【正文】 同，本平臺采用一種雙光束焊接方法 [26]，該方法實施方式如圖 所示。 雙路激光同步控制系統(tǒng) 現行的 激光加工頭研制技術方案 有兩種 ： 方案一：采取硬光路傳導，激光束與旋轉軸同軸方式。左右，可調）。 按照上述方案 確定的 焊接平臺機械結構 的各軸傳動方式、行程、精度實施如下表所示： 表 2. 1 各傳動軸行程與傳動方式等信息 軸號 軸類型 傳動方式 運動行程 減速比 導程 定位精度 最高速度 X 軸 平動軸 齒輪齒條 5 米 1:18 80π毫米 毫米 20 米 /分鐘 Y 軸 平動軸 同步帶 3 米 3:8 40 毫米 毫米 20 米 /分鐘 Z 軸 平動軸 同步帶 1 米 2:3 20 毫米 毫米 10 米 /分鐘 A 軸 轉動軸 渦輪蝸桿 177。 因此 對焊接跟蹤平臺的機械結構提出了以下幾點要求： ① 平臺機械結構尺寸大， X 向不少于 5 米， Y 向不少于 3 米， Z 向不少于 1 米。本文的構架如下： 第一章介紹了三維 T 型接頭的激光焊接研究背景和應用概況， 通過國內外的研究概況介紹當前激光焊接的形式，分析了國內外各機構研究內容與優(yōu)缺點，顯示了我國通過外技術水平的差距，指出了三維 T 型接頭的重點研究方向。 課題研究內容 課題研究內容 項目將實現 三維 T 型接頭的六聯(lián)動激光焊接及跟蹤補償 控制，即采用 十軸六聯(lián)動數控技術，其中 六軸 聯(lián)動實現三維激光焊接的軌跡和焊接頭姿態(tài)控制， 四個跟蹤補償軸 實現軌跡偏差情況下（裝夾引起或焊接變形引起）的焊縫自動跟蹤。 中科院自動化研究所的李原、徐德等人設計了一種基于激光結構光的焊縫跟蹤視覺傳感器，針對不同的焊縫類型如 V 型、 U 型坡口焊縫，開發(fā)了焊縫激光圖像模塊庫，可與提取焊縫特征點位置坐標信息，實現焊縫跟蹤，有較高的可靠性，并對焊 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 6 縫跟蹤系統(tǒng)有一定的適應性 [19]。 美國 Southern Methodist University 的 Radovan Kovacevic、 Wei Huang 等人 搭建了由視覺傳感器、圖像處理模塊、多軸運動控制模塊組成的焊縫檢測與跟蹤平臺，同時基于圖像處理的跟蹤控制算法，可以實現焊縫三維形貌的測量、焊縫實時檢測、跟蹤補償等技術 [12]。 （ a）鉚接壁板 （ b）激光焊接壁板 圖 鉚接壁板和激光焊接壁板的加工工藝 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 3 三維激光焊接的 國 內 外研究 概況 國外激光焊接研究現狀 最早的雙側激光焊接設備在二十世紀九十年代，通過近十年的研發(fā)，由 德國的不萊梅射線研究所、亥姆霍茲聯(lián)合會、福朗霍夫材料與射線研究所、漢諾威激光研究所、亞琛工大等科研院所一起參與完成 ，并且成功運用于空客 A380 的機頭下壁板的焊接，德國航空業(yè)除了研制成功激光焊接的蒙皮長桁焊接之外 [10]，也正在研發(fā)其他的激光焊接的應用，如機器人焊接角片、鋁鈦異種材料等 [11]。 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 2 鉚接壁板和激光焊接壁板的加工工藝如圖 所示 用激光焊接的工藝來代替鉚接工藝有諸多優(yōu)點，首先筋板、長桁等構件的重量大大減輕，對于飛機、船舶等整體重量的減少貢獻巨大，其次激光焊接對焊接件的破壞性少，優(yōu)越性大，生產效率提高。綜合以上優(yōu)點，激光焊接被譽為“ 潛力無限 的高能束流焊接技術” [2~3]。 通過實際的跟蹤補償實驗驗證了跟蹤補償效果，跟蹤精度滿足要求。 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 I 摘 要 激光焊接 T 型接頭應用十分廣泛，在航空航天、汽車、船舶領域占有十分重要的地位， T 型接頭的加工質量往往影響著整個結構件的質量。分類號 學號 學校代碼 密級 碩士學位論文 三維 T 型接頭的六聯(lián)動 激光 焊接及跟蹤補償技術 學位申請 人 ： 梁 學 科 專 業(yè) ： 機械電子工程 指 導 教 師： 教授 答 辯 日 期： 20xx 年 5 月 20 日 華中科技大學碩士學位論 文 II A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Simulation3D Tjoint Dualbeam Laser Welding with SixAxis Simultaneous Control and Seam Tracking Technology Candidate : Major : Mechatronic Engineering Supervisor : Prof. Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 20xx 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。 不保密□。 在三維焊接的同時，利用雙十字滑臺在 T 型接頭的兩側安裝有基于機器視覺的檢測傳感器 ，能夠實時檢測焊接偏差，通過獨立式偏差補償系統(tǒng)，實現了對焊接偏差的實時補償技術。 激光焊接比電子書焊接又有其他優(yōu)點，激光焊接不需要真空環(huán)境，對環(huán)境要求低， 并且無輻射，對加工人員傷害小；與摩擦焊相比，又無需感性之城，柔性好，適應性強。相較于鉚接制造，對這些結構件進行激光焊接能夠極大的減輕工件的重量，改善零件的強度和生產效率。 通過分光式得到的兩束激光， 可以改變光束能量比、光束間距 、 能量分布模式，對焊接過程中的溫度場進行調節(jié)，改變匙孔的存在模式與熔池中液態(tài)金屬的流動方式 [8~9]，此種方式改進了焊接工藝，是的兩束激光同時焊接做到工藝性好，加工效率高的優(yōu)點。 該系統(tǒng)由檢測傳感器和跟蹤控制組成，檢測傳感器用結構光原理檢測焊接偏差，跟蹤控制系統(tǒng)控制焊接運動，實現跟蹤補償。 哈爾濱工業(yè)大學陳紅堂、李海超等人研 究 了一 種 基于主從機器人的焊縫跟蹤誤差分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主從機器人、工控機、激光傳感器組成的機器人遙控焊接系統(tǒng)，焊接速度有機器人控制，提高了焊縫跟蹤精度，保證焊接過程穩(wěn)定性和焊接質量 [18]。 總體而言，開發(fā)針對 T 型三維接頭的數控專用設備，并集成相應的焊縫跟蹤補償系統(tǒng)的高速高精激光焊接設備是 我國研究的前沿和重點，尤其是大功率激光焊接專用設備的開發(fā)，是我國彌補與國際先進水平差距的重點研究方向。 文章構架 本課題主要 針對航空航天領域的三維 T 型接頭的兩側激光同時焊接，采用十軸六聯(lián)動的運動控制系統(tǒng)，控制三維激光焊接運動 ，同時采用基于視覺傳感器的焊縫跟蹤補償系統(tǒng)對焊縫變形等引起的偏差實時跟蹤補償。 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 9 2 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償 控制 平臺 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償控制 平臺的機械結構 實施方案 三維 T 型接頭的激光焊接技術主要應用于航空航天領域整體壁板、蒙皮等大尺寸的結構件 [24]， 大型三維 T 型接頭焊件，通常作為整體件進行加工，具有結構件尺寸大、跨度長 、加工精度高 的特點， 一般的焊接機器人技術、中小型多軸運動控制技術難于一次完成長度大于 3 米的 結構件。 激光焊接頭 在 滑枕的 最下端 安裝 ； ⑤ 機床采用全閉環(huán)控制，線性坐標位置反饋使用高精度光柵尺，旋轉坐標位置反饋使用高精度增量角度 圓光柵 ，使機床具有更好的精度。 ⑵ 兩條激光束與 T 型焊縫所在底板成一定角度（ 30176。 C 軸軸線與 Z 軸平行， B 軸軸線與 Y 軸平行， A 軸軸線與 X 軸平行，符合笛卡爾右手直角坐標系。 由于本平臺行程長，硬光路傳輸體積大成本高， 且三向旋轉結構光路轉動多，會對激光束的傳導造成影響，因此本平臺采用方案二柔性光路傳導。三旋轉軸 ABC 的最高速度 20r/min，定位精度 20”，重復定位精度 15”。 本 開放式數控系統(tǒng) 由工業(yè)用計算機、運動控制器 UMAC、伺服驅動器、伺服電機、光柵尺、機床操作 I/O、手輪等部分組成。 工業(yè) 平板電腦 上位機采用工業(yè)平板電腦。 Intel Core Celeron LGA775 系列處理器 178。 控制系統(tǒng)軟件平臺的搭建 三維焊接跟蹤 平臺控制系統(tǒng) 的 上下位機的體系結構， 需要針對上位機軟件和下位機軟件分別做開發(fā)，同時要二者實時通信交換加工數據，由該體系結構確定 的 控制系統(tǒng)的軟件平臺示意圖如圖 所示。 6) 工作 G 代碼顯示區(qū)。 ? 加工程序：當前加工的數控程序名 . ? 程序狀態(tài)：加工數控程序的狀態(tài)，可在“空閑”、“運行”兩種狀態(tài)間切換?；亓闶菍ふ覚C床原點的，每個機床都有固定的一個原點位置，對于帶增量編碼器的 電機軸，在剛啟動時，并不知道軸的原點位置在何處，需要進行回零尋找原點。用戶可以查看到機床的各路信號，對機床作出診斷。 本系統(tǒng)的 PLC 編程主要由以下幾個部分組成： PLC1：初始化 PLC2：狀態(tài)掃描 PLC3：手動 PLC5：自動 PLC6：回零 PLC7：點動加壓平衡泵 PLC8：定時潤滑 PLC1120： XV2軸回零 PLC21：焊縫跟蹤 補償 本章小結 本章主要 講述了 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償控制平臺 的關鍵技術，首先對 平 臺的機械結構實施方案 進行了分析，確定了高架橋式平臺結構方案，然后確立了一種 三向旋轉結構的雙側激光焊接方案 ，以滿足 T 型接頭的兩側同時焊接要求，最后介紹了控制系統(tǒng)的軟硬件平臺，構建了上下位機結構運動控制平臺，以實現高速高精的激光焊接和跟蹤控制要求。 GF( s )GC( s ) GP C( s ) GP( s )HF( s )++R ( s )C ( s )?? 圖 基于對象的前饋控制圖 圖 GF(s)是前饋控制器， GC(s)是 PID控制律， GPC(s) 是功率變換器， Gp(s)是使控制對象， H(s)是反饋傳遞函數， R(s)和 C(s)分別是輸入和輸出。當需要對多個頻率進行衰減時，還可以將多個陷波濾波器級聯(lián)，比采用單個多極點陷波濾波器效果更好。 S曲線加 速度控制其加減速規(guī)劃曲線 成 S 型 ，在整個加減速的過程中 ， 不存在加速度突變， 加減速的導數為 一個常值 ，通過 減小加減速導數 的值的控制來 降低因加減速對機械平臺 造成的沖擊 33 S曲線的加減速控制過程如圖 所示，由圖可得 S 曲線的加減速控制不 存在加速度突變，加速度的導數為一常數，可以將整個運動階段劃分為 7 個階段，如圖 T1T7所示： 圖 S 曲線的加減速控制過程 加加速 度 J()t 、 加速 度 a()t 、 速 度 v()t 的 計 算 公式 根據上圖所示不同階段的函數 關 系 推 導 出 ： 1122 2 3344 4 5566 6 70()a ( ) 0()()J t t tA t t tA J t t t t tt t t tJ t t t t tA t t tA J t t t t t???? ???? ? ? ? ??? ???? ? ? ? ??? ? ???? ? ? ? ?? 華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文 30 2011 1 1 222 2 2 2 33 3 424 4 4 55 5 5 626 6 6 6 7102* ( )1( ) ( )2v ( )1()2()1( ) ( )2f J t t tv A t t t t tv A t t J t t t t tt v t t tv J t t t t tv A t t t t tv A t t J t t t t t?? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ? ????? ????? ? ? ? ??? ? ? ? ???? ? ? ? ? ??? 同恒加速度控制一樣，若為短距離加減速，則 將中間的勻速運動省去，短距離的加減速公式推導同