【正文】 me, there are some technical difficulties in welding. Threedimensional T joint is often welded by robot teachingposition, which has a low precision. The process of welding one side after another brings some problems, such as distorting and cracks. Welding spot often deviate from welding path, making the welding scrap. Small machine tools are difficult to process large size structure. In view of the above problems, this paper built a large span overhead welding platform mechanical structure, meeting the demand of large size welding and both sides welding at the same time for T joints. We design a three rotating structure of the welding structure, which is equipped with dual cross slide for both sides of the weld T joint measurement and pensation. We build a motion controller + industrial tablet puter open CNC system and build software and hardware platform of the upper and lower machine structure. Then we developed a friendly manmachine interactive interface. The study on the control system of a single axis high speed high precision control technology and the ten axis six linkage control technology is showed in detail. Based on the coordinate system, we solve the kinematics model of the welding machine and the coordinates of the vector information, using the technology of 3D trajectory planning of welding path, achieving the high precision control technology of threedimensional welding path. Both welding sides using detecting sensor based on machine vision, to realtime detect the weld deviation, realize the realtime pensation technology of welding deviation. By tracking the pensation experiments verify the pensation effect and the tracking accuracy. Through the actual welding experiments, we plete welding test, results show that the double way for three dimensional T joints can meet the processing requirements and tracking pensation. 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 III Keywords: 3D Tjoint, Axis Simultaneous Control, Dualbeam Laser Welding, Tracking control 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 IV 目錄 摘 要 ......................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................... II 1 緒論 ........................................................................................................... 1 課題來(lái)源及研究背景 .......................................1 三維激光焊接的國(guó)內(nèi)外研究概況 .............................3 課題研究?jī)?nèi)容 ............................................7 2 六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制平臺(tái) ....................................................... 9 .........9 三向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的雙側(cè)激光焊接方案 ..........................10 ..............14 本章小結(jié) ...............................................22 3 三維激光焊接的十軸六聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制策略與運(yùn)動(dòng)學(xué)算法 ....................... 23 高精度 PID+Feedforward+Notch Filter 位置控制技術(shù) ..........23 .............................28 基于交叉耦合的橫梁 X 軸雙電機(jī)同步方案 .....................32 4 雙路激光焊接的三維焊接路徑控制技術(shù)與實(shí)現(xiàn) ....................................... 37 雙路激光焊接平臺(tái)軌跡規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析 .................37 三維 T 型接頭的三維焊接路徑和參 數(shù)控制 .....................40 三維焊接路徑的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的實(shí)現(xiàn) ..........................41 本章小結(jié) ...............................................43 5 T 型接頭的焊縫實(shí)時(shí)測(cè)量與跟蹤閉環(huán)控制技 術(shù) ..................................... 44 T型接頭的焊接偏差測(cè)量技術(shù) ..............................44 基于機(jī)器視覺(jué)的 T 型接頭雙路跟蹤補(bǔ)償控制技術(shù) ..............47 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 V 實(shí)時(shí) 跟蹤補(bǔ)償技術(shù)閉環(huán)控制性能分析 .......................50 焊件驗(yàn)證 ..............................................51 6 總結(jié)與展望 .............................................................................................. 55 致謝 ............................................................................................................. 57 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................... 59 附錄 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文 .................................................................... 62 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 1 1 緒論 課題來(lái)源及 研究背景 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于國(guó)家科技重大專項(xiàng) “高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備” ， “ 大功率光纖激光雙光束焊接設(shè)備 ” （ 編號(hào) ：） ， 武漢 市科技計(jì)劃項(xiàng)目“ 汽車(chē)覆蓋件三維激光焊接控制及其焊縫跟蹤技術(shù)” （ 編號(hào) ：） 。 激光焊接是一種高能束流焊接，擁有傳統(tǒng)焊接方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如激光束能量高，比其他方法高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，焊接速度快，加工 生產(chǎn)率高，激光光斑直徑小，熱量控制精確，容易形成大而長(zhǎng)的焊縫，焊接晶粒小，因而焊接質(zhì)量高，并且激光容易控制，可以安裝在機(jī)器人和機(jī)床上去，可以實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的自動(dòng)化 [1]。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)蒙皮壁板的筋板焊接為了減輕重量，已經(jīng)由鉚接的工藝向 激光焊接轉(zhuǎn)變，切使用量越來(lái)越大 。 由于航空 航天 ，汽車(chē)制造及造船等行業(yè)的筋壁板通常采用 T 型接頭結(jié)構(gòu) ， 而傳統(tǒng)的制造工藝多采用鉚接工藝。 T 型接頭的激光焊接工藝，也存在缺點(diǎn)及難點(diǎn)，例如焊接變形，裂紋，成形等問(wèn)題，針對(duì)以上工藝問(wèn)題， 現(xiàn)在的措施一般是通過(guò)提高裝夾精度、改善焊接環(huán)境、提高焊接前接頭的質(zhì)量的措施來(lái)改進(jìn)，但是這些措施只能針對(duì)小幅度 的焊接變形、小應(yīng)力來(lái)改善，對(duì)大幅度的焊接變形、大的焊接應(yīng)力還不能解決，只能尋求其他方法。一般多采用后者，因?yàn)榉止馐降膬墒す夤β蕝?shù)可控，可以做到功率大小相等，起焊停焊同步控制，以保證焊接工藝性。激光焊接系統(tǒng)是核心部分，用于控制兩側(cè)激光的同時(shí)焊接。 針對(duì)激光焊接過(guò)程中由焊接熱應(yīng)力、裝夾定位誤差、制造誤差等引起的焊接變形，國(guó)外還有多家科研機(jī)構(gòu)和單位致力于此，英國(guó)的 META 公司和加拿大的 ServoRobot公司已經(jīng)有針對(duì)于焊縫檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)跟蹤的專用產(chǎn)品， META 公司的 Laser Pilot 可以廣泛地適用于焊接生產(chǎn)中， 如集裝箱、鐵路、造船、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。 英國(guó) Department of Electrical Engineering and Electronics， The University of Liverpool利物浦大學(xué)的 Jeremy S. Smith 采用視覺(jué)檢測(cè)從上表面實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接熔池的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于 TIG 焊中焊接形貌的檢測(cè)，通過(guò)視覺(jué)的檢測(cè)與實(shí)時(shí)跟蹤，能夠在擾動(dòng)的存在下得到更均勻的熔深 [14]。 國(guó)內(nèi)激光焊接研究現(xiàn)狀 二十多年來(lái)激光焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接工藝對(duì)激光焊接設(shè)備的要求也不斷提高，也促使更先進(jìn)的激光焊接設(shè)備的研發(fā)，上述文獻(xiàn)可以看到國(guó)外的激光焊接控制系統(tǒng)和焊縫跟蹤補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，由此生產(chǎn)的工件質(zhì)量也越來(lái)越高，特別是航空航天等涉及國(guó)防安全的領(lǐng)域，已經(jīng)讓國(guó)內(nèi)同行業(yè)人員有了高度的緊迫感，研發(fā)搞精度的控制系統(tǒng)和焊縫跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。 山東大學(xué)的張光先等人，采用專用的伺服控制芯片 FPGA，在焊接過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的焊接伺服控制，計(jì)算焊點(diǎn)與實(shí)際焊縫之間的距離，保證了焊接控制的實(shí)時(shí)性。二是多用于焊接機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，多采用示教的焊接方式，自動(dòng)化程度低，針對(duì)焊縫跟蹤系 統(tǒng)的集成度較低。 項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容 （ 1）基于焊縫跟蹤的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù) 研究 十軸六聯(lián)動(dòng) 數(shù)控技術(shù)，開(kāi)發(fā)三維焊縫測(cè)量與跟蹤系統(tǒng)專用的硬件和軟件接口，一方面進(jìn)行三維焊接的位置和姿態(tài)控制，另一方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫偏差，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)三維激光焊接的高速、高精度控制。 （ 4）三維焊縫軌跡的測(cè)量 基于高精度的焊縫檢測(cè)傳感器（英國(guó) Meta 公司的焊縫檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)）對(duì)焊縫 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 8 進(jìn)行測(cè)量，獲取三維焊縫的軌跡信息 ，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償技術(shù) 。 第三章介紹了分光式激光雙路焊接系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了 T 型接頭的雙路焊接的約束條件，設(shè)計(jì)了一種三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 第六章做了總結(jié)與展望，對(duì)本文研究?jī)?nèi)容做了總結(jié)，并對(duì)研究需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方作出展望，為以后的研究提供方向。 ③ 加工件多為航空航天型號(hào)件，精度要求高。每個(gè)底座內(nèi)裝有一根長(zhǎng)行程的齒條和兩根直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上架有橫梁， X 軸的兩個(gè)減速器安裝在橫梁的兩側(cè)箱體內(nèi) ； ③ 橫