【文章內(nèi)容簡介】 控制，即采用 十軸六聯(lián)動數(shù)控技術(shù)，其中 六軸 聯(lián)動實現(xiàn)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(xiàn)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。通過本項目的實施，將大大提高 三維 T 型接頭的 三維激光焊接的速度和精度。 項目研究開發(fā)內(nèi)容 （ 1）基于焊縫跟蹤的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù) 研究 十軸六聯(lián)動 數(shù)控技術(shù)，開發(fā)三維焊縫測量與跟蹤系統(tǒng)專用的硬件和軟件接口，一方面進行三維焊接的位置和姿態(tài)控制，另一方面進行實時監(jiān)測焊縫偏差，并進行動態(tài)補償，最終實現(xiàn)三維激光焊接的高速、高精度控制。 （ 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。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。 （ 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。 （ 4）三維焊縫軌跡的測量 基于高精度的焊縫檢測傳感器（英國 Meta 公司的焊縫檢測與跟蹤系統(tǒng)）對焊縫 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 8 進行測量，獲取三維焊縫的軌跡信息 ，并實現(xiàn)實時跟蹤補償技術(shù) 。 文章構(gòu)架 本課題主要 針對航空航天領(lǐng)域的三維 T 型接頭的兩側(cè)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。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， 通過國內(nèi)外的研究概況介紹當前激光焊接的形式，分析了國內(nèi)外各機構(gòu)研究內(nèi)容與優(yōu)缺點，顯示了我國通過外技術(shù)水平的差距，指出了三維 T 型接頭的重點研究方向。 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 目標搭建了控制平臺。 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)。 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 。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。 第五章實現(xiàn)了雙路焊縫實時測量與跟蹤補償一體化技術(shù)，先通過基于視覺傳感器的焊接偏差測量技術(shù)，設(shè)計了雙路跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)雙路焊接同時的高速高 精跟蹤補償，最后分析了跟蹤補償技術(shù)的閉環(huán)控制穩(wěn)定性。 第六章做了總結(jié)與展望，對本文研究內(nèi)容做了總結(jié)，并對研究需要進一步優(yōu)化的地方作出展望，為以后的研究提供方向。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 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(jié)構(gòu) 實施方案 三維 T 型接頭的激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域整體壁板、蒙皮等大尺寸的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)、中小型多軸運動控制技術(shù)難于一次完成長度大于 3 米的 結(jié)構(gòu)件。 因此 對焊接跟蹤平臺的機械結(jié)構(gòu)提出了以下幾點要求： ① 平臺機械結(jié)構(gòu)尺寸大， X 向不少于 5 米， Y 向不少于 3 米， Z 向不少于 1 米。② 大跨度、長行程的平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，故障率低。 ③ 加工件多為航空航天型號件，精度要求高。 ④ 運行速度高，滿足高速加工要求，提高加工效率。 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 。 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。每個底座內(nèi)裝有一根長行程的齒條和兩根直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上架有橫梁， X 軸的兩個減速器安裝在橫梁的兩側(cè)箱體內(nèi) ； ③ 橫梁上同時有 Y 軸兩根直線導(dǎo)軌， Y 軸采用導(dǎo)軌絲杠傳動，伺服電機通過絲杠的傳動使 Y 軸沿著直線導(dǎo)軌運動 ； ④ 機床滑枕 為機床的 Z 向， 通過絲杠螺母副驅(qū)動、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向， Z 向沿著滑枕的直線導(dǎo)軌運動。 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(zhuǎn)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。 按照上述方案 確定的 焊接平臺機械結(jié)構(gòu) 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(dǎo)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(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。 100 度 1:88 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 B 軸 轉(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。 30 度 1:360 無 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 C 軸 轉(zhuǎn)動軸 渦輪蝸桿 177。 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。 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)。 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 自動化程度要求高，轉(zhuǎn)向靈活，回轉(zhuǎn)精度高 。 針對以上 三維 T 型焊縫較一般焊縫的加工難點 ，為了 加工路徑實施中焊接姿態(tài)的適時調(diào)整， 提出了以下 T 型接頭雙 側(cè) 焊接約束分析 ， 具體來說： ⑴ 光束激光焊接的兩條激光束均位于三維焊縫曲線的法平面內(nèi)。 ⑵ 兩條激光束與 T 型焊縫所在底板成一定角度（ 30176。左右，可調(diào)）。 ⑶ 兩束參數(shù)相同焊接激光 的焦點嚴格落在兩側(cè)三維焊縫的中心位置。 ⑷ 兩條激光參數(shù)完全相同，激光功率可同時調(diào)節(jié)，且需與運動控制系統(tǒng)配合。 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。 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。 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,。 C軸回轉(zhuǎn)機構(gòu) 7 帶動下方的 AB 軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)中心位于圖示 8， C 軸與機床滑枕連接 [25]。 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。 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。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。 如圖 方案一所示 。 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。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)。因此，在激光加工頭旋轉(zhuǎn)、擺動的過程中，激光束不受影響，聚焦點始終在噴嘴中心。如圖 方案二 所示。 由于本平臺行程長，硬光路傳輸體積大成本高， 且三向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光路轉(zhuǎn)動多，會對激光束的傳導(dǎo)造成影響，因此本平臺采用方案二柔性光路傳導(dǎo)。 T 型接頭兩側(cè)同時焊接，且要求兩束激光參數(shù)完全相同，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。 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 的反射后到達擴束鏡 6，進行擴束，然后經(jīng)過分光鏡 7 的分光，分成兩束對等光束 B B2，在經(jīng)過反射鏡 3 的反射進入準直鏡 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。光纖轉(zhuǎn)載焊接頭 11 的前端（焊接頭 11 的位置如圖 所示），輸出激光束 5，最終打在 T 型接頭 4 的兩側(cè)。 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)。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。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。 針對這些技術(shù)特點，對控制系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容的分析有如下幾點： (1) 實現(xiàn) XYZ 坐標軸的單獨 高速高精 直 線運動， ABC 三旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動 (2) 實現(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 。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”。 (3) X 軸兩驅(qū)動電機能在速度和位置上實現(xiàn)同步運動控制。 (4) XYZABC 六個坐標軸可以實現(xiàn) 六 軸聯(lián)動控制，可進行六軸插補運動。 (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 。 (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。 (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) 。 控制系統(tǒng)的某些上述功能是針對本平臺特有的機械結(jié)構(gòu)和特定的用途所提出的，經(jīng)過分析，本控制系統(tǒng)不但要改善本平臺的實用性 、 開放性 、穩(wěn)定性 ，更要注意控制系統(tǒng)的針對特殊功能的開發(fā)，因此本控制系統(tǒng)選用基于多軸運動控制器的開放性數(shù)控系統(tǒng)。 針對 本焊接跟蹤平臺特殊功能要求定制開發(fā)， 最終方案 采用由 UMAC 運動控制器和工業(yè)控制計算機組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 本 開放式數(shù)控系統(tǒng) 由工業(yè)用計算機、運動控制器 UMAC、伺服驅(qū)動器、伺服電機、光柵尺、機床操作 I/O、手輪等部分組成。六聯(lián)動三維焊接及跟蹤補償控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖 ： 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 15 工 業(yè)計 算 機機 床操 作 I / O以 太 網(wǎng) 交 換 機M O D B U S接 口 板運 動 控 制運動控制器電 源 輸 入C P U 通 信 模 塊軸 控 板 1 軸 控 板 2X軸伺服驅(qū)動1X軸伺服驅(qū)動2Y軸伺服驅(qū)動Z軸伺服驅(qū)動P L C機 床 本 體各軸光柵尺A軸伺服驅(qū)動B