【正文】 S曲線加 速度控制其加減速規(guī)劃曲線 成 S 型 ，在整個(gè)加減速的過(guò)程中 ， 不存在加速度突變， 加減速的導(dǎo)數(shù)為 一個(gè)常值 ，通過(guò) 減小加減速導(dǎo)數(shù) 的值的控制來(lái) 降低因加減速對(duì)機(jī)械平臺(tái) 造成的沖擊 33 S曲線的加減速控制過(guò)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(dǎo)數(shù)為一常數(shù)，可以將整個(gè)運(yùn)動(dòng)階段劃分為 7 個(gè)階段，如圖 T1T7所示： 圖 S 曲線的加減速控制過(guò)程 加加速 度 J()t 、 加速 度 a()t 、 速 度 v()t 的 計(jì) 算 公式 根據(jù)上圖所示不同階段的函數(shù) 關(guān) 系 推 導(dǎo) 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(xué) 碩 士 學(xué) 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(yùn)動(dòng)省去，短距離的加減速公式推導(dǎo)同上。 GF( s )GC( s ) GP C( s ) GP( s )HF( s )++R ( s )C ( s )?? 圖 基于對(duì)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(duì)象， H(s)是反饋傳遞函數(shù)， R(s)和 C(s)分別是輸入和輸出。用戶可以查看到機(jī)床的各路信號(hào)，對(duì)機(jī)床作出診斷。 ? 加工程序：當(dāng)前加工的數(shù)控程序名 . ? 程序狀態(tài)：加工數(shù)控程序的狀態(tài)，可在“空閑”、“運(yùn)行”兩種狀態(tài)間切換。 控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建 三維焊接跟蹤 平臺(tái)控制系統(tǒng) 的 上下位機(jī)的體系結(jié)構(gòu)， 需要針對(duì)上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件分別做開(kāi)發(fā)，同時(shí)要二者實(shí)時(shí)通信交換加工數(shù)據(jù)，由該體系結(jié)構(gòu)確定 的 控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)示意圖如圖 所示。 工業(yè) 平板電腦 上位機(jī)采用工業(yè)平板電腦。三旋轉(zhuǎn)軸 ABC 的最高速度 20r/min，定位精度 20”，重復(fù)定位精度 15”。 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(biāo)系。 激光焊接頭 在 滑枕的 最下端 安裝 ； ⑤ 機(jī)床采用全閉環(huán)控制，線性坐標(biāo)位置反饋使用高精度光柵尺，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)位置反饋使用高精度增量角度 圓光柵 ，使機(jī)床具有更好的精度。 文章構(gòu)架 本課題主要 針對(duì)航空航天領(lǐng)域的三維 T 型接頭的兩側(cè)激光同時(shí)焊接，采用十軸六聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制三維激光焊接運(yùn)動(dòng) ，同時(shí)采用基于視覺(jué)傳感器的焊縫跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)焊縫變形等引起的偏差實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳紅堂、李海超等人研 究 了一 種 基于主從機(jī)器人的焊縫跟蹤誤差分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主從機(jī)器人、工控機(jī)、激光傳感器組成的機(jī)器人遙控焊接系統(tǒng)，焊接速度有機(jī)器人控制，提高了焊縫跟蹤精度，保證焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量 [18]。 通過(guò)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(duì)焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變匙孔的存在模式與熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)方式 [8~9]，此種方式改進(jìn)了焊接工藝，是的兩束激光同時(shí)焊接做到工藝性好，加工效率高的優(yōu)點(diǎn)。 激光焊接比電子書焊接又有其他優(yōu)點(diǎn)，激光焊接不需要真空環(huán)境，對(duì)環(huán)境要求低， 并且無(wú)輻射，對(duì)加工人員傷害??；與摩擦焊相比，又無(wú)需感性之城，柔性好，適應(yīng)性強(qiáng)。 不保密□。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 I 摘 要 激光焊接 T 型接頭應(yīng)用十分廣泛，在航空航天、汽車、船舶領(lǐng)域占有十分重要的地位， T 型接頭的加工質(zhì)量往往影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，激光焊接被譽(yù)為“ 潛力無(wú)限 的高能束流焊接技術(shù)” [2~3]。 （ 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(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 3 三維激光焊接的 國(guó) 內(nèi) 外研究 概況 國(guó)外激光焊接研究現(xiàn)狀 最早的雙側(cè)激光焊接設(shè)備在二十世紀(jì)九十年代，通過(guò)近十年的研發(fā)，由 德國(guó)的不萊梅射線研究所、亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)、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(yùn)用于空客 A380 的機(jī)頭下壁板的焊接，德國(guó)航空業(yè)除了研制成功激光焊接的蒙皮長(zhǎng)桁焊接之外 [10]，也正在研發(fā)其他的激光焊接的應(yīng)用，如機(jī)器人焊接角片、鋁鈦異種材料等 [11]。 中科院自動(dòng)化研究所的李原、徐德等人設(shè)計(jì)了一種基于激光結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤視覺(jué)傳感器，針對(duì)不同的焊縫類型如 V 型、 U 型坡口焊縫，開(kāi)發(fā)了焊縫激光圖像模塊庫(kù)，可與提取焊縫特征點(diǎn)位置坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，有較高的可靠性，并對(duì)焊 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 6 縫跟蹤系統(tǒng)有一定的適應(yīng)性 [19]。本文的構(gòu)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(yīng)用概況， 通過(guò)國(guó)內(nèi)外的研究概況介紹當(dāng)前激光焊接的形式，分析了國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)研究?jī)?nèi)容與優(yōu)缺點(diǎn)，顯示了我國(guó)通過(guò)外技術(shù)水平的差距，指出了三維 T 型接頭的重點(diǎn)研究方向。 按照上述方案 確定的 焊接平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu) 的各軸傳動(dòng)方式、行程、精度實(shí)施如下表所示： 表 2. 1 各傳動(dòng)軸行程與傳動(dòng)方式等信息 軸號(hào) 軸類型 傳動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)行程 減速比 導(dǎo)程 定位精度 最高速度 X 軸 平動(dòng)軸 齒輪齒條 5 米 1:18 80π毫米 毫米 20 米 /分鐘 Y 軸 平動(dòng)軸 同步帶 3 米 3:8 40 毫米 毫米 20 米 /分鐘 Z 軸 平動(dòng)軸 同步帶 1 米 2:3 20 毫米 毫米 10 米 /分鐘 A 軸 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 渦輪蝸桿 177。 雙路激光同步控制系統(tǒng) 現(xiàn)行的 激光加工頭研制技術(shù)方案 有兩種 ： 方案一：采取硬光路傳導(dǎo)，激光束與旋轉(zhuǎn)軸同軸方式。 (3) X 軸兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)能在速度和位置上實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)控制。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 市場(chǎng) 正在 發(fā)生著巨大變化， 隨著工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的不斷變化，開(kāi)發(fā)人員對(duì)工控機(jī)的 穩(wěn)定性追求越來(lái)越高，同時(shí)開(kāi)發(fā)人員 開(kāi)始傾向于人性化 程度高 的觸控 級(jí) 平板電腦。 W i n d o w s 系 統(tǒng) 通 訊 庫(kù)機(jī)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(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng)參數(shù)初始化狀態(tài)掃描模塊程序代碼解釋邏輯控制模塊多軸運(yùn)動(dòng)控制 圖 軟件平臺(tái)構(gòu)架 系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件是在 WindowsXP操作系統(tǒng)下， 在 Visual C++ ，基于 MFC的 C++開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互程序 [27~28]， 利用 UMAC 提供的 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) 函數(shù)庫(kù)， 與下位機(jī) PMAC實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái) ， 通 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 19 過(guò) Modbus協(xié)議 二者進(jìn)行通信 [29]，實(shí)現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的 基本的功能。 ? 系統(tǒng)狀態(tài)：系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，有“正?！焙汀俺鲥e(cuò)”兩種狀態(tài)。進(jìn)入到診斷界面后，右側(cè)豎向按鈕欄出現(xiàn)“機(jī)床輸入”、“機(jī)床輸出”、“激光 器輸入”、“激光器輸出”、“電機(jī)狀態(tài)”、“故障信息”六個(gè)子菜單 。 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(shí)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(shí)際上等于控制對(duì)象 ()FGs的逆，即前饋控制器可以補(bǔ)償控制對(duì)象帶來(lái)的響應(yīng)滯后， 速度前饋和 加速度前饋能對(duì)位置指令輸入 M(s)有更快速的響應(yīng)，當(dāng)位置指令輸入 M(s)發(fā)生變化，其對(duì)應(yīng)的一階微分（速度）和二階微分（加速度）會(huì)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)。 多軸線性插補(bǔ) 混合模式與非混合模式 多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中，如果多個(gè)運(yùn)動(dòng)指令連續(xù)給出，中間沒(méi)有給出具體的插值，那么每個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)從第一條指令向第二條指令平滑的過(guò)渡，從第一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度向第二點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以給定的加速度值或者 S 曲線加速度值來(lái)過(guò)渡。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(duì)高精度機(jī)床有沖擊；在要求加減速較高的場(chǎng)合，加速時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足要求。 基于對(duì)象的前饋控制如 圖 所示。 “ 診斷 ” 界面提供機(jī)床輸入、輸出，激光器輸入、輸出，電機(jī)狀態(tài)、故障信息記錄六大主功能。 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(jìn)度、系統(tǒng)時(shí)間。 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器 發(fā)出的焊接運(yùn)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大單元的放大后，驅(qū)動(dòng) 機(jī)床結(jié)構(gòu)完成三維焊接 。 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器聽(tīng)過(guò)以太網(wǎng)接口和工控機(jī)通信。 針對(duì)這些技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容的分析有如下幾點(diǎn)： (1) 實(shí)現(xiàn) XYZ 坐標(biāo)軸的單獨(dú) 高速高精 直 線運(yùn)動(dòng)， ABC 三旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (2) 實(shí)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 。 C軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 7 帶動(dòng)下方的 AB 軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心位于圖示 8， C 軸與機(jī)床滑枕連接 [25]。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 橫梁上同時(shí)有 Y 軸兩根直線導(dǎo)軌， Y 軸采用導(dǎo)軌絲杠傳動(dòng)，伺服電機(jī)通過(guò)絲杠的傳動(dòng)使 Y 軸沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng) ； ④ 機(jī)床滑枕 為機(jī)床的 Z 向， 通過(guò)絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向， Z 向沿著滑枕的直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。 （ 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) 。 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。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]。 本論文屬于 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“