移動焊接機(jī)器人焊縫軌跡跟蹤的滑模變結(jié)構(gòu)控制研究

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1、摘要移動焊接機(jī)器人焊縫軌跡跟蹤的滑模變結(jié)構(gòu)控制研究焊縫軌跡自動跟蹤技術(shù)是目前自動化、智能化焊接的重要發(fā)展方向。隨著工業(yè)水平的提高，大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多，對焊接質(zhì)量的要求越來越高，焊接過程中的飛濺、工件的加工誤差和表面的不平度及跟蹤系統(tǒng)模型參數(shù)的變化等都會對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動造成影響，從而影響焊縫跟蹤的精度；而且一般焊接過程中產(chǎn)生的高溫、飛濺、毒氣等使焊接工作者難以接近，因此研究一種無導(dǎo)軌的、能自由移動的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和具有抗干擾性強(qiáng)的焊縫跟蹤控制算法成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)對大范圍、復(fù)雜形狀長焊縫的高精度自動跟蹤，進(jìn)行了基于四輪式移動機(jī)器人和

2、十字滑塊協(xié)調(diào)控制的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的研究。涉及到移動焊接機(jī)器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、基于控制系統(tǒng)動力學(xué)的焊縫跟蹤算法研究、試驗(yàn)平臺的建立及焊縫軌跡跟蹤試驗(yàn)。系統(tǒng)模型是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制算法的前提。本文通過分析建立了輪式移動焊接機(jī)器人的具有非完整力學(xué)系統(tǒng)形式的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，為智能控制方法在移動焊接機(jī)器人中離線編程、仿真和動態(tài)控制奠定了重要基礎(chǔ)。焊縫跟蹤高精度的要求使得跟蹤過程中系統(tǒng)動力學(xué)問題愈加突出。為了研究動力學(xué)因素對焊縫軌跡跟蹤的影響，建立了基于移動焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)動力學(xué)模型的機(jī)電聯(lián)合控制，考慮了焊縫軌跡跟蹤過程中移T上’坶燹通大學(xué)博上學(xué)

3、位論文動焊接機(jī)器人的慣性、電機(jī)動力學(xué)、工件表面不平度等因素對跟蹤精度的影響。針對輪式移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的動態(tài)特點(diǎn)，以及焊接環(huán)境的多變性，將滑模變結(jié)構(gòu)控制(VSS)的思想運(yùn)用到了焊縫軌跡跟蹤過程中，首先建立了基于移動焊接機(jī)器人本體動力學(xué)的VSS控制器，通過李亞普諾夫穩(wěn)定性分析證明，在滑模變結(jié)構(gòu)控制下，控制系統(tǒng)是大范圍穩(wěn)定的，且加入能量為有限值的隨機(jī)干擾信號不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。理論分析和系統(tǒng)仿真證明了VSS在焊縫軌跡跟蹤中的可行性和有效性。消弱或消除VSS產(chǎn)生的“抖振"，減弱對物理系統(tǒng)的沖擊是VSS能夠在移動焊接機(jī)器人中實(shí)際應(yīng)用

4、的必要條件。在分析滑模面產(chǎn)生“抖振”實(shí)質(zhì)原因的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的切換函數(shù)平滑化的方法進(jìn)行了改進(jìn)，將平滑化后的切換函數(shù)與時變控制增益相結(jié)合，這樣既減弱了控制系統(tǒng)在進(jìn)入滑模面時的抖振，又保持了VSS對干擾地攝動，有較高的抗干擾性。為了進(jìn)一步提高移動焊接機(jī)器人軌跡跟蹤的精度，將十字滑塊整合到移動機(jī)器人控制系統(tǒng)中，建立了基于移動焊接機(jī)器人本體和十字滑塊聯(lián)合控制的VSS控制器。為了驗(yàn)證VSS的抗干擾性，分別對控制系統(tǒng)的驅(qū)動輪、負(fù)載和轉(zhuǎn)動慣量等物理參數(shù)加入了相應(yīng)幅度的隨機(jī)干擾。仿真結(jié)果表明，處于滑動運(yùn)動的系統(tǒng)具有很好的魯棒性，焊縫軌跡跟蹤的仿真精度可達(dá)到J嘭J

5、2mm。為了研究VSS控制器在焊縫軌跡跟蹤中的有效性，將VSS控制器運(yùn)TT摘要用于移動焊接機(jī)器人的軌跡跟蹤控制系統(tǒng)中，進(jìn)行了直線、斜線、圓弧和S形焊縫軌跡的跟蹤試驗(yàn)，并加了在軌跡跟蹤過程中可能存在的干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明：VSS算法對焊接過程中可能存在的有界不確定干擾具有不變性，能夠較好地運(yùn)用于焊縫軌跡跟蹤過程。跟蹤過程中，機(jī)器人本體運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯抖振，十字滑塊在中間位置做不超過±2rnm的擺動，焊炬的橫向偏差為leyl

6、oLWITHSLIDINGMoDEFoRSEAMTRACKINGUSINGMoBILEWELDINGROBOTAutomaticseamtrackingtechnologyisoneofthemostimportanttendenciesinautomaticandintelligentwelding．Withtheimprovementoftheindustrylevel，large—scaleweldingstructuresaremorefrequentlyappliedthanbefore，andtheweldqualityisrequeste

7、dmoreandmorehie蛐y．Inweldingproeess，spatter,processingerror,surfaceirregularityandparametervariationofthetrackingsystemmodelandSOonhaveinfluenceonthemovingoftheseamtrackingsystem，whichwillbeleadtodecreaseoftheseamtrackingprecision．Moreoversomeworkingadditions，suchasthehightempera

8、ture，poisongasproducedintheweldingprocessmakeit