摘要
近年来，搅拌摩擦焊技术飞速发展，与重载工业串联机器人的结合，使其逐渐成为焊接领域的主流方向。尤其在国内航天焊接领域中，如何应用重载工业机器人进行大型空间复杂曲面薄壁板焊接成为研究的重点和热点。然而，由于串联型机器人结构呈现弱刚性特点，焊接过程中会受轴向项锻力作用发生挠性变形，导致轴向加工位置存在偏差，影响焊缝质量。针对以上背景及问题，本文以实现空间复杂曲面轨迹焊接为目标，基于国产化机器人搅拌摩擦焊系统的设计和集成，展开焊接过程中力位控制技术的研究，主要工作内容如下: 首先，对机器人搅拌摩擦焊系统架构进行设计。将机器人搅拌摩擦焊系统分为八轴联动系统、主轴系统及传感系统，并通过工业现场总线进行各个设备的集成，实现了焊接过程的焊接空间拓展、主轴一体化控制及数据采集监测。并完成对机器人搅拌摩擦焊系统硬件平台的搭建。 其次，以机器人搅拌摩擦焊系统硬件平台为基础，对机器人搅拌摩擦焊力位控制技术进行了研究。以控制策略为指导，分别建立恒压力控制模型和恒位移控制模型。根据机器人搅拌摩擦焊恒压力控制和恒位移控制的实现共性和位移优先的原则，提出力位混合控制策略，并完成控制模型的设计。此外，为保障空间复杂曲线轨迹焊接的横向调控，提出了人在回路控制策略。 再次，为满足焊接工艺需求，结合机器人系统的二次开发能力，完成了对电主轴控制系统、恒压力控制系统、恒位移控制系统、力位混合控制系统、人在回路控制系统的软件设计。为实现机器人焊接轨迹程序的快速编程，对焊接指令进行了自定义，并封装成可调用的焊接工艺包。借助机器人离线编程软件，实现了空间复杂曲面焊接轨迹的设计。 最后，以机器人搅拌摩擦焊系统为平台，通过焊接实验，进行系统的功能测试和力位控制性能验证。根据轴向顶锻力和位移对焊缝成形的影响，对恒压力系统、恒位移系统及力位混合系统提出控制指标，并通过平面直线轨迹焊接实验完成验证，证明了本文机器人搅拌摩擦焊力位系统的控制性能。结合所有工艺功能，开展空间复杂曲面焊缝的焊接实验，以力位混合控制为主要调控手段，实现了大型空间复杂曲面薄壁板的焊接。
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