【正文】 √”） 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。 T 接頭的激光焊接工藝性要求非常高，經(jīng) 常會出現(xiàn)氣孔、裂縫、焊接偏斜等問題，這些問題往往會造成嚴(yán)重的后果，因此針對 T 型接頭的激光焊接成為一個重要研究方向。 激光焊接在航空、航天、船舶、汽車領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 雙側(cè)激光焊接的壁板件如圖 所示 圖 雙側(cè)激光同時焊接的空客 A380機頭下壁板 德國用于雙側(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)、運動控制系統(tǒng)、焊縫檢測系統(tǒng)、工裝夾具、控制系統(tǒng)組成 。 華南理工大學(xué)的梁明、王國榮等人針對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跟蹤系統(tǒng)，由視覺傳感器、圖像處理及偏差識別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(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別算法計算后的出焊縫偏差，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]。 第二章分析了三維 T 型接頭激光焊接平臺的特殊需求，構(gòu)建了在需求分析基礎(chǔ)上的機械結(jié)構(gòu)及軟硬件平臺，為研究內(nèi)容和研究 目標(biāo)搭建了控制平臺。 100 度 1:88 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 B 軸 轉(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。二維旋轉(zhuǎn)加工頭的旋轉(zhuǎn)機方案一 激光器 聚焦鏡 反射鏡 反射鏡 反射鏡 中空電機 方案二 聚焦鏡 B 軸偏轉(zhuǎn)及驅(qū)動單元反射鏡 A 軸旋轉(zhuǎn)及驅(qū)動單元 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)擬采用中空電機直接作為旋轉(zhuǎn)軸，激光束從電機中心直接穿過，從而減少了傳動機構(gòu)，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小體積，減輕重量。 (4) XYZABC 六個坐標(biāo)軸可以實現(xiàn) 六 軸聯(lián)動控制，可進行六軸插補運動。因此工業(yè)現(xiàn)場，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 工控機的一種，和普通的工控機相比它的優(yōu)勢有以下幾點 ： 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 防護等級。 三維 激光焊接 跟蹤 平臺軟件控制界面，如圖 。 ? 加工模式：系統(tǒng)有 “焊接”、“示教測量”兩種加工模 式。 以上為上位機軟件程序的開發(fā)。 本平臺設(shè)計的 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)。這種速度改變稱為混合模式。 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，其加速度計算公式為： 長距離 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)點是加速曲線控制算法簡單，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啟停。 對上式進行 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象的信息來改善位置指令信號的響應(yīng)，前饋控制需要對控制對象作出良好的推斷，然后通過功率變換器的響應(yīng)，對控制對象產(chǎn)生理想的響應(yīng)。在系統(tǒng)主操作界面下，按“ F3”鍵或點擊“程序 F3”按鈕，進入程序功能子菜單。 10) 豎向功能菜單區(qū)， 一級菜單下的功能展示， 橫向功能菜單的二級子菜單。 工業(yè)平板電腦 和 PMAC 運動控制器 基于以太網(wǎng)通信協(xié)議，通過網(wǎng)線連接進行通信。內(nèi)嵌的 PLC 模塊一方面可實現(xiàn)機床控制面板的邏輯輸入輸出，數(shù)字量 I/O 模塊用于接收機床輸入、控制機床輸出、點位控制。另外，要實現(xiàn)雙側(cè)激光焊接的焊縫跟蹤補償，需加入兩組十字滑臺，以補償焊接偏差。 B 軸回轉(zhuǎn)機構(gòu) 5（渦輪蝸桿機構(gòu)）帶動 A 軸回轉(zhuǎn)機構(gòu)在 B 向平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)中心位 于圖示 6,。 圖 六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償控制平臺結(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 平臺的具體實施方案如下 ： 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)，堅固扎實，實現(xiàn)了整個平臺 跨度大、行程長 的特點 ； 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 X 軸底座平行安裝在 兩排立柱上。 （ 3）三維焊接數(shù)控編程 在三維焊縫示教測量基礎(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， 通過運動學(xué)算法 滿足高速、高質(zhì)量激光拼縫焊接的要求。由 于激光技術(shù)設(shè)計國家安全，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)和變形補償技術(shù)并未見到實質(zhì)報道。 兩 束激光同時焊接，有兩種實現(xiàn)方式：一種是采用兩個激光發(fā)生器同時工作，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 。國外正是在成功開發(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。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)庫進行檢索，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。 三維 T 型接頭的焊接往往采用機器人示教焊接，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；焊接過程中焊接點往往偏離焊接路徑，使得焊件報廢；小型機床難于加工大尺寸的整體結(jié)構(gòu)件。在航空領(lǐng)域，飛機蒙皮壁板的筋板焊接為了減輕重量，已經(jīng)由鉚接的工藝向 激光焊接轉(zhuǎn)變，切使用量越來越大 。激光焊接系統(tǒng)是核心部分，用于控制兩側(cè)激光的同時焊接。 山東大學(xué)的張光先等人，采用專用的伺服控制芯片 FPGA，在焊接過程中進行實時的焊接伺服控制，計算焊點與實際焊縫之間的距離，保證了焊接控制的實時性。 第三章介紹了分光式激光雙路焊接系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了 T 型接頭的雙路焊接的約束條件，設(shè)計了一種三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運動機構(gòu)。 30 度 1:360 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 C 軸 轉(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。 如圖 方案一所示 。 (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 。工作穩(wěn)定性滿足需求。其主要由以下幾個部分組成： 圖 1) 軸位置顯示區(qū)，顯示當(dāng)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。 ? 工作模式：系統(tǒng)有“手動”、“自動”兩種工作模式。 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。 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?；旌夏Ｊ降倪\動速度如圖 所示。 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 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。 “ 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。 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)。 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。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。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(biāo)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。 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。 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 。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。 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。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。 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。 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。 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]。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。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]。 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 。 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)