【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制，即采用 十軸六聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，其中 六軸 聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維激光焊接的軌跡和焊接頭姿態(tài)控制， 四個(gè)跟蹤補(bǔ)償軸 實(shí)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(dòng)跟蹤。通過(guò)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。 項(xiàng)目研究開(kāi)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(dòng) 數(shù)控技術(shù)，開(kāi)發(fā)三維焊縫測(cè)量與跟蹤系統(tǒng)專(zhuān)用的硬件和軟件接口，一方面進(jìn)行三維焊接的位置和姿態(tài)控制，另一方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫偏差，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)三維激光焊接的高速、高精度控制。 （ 2）基于動(dòng)態(tài)特性的多軸運(yùn)動(dòng)控制策略 研究基于動(dòng)態(tài)特性的多軸運(yùn)動(dòng)控制策略：①基于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的物理約束及幾何約 束，研究聯(lián)動(dòng)非線性插補(bǔ)方法，不僅會(huì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)軸速度及其變化率不超過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)能力，在多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)中實(shí)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(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(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法 滿(mǎn)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(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) 。 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。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。 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)。 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(jì)了一種三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 第四章研究了十軸六聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略和運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，采用基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)高速高精的六聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制算法 。通過(guò)對(duì)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了針對(duì)三維焊接的姿態(tài)控制的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。 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(guò)基于視覺(jué)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。 第六章做了總結(jié)與展望，對(duì)本文研究?jī)?nèi)容做了總結(jié)，并對(duì)研究需要進(jìn)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(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償 控制 平臺(tái) 六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制 平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 實(shí)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(jìn)行加工，具有結(jié)構(gòu)件尺寸大、跨度長(zhǎng) 、加工精度高 的特點(diǎn)， 一般的焊接機(jī)器人技術(shù)、中小型多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)難于一次完成長(zhǎng)度大于 3 米的 結(jié)構(gòu)件。 因此 對(duì)焊接跟蹤平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了以下幾點(diǎn)要求： ① 平臺(tái)機(jī)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(zhǎng)行程的平臺(tái)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(hào)件，精度要求高。 ④ 運(yùn)行速度高，滿(mǎn)足高速加工要求，提高加工效率。 針對(duì)以上要求， 本系統(tǒng)采用橫梁結(jié)構(gòu)的大型多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，最長(zhǎng)焊接行程為 5米，以解決大尺寸結(jié)構(gòu)件的單次焊接問(wèn)題 ，平臺(tái)的模型如圖 所示 。 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。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)。 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。 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(lèi)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。 100 度 1:88 無(wú) 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 B 軸 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 渦輪蝸桿 177。 30 度 1:360 無(wú) 10 秒 20 轉(zhuǎn) /分鐘 C 軸 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 渦輪蝸桿 177。 90 度 1:120 無(wú) 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(guó)內(nèi)對(duì) T 型接頭的焊接設(shè)備往往采用兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)操作，或者簡(jiǎn)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(duì)準(zhǔn) T 型接頭的兩側(cè)，這些方法僅僅對(duì)雙光束實(shí)驗(yàn)有效，用于驗(yàn)證工藝可行性，但是不適于大尺寸的三維整體見(jiàn)的焊接，不滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用條件。 三維 T 型接頭的雙側(cè)同時(shí)焊接存在以下技術(shù)難點(diǎn)： ① 三維焊接要求 對(duì)空間焊縫的路徑嚴(yán)格擬合，運(yùn)動(dòng)精度要求 高，加工形成長(zhǎng)； ② 三維的焊接路徑要求姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整， 不同型號(hào)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(mǎn)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 。 針對(duì)以上 三維 T 型焊縫較一般焊縫的加工難點(diǎn) ，為了 加工路徑實(shí)施中焊接姿態(tài)的適時(shí)調(diào)整， 提出了以下 T 型接頭雙 側(cè) 焊接約束分析 ， 具體來(lái)說(shuō)： 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(diǎn)嚴(yán)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(shí)調(diào)節(jié)，且需與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合。 三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 針對(duì)以上焊接約束條件分析，本平臺(tái)采用了一種三向旋轉(zhuǎn)雙路激光同步焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 12 焊接頭 1 對(duì)稱(chēng)安裝于弧板 2 兩端， 弧板上端連接于 A 軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3 的 A 向回轉(zhuǎn)中心 4， A 軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3 帶動(dòng)弧板在弧板平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角調(diào)整。 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,。 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]。 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。 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(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(guò)，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。 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(jī)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(dòng)的過(guò)程中，激光束不受影響，聚焦點(diǎn)始終在噴嘴中心。如圖 方案二 所示。 由于本平臺(tái)行程長(zhǎng)，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(dòng)多，會(huì)對(duì)激光束的傳導(dǎo)造成影響，因此本平臺(tái)采用方案二柔性光路傳導(dǎo)。 T 型接頭兩側(cè)同時(shí)焊接，且要求兩束激光參數(shù)完全相同，本平臺(tái)采用一種雙光束焊接方法 [26]，該方法實(shí)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(guò)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(guò)分光鏡 7 的分光，分成兩束對(duì)等光束 B B2，在經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制系統(tǒng)的 軟 硬件平臺(tái) 控制系統(tǒng) 需求 分析 六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤 補(bǔ)償控制平臺(tái)是基于高架橋式六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速高精控制的機(jī)電控制系統(tǒng)。該平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)軸機(jī)械結(jié)構(gòu)行程長(zhǎng)、跨度大、機(jī)械慣性大，旋轉(zhuǎn)軸根據(jù)工藝需求結(jié)構(gòu)獨(dú)特，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)， 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(jī)驅(qū)動(dòng)，并且要求高速、高精控制，根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)的需求，三旋轉(zhuǎn)軸 A、 B、 C 軸需實(shí)現(xiàn)復(fù)雜定位、精確插補(bǔ)、焊接姿態(tài)的功能。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。 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 。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(dòng)電機(jī)能在速度和位置上實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)控制。 (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)。 (5) 實(shí)現(xiàn)六 聯(lián)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)程序的執(zhí)行 ，支持后置處理運(yùn)動(dòng)學(xué)算法 。 (6) 做好靈活方便的人機(jī)交互界面，可實(shí)現(xiàn) 10 軸的位置、速 度、電機(jī)參數(shù)等的顯示，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的輸入與修改，運(yùn)動(dòng)程序的編輯、下載與執(zhí)行，故障的診斷、顯示與報(bào)警。 (7) 提供焊縫跟蹤補(bǔ)償接口，以及其他特殊功能的擴(kuò)展開(kāi)發(fā) 。 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(guò)分析，本控制系統(tǒng)不但要改善本平臺(tái)的實(shí)用性 、 開(kāi)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(kāi)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(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)。 針對(duì) 本焊接跟蹤平臺(tái)特殊功能要求定制開(kāi)發(fā)， 最終方案 采用由 UMAC 運(yùn)動(dòng)控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。 本 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 由工業(yè)用計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器 UMAC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、光柵尺、機(jī)床操作 I/O、手輪等部分組成。六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)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(jì) 算 機(jī)機(jī) 床操 作 I / O以 太 網(wǎng) 交 換 機(jī)M O D B U S接 口 板運(yùn) 動(dòng) 控 制運(yùn)動(dòng)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(dòng)1X軸伺服驅(qū)動(dòng)2Y軸伺服驅(qū)動(dòng)Z軸伺服驅(qū)動(dòng)P L C機(jī) 床 本 體各軸光柵尺A軸伺服驅(qū)動(dòng)B