【正文】 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 課題來源及 研究背景 課題來源 本課題來源于國(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“ 汽車覆蓋件三維激光焊接控制及其焊縫跟蹤技術(shù)” （ 編號(hào) ：） 。 三維 T 型接頭的焊接往往采用機(jī)器人示教焊接，不僅加工精度低，而且往往先焊接一側(cè)，再焊接另外一側(cè)，焊接變形大；焊接過程中焊接點(diǎn)往往偏離焊接路徑，使得焊件報(bào)廢；小型機(jī)床難于加工大尺寸的整體結(jié)構(gòu)件。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。整個(gè)控制系統(tǒng)研究了單軸高速高精控制技術(shù)，并對(duì)十軸六聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)做了詳細(xì)研究。國(guó)外正是在成功開發(fā)了大型多軸數(shù)控大功率激光焊接專用裝備之后，才使大功率激光焊接技術(shù)真正應(yīng)用于航空、船舶、汽車等結(jié)構(gòu)的制造。汽車制造領(lǐng)域，汽車覆蓋件的焊接，多用激光焊來實(shí)現(xiàn)，加工生產(chǎn)率高。 兩 束激光同時(shí)焊接，有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是采用兩個(gè)激光發(fā)生器同時(shí)工作，一種是采用一束功率大的激光，通過光學(xué)分光方式分為兩束功率大小相等的激光 。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 4 圖 諾登哈姆車間的激光焊接生產(chǎn)線 如上圖所示焊接設(shè)備中，焊縫檢測(cè)系統(tǒng)是焊接準(zhǔn)確性的保證，焊縫檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫是否偏離激光束焊接區(qū)域，若有偏差可以實(shí)時(shí) 調(diào)整焊接位置，始終讓兩束激光準(zhǔn)確的打在縫上，保證焊接準(zhǔn)確。由 于激光技術(shù)設(shè)計(jì)國(guó)家安全，相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的研究，特別是高精度過程控制技術(shù)和變形補(bǔ)償技術(shù)并未見到實(shí)質(zhì)報(bào)道。 國(guó)內(nèi)激光焊接的研究也有一定的成果，主要有以下兩方面的特點(diǎn)，一是多針對(duì)拼 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 7 縫、搭接、坡口的焊縫形貌的焊接，對(duì)三維 T 型接頭的激光焊接研究還很少。 （ 3）三維焊接數(shù)控編程 在三維焊縫示教測(cè)量基礎(chǔ)上，結(jié)合激光焊接的特性、焊接材料屬性等，規(guī)劃三維拼縫的激光焊接軌跡、焊接參數(shù)等， 通過運(yùn)動(dòng)學(xué)算法 滿足高速、高質(zhì)量激光拼縫焊接的要求。 第五章實(shí)現(xiàn)了雙路焊縫實(shí)時(shí)測(cè)量與跟蹤補(bǔ)償一體化技術(shù)，先通過基于視覺傳感器的焊接偏差測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了雙路跟蹤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙路焊接同時(shí)的高速高 精跟蹤補(bǔ)償，最后分析了跟蹤補(bǔ)償技術(shù)的閉環(huán)控制穩(wěn)定性。 圖 六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體方案示意圖 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 10 該 平臺(tái)的具體實(shí)施方案如下 ： ① 高架橋式結(jié)構(gòu) ， 立柱分兩排立于地基之上，立柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固扎實(shí)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)平臺(tái) 跨度大、行程長(zhǎng) 的特點(diǎn) ； ② 立柱之上安裝 X 軸的底座， X 軸采用平行的橋式結(jié)構(gòu)，兩個(gè) X 軸底座平行安裝在 兩排立柱上。 根據(jù)工藝性要求， 激光束的位置、角度、焦距參數(shù)滿足焊接要求； ③ 自動(dòng)化程度要求高，轉(zhuǎn)向靈活，回轉(zhuǎn)精度高 。 B 軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 5（渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)）帶動(dòng) A 軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在 B 向平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)中心位 于圖示 6,。因此，在激光加工頭旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)的過程中，激光束不受影響，聚焦點(diǎn)始終在噴嘴中心。另外，要實(shí)現(xiàn)雙側(cè)激光焊接的焊縫跟蹤補(bǔ)償，需加入兩組十字滑臺(tái)，以補(bǔ)償焊接偏差。 控制系統(tǒng)的某些上述功能是針對(duì)本平臺(tái)特有的機(jī)械結(jié)構(gòu)和特定的用途所提出的，經(jīng)過分析，本控制系統(tǒng)不但要改善本平臺(tái)的實(shí)用性 、 開放性 、穩(wěn)定性 ，更要注意控制系統(tǒng)的針對(duì)特殊功能的開發(fā)，因此本控制系統(tǒng)選用基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的開放性數(shù)控系統(tǒng)。內(nèi)嵌的 PLC 模塊一方面可實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制面板的邏輯輸入輸出，數(shù)字量 I/O 模塊用于接收機(jī)床輸入、控制機(jī)床輸出、點(diǎn)位控制。 交互性強(qiáng)， 外形美觀， 界面友好， 應(yīng)用廣泛。 工業(yè)平板電腦 和 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器 基于以太網(wǎng)通信協(xié)議，通過網(wǎng)線連接進(jìn)行通信。 4) 系統(tǒng)提示區(qū)，向用戶反饋系統(tǒng)的狀態(tài)。 10) 豎向功能菜單區(qū)， 一級(jí)菜單下的功能展示， 橫向功能菜單的二級(jí)子菜單。 根據(jù)人機(jī)交互要求，系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要開發(fā)了以下功能界面，每個(gè)功能界面在下方的一級(jí)菜單有按鈕，觸摸后進(jìn)入二級(jí)菜單，各個(gè)一級(jí)菜單的二級(jí)菜單功能如下所示： 在 “機(jī)床”菜單下，主要有兩種功能：“手動(dòng)”、“回零” 、“手輪切換” 。在系統(tǒng)主操作界面下，按“ F3”鍵或點(diǎn)擊“程序 F3”按鈕，進(jìn)入程序功能子菜單。在 Pewin32 Pro 里面可以進(jìn)行相關(guān) I、 P、 M變量的設(shè)置， PLC 程序的編輯和下載，運(yùn)動(dòng)程序的編輯和下載等。 對(duì)上式進(jìn)行 Z 變換： 11()( ) ( ) ( 1 ) ( )1p i dEzu z K E z K K z E zz ??? ? ? ?? 得到數(shù)字式離散 PID 的 z 傳遞函數(shù)為： 11( ) 1( ) ( 1 )(z) 1p i dUzD z K K K zE z ??? ? ? ? ?? Feedforward 前饋控制器 Feedforward 前饋控制律是利用控制對(duì)象的信息來改善位置指令信號(hào)的響應(yīng)，前饋控制需要對(duì)控制對(duì)象作出良好的推斷，然后通過功率變換器的響應(yīng)，對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生理想的響應(yīng)。 通過在 Visual Model Q 軟件中進(jìn)行仿真，可得如圖 所示的伯德圖： 圖 陷波濾波器伯德圖 將陷波頻率設(shè)定在 30Hz， 阻尼比設(shè)為 ，如圖所示，在 30Hz 左右，增益大幅減少，阻尼比越小，意味著陷波越陡， 30Hz 處相位滯后越小。 恒加速度控制是指加減速度保持恒定不變，保持定值的加減速控制，其加速度計(jì)算公式為： 長(zhǎng)距離 加減速 ： ? ?01122 2 3f +A t 0 t tv t ,( ) ,eeV t t tV A t t t t t???? ? ??? ? ? ? ??， 短距離 加減速 ： ? ? 011 1 2f + A t 0 t tv t ( ) ,eV A t t t t t??? ? ? ? ? ?? ， 恒加速度控制的優(yōu)點(diǎn)是加速曲線控制算法簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)處理速度快，易于控制，能滿足一般工況下的電機(jī)啟停。在同一行 G 代碼 內(nèi)得到指令的那些非進(jìn)給率軸也將在相同的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)動(dòng) 。這種速度改變稱為混合模式。如下圖 ： 圖 激光干涉儀測(cè)定結(jié)果 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 28 十軸六聯(lián)動(dòng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制策略 多軸曲線插補(bǔ)的加減速控制 針對(duì)三維路徑的加減速階段的控制， 常見有 四種多軸曲線插補(bǔ)的加減速控制方法：恒加速度控制、正弦加速度控制、拋物線加速度控制、 S 曲線加速度控制。 本平臺(tái)設(shè)計(jì)的 Feedforward 前饋控制律以位置指令 M(s)為輸入，控制律以 M(s)微分和二次微分的和傳遞函數(shù)： 2()() ()f v f f a f fFsG s K s K sMs? ? ? 其中 vffK 為速度前饋系數(shù)， affK 為加速度前饋系數(shù)。根據(jù)伺服電機(jī)三環(huán)控 制原理 ，從內(nèi)到外依次是電流環(huán) 、 速度環(huán) 、 位置環(huán) ， 如圖 所示。 以上為上位機(jī)軟件程序的開發(fā)。 手輪切換是對(duì)不同控制方式下，在 XYZ 和 UV 之間控制進(jìn)行切換。 ? 加工模式：系統(tǒng)有 “焊接”、“示教測(cè)量”兩種加工模 式。 8) 焊縫跟蹤顯示區(qū)，顯示焊縫跟蹤狀態(tài)和焊縫跟蹤系數(shù)。 三維 激光焊接 跟蹤 平臺(tái)軟件控制界面，如圖 。 4個(gè) RS232 和 2 個(gè) RS232/485 串口，采用浪涌和靜電保護(hù) 178。因此工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，帶觸控功能的平板電腦應(yīng)用越來越廣泛 ，工業(yè)觸控平板電腦 作為 工控機(jī)的一種，和普通的工控機(jī)相比它的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn) ： 鋁鎂合金壓鑄成型 的 工業(yè)觸控平板電腦前面板 ， 達(dá)到 NEMA IP65 防護(hù)等級(jí)。 基于 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器的 強(qiáng)大功能和開放接口，本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上做了以下開發(fā)，開發(fā)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 (4) XYZABC 六個(gè)坐標(biāo)軸可以實(shí)現(xiàn) 六 軸聯(lián)動(dòng)控制，可進(jìn)行六軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。 145 圖 一種雙光束焊接方法 示意圖 該 方法 采用 YAG 激光器 1， 激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡 2 的反射后到達(dá)擴(kuò)束鏡 6，進(jìn)行擴(kuò)束，然后經(jīng)過分光鏡 7 的分光，分成兩束對(duì)等光束 B B2，在經(jīng)過反射鏡 3 的反射進(jìn)入準(zhǔn)直鏡 8 將激光束矯直，最后經(jīng)過透鏡 9 聚焦，傳入柔性傳到光纖。二維旋轉(zhuǎn)加工頭的旋轉(zhuǎn)機(jī)方案一 激光器 聚焦鏡 反射鏡 反射鏡 反射鏡 中空電機(jī) 方案二 聚焦鏡 B 軸偏轉(zhuǎn)及驅(qū)動(dòng)單元反射鏡 A 軸旋轉(zhuǎn)及驅(qū)動(dòng)單元 激光器 圖 兩種激光光路傳輸方案 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 13 構(gòu)擬采用中空電機(jī)直接作為旋轉(zhuǎn)軸，激光束從電機(jī)中心直接穿過，從而減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小體積，減輕重量。 ⑶ 兩束參數(shù)相同焊接激光 的焦點(diǎn)嚴(yán)格落在兩側(cè)三維焊縫的中心位置。 100 度 1:88 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 B 軸 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 渦輪蝸桿 177。② 大跨度、長(zhǎng)行程的平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，故障率低。 第二章分析了三維 T 型接頭激光焊接平臺(tái)的特殊需求，構(gòu)建了在需求分析基礎(chǔ)上的機(jī)械結(jié)構(gòu)及軟硬件平臺(tái)，為研究?jī)?nèi)容和研究 目標(biāo)搭建了控制平臺(tái)。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，將大大提高 三維 T 型接頭的 三維激光焊接的速度和精度。 華南理工大學(xué)的梁明、王國(guó)榮等人針對(duì)水下焊接圖像噪聲大、清晰度差的情況，研究 了水下焊接焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，由視覺傳感器、圖像處理及偏差識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，采用小波變換提取圖像，基于二值圖像的焊縫中心位置識(shí)別算法計(jì)算后的出焊縫偏差，采用規(guī)則自調(diào)整模糊控制，不僅得到滿意的焊縫跟蹤系統(tǒng)，還改善了焊縫成形質(zhì)量 [20]。 通用公司 General Electric Company 的 David G. Tashjian, Shawn K. Murphy 等人 研 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 5 發(fā)了一種基于 TV Camer 的視覺跟蹤焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由檢測(cè)鏡頭、工控機(jī)、 CNC系統(tǒng)、 XY 平臺(tái)、焊接補(bǔ)償系統(tǒng)組成 ，通過對(duì)視覺圖像像素點(diǎn)的專用算法，計(jì)算出焊縫中心的位置，進(jìn)而得知焊縫偏差，控制 XY 平臺(tái)的跟蹤運(yùn)動(dòng) [13]。 雙側(cè)激光焊接的壁板件如圖 所示 圖 雙側(cè)激光同時(shí)焊接的空客 A380機(jī)頭下壁板 德國(guó)用于雙側(cè)激光焊接的設(shè)備 ， 主要 由 Schulerheld、 、 Rofin 等公司提供 ，該設(shè)備主要包括激光焊接系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、焊縫檢測(cè)系統(tǒng)、工裝夾具、控制系統(tǒng)組成 。另外激光焊接能在不減少結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命的前提下，減輕 5%到 10%的結(jié)構(gòu)重量，總成本降低 15%[5~7]。 激光焊接在航空、航天、船舶、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。通過實(shí)際的焊接實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)試驗(yàn)件的焊接，結(jié)果表明針對(duì)三維 T 型接頭的雙路焊接和跟蹤補(bǔ)償滿足加工要求。 T 接頭的激光焊接工藝性要求非常高，經(jīng) 常會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂縫、焊接偏斜等問題，這些問題往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此針對(duì) T 型接頭的激光焊接成為一個(gè)重要研究方向。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 本論文屬于 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。 通過對(duì)平臺(tái)的機(jī)架坐標(biāo)系到焊接點(diǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，求解了機(jī)床模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣和焊接點(diǎn)位置坐標(biāo)的矢量信息，利用三維焊接路徑的軌跡規(guī)劃技術(shù)，在開放運(yùn)動(dòng)控制器中實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，做到了對(duì)三維焊接的路徑高精度控