【正文】 圖 混合模式速度曲線 混合模式的速度會對多軸的插補曲線造成改變，原因在于混合模式通常在小加速時間下進行，小加速時間會優(yōu)先計算加速度值 ，這通常造成在速度改變處的多軸混合位置改變，改變的原因及結(jié)果如圖 所示。圖中通過 XY 軸插補運動，擬合一段直線，在加減速階段，通 過不同的擬合曲線，實現(xiàn)直線的插補運動。 二階陷波濾波器有兩個極點和兩個零點， 傳遞函數(shù)為 ： 222()2? ? ?? ? ???? z n z n zN p n p n psGss 其中： ?nz 為 零點的固有頻率， ?z 為零點的阻尼比 ， ?np 為 極點的固有頻率，?p 為 極 點的阻尼比 。 位 置 環(huán) 速 度 環(huán) 電 流 環(huán) 伺 服 電 機 負 載 對 象位 置指 令速 度 環(huán) 反 饋電 流 環(huán) 反 饋位 置 環(huán) 反 饋運 動 控 制 器伺 服 驅(qū) 動 器伺 服 電 機 機 床++++ 圖 控制框架圖 PID 控制器 其中 PID 控制器 其原理是按偏差的比例 (Proportional)、積分 (integral)、微分(Derivative)進行控制 [30]： 01 ( )( ) ( ) ( )tpdidtG s K t t d TT d t?? ? ???? ? ?????? 其中 Kp ()t? 為比例控制 項， Kp 為比例控制系數(shù)，01 ()titdT ??? 為積分項， iT 為積分時間常數(shù)， ()d dtT dt?為微分控制項， dT 為微分時間常數(shù) [31]。由于下位機的軟件功能多是實時性較高的模塊， 內(nèi)部軟件有著固定的任務(wù)優(yōu)先級，如換相、伺服更新模塊是要求實時性最強、優(yōu)先級最高的模塊，優(yōu)先級最低的是后臺任務(wù)，主要做 PLC 程序的掃描，負責(zé)與其他模塊的通信、安全檢查。在機床操作的功能菜單下，按下“ F2”鍵或點擊“參數(shù)”按鈕，將會出現(xiàn)參數(shù)界面的功能菜單，有“系統(tǒng)參數(shù)”、“電機參數(shù)”、“補償參數(shù)”、“坐標系”、“下載參數(shù)” 5 個子菜單 。 ? 程序進度：顯示數(shù)控加工程序的執(zhí)行進度。 ? 焊縫跟蹤系數(shù)：顯示焊縫跟蹤所需的系數(shù)。 2) 數(shù)控加工 程序的全部代碼 顯示區(qū)。 接口： DVI/VGA/2GLAN/5USB/6COM/AUDIO/PCIeX4 和 PCI 擴展槽 工業(yè)平板電腦 負責(zé)人機交互界面顯示的管理、控制系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控、對用戶輸入的參數(shù)進行響應(yīng)與處理 等工作，例如系統(tǒng)狀態(tài)顯示、圖形顯示、參數(shù)輸入、運動程序編程等。保持堅固的同時，降低了重量 。 存儲器門陣列電路離散電路控制對象編碼器電機軸電機固板軟件內(nèi)存 圖 PMAC 運動控制系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu) 圖 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 17 運動控制器包括運算 CPU 模塊（內(nèi)嵌軟件化 PLC）、多 軸 運動 控制模塊、 寄存器、門陣列電路、離散電路、 I/O 模塊 、等 。 (6) 做好靈活方便的人機交互界面，可實現(xiàn) 10 軸的位置、速 度、電機參數(shù)等的顯示，運動參數(shù)的輸入與修改，運動程序的編輯、下載與執(zhí)行，故障的診斷、顯示與報警。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 14 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償控制系統(tǒng)的 軟 硬件平臺 控制系統(tǒng) 需求 分析 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤 補償控制平臺是基于高架橋式六軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高速高精控制的機電控制系統(tǒng)。 方案二：采取柔性光路傳導(dǎo)，激光加工頭安裝于可二維旋轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)的機構(gòu)上。 三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運動機構(gòu) 針對以上焊接約束條件分析，本平臺采用了一種三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運動機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖 所示。 90 度 1:120 無 20 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 三向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的雙側(cè)激光焊接方案 T 型接頭雙路焊接約束分析 國內(nèi)對 T 型接頭的焊接設(shè)備往往采用兩個機器人同時操作，或者簡易的構(gòu)架將兩 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 11 束激光對準 T 型接頭的兩側(cè)，這些方法僅僅對雙光束實驗有效，用于驗證工藝可行性，但是不適于大尺寸的三維整體見的焊接，不滿足工程實際應(yīng)用條件。 ④ 運行速度高，滿足高速加工要求，提高加工效率。 第四章研究了十軸六聯(lián)動運動控制系統(tǒng)的控制策略和運動學(xué)算法，采用基于開放式數(shù)控系統(tǒng)方案，實現(xiàn)高速高精的六聯(lián)動運動控制算法 。 （ 2）基于動態(tài)特性的多軸運動控制策略 研究基于動態(tài)特性的多軸運動控制策略：①基于運動過程中的物理約束及幾何約 束，研究聯(lián)動非線性插補方法，不僅會提高控制精度，而且還能大幅提高控制質(zhì)量， 減少變形。并設(shè)計了跟蹤小車，結(jié)構(gòu)光視覺焊縫定位，實現(xiàn) XZ 平面的正確跟蹤，從而有效的提高了焊接跟蹤精度 [21]。 韓國 Korea Advanced Institute of Science and Technology 研究所的 . Lee， . Chang 等人，將視覺傳感器用于對風(fēng)箱的激光焊接系統(tǒng) [15]，該平臺采用 YAG 激光器，將激光光束 45 度角打在焊縫上，同時將視覺傳感器傳來的圖像做邊緣檢測、幾何建模，推斷出焊縫形貌信息后，用于焊縫跟蹤 [16~17]。焊縫檢測系統(tǒng)主要用于跟蹤焊縫是否出現(xiàn)偏差及偏差后的補償調(diào)整。 對于 T型接頭的激光焊接，現(xiàn)在的普遍做法有以下兩種，一種是將一束激光先打在接頭的一側(cè)，一側(cè)焊接完畢后再焊接另外一側(cè)， 這樣的方法也是造成上述工藝缺點的重要原因，因為一側(cè)焊接完畢后，產(chǎn)生了較大的焊接應(yīng)力，此時在焊接另外一側(cè)，相當(dāng)于產(chǎn)生了二次應(yīng)力，兩個應(yīng)力疊加造成更大的焊接變形，甚至導(dǎo)致大變形、裂紋、氣孔的出現(xiàn)。 航天領(lǐng)域，導(dǎo)彈發(fā)射、高壓儲氣罐、彈翼、火箭發(fā)動機殼體等典型航天產(chǎn)品都有很廣泛的應(yīng)用 [4]。 課題研究背景 和應(yīng)用概況 激光焊接在大結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，已成為二十一世紀解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的先進焊接技術(shù)之一。 針對上述問題，本文搭建了大跨度高架橋式機械結(jié)構(gòu)的焊接平臺，滿足大尺寸整體件的焊接需求，同時針對 T 型接頭的兩側(cè)同時焊接需求，設(shè)計了三向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的焊接加工結(jié)構(gòu) 及雙光束焊接控制系統(tǒng) ，并配備了雙十字滑臺，對 T 型 接頭的兩側(cè)同時實現(xiàn)焊縫測量與跟蹤補償。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印 件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 搭建了基于運動控制器 +工業(yè)用平板電腦的開放數(shù)控系統(tǒng)， 開發(fā)了上下位機結(jié)構(gòu)的軟硬件平臺，編寫了友好的人機交互接口。激光焊接技術(shù)的工程化應(yīng)用離不開激光焊接裝備的開發(fā)及專業(yè)化。船舶領(lǐng)域，艦船的骨架焊接往往需要大功率的激光焊接來完成 。另外一種焊接方法是采用兩束激光在 T型接頭兩側(cè)同時焊接，可以有效減小焊接應(yīng)力，改善焊接變形，減少裂紋、氣孔的出現(xiàn)。 激光焊接設(shè)備的生產(chǎn)線如圖 所示。 國外的激光焊接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天型號件的 生產(chǎn)，基于國家或者跨國研究計劃的支持，歐美國家的航空航天結(jié)構(gòu)件的激光焊接技術(shù)和工藝，已經(jīng)取得了顯著的成果，例如空客 A380 壁板的生產(chǎn)、軍用飛機型號件的而生產(chǎn)等。 圖 華中科 技大學(xué)研制的激光焊接測量一體化平臺 華中科技大學(xué)的龔時華、王平江等人基于開放式運動控制器開發(fā)的 7 軸 5 聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和基于結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤系統(tǒng)，研究了三維曲面的激光焊接與測量一體化模型，實現(xiàn)了對復(fù)雜形貌的 拼縫焊接與測量，實驗證明該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)針對三維曲面的高速高精焊接和實時焊縫跟蹤 [22~23]。②研究多軸聯(lián)動的速度控制模型， 保持合成速度的恒定，需要綜合空間軌跡形狀引起的各運動軸速度及其變化率不超過伺服驅(qū)動能力，在多軸聯(lián)動插補中實現(xiàn)恒速度的控制，保證激光焊接質(zhì)量。通過對平臺模型的分析，研究了三維焊接路徑和參數(shù)控制技術(shù)，并實現(xiàn)了針對三維焊接的姿態(tài)控制的運動學(xué)算法。 針對以上要求， 本系統(tǒng)采用橫梁結(jié)構(gòu)的大型多軸聯(lián)動機床，最長焊接行程為 5米，以解決大尺寸結(jié)構(gòu)件的單次焊接問題 ，平臺的模型如圖 所示 。 三維 T 型接頭的雙側(cè)同時焊接存在以下技術(shù)難點： ① 三維焊接要求 對空間焊縫的路徑嚴格擬合，運動精度要求 高，加工形成長； ② 三維的焊接路徑要求姿態(tài)實時調(diào)整， 不同型號件的可調(diào)整為不同姿態(tài)。 圖 三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運動機構(gòu) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 12 焊接頭 1 對稱安裝于弧板 2 兩端， 弧板上端連接于 A 軸回轉(zhuǎn)機構(gòu) 3 的 A 向回轉(zhuǎn)中心 4， A 軸回轉(zhuǎn)機構(gòu) 3 帶動弧板在弧板平面內(nèi)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)角調(diào)整。該方案的關(guān)鍵在于激光束輸出采用光纖傳導(dǎo)的方式，并最終耦合于激光加工頭內(nèi)。該平臺的直線運動軸機械結(jié)構(gòu)行程長、跨度大、機械慣性大，旋轉(zhuǎn)軸根據(jù)工藝需求結(jié)構(gòu)獨特，實現(xiàn)復(fù)雜三維運動， X、 Y、 Z 三直線坐標軸中的 X 軸橫梁結(jié)構(gòu)采用雙電機驅(qū)動，并且要求高速、高精控制，根據(jù)五軸聯(lián)動的需求，三旋轉(zhuǎn)軸 A、 B、 C 軸需實現(xiàn)復(fù)雜定位、精確插補、焊接姿態(tài)的功能。 (7) 提供焊縫跟蹤補償接口，以及其他特殊功能的擴展開發(fā) 。所述多軸 運動 控制模塊 通過門陣列電路 輸出速度信號控制機床各個電機的運動、接受光柵和編碼器等檢測元件的反饋，此模塊可以實現(xiàn)對進給電機和滑臺電機的精確路徑控制。 工業(yè)觸控平板電腦體積小， 易于安裝，維護方便 。 PMAC 運動控制器 集成數(shù)字信號和模擬信號的響應(yīng)、底層的焊接運動控制環(huán)節(jié)等功能，包括焊接啟停、位置和速度控制等。 3) 橫向功能主菜單區(qū)， 顯示 軟件系統(tǒng)的工作模式。 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)。 ? 系統(tǒng)時間：顯示操作系統(tǒng)的時間 。 “ 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。 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 。 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 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 。 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。 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?；旌夏Ｊ降倪\動速度如圖 所示。四種加減速控制方法如圖 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：