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    大型结构件多机器人焊接协调及智能化技术概况

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-06 02:13:47    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:777
    导读

    众所周知,航空航天装备结构件复杂,大而薄,焊缝多为空间曲线焊缝。保证焊接质量、提高效率,是推动航空航天装备制造水平的关键。在生产效率和产品质量并举的今天,单一机器人已不能很好地胜任现代制造业的要求,在开放体系结构的软硬件基础之上,如何实现多

    众所周知,航天设备的结构件复杂、大而薄,焊缝多为空间曲线焊缝。保证焊接质量和提高效率是提升航天设备制造水平的关键。在生产效率和产品质量同步发展的今天,单一的机器人已经不能满足现代制造业的要求。在开放式软硬件体系结构的基础上,如何实现多机器人的协调运动控制已成为焊接机器人柔性加工的研究热点之一。多机器人协同工作模式能有效提高生产率,增强复杂任务的通用性。一般来说,多机器人工作环境包括两种协调操作:紧密协调操作和松散协调操作。紧密协调操作是指在同一工作空间中,多个机器人操作者共同操作同一物体;松散协调操作是指在同一个工作空间中,每个机器人独立完成自己的任务。多焊接机器人协调控制一般来说,工业机器人系统协调可分为[1-2]:每个机器人在共享工作空间中独立执行自己的任务,所有机器人协调完成给定的任务。多机器人协调操作具有以下特点[3]: (1)两个机械手抓取同一物体或形成特定的形位关系后,其手臂形成一个封闭的运动链,两个机械手之间的运动必须满足一定的运动约束关系。(2)双臂协调的动力学比单臂更复杂,双臂协调的两个动力学方程可以合并成一个单一的动力学方程,但维数的增加和相互耦合使得求解困难。(3)双臂协调的控制结构比单臂更复杂。为了实现不同机械手之间的协调运动控制,必须在机器人原有的控制系统上增加协调控制层。由于机器人手臂协调控制的复杂性和艰巨性,近年来国内外学者对其做了大量的研究,主要集中在负载分配、运动分解、避碰轨迹规划、闭链运动学和动力学模型以及协调控制策略等方面[4-5]。协调运动控制的约束多机器人的协调运动约束是焊接机器人协调控制研究的基础。郑友峰和陆景山[6]在这方面做了杰出的工作。他们将两个机器人分为主动机器人和从动机器人,主动机器人的关节位移、速度和加速度是根据运动规划预先给定的。由机器人系统的主从关系确定被驱动机器人的对应值,首次推导出特定工况下两个机器人末端执行器的齐次约束方程,然后将这一结果推广到关节速度、加速度和广义力的约束方程[7]。Hong Suh等人[8]对一个机器人刚性抓取物体的一端,另一个机器人在抓取物体的另一端时可以沿被抓取物体表面运动的情况进行了运动学研究,得到了被驱动机器人的广义解。毛祖铁[9]推导了相对位姿相同的两个机器人的运动学协调条件,但两个机器人同时运动,两个机器人都运动,一个机器人相对于另一个机器人有相对运动规律。杨成武等[10]根据双臂协调机器人双手同时握住同一物体时的结构和工作特点,由主手的运动状态推导出从手在其自身坐标系中的运动状态。唐等[11]以空间中复杂的边缘跟踪任务为对象,基于矢量方程法,提出了在笛卡尔空间中利用机器人手协调解决此类问题的基本策略和方法,为弧焊机器人系统协调控制的研究提供了很好的参考。协调运动控制主要有三种控制方案,即位置-位置控制、位置-力控制和动态控制[12]。位置-位置控制是机器人手臂协调研究过程中发展起来的第一种控制方法。C.O.Alford[13]控制主动机器人沿预先规划好的轨迹运动,而从动机器人则沿主动机器人轨迹导出的轨迹运动,从而实现了多机器人之间的协调运动

    在位置-位置控制中,由于各个机器人的柔顺性差,在刚性连接的情况下,运动位置误差会产生内应力,所以这种方法只适用于低速运动和非刚性连接运动。为了克服上述缺点,人们提出了位置-力控制,即主动机器人是位置控制,沿预先规划的轨迹运动,而从动机器人是力控制,利用腕力传感器获得的力信息跟随主动机器人进行反馈运动控制。M.Uchiyama[14]]在定义工作空间坐标和引入关节空间矢量的基础上,推导了双臂机器人的运动学和静力学公式,并成功地应用了混合位置-力控制。为了保证机器人运动的准确性和良好的动态响应,研究人员在机器人手臂协调运动的研究中提出了一种动态控制方案,应用非线性变换方法研究了两个机器人操作单个物体的动态混合控制算法,并消除了物体之间的内力作为控制量,只考虑物体位置的逆动态冗余,取得了良好的控制效果。系统采用分布式控制,双面双机器人采用主从协调控制策略[15],Motoman机器人为主手(前),KUKA机器人为从手(后),建立了系统协调运动的算法模型。根据主手焊枪端的位置和姿态,以工件参考轨迹平面为对称平面,通过运动学坐标变换推导出背面从手机器人工具端的运动轨迹点,使从手跟随主手协调运动,实现双机器人。图1显示了多机器人协作焊接系统的测试平台。此外,文献[16]研究了3-机器人协调系统在运输/操作大型物体到期望位置/姿态的过程中的轨迹规划和控制策略。采用“主从机器人”的操作方式,实现工件的协调搬运。在机器人弧焊领域,从简化计算的角度出发,提出了一种基于位置的弧焊机器人与变位机的协调运动控制算法。一种基于用户坐标系的双机器人焊接系统[17-18],分别在工件上建立用户坐标系,并在用户坐标系中进行位姿转换。该模型无需机器人自身的运动模型,即可实现两个机器人的协调运动。多机器人智能焊接

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    在工业应用中,多机器人协调系统多采用集中式控制,由一个中央控制单元对整个系统进行规划和决策。单个机器人只拥有很少的自主性或无自主性。每个机器人收集到的数据都发送给控制中心,然后由控制中心为所有的机器人制订动作。由于所有机器人的运动都由控制中心来控制,所以多机器人的协调与冲突问题比较容易解决。

    现代化焊接工厂已向数字化、信息化、自动化、集成化、柔性化和智能化方法发展,尤其在航空航天大型空间曲线结构件,焊接变形影响,焊缝轨迹复杂,需要多个机器人、变位机共同作业,必须需要外部的传感系统,以及机器人仿真系统、焊接变形模拟系统等辅助下,才能实现大型构件的机器人智能化焊接。

    谭民等[19]介绍了一个用于环缝焊接的多机器人平台,它由12台机器人承托船体,由一台焊接操作机来实施焊接。采用一台主控工业计算机(IPC)作为上层控制单元,负责船体模块的姿态控制、逆运动学、机器人轨迹规划、输入设定及系统状态的显示等工作。王宗伟等[20]介绍了双弧焊机器人在摩托车车架附件组焊中的应用情况,采用主从协调控制完成焊接作业,主机器人控制器接收来自主机器人、从机器人、夹具、滑台和工件的信号,协调它们之间的动作。

    多智能体系统(MAS)就是研究在一定的网络环境,各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过合作,共同完成一个或多个控制作业任务的技术。MAS适合于对于多机器人的协调问题,目前对于这一系统的研究比较多。

    马国红等[21]利用Petri 网理论对多台机器人焊接系统进行了建模,根据系统的特点设计了基于局域网络通信的软件控制系统,实现系统的全局调度,通过试验实现系统各个机器人协调动作,未发生动作干涉。

    邱涛[22]采用基于Petri网模型的离散控制与计算机程序实现的接口方法,将WAPN的token调度控制特性融入到焊接柔性加工单元传感控制信息与状态信息的流向控制算法中,建立了较为完善的焊接柔性加工单元中央监控软件平台的信息处理机制与实现方法。

    上海交通大学设计了一个焊接柔性制造单元多智能体系统WFMC[23],此系统由3台工业机器人,两个焊接过程监控传感器以及焊接电源组成,所有硬件资源均通过以太网和TCP/IP协议进行连接。设计者把这个系统分为了系统管理智能体、焊接机器人智能体、搬运机器人智能体、传感器智能体、焊接电源智能体几个功能模块,并实现了各模块点对点的通信,各个功能模块通过合作实现了3个机器人协调完成指定任务。

    合肥工业大学开发的一种双机协调机器人弧焊的控制系统[24],该系统运用多智能体Multiagent系统理论思想,把整个系统划分为机器人作业模块、焊接控制模块、变位机伺服控制模块、状态监控模块、本地操作模块、网络与接口模块,实现了双机器人协调焊接。

    王慧等[25]以基于TCP/IP协议的以太网作为多机器人系统的通信网络结构,采用C/S的方式实现了多机器人之间的通信。

    在多机器人协调控制策略的研究上,“集中”控制成本低、实现容易,是企业比较容易接受的控制方案,但是这种系统只能适应于小规划的多机器人系统。智能体控制理论使机器人单体更具有独立性,系统各部分能够通过通信网络解决相互协调的问题,鲁棒性强,但智能化控制系统复杂,实现起来相对困难。

    结论及展望

    对大型结构件实现机器人自动化焊接,尤其针对航空航天复杂结构件,对人的依赖性高。如果机器人具有人的感官和智能学习等能力,也就是具有智能化技术。只有机器人具有智能化制造技术才能保证大型复杂结构件的焊接质量稳定性。

    应该大力发展多机器人协作、智能化传感技术、智能化控制技术和数字化信息化技术,为航空航天复杂结构件实现机器人智能制造提供有力支撑。

     
    (文/标准件之家)
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