【正文】 梁上同時有 Y 軸兩根直線導(dǎo)軌， Y 軸采用導(dǎo)軌絲杠傳動，伺服電機通過絲杠的傳動使 Y 軸沿著直線導(dǎo)軌運動 ； ④ 機床滑枕 為機床的 Z 向， 通過絲杠螺母副驅(qū)動、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向， Z 向沿著滑枕的直線導(dǎo)軌運動。 30 度 1:360 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 C 軸 轉(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。 針對以上 三維 T 型焊縫較一般焊縫的加工難點 ，為了 加工路徑實施中焊接姿態(tài)的適時調(diào)整， 提出了以下 T 型接頭雙 側(cè) 焊接約束分析 ， 具體來說： ⑴ 光束激光焊接的兩條激光束均位于三維焊縫曲線的法平面內(nèi)。 ⑷ 兩條激光參數(shù)完全相同，激光功率可同時調(diào)節(jié)，且需與運動控制系統(tǒng)配合。 C軸回轉(zhuǎn)機構(gòu) 7 帶動下方的 AB 軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)中心位于圖示 8， C 軸與機床滑枕連接 [25]。 如圖 方案一所示 。如圖 方案二 所示。光纖轉(zhuǎn)載焊接頭 11 的前端（焊接頭 11 的位置如圖 所示），輸出激光束 5，最終打在 T 型接頭 4 的兩側(cè)。 針對這些技術(shù)特點，對控制系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容的分析有如下幾點： (1) 實現(xiàn) XYZ 坐標軸的單獨 高速高精 直 線運動， ABC 三旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動 (2) 實現(xiàn) XYZ 三直線軸的速度、位置精確控制， XY 軸最高速度 20m/s， Z 軸最高速度 10m/s，三軸定位精度 ，重復(fù)定位精度 。 (5) 實現(xiàn)六 聯(lián)動 運動程序的執(zhí)行 ，支持后置處理運動學(xué)算法 。 針對 本焊接跟蹤平臺特殊功能要求定制開發(fā)， 最終方案 采用由 UMAC 運動控制器和工業(yè)控制計算機組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 坐標系電機寄存器硬件通道輸入接口輸出接口運動程序在線手動指令通訊接口放大器標志信號上位主機PMAC CP UM o tor o la 56 x x x amp。 PMAC 運動控制器聽過以太網(wǎng)接口和工控機通信。工作穩(wěn)定性滿足需求。 圖 上位機 NODKA（諾達）工業(yè)平板 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 18 本控制系統(tǒng)采用 NODKA（諾達）公司的工 業(yè)平板，型號為 TPC60008192T，主要參數(shù)為： 178。 直流 6～ 30V 寬壓電源輸入，具有過流、過壓和反接保護措施 178。 PMAC 運動控制器 發(fā)出的焊接運動信號，經(jīng)過驅(qū)動放大單元的放大后，驅(qū)動 機床結(jié)構(gòu)完成三維焊接 。其主要由以下幾個部分組成： 圖 1) 軸位置顯示區(qū)，顯示當前加工模式下 X X Y、 Z、 A、 B、 C 七個軸的位置信息、速度信息和剩余進給量。 5) 工作 M 代碼顯示區(qū)。 ? 焊縫跟蹤狀態(tài)：顯示焊縫 跟蹤系統(tǒng)是否工作。 2) 1) 3) 4) 7) 6) 5) 11) 9) 8) 10) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 20 11) 加工模式信息區(qū)，顯示加工程序名、程序狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、加工模式、工作模式、程序進度、系統(tǒng)時間。 ? 工作模式：系統(tǒng)有“手動”、“自動”兩種工作模式。數(shù)控機 機床界面 參數(shù)界面 程序界面 診斷界面 圖 上位機軟件一級菜單界面 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 21 床有手動、自動兩種工作方式。 “ 參數(shù) ” 界面主要用于對系統(tǒng)各項參數(shù)、電機參數(shù)、螺距補償參數(shù)、工件坐標系偏置數(shù)據(jù)的設(shè)定，以及查看焊接工藝數(shù)據(jù)庫。 “ 診斷 ” 界面提供機床輸入、輸出，激光器輸入、輸出，電機狀態(tài)、故障信息記錄六大主功能。 下位機 PMAC 運動控制器的軟件構(gòu)架如圖 的運動控制部分軟件，功能主要有參數(shù)初始化、狀態(tài)掃描、邏輯控制 (PLC)、多軸運動控制、 G 代碼解釋。 UMAC 可同時運行 64 個 PLC 程序， PLC 邏輯控制功能強大，通過編程能夠進行實時控制。 位置環(huán)控制采用 PID + Feedforward + Notch Filter 位置控制技術(shù) 。 基于對象的前饋控制如 圖 所示。 對于數(shù)字式離散型非線性系統(tǒng)，上式做 Z 變換得 Feedforward 前饋控制律： 1 1 2()( ) ( 1 ) ( 1 2 )()f vff affFzG z K z K z zMz ? ? ?? ? ? ? ? ? Notch Filter 陷波濾波器 濾波器廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，主要用來消除噪聲、減小諧振、 降低混疊等，其中最常見的濾波器有低通濾波器、陷波濾波器，低通濾波器會通過引起增益穿越頻率處的相位滯后給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，相比較而言，陷波濾 波器帶來的影響小的多，本平臺采用陷波濾波器來消除上述影響。 仿真證明，對于本控制系統(tǒng)，二極點陷波濾波器能夠很好衰減 位于陷波頻率處的信號。四種加減速控制方法如圖 所示 。但是由于恒加速度控制在啟停的瞬間存在加速度的 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 29 突變 ，對高精度機床有沖擊；在要求加減速較高的場合，加速時間長，不能滿足要求。混合模式的運動速度如圖 所示。 Frax (X,Y,Z)命令指定矢量進給率 (速率 ) 計算中所使用的軸 ,包含在內(nèi)。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 31 YYVx VxVy VyXXt tt tNo n Ble nd ed Ble nd ed 圖 混合模式與非混合模式的軌跡比較 多軸運動控制的矢量進給 用于多個電機控制 焊接端運動 時，各電機必須協(xié)調(diào)地工作獲取期望的工具端速度 ， 電機在多軸協(xié)同運動時，需要針對給定的進給率（ F 值 ）進行矢量進給（ vectorfeedrate）的計算， 矢量進給 將所有進給率軸要運動的矢量距離 (各相關(guān)軸要運動距離的平方和的平方根 )除以進給率的值作為運動時間。 多軸線性插補 混合模式與非混合模式 多軸運動控制技術(shù)中，如果多個運動指令連續(xù)給出，中間沒有給出具體的插值，那么每個電機的運動速度會從第一條指令向第二條指令平滑的過渡，從第一點的運動速度向第二點的運動以給定的加速度值或者 S 曲線加速度值來過渡。 VVttttP A R A B O L I C A C C E L S C U R V E A C C E LYX12V xV yV xV yV xV yV xV yC O N S T A N T A C C E L S I N U S O I D A L A C C E L 圖 四種曲線插補加減速控制方法 在四種加減速控制方法中，本平臺主要采用恒加速度控制和 S曲線加速度控制。 高精度位置控制實現(xiàn) PID + Feedforward + Notch Filter 位置控制技術(shù) ，是將 PID 控制 ()PGs、Feedforward 前饋控制器 ()FGs、 陷波濾波器 ()NGs、反饋函數(shù) ()Hs按照 框圖 所示[32]所構(gòu)成的位置環(huán)控制器，其傳遞函數(shù)為： 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 27 ( ( ) ( ) ) ( )() 1 ( ) ( ) ( )?? ? F P NP N FG s G s G sGs G s G s H s K pKv f f ( 1 z 1)Ka f f ( 1 2 z 1+ z 2)Ki1 z 11 + n1z 1+ n2z 21 + d1z 1+ d2z 2R e f e r e n c eP o s i t i o nKd1 z 1+++++P o s i t i o n L o o p F e e d b a c kD e a d b a n dO u t t o D A CN o t c h f i l t e r????++ 圖 PID + Feedforward + Notch Filter 位置控制技術(shù) 用 英國 RENISHAW 公司激光干涉儀 對單軸的定位 精度、重復(fù)定位精度經(jīng)行測量， Z軸測量結(jié)果為定位精度 ，重復(fù)定位精度 ，該結(jié)果對于大跨度長行程的重型機床做到了高精度位置控制。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 26 陷波濾波器在離散的非線性系統(tǒng)中的存在形式是，將上式做 Z變換： 12121()1?????N N z N zGz D z D z 其中 1N 2N 1D 2D 分別為零點、極點的固有頻率和阻尼比，調(diào)整這四個參數(shù)可以修改陷波頻率和 阻尼比 。 則上圖中的指令傳 遞函數(shù)可以寫為： ( ( ) ( ) ) ( ) ( )()() ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( )??? ? F C P C PC P C P FG s G s G s G sRsTs C s G s G s G s H s 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 25 假定功率變化器 GPC(s)和 H(s)是反饋 原件都是理想的，由于指令響應(yīng)為 ()Ts=1（假設(shè)實際響應(yīng)等于指令輸入），則： 1 ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) ( )? ? ?C P F C PG s G s G s G s G s 上式成立則， 得： ()FGs= 1()?PGs 由此可 知 ，前饋 ()PGs實際上等于控制對象 ()FGs的逆，即前饋控制器可以補償控制對象帶來的響應(yīng)滯后， 速度前饋和 加速度前饋能對位置指令輸入 M(s)有更快速的響應(yīng)，當位置指令輸入 M(s)發(fā)生變化，其對應(yīng)的一階微分（速度）和二階微分（加速度）會直接前饋（ Feedforward）到控制律輸出端，從而加快速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 24 對 PID 控制律做 Laplace 變換，得其傳遞函數(shù)為： ( ) 1G( ) 1() pdiMss K T sE s T s??? ? ? ????? 通過對傳遞函數(shù)的分析可以得到對線性連續(xù)系統(tǒng)定量的分析和研究， 在數(shù)字式運動控制系統(tǒng)中，整個運動控制是一個離散的非線性控制系統(tǒng)，為了對非線性離散系統(tǒng)進行分析和研究，需要采用 Z 變換，離散 PID 律為： 0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kp i dju k K e k K e j K e k e k???? ? ? ? ???? 其中 e(k)為誤差 e(t)在 k 時刻的采樣。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 23 3 三維激光焊接的十軸六聯(lián)動 運動控制 策略與運動學(xué)算法 高精度 PID+Feedforward+Notch Filter 位置 控制技術(shù) 六聯(lián)動平臺的多軸運動控制 平臺，采用開放式運動控制器構(gòu)架，運動控制信號由驅(qū)動器放大，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。 單 字 符輸 入 / 輸 出換 相 更 新伺 服 環(huán) 更 新實 時 中 斷后 臺 任 務(wù)任務(wù)優(yōu)先級 圖 運動控制器的任務(wù)優(yōu)先級 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 22 控制系統(tǒng) 下位機軟件包括 UMAC 調(diào)試軟件 Pewin32 Pro 和 UMAC 自帶的 PLC 程序 。進入到診斷界面后，右側(cè)豎向按鈕欄出現(xiàn)“機床輸入”、“機床輸出”、“激光 器輸入”、“激光器輸出”、“電機狀態(tài)”、“故障信息”六個子菜單 。 “ 程序 ” 界面功能提供數(shù)控程序的新建、打開、編輯、保存、編譯裝載、 UMAC指令發(fā)送等多種功能。點擊“手動”按鈕，可以在手動模式下，人工操作移動機床的各個軸，如果當前軸正處于回零中，那么它將使回零停止。 ? 系統(tǒng)時間：顯示操作系統(tǒng)的時間 。 ? 系統(tǒng)狀態(tài)：系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，有“正?！焙汀俺鲥e”兩種狀態(tài)。 9) 其他狀態(tài)顯示區(qū)，顯示焊接激光器狀態(tài)、激光功率、手輪狀態(tài)、焊縫跟蹤電源狀態(tài)。 7) 程序運行狀態(tài)區(qū)，顯示數(shù)控加工 G 代碼的當前運行行號、進給修調(diào) 、進給速度 F。 3) 橫向功能主菜單區(qū)， 顯示 軟件系統(tǒng)的工作模式。 W i n d o w s 系 統(tǒng) 通 訊 庫機床初始化參數(shù)界面診斷界面顯示切換程序界面示教界面運 動 控 制 系 統(tǒng)參數(shù)初始化狀態(tài)掃描模塊程序代碼解釋