搅拌摩擦焊相对于传统的焊接手段,其热输入量相对较低,焊接过程中温度低于材料的熔点,材料不发生熔化过程,可避免许多熔化焊中出现的缺陷,且焊缝的残余应力和变形相对较小。搅拌摩擦焊焊缝质量相对较高,多种材料焊接后强度可达到母材强度的80%以上。目前,搅拌摩擦焊被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、铁路等制造领域,且在诸多领域如兵器工业、建筑、家电等领域展现出了极大的应用潜力。机器人在工业应用中具有自由度高、灵活性强、工作空间大等优点,在搅拌摩擦焊的应用中潜力巨大。然而,常用工业机器人由于其结构形式是开链式串联结构,与并联机器人或龙门式搅拌摩擦焊机相比,存在几个缺点:机器人各关节传动误差使操作末端误差累积,精度降低;机器人串联结构刚度较弱,操作末端受焊接力时,发生扭转和弯曲变形,影响末端位姿精度、造成结构振动等。将搅拌摩擦焊结合机器人进行工业应用的过程中,亟需解决机器人在焊接过程中受力发生变形的问题,同时需要考虑由于工艺特点产生的结构振动。本文从6自由度工业机器人刚度模型入手,针对搅拌摩擦焊机器人在焊接时受载荷变形及加工振动问题进行研究。首先,调研了国内外对于重载机器人及机器人搅拌摩擦焊的研究现状,对机器人刚度模型及刚度评价指标进行分析。其次,介绍了项目相关设备情况,包括机器人、变位机和电主轴以及部分传感装置;对项目所用机器人进行运动学正逆解求解,分析了机器人-变位机协同运动轨迹规划方案,并计算出机器人雅可比矩阵,作为建立机器人刚度模型的基础。之后,根据刚度折算法和有限元分析法建立机器人关节刚度矩阵,通过建立映射关系,求解出机器人笛卡尔刚度矩阵。进行机器人搅拌摩擦焊基础工艺实验中发现明显的轴向变形和侧向变形,引起了下压量的不足和焊缝的侧向偏移。使用刚度模型中的力-线位移刚度矩阵对机器人搅拌摩擦焊接时的变形误差进行预测及补偿,利用六维力传感器测量不同厚度铝合金板在搅拌摩擦焊过程中受力状态,结合焊接时受力状态及机器人当前姿态下的刚度矩阵,预测机器人变形量,从而指导搅拌摩擦焊接中机器人变形误差的补偿过程。最后,针对于机器人搅拌摩擦焊过程产生的振动进行实验数据采集与分析。在机器人笛卡尔刚度模型的基础上,建立操作末端刚度椭球,分析在不同方向下机器人的方向刚度,从而确定了刚度评价指标。通过力传感器采集到的六维力数据对比机器人加工路径上不同的受载条件,分析机器人方向刚度及振动间的关系。使用加速度传感器测量机器人搅拌摩擦焊接时沿每个方向的振动数据,并在数据处理软件中进行对比,结合机器人方向刚度进行分析,找出机器人搅拌摩擦焊过程振动与方向刚度之间的关系。最后,根据搅拌摩擦焊实验中遇到的问题进行分析总结,提出基于方向刚度的机器人搅拌摩擦焊工艺指导方案。