本发明专利技术提出了一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法，属于机器人控制技术领域，所述电弧增材与冲击强化复合制造装置包括电弧增材机器人、超声冲击机器人、双轴转台、上位机和高温红外测温仪等模块，所述协同控制方法简化了双机器人间的通讯方式，融合了协同跟随路径规划、双机器人末端碰撞检测以及温度场实时判断，采用分段式控制方法实现工件的逐层打印与冲击强化，并通过对打印工件温度的实时监控实现对电弧增材和冲击强化参数的反馈调节，具有实时性强、通用性好、成型可控、精度效率高等特点。精度效率高等特点。精度效率高等特点。
【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法
[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法。
技术介绍
[0002]电弧增材制造技术利用累积和扩散的原理，通过数控设备的牵引使被电弧熔化的金属丝按照一定的运动轨迹运动，层层沉积之后得到三维实体零件。现阶段，许多项目要求快速制造具有较低复杂性的大中型零件，电弧增材制造技术非常适合此类生产，该技术可以在维持或者改善组件性能的基础上节省大量材料和成本，缩短生产周期。然而，由于增材制造结构件特定的微观组织特征，导致其力学性能低(远低于锻件水平)、性能各向异性显著。
[0003]超声波冲击是利用大功率超声冲击头冲击金属物体表面进行加工，使作用区的金属温度急速升高又迅速冷却，进而使被处理的材料表层产生一层塑性变形层，冲击部位得以强化。具有效率高、效果显著、容易控制等优点。
[0004]在实际生产应用中，工业机器人大多以独立运作为主，这种方式只适用于特定的工作环境及产品，并且还需要配套的装备及工装夹具。随着工业机器人的不断发展，其应用领域越来越全面，工作环境与加工任务也越来越复杂，仅凭单一的机器人很难满足加工要求。为了更好的适应日益提高的任务复杂性、系统柔顺性及操作智能性等加工要求，双机器人协同作业的需求越来越高，即通过两台机器人相互配合、共同作业来满足生产加工需要。
[0005]超声冲击时的预紧力与待冲击件的温度会对样件力学性能的改善以及应力的去除产生重要影响。文献CN212443260U公开了一种超声冲击增材装置，通过在机架上设置焊头，在焊头的一侧设置超声冲击去应力机构，可在产品成型后即对其进行应力释放，由传统的静力施压改善应力改为超声共振改善并释放应力，既降低了设备成本，又提高了加工效率。然而，其采用超声冲击头跟随电弧增材焊头运动，要求路径轨迹为线型，不能控制冲击预紧力，打印件不能冷却到特定的温度，难以实现对复杂零件的成型。
[0006]文献CN111215898A公开了一种电弧增材同步超声热轧及速冷复合加工装置及方法，在电弧增材制造过程中，通过增加超声振动异形辊轮和液氮冷却装置使电弧增材制造成形件内部气孔减少、热积累影响降低、晶粒细化，从而提高力学性能，但由于没有上位机进行协同控制，对两组机械臂的控制采用了手动的方法，协同性较差，难以实现精确控制。
技术实现思路
[0007]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法，用于为高精度、高效率、低成本的大中型复杂构件的生产制造提供可靠的控制。本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法，所述电弧增材与冲击强化复合制造装置包括电弧增材机器人、超声冲击机器人、双轴转台、上位机和高温红外测温
仪，电弧增材机器人和超声冲击机器人分别位于双轴转台的两侧；电弧增材机器人包括固定在六轴工业机器人末端的焊枪和送丝机，焊枪对送丝机递送的焊丝进行加热熔化以完成工件打印；超声冲击机器人包括固定在六轴工业机器人末端的气动柔性夹具和用气动柔性夹具固定的超声冲击枪；双轴转台上设置有基板，用于承载打印工件，高温红外测温仪位于双轴转台上方，用于获取打印工件的实时温度；电弧增材机器人的控制柜与超声冲击机器人的控制柜接入交换机后与上位机连接，焊枪和送丝机的控制柜与电弧增材机器人的控制柜连接，双轴转台与电弧增材机器人的控制柜进行通讯，超声冲击枪的控制器与超声冲击机器人控制柜的I/O端口连接，高温红外测温仪与上位机连接；
[0009]所述协同控制方法包括以下步骤：
[0010]步骤1：将基板放置在双轴转台台面上，通过定位夹具确定基板打印位置，通过固定夹具固定基板以减小基板因局部受热带来的形变；
[0011]步骤2：在上位机中对电弧增材机器人和超声冲击机器人的协同运动路径进行规划，并将规划生成的运动路径分别导入电弧增材机器人和超声冲击机器人的控制柜中；
[0012]步骤3：启动电弧增材机器人和超声冲击机器人并将其工作模式设置为自动模式，开始工件打印任务；
[0013]步骤4：电弧增材机器人开启工件第一层的打印，高温红外测温仪采集打印工件的实时温度并上传到上位机，若温度未达到设定阈值则由上位机发送超声冲击指令，由超声冲击机器人对打印工件进行冲击强化；
[0014]步骤5：工件打印到第N层后，打印工件的温度超过设定阈值时由上位机向超声冲击机器人发送暂停超声冲击指令，待打印工件的温度冷却到一定温度后，再由上位机发送超声冲击指令，并根据打印工件的实时温度对工件的第N层进行冲击强化；
[0015]步骤6：逐层打印并强化工件，直至工件制造完成。
[0016]进一步地，所述步骤2中，将电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标、打印工件的数学模型导入上位机中用于生成运动路径；采用单位四元数标定法对电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标间的转化关系进行标定，同时使用激光跟踪仪建立双机器人基坐标系并验证单位四元数的位置精度。
[0017]进一步地，所述步骤2中，为保证焊枪与超声冲击枪的姿态不变，其运动约束方程为：
[0018][0019]其中，R1和R2分别表示电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标系，E1和E2分别表示电弧增材机器人和超声冲击机器人末端的坐标系，T1和T2分别表示焊枪与超声冲击枪的坐标系，为超声冲击机器人基坐标系相对于电弧增材机器人基坐标系的位姿变换矩阵，为焊枪与超声冲击枪的相对位姿变换矩阵，分别为焊枪与超声冲击枪的位姿矩阵，和分别为两台机器人末端相对于各自基坐标系的位姿变换矩阵；当双机器人运动时，根据焊枪运动轨迹计算求得超声冲击枪运动轨迹
[0020]进一步地，所述步骤4中，焊枪与超声冲击枪的实时坐标被上传到上位机中，上位机根据接收的坐标信息进行防撞判断，具体步骤为：
[0021]S1、采用胶囊体对焊枪与超声冲击枪进行简化；
[0022]S2、将焊枪与超声冲击枪的实时坐标统一到同一坐标系下；
[0023]S3、计算焊枪与超声冲击枪对应的胶囊体中心线段距离，若该距离大于或等于两个胶囊体的半径之和，则表示焊枪与超声冲击枪即将碰撞，停止工件打印任务。
[0024]进一步地，步骤S3中胶囊体中心线段距离的计算方法为：
[0025]设焊枪对应的胶囊体的中心线段L1两个端点的坐标为M0(x
M0
,y
M0
,z
M0
)和M1(x
M1
,y
M1
,z
M1
)，超声冲击枪对应的胶囊体的中心线段L2两个端点的坐标为N0(x
N0
,y
N0
,z
N0
)和N1(x
N1
,y
N1
,z
N1
)，则线段L1和L2分别表示为：
[0026]L1：M0+s
·
U,s∈[0,本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法，所述电弧增材与冲击强化复合制造装置包括电弧增材机器人、超声冲击机器人、双轴转台、上位机和高温红外测温仪，电弧增材机器人和超声冲击机器人分别位于双轴转台的两侧；电弧增材机器人包括固定在六轴工业机器人末端的焊枪和送丝机，焊枪对送丝机递送的焊丝进行加热熔化以完成工件打印；超声冲击机器人包括固定在六轴工业机器人末端的气动柔性夹具和用气动柔性夹具固定的超声冲击枪；双轴转台上设置有基板，用于承载打印工件，高温红外测温仪位于双轴转台上方，用于获取打印工件的实时温度；电弧增材机器人的控制柜与超声冲击机器人的控制柜接入交换机后与上位机连接，焊枪和送丝机的控制柜与电弧增材机器人的控制柜连接，双轴转台与电弧增材机器人的控制柜进行通讯，超声冲击枪的控制器与超声冲击机器人控制柜的I/O端口连接，高温红外测温仪与上位机连接；其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将基板放置在双轴转台台面上，通过定位夹具确定基板打印位置，通过固定夹具固定基板以减小基板因局部受热带来的形变；步骤2：在上位机中对电弧增材机器人和超声冲击机器人的协同运动路径进行规划，并将规划生成的运动路径分别导入电弧增材机器人和超声冲击机器人的控制柜中；步骤3：启动电弧增材机器人和超声冲击机器人并将其工作模式设置为自动模式，开始工件打印任务；步骤4：电弧增材机器人开启工件第一层的打印，高温红外测温仪采集打印工件的实时温度并上传到上位机，若温度未达到设定阈值则由上位机发送超声冲击指令，由超声冲击机器人对打印工件进行冲击强化；步骤5：工件打印到第N层后，打印工件的温度超过设定阈值时由上位机向超声冲击机器人发送暂停超声冲击指令，待打印工件的温度冷却到一定温度后，再由上位机发送超声冲击指令，并根据打印工件的实时温度对工件的第N层进行冲击强化；步骤6：逐层打印并强化工件，直至工件制造完成。2.如权利要求1所述的协同控制方法，其特征在于，所述步骤2中，将电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标、打印工件的数学模型导入上位机中用于生成运动路径；采用单位四元数标定法对电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标间的转化关系进行标定，同时使用激光跟踪仪建立双机器人基坐标系并验证单位四元数的位置精度。3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，为保证焊枪与超声冲击枪的姿态不变，其运动约束方程为：其中，R1和R2分别表示电弧增材机器人和超声冲击机器人的基坐标系，E1和E2分别表示电弧增材机器人和超声冲击机器人末端的坐标系，T1和T2分别表示焊枪与超声冲击枪的坐标系，为超声冲击机器人基坐标系相对于电弧增材机器人基坐标系的位姿变换矩阵，为焊枪与超声冲击枪的相对位姿变换矩阵，分别为焊枪与超声冲击枪的位姿矩阵，和分别为两台机器人末端相对于各自基坐标系的位姿变换矩阵；当双机器人运动时，根据焊枪运动轨迹计算求得超声冲击枪运动轨迹
4...
【专利技术属性】
技术研发人员：田威，王长瑞，李国良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。