一种基于模糊控制的信息集成系统的制作方法

1.本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体为一种基于模糊控制的信息集成系统。


背景技术：

2.机器人与搅拌摩擦焊技术结合是近年来搅拌摩擦焊装备的重要发展方向，凭借工业机器人优越的灵活性和较高的自由度，以重载机器人为本体搭载的搅拌摩擦焊接设备开始出现，搅拌摩擦焊是依靠搅拌头与工件摩擦及搅拌头轴肩对工件锻压进行焊接的，在焊接过程中搅拌头需要与工件保持一定的接触面，搅拌摩擦焊接由于具备固相焊接状态、焊缝质量好、接头强度损失低、自动化程度高、绿色制造等优点，和其他焊接方式相比更容易达到可靠性与轻量化的要求，同时可以实现异种材料连接和不同状态材料的焊接，提供更多的焊接思路，对于平面焊接任务，通常需要搅拌摩擦焊焊接专机完成生产任务，尤其是轨迹复杂的空间曲线焊缝，焊接专机对空间曲线轨迹焊缝焊接，因此需要利用机器人进行焊接。
3.但普遍存在的问题是，机器人搅拌摩擦焊系统采用分布式结构，各系统包含的数据进行分散控制，没有进行实时集中整合，整体受限于各自控制系统的兼容问题，且在重载荷环境下混联机器人设备通过搅拌摩擦焊工艺焊接空间曲线轨迹焊缝时，由于存在一些误差，包括定位误差、标定误差、通讯延时、焊接时工件塑性条件改变、搅拌头磨损力学性能降低等误差，提取的焊缝偏差信息不精确，计算出的调整量也存在偏差，导致最终焊缝的实际成形质量不能保证。因此，设计子系统组合和焊缝偏差计算调整的一种基于模糊控制的信息集成系统是很有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于模糊控制的信息集成系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于模糊控制的信息集成系统，包括摩擦焊接系统集成模块、焊缝偏差计算检测模块和摩擦焊缝跟踪模块，所述摩擦焊接系统集成模块用于通过中央控制单元集成摩擦焊接系统中的机器人、液压主轴以及参数检测和自适应控制多个子系统，所述焊缝偏差计算检测模块用于通过对自适应控制子系统传感器内标定和机器人标定，提取计算焊缝偏差信息，所述摩擦焊缝跟踪模块用于机器人实现动态补偿的同时对自适应控制子系统调试焊缝实现自动跟踪和对焊缝成形质量自动控制，所述摩擦焊接系统集成模块与焊缝偏差计算检测模块电连接，所述焊缝偏差计算检测模块和摩擦焊缝跟踪模块电连接；所述焊缝偏差计算检测模块包括坐标系创建模块、坐标求解模块、标定模块和焊缝偏差计算模块，所述坐标系创建模块用于创建激光传感器对应的三维坐标，所述坐标求解模块用于求解激光测距传感器发射点在创建的坐标系中的坐标点和方向向量，所述标定模块用于对传感器坐标系和机器人坐标系进行标定，所述焊缝偏差计算模块用于根据求解
出的坐标计算反应焊缝偏差的坐标点间的距离，所述坐标系创建模块与坐标求解模块电连接，所述标定模块与焊缝偏差计算模块电连接；所述标定模块包括传感器内标定模块和坐标系标定模块，所述传感器内标定模块用于对传感器坐标系进行标定以准确标明各个检测点在传感坐标系中的坐标，所述坐标系标定模块用于对焊缝机器人工具坐标系进行标定，所述传感器内标定模块与坐标系标定模块电连接。
6.根据上述技术方案，所述摩擦焊接系统集成模块包括串口通讯模块、中央控制单元和参数化焊接模块，所述串口通讯模块用于通过以太网接口配置动态链接库初始化配置文件，所述中央控制单元用于将搅拌摩擦焊接系统中的多个子系统利用统一串口和通讯协议进行集成控制，所述参数化焊接模块用于从集成的系统交互界面中实现参数数据的采集和保存以及焊接过程中工程数字化，所述串口通讯模块与中央控制单元网络连接，所述中央控制单元与参数化焊接模块电连接。
7.根据上述技术方案，所述摩擦焊缝跟踪模块包括偏差等级划分模块、模糊控制模块和接收调整模块，所述偏差等级划分模块用于根据计算出的焊缝偏差和偏差的变化量进行等级划分，所述模糊控制模块利用给定坐标进行尺度变换和反模糊化处理已进行焊缝位置检测，所述接收调整模块用于搅拌机器人实时接收模糊控制器输出的位移调整量并进行调整，所述偏差等级划分模块与模糊控制模块电连接，所述模糊控制模块与接收调整模块电连接。
8.根据上述技术方案，所述信息集成方法包括以下步骤：步骤s1：利用中央控制单元和串口通讯的开放协议标准，基于组态软件，配置动态链接库初始化配置文件，进行系统间的集成通讯和参数化焊接任务交互；步骤s2：工作设备开关启动进入工作待机状态，利用中央控制单元调用数据采集线程，通过人机交互界面进行参数设置并运行焊接任务；步骤s3：创建传感器坐标系，计算传感器坐标系中检测点坐标；步骤s4：进行传感器内标定和机器人标定，提取焊缝偏差相关信息，利用系统间实时通讯和模糊控制器，计算焊缝偏差；步骤s5：划分偏差等级，利用模糊控制器中的规则表输出机器人位移调整量，机器人运动控制器实时接收并调整；所述步骤s3进一步包括以下步骤：步骤s31：在激光测距传感器的发射点a和激光发射终点b处，采集激光测距传感器检测的激光束距离h和伺服电机编码器的码盘值n；步骤s32：以机器人搅拌头中轴线垂足作空间直角坐标系原点，建立以主轴中心轴线为z轴，第一次通电时激光器的位置为x轴，与x轴平面垂直的y轴的激光传感器坐标系；步骤s33：根据激光测距传感器发射点在该坐标系下的坐标和激光方向向量计算检测点三维坐标，计算公式为：
9.h为测量的激光光束长度，、、为激光光束ab的方向向量，r为当前激光测距传感器原点o的长度；步骤s34：通过tcp/ip协议向工控机发送基座坐标系的坐标值、焊接速度和状态信息；所述步骤s4进一步包括以下步骤：步骤s41：获取与坐标系z轴垂直的工件平面，记录标定纸上激光点坐标值，通过改变工作台与传感器之间的距离，获取多检测点坐标进行拟合，求解激光光束方向向量；步骤s42：进行机器人工具坐标系的标定，基于标定纸坐标系的x轴与基座坐标系的x轴平行，获取检测点坐标并求解变换矩阵；步骤s43：应用数据提取算法，获取峰值所在坐标点c(x，y，z)，将c点的x轴、y轴坐标代入到工件平面方程中，计算焊缝偏差d。
10.根据上述技术方案，所述步骤s1中，针对机器人搅拌摩擦焊接系统中的搅拌摩擦焊接机器人子系统，液压主轴子系统以及多参数检测与自适应控制子系统，以中央控制单元通过以太网接口，配置动态链接库初始化配置文件，实现与液压主轴子系统plc的通讯；通过由多数据信息界面组成的人机交互界面实现机器人搅拌摩擦焊接任务的参数设置、数据采集和保存记录以及焊接过程检测控制，将各个子系统与中央控制单元通讯，操作人员进行参数化焊接任务，实现机器人搅拌摩擦焊接系统集成，以处理器运算能力优异的系统弥补处理器运算能力不足的系统的劣势，完成机器人搅拌摩擦焊接系统间参数化配置和多数据的协调调度。
11.根据上述技术方案，所述步骤s43进一步包括以下步骤：步骤s431：激光测距传感器绕搅拌头旋转一周，基于有效的检测点拟合出工件表面在传感器坐标系下的平面方程为：+++=0；步骤s432：以机器人搅拌头的前进方向为向量ef，即z轴在工件平面的投影，峰值坐标点c(，，)与搅拌头前进方向向量ef的垂足坐标点为d（，，），向量；步骤s433：焊缝偏差d即为线段cd的长度，计算公式为： 。
12.根据上述技术方案，所述步骤s5进一步包括以下步骤：步骤s51：根据给定坐标计算出的焊缝偏差，以及统计的整体偏差的变化量进行尺度变换后，利用模糊控制算法进行反模糊化处理；步骤s52：将模糊控制器计算出的调整量发送给机器人，实现动态补偿，通过偏置
直线焊缝、设置曲线焊缝，在预设直线轨迹下验证焊缝自动跟踪控制效果。
13.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有摩擦焊接系统集成模块、焊缝偏差计算检测模块和摩擦焊缝跟踪模块，针对空间曲线轨迹设计的高性能重载混联搅拌摩擦焊接机器人、搅拌摩擦焊接多参数检测及自适应控制子系统、液压主轴子系统，设计方便操作人员使用的中央控制单元，协调调度多系统完成参数化焊接任务，实现参数设置、数据的采集和保存以及焊接过程检测计算，计算出焊缝偏差和偏差的变化量，划分偏差变化等级，通过模糊控制器中的规则表，输出机器人位移调整量，实时发送给机器人运动控制器做出调整控制，实现搅拌摩擦焊接系统工程数字化与信息化以及质量可追溯。
附图说明
14.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明的系统模块组成示意图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.请参阅图1，本发明提供技术方案：一种基于模糊控制的信息集成系统，包括摩擦焊接系统集成模块、焊缝偏差计算检测模块和摩擦焊缝跟踪模块，摩擦焊接系统集成模块用于通过中央控制单元集成摩擦焊接系统中的机器人、液压主轴以及参数检测和自适应控制多个子系统，焊缝偏差计算检测模块用于通过对自适应控制子系统传感器内标定和机器人标定，提取计算焊缝偏差信息，摩擦焊缝跟踪模块用于机器人实现动态补偿的同时对自适应控制子系统调试焊缝实现自动跟踪和对焊缝成形质量自动控制，摩擦焊接系统集成模块与焊缝偏差计算检测模块电连接，焊缝偏差计算检测模块和摩擦焊缝跟踪模块电连接，针对空间曲线轨迹设计的高性能重载混联搅拌摩擦焊接机器人、搅拌摩擦焊接多参数检测及自适应控制子系统、液压主轴子系统，设计方便操作人员使用的中央控制单元，协调调度多系统完成参数化焊接任务，实现参数设置、数据的采集和保存以及焊接过程检测计算，控制等功能，实现搅拌摩擦焊接系统工程数字化与信息化以及质量可追溯。
17.摩擦焊接系统集成模块包括串口通讯模块、中央控制单元和参数化焊接模块，串口通讯模块用于通过以太网接口配置动态链接库初始化配置文件，中央控制单元用于将搅拌摩擦焊接系统中的多个子系统利用统一串口和通讯协议进行集成控制，参数化焊接模块用于从集成的系统交互界面中实现参数数据的采集和保存以及焊接过程中工程数字化，串口通讯模块与中央控制单元网络连接，中央控制单元与参数化焊接模块电连接。
18.焊缝偏差计算检测模块包括坐标系创建模块、坐标求解模块、标定模块和焊缝偏差计算模块，坐标系创建模块用于创建激光传感器对应的三维坐标，坐标求解模块用于求解激光测距传感器发射点在创建的坐标系中的坐标点和方向向量，标定模块用于对传感器
坐标系和机器人坐标系进行标定，焊缝偏差计算模块用于根据求解出的坐标计算反应焊缝偏差的坐标点间的距离，坐标系创建模块与坐标求解模块电连接，标定模块与焊缝偏差计算模块电连接；标定模块包括传感器内标定模块和坐标系标定模块，传感器内标定模块用于对传感器坐标系进行标定以准确标明各个检测点在传感坐标系中的坐标，坐标系标定模块用于对焊缝机器人工具坐标系进行标定，传感器内标定模块与坐标系标定模块电连接，由于自适应控制子系统位于焊接机器人的末端，与机器人末端执行器的相对位置约束完备，计算传感器和机器人末端执行器在坐标系之间的变换矩阵，即可实现传感器坐标系下的三维坐标转化为机器人工具坐标系的三维坐标，而求解坐标系变换矩阵的过程就是机器人工具坐标系的标定。
19.摩擦焊缝跟踪模块包括偏差等级划分模块、模糊控制模块和接收调整模块，偏差等级划分模块用于根据计算出的焊缝偏差和偏差的变化量进行等级划分，模糊控制模块利用给定坐标进行尺度变换和反模糊化处理已进行焊缝位置检测，接收调整模块用于搅拌机器人实时接收模糊控制器输出的位移调整量并进行调整，偏差等级划分模块与模糊控制模块电连接，模糊控制模块与接收调整模块电连接。
20.信息集成方法包括以下步骤：步骤s1：利用中央控制单元和串口通讯的开放协议标准，基于组态软件，配置动态链接库初始化配置文件，进行系统间的集成通讯和参数化焊接任务交互；步骤s2：工作设备开关启动进入工作待机状态，利用中央控制单元调用数据采集线程，通过人机交互界面进行参数设置并运行焊接任务；步骤s3：创建传感器坐标系，计算传感器坐标系中检测点坐标，激光传感器坐标系的z轴为主轴的中心轴线，激光测距传感器发射点为a，激光终点为b，测量的激光线段长度为h，a点与搅拌头中轴线的垂足为空间直角坐标系原点o，传感器坐标系的x轴为第一次通电时的激光器的位置，且传感器坐标系是固定不动的，不会发生旋转，y轴与xoz平面垂直，则a点的旋转轨迹构成的平面即为激光测距传感器的xoy平面，为求得检测点的三维坐标，应求解出激光测距传感器发射点在该坐标系下的坐标和激光方向向量；步骤s4：进行传感器内标定和机器人标定，提取焊缝偏差相关信息，利用系统间实时通讯和模糊控制器，计算焊缝偏差，由于焊接机器人执行的运动指令建立在机器人本体基座坐标系下，自适应控制子系统计算提取的工件位置和焊缝偏差等信息基于传感器坐标系，不能将传感器坐标系下检测到的激光点三维坐标用于控制机器人，因此需要求解传感器坐标系与机器人基坐标系之间的变换矩阵，由于自适应控制子系统位于焊接机器人的末端，与机器人末端执行器的相对位置约束完备，因此本问题转化为计算传感器和机器人末端执行器在坐标系之间的变换矩阵，即可实现传感器坐标系下的三维坐标转化为机器人工具坐标系的三维坐标，而求解坐标系变换矩阵的过程就是机器人工具坐标系的标定；步骤s5：划分偏差等级，利用模糊控制器中的规则表输出机器人位移调整量，机器人运动控制器实时接收并调整。
21.步骤s1中，针对机器人搅拌摩擦焊接系统中的搅拌摩擦焊接机器人子系统，液压主轴子系统以及多参数检测与自适应控制子系统，以中央控制单元通过以太网接口，配置动态链接库初始化配置文件，实现与液压主轴子系统plc的通讯；
通过由多数据信息界面组成的人机交互界面实现机器人搅拌摩擦焊接任务的参数设置、数据采集和保存记录以及焊接过程检测控制，将各个子系统与中央控制单元通讯，操作人员进行参数化焊接任务，实现机器人搅拌摩擦焊接系统集成，以处理器运算能力优异的系统弥补处理器运算能力不足的系统的劣势，完成机器人搅拌摩擦焊接系统间参数化配置和多数据的协调调度。
22.步骤s3进一步包括以下步骤：步骤s31：在激光测距传感器的发射点a和激光发射终点b处，采集激光测距传感器检测的激光束距离h和伺服电机编码器的码盘值n，通过正交解码器将码盘值n存储在工控机内存中，通过无线传输的方式将距离h传输到工控机上的无线接收器上，无线接收器通过以太网接口将距离值h存储在工控机内存中；步骤s32：以机器人搅拌头中轴线垂足作空间直角坐标系原点，建立以主轴中心轴线为z轴，第一次通电时激光器的位置为x轴，与x轴平面垂直的y轴的激光传感器坐标系；步骤s33：根据激光测距传感器发射点在该坐标系下的坐标和激光方向向量计算检测点三维坐标，计算公式为：
23.h为测量的激光光束长度，
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、、为激光光束ab的方向向量，r为当前激光测距传感器原点o的长度，激光测距传感器旋转至某一时刻的发射点a，oa与x轴夹角为，激光束ab与xoy平面的夹角为，的取值由安装时的测距传感器的相对位置决定，在传感器安装完毕后，该角度值固定不变，夹角值由伺服电机编码器获得；步骤s34：通过tcp/ip协议向工控机发送基座坐标系的坐标值、焊接速度和状态信息，工控机计算出工件的传感器坐标系三维坐标后，存储在内存中，焊接开始时，机器人运动控制器作为客户端，通过tcp/ip协议向工控机发送基座坐标系的坐标值、焊接速度和状态信息。
24.步骤s4进一步包括以下步骤：步骤s41：获取与坐标系z轴垂直的工件平面，记录标定纸上激光点坐标值，通过改变工作台与传感器之间的距离，获取多检测点坐标进行拟合，求解激光光束方向向量，获得拟合的激光束方向向量后，即可求得激光束绕z轴旋转得到的单叶双曲面方程，以及工件上的激光检测点在传感器坐标系下的三维坐标值；步骤s42：进行机器人工具坐标系的标定，基于标定纸坐标系的x轴与基座坐标系的x轴平行，获取检测点坐标并求解变换矩阵，传感器坐标系下，可通过测量值h和码盘值n求得检测点坐标，因此，为了求解传感器坐标系和工具坐标系之间的变换矩阵，需要计算检测点在工具坐标系下的坐标，通过检测点、焊具末端点在标定纸坐标系下的坐标，可以求出检测点在基座坐标系下的坐标，利用探针计算工具坐标系到基座坐标系的变换矩阵，进而求得检测点在工具坐标系下的坐标；
步骤s43：应用数据提取算法，获取峰值所在坐标点c(x，y，z)，将c点的x轴、y轴坐标代入到工件平面方程中，计算焊缝偏差d，由于焊缝处激光束长度大于工件表面处激光束的长度，所以当激光测距传感器旋转一周时，焊缝位置会产生检测距离突变，选定其峰值所在的坐标点c(x，y，z)，该点在拟合出的工件平面的投影点d(，，)到ef所在直线的距离，即为焊缝偏差d。
25.步骤s43进一步包括以下步骤：步骤s431：激光测距传感器绕搅拌头旋转一周，基于有效的检测点拟合出工件表面在传感器坐标系下的平面方程为：++ +=0；步骤s432：以机器人搅拌头的前进方向为向量ef，即z轴在工件平面的投影，峰值坐标点c(，， )与搅拌头前进方向向量ef的垂足坐标点为d（，， ），向量；步骤s433：焊缝偏差d即为线段cd的长度，计算公式为：
26.数据通过无线传输模块传输至工控机，工控机处理脉冲信息和测量距离数值，得到检测点的三维坐标，还原工件表面的三维形貌，用于提取出需要的焊接参数，当激光测距传感器绕搅拌头旋转一周时，基于有效的检测点拟合出工件表面在传感器坐标系下的平面方程，坐标系以搅拌头中轴线作为z轴，令搅拌头的前进方向为向量ef，即z轴在工件平面的投影。
27.步骤s5进一步包括以下步骤：步骤s51：根据给定坐标计算出的焊缝偏差，以及统计的整体偏差的变化量进行尺度变换后，利用模糊控制算法进行反模糊化处理，在焊缝偏差实时控制的过程中，自适应控制系统通过焊缝中心坐标和前进方向垂足点的坐标，计算出的焊缝偏差和偏差的变化量，划分偏差变化等级，通过查询模糊控制器中的规则表，输出机器人位移调整量，实时发送给机器人运动控制器做出调整；步骤s52：将模糊控制器计算出的调整量发送给机器人，实现动态补偿，通过偏置直线焊缝、设置曲线焊缝，在预设直线轨迹下验证焊缝自动跟踪控制效果，机器人的运动控制由机器人运动控制柜完成，控制柜内部集成了显示器、计算机、多个plc和电气按钮，计算机操作系统，当自适应控制子系统检测到焊缝偏差和其他焊机参数的数值，应尽快将偏差量传递给机器人运动控制器，自适应控制子系统向机器人子系统发送调整量，进而将偏差补偿量传递到机器人本体上。
28.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
29.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。