大偏差，則逐步增大橫向滑塊與機(jī)器人本體的動(dòng)作幅度；如果偏差逐步縮小，則執(zhí)行上述較小焊接偏差的糾偏策略。在焊接弧度較大的彎曲焊縫時(shí)，橫向滑塊運(yùn)動(dòng)糾偏，機(jī)器人也跟隨作出姿態(tài)調(diào)整。在弧度逐步減小后，焊接偏差隨之減小，機(jī)器人本體的運(yùn)行方向與焊縫處于平行狀態(tài)。

1.2.3 選擇跟蹤控制器

跟蹤控制系統(tǒng)要綜合考慮影響焊接過(guò)程的多種變量參數(shù)和大量不確定性因素，如焊接精度要求、焊接變形、算法精確性以及空間諧波干擾等因素。因?yàn)楹附舆^(guò)程屬于非直線運(yùn)動(dòng)，建模復(fù)雜程度和實(shí)時(shí)控制要求較高，所以對(duì)跟蹤控制器的選擇要求更高。本文設(shè)計(jì)的跟蹤控制系統(tǒng)采用智能控制技術(shù)和模糊控制器，可以將控制誤差轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?，并遵循語(yǔ)言控制規(guī)則推理出模糊控制量，再通過(guò)解模糊算法將模糊量轉(zhuǎn)換成精確控制量，從而完成模糊控制調(diào)節(jié)任務(wù)。采用模糊控制器后，橫向滑塊成為實(shí)時(shí)糾偏的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的運(yùn)行軌跡由模糊控制器提供，橫向滑塊運(yùn)動(dòng)的同時(shí)機(jī)器人本體配合橫向滑塊動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲焊縫軌跡的跟蹤控制[3]。

2 跟蹤控制系統(tǒng)中模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的構(gòu)成

模糊控制器主要由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)和解模糊接口3個(gè)部分構(gòu)成。

2.1.1 模糊化接口

模糊控制器的輸入接口能夠?qū)⑤斎氲恼鎸?shí)確定量轉(zhuǎn)換為模糊矢量。以模糊輸入變量e為例，其模糊子集包括正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）以及負(fù)大（NB）。

2.1.2 知識(shí)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)是知識(shí)庫(kù)的主體結(jié)構(gòu)。其中：數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是存儲(chǔ)、輸入和輸出模糊矢量值，當(dāng)矢量值的論域?yàn)檫B續(xù)域時(shí)，建立隸屬度函數(shù)關(guān)系式；規(guī)則庫(kù)用于存儲(chǔ)模糊控制規(guī)則，積累了豐富的專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠根據(jù)推理生成精確信息。模糊變量子集劃分與規(guī)則條數(shù)有著密切關(guān)聯(lián)。劃分子集越詳細(xì)，對(duì)應(yīng)的規(guī)則條數(shù)越多。

2.1.3 解模糊接口

模糊控制器完成推理后，需要將模糊量輸入解模糊接口，根據(jù)解模糊關(guān)系方程得出模糊控制量[4]。該控制量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后能夠生成精確控制量，并將推理結(jié)果傳輸給控制器中心，完成解模糊量的過(guò)程。

2.2 模糊控制器系統(tǒng)分析

模糊控制器的控制對(duì)象為橫向滑塊和機(jī)器人本體，兩種均屬于二維運(yùn)動(dòng)。橫向滑塊控制器需要輸入的數(shù)據(jù)信息為焊縫與焊炬的偏差e和偏差變化ec，輸出數(shù)據(jù)為橫向滑塊運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即移動(dòng)速度信號(hào)u；機(jī)器人本體控制器需要輸入的數(shù)據(jù)信息為焊縫與焊炬的偏差e和橫向滑塊位置量e1，輸出數(shù)據(jù)為本體轉(zhuǎn)彎速度ω。橫向變量與機(jī)器人本體控制器的本質(zhì)區(qū)別在于前者為單變量控制器，后者為多變量控制器[5]。

2.3 輸入量與輸出量模糊化

模糊控制器要確定輸入模糊集和輸出模糊集，需要用模糊語(yǔ)言描述輸入與輸出的精確量。在跟蹤控制中，采用七級(jí)語(yǔ)言變量描述物理量變化并判斷控制速度，將e、ec、u、e1和ω這5項(xiàng)輸入與輸出數(shù)據(jù)的模糊子集均確定為正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）和負(fù)大（NB）。假設(shè)傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率為3，橫向滑塊的左右兩極限位移動(dòng)為100 mm，那么輸出與輸出模糊量的范圍分別為：e=[-3，3]、ec=[-3，3]、e1=[-50，50]，ω=[-1.5，1.5]，u=[-4.5，4.5]。

確定輸入與輸出模糊子集和取值范圍后，要對(duì)模糊變量賦值，確定其隸屬度。若取值范圍屬于離散域，則需要建立模糊變量賦值表；若取值范圍屬于連續(xù)域，則需要建立模糊變量函數(shù)關(guān)系式。本文采用連續(xù)域定義變量建立三角形隸屬函數(shù)，以保證輸出控制量的精確度。隸屬度函數(shù)的重疊度選為0.5，避免了重疊度選取值過(guò)大而造成控制器分辨能力下降和重疊度過(guò)小而導(dǎo)致控制器魯棒性較差。

2.4 建立模糊控制規(guī)則庫(kù)

模糊控制規(guī)則庫(kù)是將手動(dòng)控制策略歸納整合為語(yǔ)言控制策略的數(shù)據(jù)庫(kù)，推導(dǎo)輸出控制量的模糊語(yǔ)言值。橫向滑塊控制器規(guī)則庫(kù)的執(zhí)行原則：誤差較大時(shí)，快速消除誤差；誤差較小時(shí)，防止超調(diào)，以穩(wěn)定控制系統(tǒng)運(yùn)行。機(jī)器人本體控制器規(guī)則庫(kù)的執(zhí)行原則：配合橫向滑塊糾偏，跟蹤橫向滑塊運(yùn)動(dòng)，控制本體轉(zhuǎn)彎幅度，減少跟蹤調(diào)節(jié)波動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

在移動(dòng)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)中，需要引入智能控制技術(shù)，便于對(duì)彎曲焊縫等復(fù)雜形態(tài)的焊縫采用跟蹤控制策略，以提高復(fù)雜焊縫的跟蹤控制精確度。在跟蹤控制系統(tǒng)中，可以采用模糊控制器，結(jié)合焊接工藝實(shí)際要求改進(jìn)模糊控制，使模糊控制具備自調(diào)整和自適應(yīng)功能，進(jìn)而提升移動(dòng)焊接機(jī)器人對(duì)焊縫的跟蹤控制效果。