一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法

1.本发明属于机器人控制技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。


技术实现要素：

7.本发明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。本发明采用的技术方案如下：
8.一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；
9.所述协同控制方法包括以下步骤：
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.步骤6：逐层打印并强化工件，直至工件制造完成。
16.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。
17.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∈[0,1]
[0027]
l2：n0+t
·
v,t∈[0,1]
[0028]
其中，u＝m0m1，v＝n0n1，连接线段l1和l2中的任意两点构成向量w(s,t)，s、t分别表示线段l1和l2中的任意一点；令f＝‖w(s,t)‖2，则焊枪与超声冲击枪对应的胶囊体中心线段距离f进一步表示为：
[0029]
f＝as2+2bst+ct2+2ds+2et+f，
[0030]
其中，a＝u
·
u，b＝-u
·
v，c＝v
·
v，d＝u
·
r，e＝-v
·
r，f＝r
·
r，r＝m
0-n0，求偏导获得f的驻点f(sz,tz)，并将其与边界比较得到f
min
，
[0031]fmin
＝min{f(sz,tz)，f(0,t)，f(1,t)，f(s,0)，f(s,1)}。
[0032]
进一步地，所述步骤5中，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，冲击强化过程中，上位机根据打印工件的实时温度向超声冲击机器人发送指令以调整冲击幅度来增大冲击范围，并向电弧增材机器人发送指令以减小热输入来防止熔池过大、形成焊瘤。
[0033]
本发明的有益效果是：相比于现有技术，本发明提出的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。
附图说明
[0034]
图1为电弧增材与冲击强化复合制造装置的示意图；
[0035]
图2为本发明协同控制系统的硬件组态示意图；
[0036]
图3为本发明系统控制系统的软件组态示意图；
[0037]
图4为本发明上位机中人机交互界面的示意图；
[0038]
图5为本发明系统控制系统的控制流程示意图；
[0039]
图6为单层工件加工的流程示意图；
[0040]
其中，1-装载电弧增材机器人的agv小车，2-电弧增材机器人控制柜，3-保护气存储罐，4-焊枪控制柜，5-送丝机，6-电弧增材六轴工业机器人，7-双轴转台，8-固定夹具与定位夹具，9-基板，10-电弧增材焊枪，11-超声冲击枪，12-气动柔性夹具，13-超声冲击六轴工业机器人，14-装载超声冲击机器人的agv小车，15-超声冲击机器人控制柜。
具体实施方式
[0041]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0042]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0043]
如图1所示，为电弧增材与超声冲击复合制造装置，其中电弧增材工业六轴机器人6与超声冲击工业六轴机器人13分别位于双轴转台7的两侧，电弧增材工业六轴机器人6和超声冲击工业六轴机器人13分别由agv小车1、agv小车14搭载。在双轴转台7上放置基板9，由固定夹具与定位夹具8来确定位置及固定。图2中所示的工业高温测温仪位于双轴转台7的上方，所示的水冷装置位于双轴转台7的台面下方。
[0044]
电弧增材焊枪10对送丝机5递送的焊丝进行加热熔化以完成工件打印，保护气存储罐3中的保护气通过管道输送到焊接区域，作为焊接区域的保护介质和电弧产生的气体介质。气动柔性夹具12固定在超声冲击工业六轴机器人13的末端，用于夹持固定超声冲击枪11，通过调节其中的电磁阀可以控制超声冲击枪11对不同材料所需的预紧力。双轴转台7的上方还设置有抽气机，用于吸取制造过程中产生的有害气体和粉尘，其功率要与保护气流量相协调，以防止影响保护气的效果。
[0045]
各个模块的主要连接方式为：电弧增材机器人控制柜2与超声冲击机器人控制柜15通过ethernet接入交换机后连接工控机(上位机)，工业高温测温仪与工控机通过rs485转usb方式进行连接，焊机(焊枪、送丝机)控制柜4与电弧增材机器人控制柜2通过rs232转网口进行连接，双轴转台7与电弧增材机器人控制柜2通过rs422进行通讯,，超声冲击枪的控制器和气动柔性夹具12的电磁阀分别与超声冲击机器人控制柜15的i/o端口连接。
[0046]
本实施例中，双轴转台的所有框架均为电动机驱动，转台包括方位轴与俯仰轴，采用双闭环控制结构，通过rs422通讯，其波特率为9600bp。方位轴
±
180
°
，有限位，俯仰轴为
±
30
°
，有限位。其指向精度，方位轴为2mrad，俯仰轴为2mrad；其重复精度方位轴为1mrad，俯仰轴为1mrad；能够进行过流保护，断点锁紧，非正常关机以及开机自动识别位置。
[0047]
超声冲击枪、控制器以及相应附件组成的超声冲击设备，工作频率为18-22khz，根据冲击枪自动扫描匹配；最大振幅为0-50μm，无级可调，根据材料设置；控制方式为全自动智能跟踪频率和振幅，额定功率为1000w。超声冲击枪外形尺寸及重量为：85*140*700mm，7kg。
[0048]
工业高温红外测温仪的检测温度范围为-50℃～1500℃，准确度
±
3℃，重复准确度
±
1℃，分辨率为0.1℃，响应时间为150ms，内置铝管材温度补偿系统，对于高温液态金属能够进行有效测量。通过rs485通讯接口，采用rs485转usb与上位机进行连接，能够通过上位机进行有效控制。
[0049]
包括焊枪和送丝机在内的焊接系统控制柜的接口为rs232，采用串口线转网线，采用ethernet方式与六轴工业机器人控制柜相连接，采用tcp/ip方式进行通讯，使用离线编程程序调用焊接系统的启弧/熄弧。在电源直流模式下最大电流为400a。送丝速度与所选焊丝材料、目标构件厚度有关，一般选取3～8m/min；焊接电流、焊接电压与焊接模式相关，一般电流选取100～200a，电压选取10～30v；弧长修正为-10％～+10％，弧长修正越大，焊道铺展越充分，同时高度变小。
[0050]
本实施例中采用的水冷设备的制冷量为12600kcal/h，容量为40l，电机功率为3.75kw，能够满足生产环境对冷却的需求。
[0051]
协同控制系统可划分为硬件和软件两个部分，硬件组态如图2所示，软件组态如图3所示，主要包括上位机控制软件和分别安装在两台机器人上的通讯软件以及机器人固有的控制软件。其中，上位机控制软件，编写了通讯程序及控制程序，能够实时、精确、便捷的完成逻辑控制，并且可扩展性好、成本低廉。
[0052]
设计的人机交互界面，包含通讯连接窗口、文件传输窗口、位姿反馈与控制窗口，实时温度显示窗口，末端补偿窗口以及开关、急停按钮等，如图4所示。首先，界面通讯连接窗口绑定ip地址与端口号，建立通讯；其次，位姿反馈与控制窗口能够实时反馈位置信息并且能够显示并控制机器人末端位置；第三，通过ftp协议，文件传输窗口将离线编程文件直接传输到相应的机器人控制柜的文件夹中；第四，由于在打印过程中会出现层高误差，当误差累积到一定程度时，将不满足工艺需求，因此通过末端补偿窗口实时调整z轴高度，以满足工艺需求。
[0053]
安装在两台机器人上的通讯软件，用于控制指令的接收以及机器人信息的发送，放置于六轴工业机器人控制柜中，将其添加到开机自启动目录，当启动机器人时，软件将会自动打开，等待上位机程序的连接，接收来自上位机发送的命令，并返回信息以完成实时通讯。通讯程序使用套接字(socket)来对应ip地址与端口号，不同控制模块对应不同的端口，确保上位机与机器人之间的准确通讯，每个模块都在系统中独立传输，通讯效率高。
[0054]
上述复合制造装置的控制方法如图5和图6所示，主要包括以下步骤：
[0055]
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。
[0056]
步骤2：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，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。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。
[0057]
为保证焊枪与超声冲击枪的姿态不变，其运动约束方程为：
[0058][0059]
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，f1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
[0060]
步骤3：开启抽气机、冷却装置和高温红外测温仪，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。
[0061]
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。
[0062]
打印冲击过程中，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：
[0063]
s1、采用胶囊体对焊枪与超声冲击枪进行简化；
[0064]
s2、将焊枪与超声冲击枪的实时坐标统一到同一坐标系下；
[0065]
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。
[0066]
所述胶囊体中心线段距离的计算方法为：
[0067]
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：
[0068]
l1：m0+s
·
u,s∈[0,1]
[0069]
l2：n0+t
·
v,t∈[0,1]
[0070]
其中，u＝m0m1，v＝n0n1，连接线段l1和l2中的任意两点构成向量w(s,t)，s、t分别表示线段l1和l2中的任意一点；令f＝‖w(s,t)‖2，则焊枪与超声冲击枪对应的胶囊体中心线段距离f进一步表示为：
[0071]
f＝as2+2bst+ct2+2ds+2et+f，
[0072]
其中，a＝u
·
u，b＝-u
·
v，c＝v
·
v，d＝u
·
r，e＝-v
·
r，f＝r
·
r，r＝m
0-n0，求偏导获得f的驻点f(sz,tz)，并将其与边界比较得到f
min
，即
[0073]fmin
＝min{f(sz,tz)，f(0,t)，f(1,t)，f(s,0)，f(s,1)}。
[0074]
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，由上位机根据打印工件的实时温度向超声冲击机器人发送指令以调整冲击幅度来增大冲击范围，并向电弧增材机器人发送指令以减小热输入来防止熔池过大、形成焊瘤。
[0075]
步骤6：逐层打印并强化工件，通过逐层堆积、冲击强化复合制造成形预定的、性能良好的工件形状。
[0076]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。