移动焊接机器人焊缝轨迹跟踪的滑模变结构控制研究

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1、摘要移动焊接机器人焊缝轨迹跟踪的滑模变结构控制研究焊缝轨迹自动跟踪技术是目前自动化、智能化焊接的重要发展方向。随着工业水平的提高，大型焊接结构件的应用越来越多，对焊接质量的要求越来越高，焊接过程中的飞溅、工件的加工误差和表面的不平度及跟踪系统模型参数的变化等都会对执行机构的运动造成影响，从而影响焊缝跟踪的精度；而且一般焊接过程中产生的高温、飞溅、毒气等使焊接工作者难以接近，因此研究一种无导轨的、能自由移动的焊缝自动跟踪系统和具有抗干扰性强的焊缝跟踪控制算法成为国内外研究的热点。为实现对大范围、复杂形状长焊缝的高精度自动跟踪，进行了基于四轮式移动机器人和

2、十字滑块协调控制的焊缝自动跟踪系统的研究。涉及到移动焊接机器人焊缝跟踪控制系统数学模型的建立、基于控制系统动力学的焊缝跟踪算法研究、试验平台的建立及焊缝轨迹跟踪试验。系统模型是实现系统控制算法的前提。本文通过分析建立了轮式移动焊接机器人的具有非完整力学系统形式的运动学和动力学模型，为智能控制方法在移动焊接机器人中离线编程、仿真和动态控制奠定了重要基础。焊缝跟踪高精度的要求使得跟踪过程中系统动力学问题愈加突出。为了研究动力学因素对焊缝轨迹跟踪的影响，建立了基于移动焊接机器人控制系统动力学模型的机电联合控制，考虑了焊缝轨迹跟踪过程中移T上’坶燹通大学博上学

3、位论文动焊接机器人的惯性、电机动力学、工件表面不平度等因素对跟踪精度的影响。针对轮式移动焊接机器人系统非线性、强耦合、多变量的动态特点，以及焊接环境的多变性，将滑模变结构控制(VSS)的思想运用到了焊缝轨迹跟踪过程中，首先建立了基于移动焊接机器人本体动力学的VSS控制器，通过李亚普诺夫稳定性分析证明，在滑模变结构控制下，控制系统是大范围稳定的，且加入能量为有限值的随机干扰信号不会影响控制系统的稳定性。理论分析和系统仿真证明了VSS在焊缝轨迹跟踪中的可行性和有效性。消弱或消除VSS产生的“抖振"，减弱对物理系统的冲击是VSS能够在移动焊接机器人中实际应用

4、的必要条件。在分析滑模面产生“抖振”实质原因的基础上，对传统的切换函数平滑化的方法进行了改进，将平滑化后的切换函数与时变控制增益相结合，这样既减弱了控制系统在进入滑模面时的抖振，又保持了VSS对干扰地摄动，有较高的抗干扰性。为了进一步提高移动焊接机器人轨迹跟踪的精度，将十字滑块整合到移动机器人控制系统中，建立了基于移动焊接机器人本体和十字滑块联合控制的VSS控制器。为了验证VSS的抗干扰性，分别对控制系统的驱动轮、负载和转动惯量等物理参数加入了相应幅度的随机干扰。仿真结果表明，处于滑动运动的系统具有很好的鲁棒性，焊缝轨迹跟踪的仿真精度可达到J嘭J

5、2mm。为了研究VSS控制器在焊缝轨迹跟踪中的有效性，将VSS控制器运TT摘要用于移动焊接机器人的轨迹跟踪控制系统中，进行了直线、斜线、圆弧和S形焊缝轨迹的跟踪试验，并加了在轨迹跟踪过程中可能存在的干扰。试验结果表明：VSS算法对焊接过程中可能存在的有界不确定干扰具有不变性，能够较好地运用于焊缝轨迹跟踪过程。跟踪过程中，机器人本体运行平稳，无明显抖振，十字滑块在中间位置做不超过±2rnm的摆动，焊炬的横向偏差为leyl

6、oLWITHSLIDINGMoDEFoRSEAMTRACKINGUSINGMoBILEWELDINGROBOTAutomaticseamtrackingtechnologyisoneofthemostimportanttendenciesinautomaticandintelligentwelding．Withtheimprovementoftheindustrylevel，large—scaleweldingstructuresaremorefrequentlyappliedthanbefore，andtheweldqualityisrequeste

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

8、ture，poisongasproducedintheweldingprocessmakeit