搅拌摩擦焊接五自由度混联机器人设计方法与关键技术

In order to meet the requirements for sound joining of light alloy components with large scale and complex structure in aerospace, aviation, railway and shipbuilding, this project proposes to investigate the design theory and application technology of FSW robot. Mainly drawing on geometric algebra, 5-axis hybrid mechanism with large fine workspace will be invented for building FSW robot. And stiffness optimization with parameter uncertainty, kinematic calibration with reduced noise and control system development with coupling parameters of the 5-axis hybrid FSW robot will be carried out. On the basis of above researches, the physical prototype and experimental platform will be built. Relevant experiments are implemented to validate the proposed theory and methodology. The project focuses on the development of next generation FSW robot. It will complete the fundamental design theory of robotic mechanism and promote the application of FSW in manufacturing. Therefore, this project is of significance for both scientific research and industrial engineering.

面向航空航天、轨道交通、船舶制造等领域轻合金大型复杂结构件的高效高质量连接需求，本项目拟深入开展新型搅拌摩擦焊机器人的设计理论与关键技术研究。借助几何代数等数学工具，发明具有较大优质工作空间的五轴混联构型解决方案，形成自主知识产权。针对复杂受力的服役环境，围绕五轴混联构型搅拌摩擦焊机器人开展计及参数扰动的刚度优化设计、降噪运动学标定以及基于焊接质量影响因素的耦合参数控制策略等方面的研究。在理论研究基础上，研制五轴搅拌摩擦焊混联机器人原型样机，并搭建搅拌摩擦焊实验平台，开展相关实验研究以验证方法的有效性。本项目聚焦新型搅拌摩擦焊装备系统开发，将完善机器人机构学基础理论研究，促进我国搅拌摩擦焊技术的应用和发展，因而具有重要的科学意义及工程应用价值。

搅拌摩擦焊技术在航空航天、轨道交通、船舶制造等领域轻合金大型复杂结构件的高效高质量连接工艺中有着广泛应用，面向上述领域的大型搅拌摩擦焊机器人系统开发具有重要的科学意义及工程应用价值。本项目以新一代搅拌摩擦焊机器人设计为目标，系统研究其构型创新与设计、刚度优化设计、运动学标定、轨迹规划及控制等保障该机器人高效工作的关键技术，并开展了样机建造与实验研究。研究提出了3种新型搅拌摩擦焊机器人方案，针对其中一种方案建立了2R1T并联机构构型综合代数化运算的通用流程，得到8种全对称结构的2R1T并联机构，选择具有确定转动轴线的Tri-X并联机构作为本项目的主要设计对象；研究了Tri-X的刚度建模问题，定义了反映刚度性能各向同性及刚度薄弱环节的刚度性能评价指标，对机构尺度参数和结构参数进行了灵敏度分析，并对Tri-X的刚度性能与机构体积进行了多目标优化设计；通过矩阵相关性分析实现了冗余误差的分步剔除，基于有限瞬时旋量理论(FIS)形成了并联机构的通用运动学标定方法，开发了并联机构标定辅助软件系统；建立了搅拌摩擦焊机器人控制算法，推导了操作空间和关节空间的运动轨迹插补公式，给出了机器人的运动补偿方法，并提出了搅拌摩擦焊控制策略；构建了搅拌摩擦焊控制系统，采用工业PC+Power Pmac CK3M运动控制器作为控制系统的控制核心，并基于LabVIEW图形化编程环境开发了机器人运动控制软件和人机交互用户界面软件；基于以上系统开展焊接试验，实验结果表明设计和开发的搅拌摩擦焊机器人和其控制系统在实际应用过程具有良好的工作质量和工作效率。在执行年限内，本项目在Mechanism and Machine Theory、IEEE Transaction on Industrial Electronics、Chinese Journal of Mechanical Engineering、机械工程学报、天津大学学报等国内外知名机构学期刊及会议上发表学术论文13篇，被SCI/EI收录10篇次，提出了3种新型搅拌摩擦焊机器人方案，均已申请国家发明专利；培养博士研究生1名、硕士研究生4名。