移动焊接机器人弯曲焊缝跟踪控制研究

张 凉

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，常州 213169）

移动焊接机器人采用模块化设计，包括参数设定、数据采集、信号处理、控制以及波形显示等模块，其中控制模块是设计重点。移动焊接机器人具备焊接质量稳定和焊接作业效率高的优势，在先进制造领域应用广泛。在移动焊接机器人焊接作业过程中，需要处理大量随机不确定性因素带来的焊接难题。因为常规控制手段难以满足焊接动态控制要求，所以必须引入智能控制技术，以提高焊缝跟踪控制性能。对于弯曲焊缝而言，运用模糊控制系统控制移动焊接机器人操作，能够大幅提高焊缝跟踪控制的精度，减少焊接振荡。

1 移动机器人弯曲焊缝跟踪控制方案

移动机器人弯曲焊缝跟踪控制系统（简称跟踪控制系统）由工控机、机器人、传感器、焊机和循环水箱等硬件设备构成。根据焊接作业模块，可将跟踪控制系统分为机器人本体机构、主控系统和焊接系统[1]。跟踪控制器系统要通过获取偏差信号精确输出控制量，从而驱动执行机构运动，以达到跟踪控制弯曲焊缝、保证焊接质量的目的。为此，必须制定可行的跟踪控制技术方案。

1.1 建型与仿真

建立跟踪控制系统模型时，可以采用ADAMS软件生成机电液一体化虚拟样机模型，根据样机模型提供焊接机器人产品设计方案，提出优化设计方案的策略，并提供产品仿真实验，以验证焊接机器人对焊缝的跟踪控制的精确度，从而保证焊接产品的质量。进行仿真试验时，可以在ADAMS软件的支持下，利用软件中的Controls模块实现仿真功能。该模块可以将复杂的控制操作添加到样机模型中，并联合分析系统运行情况，在设定的控制环境中输出机电联合仿真效果[2]。

1.2 并行控制方案

1.2.1 并行控制原理

跟踪控制系统拥有粗略跟踪执行机构和精确跟踪二维运动平台两套执行机构。本文提出的跟踪控制系统执行机构采用并行控制方案。方案运行时，从传感器获取焊接电流信号，自动识别焊缝位置偏差，将信息传输到滑动控制器，对执行机构操作发出指令，从而驱动移动焊接机器人左右轮移动，通过横向运动滑块和纵向位移滑块，达到跟踪控制弯曲焊缝的目的。在并行控制模式下，执行机构不仅会接收横向滑块位置信号，而且会接收焊缝偏差信号。在弯曲焊缝跟踪控制中，并行控制能够准别识别偏差大小，提前调整执行机构的运行姿态，避免机器人错误焊接。

1.2.2 纠偏控制

在弯曲焊缝跟踪控制过程中，需要解决横向纠偏问题。并行控制策略下的横向纠偏主要通过机器人本体和横向滑块的共同作用实现。首先，在没有发生焊接偏差的情况下，横向滑块不作出动作，其位置在对中位置附近，机器人本体执行直线运动。当横向滑块偏离对中位置后，机器人本体根据偏移量调整转弯，避免横向滑块运行超出限定区域。其次，在发生较小焊接偏差的情况下，横向滑块快速作出纠偏动作，但机器人本体不需要调整转弯。在横向滑块动作若干个周期后，若偏差问题并未解决且横向滑块伸出较大距离，机器人本体向偏差相反方向调整转弯。在焊接作业中，如果曲线焊缝弧度较小且传感器传输较小的偏差信号，则横向滑块作出纠偏动作，机器人缓慢调整控制参数，从而保证横向滑块动作不会超出行程范围。最后，在发生较大焊接偏差的情况下，横向滑块作出纠偏动作，同时机器人本体作出相应的转动。若经过若干个纠偏周期后仍然存在较大偏差，则逐步增大横向滑块与机器人本体的动作幅度；如果偏差逐步缩小，则执行上述较小焊接偏差的纠偏策略。在焊接弧度较大的弯曲焊缝时，横向滑块运动纠偏，机器人也跟随作出姿态调整。在弧度逐步减小后，焊接偏差随之减小，机器人本体的运行方向与焊缝处于平行状态。

1.2.3 选择跟踪控制器

跟踪控制系统要综合考虑影响焊接过程的多种变量参数和大量不确定性因素，如焊接精度要求、焊接变形、算法精确性以及空间谐波干扰等因素。因为焊接过程属于非直线运动，建模复杂程度和实时控制要求较高，所以对跟踪控制器的选择要求更高。本文设计的跟踪控制系统采用智能控制技术和模糊控制器，可以将控制误差转变为模糊量，并遵循语言控制规则推理出模糊控制量，再通过解模糊算法将模糊量转换成精确控制量，从而完成模糊控制调节任务。采用模糊控制器后，横向滑块成为实时纠偏的主要执行机构。它的运行轨迹由模糊控制器提供，横向滑块运动的同时机器人本体配合横向滑块动作，从而实现对弯曲焊缝轨迹的跟踪控制[3]。

2 跟踪控制系统中模糊控制器设计

2.1 模糊控制器的构成

模糊控制器主要由模糊化接口、知识库和解模糊接口3个部分构成。

2.1.1 模糊化接口

模糊控制器的输入接口能够将输入的真实确定量转换为模糊矢量。以模糊输入变量e为例，其模糊子集包括正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）以及负大（NB）。

2.1.2 知识库

数据库和规则库是知识库的主体结构。其中：数据库的作用是存储、输入和输出模糊矢量值，当矢量值的论域为连续域时，建立隶属度函数关系式；规则库用于存储模糊控制规则，积累了丰富的专家知识与经验，能够根据推理生成精确信息。模糊变量子集划分与规则条数有着密切关联。划分子集越详细，对应的规则条数越多。

2.1.3 解模糊接口

模糊控制器完成推理后，需要将模糊量输入解模糊接口，根据解模糊关系方程得出模糊控制量[4]。该控制量经过转换后能够生成精确控制量，并将推理结果传输给控制器中心，完成解模糊量的过程。

2.2 模糊控制器系统分析

模糊控制器的控制对象为横向滑块和机器人本体，两种均属于二维运动。横向滑块控制器需要输入的数据信息为焊缝与焊炬的偏差e和偏差变化ec，输出数据为横向滑块运动的电机驱动信号，即移动速度信号u；机器人本体控制器需要输入的数据信息为焊缝与焊炬的偏差e和横向滑块位置量e1，输出数据为本体转弯速度ω。横向变量与机器人本体控制器的本质区别在于前者为单变量控制器，后者为多变量控制器[5]。

2.3 输入量与输出量模糊化

模糊控制器要确定输入模糊集和输出模糊集，需要用模糊语言描述输入与输出的精确量。在跟踪控制中，采用七级语言变量描述物理量变化并判断控制速度，将e、ec、u、e1和ω这5项输入与输出数据的模糊子集均确定为正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）和负大（NB）。假设传感器的旋转频率为3，横向滑块的左右两极限位移动为100 mm，那么输出与输出模糊量的范围分别为：e=[-3，3]、ec=[-3，3]、e1=[-50，50]，ω=[-1.5，1.5]，u=[-4.5，4.5]。

确定输入与输出模糊子集和取值范围后，要对模糊变量赋值，确定其隶属度。若取值范围属于离散域，则需要建立模糊变量赋值表；若取值范围属于连续域，则需要建立模糊变量函数关系式。本文采用连续域定义变量建立三角形隶属函数，以保证输出控制量的精确度。隶属度函数的重叠度选为0.5，避免了重叠度选取值过大而造成控制器分辨能力下降和重叠度过小而导致控制器鲁棒性较差。

2.4 建立模糊控制规则库

模糊控制规则库是将手动控制策略归纳整合为语言控制策略的数据库，推导输出控制量的模糊语言值。横向滑块控制器规则库的执行原则：误差较大时，快速消除误差；误差较小时，防止超调，以稳定控制系统运行。机器人本体控制器规则库的执行原则：配合横向滑块纠偏，跟踪横向滑块运动，控制本体转弯幅度，减少跟踪调节波动。

3 结语

在移动焊接机器人设计中，需要引入智能控制技术，便于对弯曲焊缝等复杂形态的焊缝采用跟踪控制策略，以提高复杂焊缝的跟踪控制精确度。在跟踪控制系统中，可以采用模糊控制器，结合焊接工艺实际要求改进模糊控制，使模糊控制具备自调整和自适应功能，进而提升移动焊接机器人对焊缝的跟踪控制效果。