【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人搅拌摩擦焊领域，尤其涉及一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法。
技术介绍
1、搅拌摩擦焊技术自1991年被提出以来，以高效、优质、清洁、焊接应力小、变形小等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车制造等工业领域。与搅拌摩擦焊机床或专机相比，采用机器人进行搅拌摩擦焊作业是提高复杂空间曲线焊缝的焊接效率和焊接智能化的有效手段，但是串联机器人存在末端刚度差的缺点会限制其在焊接作业中的性能，从而影响焊接精度和质量。六轴工业机器人和二自由度变位机组成的并联搅拌摩擦焊系统是改善机器人受力状况，提高焊接刚度和灵活性的有效途径，但是二者组成的联动系统属于高冗余度机器人范畴，系统的协同运动控制问题十分复杂。许多研究从刚度建模和刚度指标入手，瑞丽商、刚度椭球和力椭球是最常用的表征机器人刚度性能的指标。如文献“celikag h,sims nd,ozturk e.cartesian stiffness optimization for serial arm robots,2018,77:566-569.”在机器人刚度模型的基础上对机器人切削中的末端变形模型进行了研究，通过调整机器人的柔度系数改善机器人的刚度性能。文献“liangy,sun l,du z,yan z,wangw.mechanism design and optimization ofa hapticmaster manipulator forlaparoscopic surgical robots,2019；7:147808–24.”通过加权平均的方法，
2、上述刚度指标控制方法虽然可以有效提高机器人的刚度，但是机器人搅拌摩擦焊中，焊接变形和不稳定情况更为严重，并且由于二自由度变位机的加入，极大地提高了系统运动的复杂度和控制难度，国内外研究中至今仍未有较好的机器人搅拌摩擦焊综合刚度性能评价指标和协调运动控制方法。对于机器人变位机系统搅拌摩擦焊问题亟需一种全面的评价指标和以此为基础的协同运动控制方法。
技术实现思路
1、本专利技术一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，能够对不同位姿下复杂空间曲线焊缝焊接时的机器人刚度性能实时评价，计算出最优刚度性能指标作为机器人变位机系统协同运动控制模型的目标函数，实现快速、准确的运动控制。
2、本专利技术一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统包括振康zk3000-500六轴工业机器人本体及其控制系统、二自由度变位机、搅拌摩擦焊电主轴、六维力传感器、焊接系统基座组成，六轴工业机器人和二自由度变位机通过螺栓固定于焊接系统基座上，六维力传感器连接于机器人第六轴末端法兰盘和搅拌摩擦焊电主轴之间，焊接作业时，被焊工件固定于二自由度变位机工作台上。
3、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
4、一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，包括以下步骤：
5、步骤1，建立六轴工业机器人和二自由度变位机的运动学模型；
6、步骤1.1，根据六轴工业机器人和二自由度变位机各关节连杆长度ai-1、连杆转角αi-1、连杆偏距di以及关节转角θi四个参数建立六轴工业机器人和二自由度变位机的改进d-h模型。
7、步骤1.2，根据齐次变换矩阵求解六轴工业机器人和二自由度变位机的运动学模型，六轴工业机器人的运动学模型具体为：
8、
9、其中，分别表示六轴工业机器人的连杆1相对于基坐标系、连杆2相对于连杆1坐标系、连杆3相对于连杆2坐标系、连杆4相对于连杆3坐标系、连杆5相对于连杆4坐标系、连杆6相对于连杆5坐标系、连杆6相对于基坐标系的4×4齐次变换矩阵。
10、考虑安装电主轴后六轴工业机器人的运动学模型为：
11、
12、其中，分别表示搅拌摩擦焊电主轴相对于六轴工业机器人机器人连杆6坐标系、搅拌摩擦焊电主轴相对于基坐标系的齐次变换矩阵。
13、二自由度变位机的运动学模型为：
14、
15、其中，分别表示二自由度变位机的基座相对基坐标系、1轴相对于基座坐标系、2轴相对于1轴坐标系、工作台相对于2轴坐标系、工作台相对于基坐标系的齐次变换矩阵。
16、步骤1.3，采用蒙特卡洛法求解六轴工业机器人和二自由度变位机的工作空间，计算二自由度变位机1、2轴均为0°时变位机卡盘在基坐标系下的高度ht，求解六轴工业机器人工作空间在该高度的范围，取该范围的中点为变位机基座坐标系在基坐标系中的位置。
17、步骤2，几何法求解六轴工业机器人逆运动学；
18、步骤2.1，求解θ1＝atan2(py,px),θ1∈(-90°,90°)
19、求解θ3，θ2应用余弦定理，
20、
21、
22、θ3＝θ3p-atan(d4/a3)
23、
24、其中θ1，θ2，θ3分别表示六轴工业机器人第1、2、3轴的角度，px,py,pz分别表示六轴工业机器人末端空间位置的x、y、z轴方向的分量，θ3p为求解θ3的辅助角，a1表示六轴工业机器人连杆1到连杆2的偏距，d1表示连杆1到基坐标系的偏距，ac表示连杆2到连杆4、5、6交点的距离，θ2，θ3∈(-90°,90°)
25、步骤2.2，采用矩阵变换求解4、5、6轴的角度，令得到：
26、
27、
28、
29、其中，θ4，θ5，θ6分别表示六轴工业机器人第4、5、6轴的角度。
30、特别地，当θ5＝0时，六轴工业机器人处于奇异位形，此时4、6轴共轴，引起机器人末端连杆的相同的运动，所有可能的解都是θ4和θ6的和或者差，通过判断atan(cosθ4)的值是否接近0来判断5轴是否奇异，奇异时，令θ4＝0，仅求出θ6。
31、步骤3，建立六轴工业机器人末端多维刚度矩阵；
32、步骤3.1，求解六轴工业机器人的雅克比矩阵的各个元素表示广义向量x的第i元素关于机器人关节向量q的第j元素的微分，矩阵形式为：
33、j＝[j1 j2 j3 j4 j5 j6]
34、其中j1，j2，j3，j4，j5，j6分别表示雅克比矩阵j的六个分量。
35、步骤3.2，根据j计算关节刚度到笛卡尔刚度的映射模型，kθ＝(j-1)t·kθ·j-1，其中kθ为仅考虑关节刚度时机器人末端笛卡尔刚度矩阵，kθ为机器人各关节刚度组成的对角矩阵，kθ＝diag[kθ1 kθ2 kθ3 kθ4 kθ5 kθ6]
36、步骤3.3，基于伯努利-欧拉梁假设将机器人连杆作为柔性杆，在相邻坐标变换的齐次矩阵中引入绕y轴的附加转角β和绕x轴的附加转角σ，机器人相邻连杆的齐次坐标变换为：
37、
38、其中rot和trans分别表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，其特征在于，当θ5＝0时，六轴工业机器人处于奇异位形，此时4、6轴共轴，引起机器人末端连杆的相同的运动，所有可能的解都是θ4和θ6的和或者差，通过判断atan(cosθ4)的值是否接近0来判断5轴是否奇异，奇异时，令θ4＝0，求出θ6。
【技术特征摘要】
1.一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于刚度指标的机器人-变位机搅拌摩擦焊系统控制方法，其特征在于，当θ5＝0时，六...
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