2.2 机器人接触式测量

2.2.1 测量加工一体化机器人

加工对象的几何非确定性是机器人高精度加工的难点。通常的方法是由操作者标定机器人与其加工对象之间的几何关系，精确地测量加工对象，再进行空间坐标变换，将测量坐标系下的坐标变换为机器人坐标系下的坐标。这种传统方法效率较低、过程复杂，为了简化工作流程、提高工作效率，采用测量加工一体化方法，在机器人末端执行器上安装测量装备，在机器人坐标空间内直接测量其加工对象的几何形状和机器人与其加工对象的空间几何关系，从而使机器人在对非确定性因素进行认知的基础上进行智能轨迹规划。

搅拌摩擦焊接机器人与大型复杂曲面薄壁零件如图2-1所示。机器人装配体与关节坐标示意图如图2-2所示。机器人本体具有三个平动自由度和两个转动自由度，共五个自由度。放置工件的工作台具有一个旋转自由度，加工回转零件时，转台能够辅助机器人进行焊接工位转换。

搅拌摩擦焊接机器人测量系统只包括X、Y、Z、A、B、W 六个主体部分的运动轴，不包含转台部分，其运动学DH参数见下页表，其中a_i-1是从z_i-1到z_i沿x_i-1测量的距离；α_i-1是从z_i-1到z_i绕x_i-1旋转的角度；d_i是从x_i-1到x_i沿z_i测量的距离；θ_i是从x_i-1到x_i绕z_i旋转的角度。DH基准坐标系如图2-3所示。

整个工件是一个放置在转台上的大型回转体，工件与工装示意图如图2-4所示。理想焊缝应该与工件旋转轴轴心处于同一个平面内。但是，由于单个薄壁工件是冲压成形的，其本身加工精度不高，装夹时也存在变形和误差。因此，很难通过理想模型确定加工轨迹，需要在规划焊接加工轨迹前进行焊缝测量。

2.2.2 接触式测量原理

接触式测头采用海德汉高精度触发式TP230测头，测量原理如图2-5所示，测头碰触工件表面时后会立即输出高电平TTL信号。机器人控制器在收到触发信号上升沿后实时读取各关节坐标位置，保存在寄存器中。对于第i个测量点M_i，可以表示为

式中，分别为X轴、Y轴、Z轴、A轴、B轴、W轴在测头上升沿触发时的位置。将P C作为上位机，在VC平台上建立机器人轨迹规划与仿真系统，通过以太网和机器人控制器协议读取机器人控制器寄存器中的各轴位置。在上位机轨迹规划系统中利用机器人运动学方法由各轴位置计算出测头末端球心空间坐标，测量过程示意图如图2-6所示。

根据机器人运动学，可以得到各关节坐标变换矩阵分别为

由式（2-1）可知，被测点在机器人全局坐标系中的空间坐标[p_x；p_y；p_z]与关节空间的映射关系为

由于机器人各轴位置与末端坐标位置存在多对一的映射关系，而且该测量方法只是对空间位置进行测量，然后再进行刀具姿态的估计，因此，测量过程中FSW机器人可以以任意姿态碰触焊缝。

根据如上过程计算得到的焊缝位置是测头球心的位置。这些测量点与实际焊缝之间存在一个测头半径的偏置距离。偏置方向是被测工件在焊缝测量接触点处的曲面法向矢量方向。为了得到实际焊缝位置，需要对测量点位置进行反向偏置。

2.2.3 测量适应性分析

利用接触式测头对焊缝进行离散点随机测量的实际过程如图2-7所示。理想状态下，测头应该精确地碰触焊缝位置，如图2-8中情况一所示。但在实际测量过程中，测头不可能恰好碰触焊缝位置。这是因为一方面，测头是一个球体，焊缝是非理想加工状态下的装夹缝隙，操作者的视觉误差致使测头与焊缝

实际位置之间存在微小偏移，如图2-8中情况二所示；另一方面，由于工件变形和装夹误差致使装夹后的焊缝存在高度差，这种情况下应选择高度较低的工件一侧进行测量，如图2-8中情况三所示。

尽管测量过程中在工件表面垂直于焊缝的方向上不可避免地存在测量误差，但只要能够保证垂直于工件表面方向的测量精度，则该测量误差对搅拌摩擦焊接质量的影响较小。这是因为搅拌摩擦焊接工艺为了保证焊接质量，避免出现焊缝压深过大或轴肩离开焊缝表面的情况，在垂直于工件表面方向对精要要求较高。如图2-9所示，在工件表面垂直于焊缝的方向上，搅拌头的高速旋转产生的热量会形成一个较宽的塑性区，只要测量误差小于塑性区宽度，焊接质量就能够得到保证。