三维t型接头的六联动激光焊接及跟踪补_偿技术毕业论文(编辑修改稿)

三维t型接头的六联动激光焊接及跟踪补_偿技术毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

控制，即采用 十轴六联动数控技术，其中 六轴 联动实现三维激光焊接的轨迹和焊接头姿态控制， 四个跟踪补偿轴 实现轨迹偏差情况下（装夹引起或焊接变形引起）的焊缝自动跟踪。 通过本项目的实施，将大大提高 三维 T 型接头的 三维激光焊接的速度和精度。 项目研究开发内容 （ 1）基于焊缝跟踪的数控系统技术 研究 十轴六联动 数控技术，开发三维焊缝测量与跟踪系统专用的硬件和软件接口，一方面进行三维焊接的位置和姿态控制，另一方面进行实时监测焊缝偏差，并进行动态补偿，最终实现三维激光焊接的高速、高精度控制。 （ 2）基于动态特性的多轴运动控制策略 研究基于动态特性的多轴运动控制策略：①基于运动过程中的物理约束及几何约 束，研究联动非线性插补方法，不仅会提高控制精度，而且还能大幅提高控制质量， 减少变形。 ②研究多轴联动的速度控制模型， 保持合成速度的恒定，需要综合空间轨迹形状引起的各运动轴速度及其变化率不超过伺服驱动能力，在多轴联动插补中实现恒速度的控制，保证激光焊接质量。 （ 3）三维焊接数控编程 在三维焊缝示教测量基础上，结合激光焊接的特性、焊接材料属性等，规划三维拼缝的激光焊接轨迹、焊接参数等， 通过运动学算法 满足高速、高质量激光拼缝焊接的要求。 （ 4）三维焊缝轨迹的测量 基于高精度的焊缝检测传感器（英国 Meta 公司的焊缝检测与跟踪系统）对焊缝 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 进行测量，获取三维焊缝的轨迹信息 ，并实现实时跟踪补偿技术。 文章构架 本课题主要 针对航空航天领域的三维 T 型接头的两侧激光同时焊接，采用十轴六联动的运动控制系统，控制三维激光焊接运动 ，同时采用基于视觉传感器的焊缝跟踪补偿系统对焊缝变形等引起的偏差实时跟踪补偿。 本文的构架如下： 第一章介绍了三维 T 型接头的激光焊接研究背景和应用概况， 通过国内外的研究概况介绍当前激光焊接的形式，分析了国内外各机构研究内容与优缺点，显示了我国通过外技术水平的差距，指出了三维 T 型接头的重点研究方向。 第二章分析了三维 T 型接头激光焊接平台的特殊需求，构建了在需求分析基础上的机械结构及软硬件平台，为研究内容和研究 目标搭建了控制平台。 第三章介绍了分光式激光双路焊接系统的构成，分析了 T 型接头的双路焊接的约束条件，设计了一种三向旋转双路激光同步焊接运动机构。 第四章研究了十轴六联动运动控制系统的控制策略和运动学算法，采用基于开放式数控系统方案，实现高速高精的六联动运动控制算法。 通过对平台模型的分析，研究了三维焊接路径和参数控制技术，并实现了针对三维焊接的姿态控制的运动学算法。 第五章实现了双路焊缝实时测量与跟踪补偿一体化技术，先通过基于视觉传感器的焊接偏差测量技术，设计了双路跟踪控制系统，实现双路焊接同时的高速高 精跟踪补偿，最后分析了跟踪补偿技术的闭环控制稳定性。 第六章做了总结与展望，对本文研究内容做了总结，并对研究需要进一步优化的地方作出展望，为以后的研究提供方向。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 六联动三维焊接及跟踪补偿 控制 平台 六联动三维焊接及跟踪补偿控制 平台的机械结构 实施方案 三维 T 型接头的激光焊接技术主要应用于航空航天领域整体壁板、蒙皮等大尺寸的结构件 [24]， 大型三维 T 型接头焊件，通常作为整体件进行加工，具有结构件尺寸大、跨度长 、加工精度高 的特点， 一般的焊接机器人技术、中小型多轴运动控制技术难于一次完成长度大于 3 米的 结构件。 因此 对焊接跟踪平台的机械结构提出了以下几点要求： ① 平台机械结构尺寸大， 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、长行程的平台结构稳定性高，故障率低。 ③ 加工件多为航空航天型号件，精度要求高。 ④ 运行速度高，满足高速加工要求，提高加工效率。 针对以上要求， 本系统采用横梁结构的大型多轴联动机床，最长焊接行程为 5米，以解决大尺寸结构件的单次焊接问题 ，平台的模型如图 所示。 图 六联动三维焊接及跟踪补偿控制平台结构总体方案示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 该 平台的具体实施方案如下 ： ① 高架桥式结构 ， 立柱分两排立于地基之上，立柱采用钢筋混凝土结构，坚固扎实，实现了整个平台 跨度大、行程长 的特点 ； ② 立柱之上安装 X 轴的底座， X 轴采用平行的桥式结构，两个 X 轴底座平行安装在 两排立柱上。 每个底座内装有一根长行程的齿条和两根直线导轨，导轨上架有横梁， X 轴的两个减速器安装在横梁的两侧箱体内 ； ③ 横梁上同时有 Y 轴两根直线导轨， Y 轴采用导轨丝杠传动，伺服电机通过丝杠的传动使 Y 轴沿着直线导轨运动 ； ④ 机床滑枕 为机床的 Z 向， 通过丝杠螺母副驱动、直线导轨导向， Z 向沿着滑枕的直线导轨运动。 激光焊接头 在 滑枕的 最下端 安装 ； ⑤ 机床采用全闭环控制，线性坐标位置反馈使用高精度光栅尺，旋转坐标位置反馈使用高精度增量角度 圆光栅 ，使机床具有更好的精度。 按照上述方案 确定的 焊接平台机械结构 的各轴传动方式、行程、精度实施如下表所示： 表 2. 1 各传动轴行程与传动方式等信息 轴号 轴类型 传动方式 运动行程 减速比 导程 定位精度 最高速度 X 轴 平动轴 齿轮齿条 5 米 1:18 80π毫米 毫米 20 米 /分钟 Y 轴 平动轴 同步带 3 米 3:8 40 毫米 毫米 20 米 /分钟 Z 轴 平动轴 同步带 1 米 2:3 20 毫米 毫米 10 米 /分钟 A 轴 转动轴 涡轮蜗杆 177。 100 度 1:88 无 10 秒 20 转 /分钟 B 轴 转动轴 涡轮蜗杆 177。 30 度 1:360 无 10 秒 20 转 /分钟 C 轴 转动轴 涡轮蜗杆 177。 90 度 1:120 无 20 秒 20 转 /分钟 三向旋转结构的双侧激光焊接方案 T 型接头双路焊接约束分析 国内对 T 型接头的焊接设备往往采用两个机器人同时操作，或者简易的构架将两 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 束激光对准 T 型接头的两侧，这些方法仅仅对双光束实验有效，用于验证工艺可行性，但是不适于大尺寸的三维整体见的焊接，不满足工程实际应用条件。 三维 T 型接头的双侧同时焊接存在以下技术难点： ① 三维焊接要求 对空间焊缝的路径严格拟合，运动精度要求 高，加工形成长； ② 三维的焊接路径要求姿态实时调整， 不同型号件的可调整为不同姿态。 根据工艺性要求， 激光束的位置、角度、焦距参数满足焊接要求； ③ 自动化程度要求高，转向灵活，回转精度高。 针对以上 三维 T 型焊缝较一般焊缝的加工难点 ，为了 加工路径实施中焊接姿态的适时调整， 提出了以下 T 型接头双 侧 焊接约束分析 ， 具体来说： ⑴ 光束激光焊接的两条激光束均位于三维焊缝曲线的法平面内。 ⑵ 两条激光束与 T 型焊缝所在底板成一定角度（ 30176。 左右，可调）。 ⑶ 两束参数相同焊接激光 的焦点严格落在两侧三维焊缝的中心位置。 ⑷ 两条激光参数完全相同，激光功率可同时调节，且需与运动控制系统配合。 三向旋转双路激光同步焊接运动机构 针对以上焊接约束条件分析，本平台采用了一种三向旋转双路激光同步焊接运动机构，该结构如图 所示。 图 三向旋转双路激光同步焊接运动机构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 焊接头 1 对称安装于弧板 2 两端， 弧板上端连接于 A 轴回转机构 3 的 A 向回转中心 4， A 轴回转机构 3 带动弧板在弧板平面内转动实现转角调整。 B 轴回转机构 5（涡轮蜗杆机构）带动 A 轴回转机构在 B 向平面内转动，回转中心位 于图示 6,。 C轴回转机构 7 带动下方的 AB 轴转动回转中心位于图示 8， C 轴与机床滑枕连接 [25]。 C 轴轴线与 Z 轴平行， B 轴轴线与 Y 轴平行， A 轴轴线与 X 轴平行，符合笛卡尔右手直角坐标系。 双路激光同步控制系统 现行的 激光加工头研制技术方案 有两种 ： 方案一：采取硬光路传导，激光束与旋转轴同轴方式。 二维旋转加工头的旋转机方案一 激光器 聚焦镜 反射镜 反射镜 反射镜 中空电机 方案二 聚焦镜 B 轴偏转及驱动单元反射镜 A 轴旋转及驱动单元 激光器 图 两种激光光路传输方案 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 构拟采用中空电机直接作为旋转轴，激光束从电机中心直接穿过，从而减少了传动机构，简化结构设计，减小体积，减轻重量。 如图 方案一所示。 方案二：采取柔性光路传导，激光加工头安装于可二维旋转及偏转的机构上。 该方案的关键在于激光束输出采用光纤传导的方式，并最终耦合于激光加工头内。 因此，在激光加工头旋转、摆动的过程中，激光束不受影响，聚焦点始终在喷嘴中心。 如图 方案二 所示。 由于本平台行程长，硬光路传输体积大成本高， 且三向旋转结构光路转动多，会对激光束的传导造成影响，因此本平台采用方案二柔性光路传导。 T 型接头两侧同时焊接，且要求两束激光参数完全相同，本平台采用一种双光束焊接方法 [26]，该方法实施方式如图 所示。 145 图 一种双光束焊接方法 示意图 该 方法 采用 YAG 激光器 1， 激光器发出的激光束经过反光镜 2 的反射后到达扩束镜 6，进行扩束，然后经过分光镜 7 的分光，分成两束对等光束 B B2，在经过反射镜 3 的反射进入准直镜 8 将激光束矫直，最后经过透镜 9 聚焦，传入柔性传到光纤。 光纤转载焊接头 11 的前端（焊接头 11 的位置如图 所示），输出激光束 5，最终打在 T 型接头 4 的两侧。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 六联动三维焊接及跟踪补偿控制系统的 软 硬件平台 控制系统 需求 分析 六联动三维焊接及跟踪 补偿控制平台是基于高架桥式六轴联动机械结构，实现高速高精控制的机电控制系统。 该平台的直线运动轴机械结构行程长、跨度大、机械惯性大，旋转轴根据工艺需求结构独特，实现复杂三维运动， X、 Y、 Z 三直线坐标轴中的 X 轴横梁结构采用双电机驱动，并且要求高速、高精控制，根据五轴联动的需求，三旋转轴 A、 B、 C 轴需实现复杂定位、精确插补、焊接姿态的功能。 另外，要实现双侧激光焊接的焊缝跟踪补偿，需加入两组十字滑台，以补偿焊接偏差。 针对这些技术特点，对控制系统技术内容的分析有如下几点： (1) 实现 XYZ 坐标轴的单独 高速高精 直 线运动， ABC 三旋转轴旋转运动 (2) 实现 XYZ 三直线轴的速度、位置精确控制， XY 轴最高速度 20m/s， Z 轴最高速度 10m/s，三轴定位精度 ，重复定位精度。 三旋转轴 ABC 的最高速度 20r/min，定位精度 20”，重复定位精度 15”。 (3) X 轴两驱动电机能在速度和位置上实现同步运动控制。 (4) XYZABC 六个坐标轴可以实现 六 轴联动控制，可进行六轴插补运动。 (5) 实现六 联动 运动程序的执行 ，支持后置处理运动学算法。 (6) 做好灵活方便的人机交互界面，可实现 10 轴的位置、速 度、电机参数等的显示，运动参数的输入与修改，运动程序的编辑、下载与执行，故障的诊断、显示与报警。 (7) 提供焊缝跟踪补偿接口，以及其他特殊功能的扩展开发。 控制系统的某些上述功能是针对本平台特有的机械结构和特定的用途所提出的，经过分析，本控制系统不但要改善本平台的实用性 、 开放性 、稳定性 ，更要注意控制系统的针对特殊功能的开发，因此本控制系统选用基于多轴运动控制器的开放性数控系统。 针对 本焊接跟踪平台特殊功能要求定制开发， 最终方案 采用由 UMAC 运动控制器和工业控制计算机组成的开放式数控系统。 本 开放式数控系统 由工业用计算机、运动控制器 UMAC、伺服驱动器、伺服电机、光栅尺、机床操作 I/O、手轮等部分组成。 六联动三维焊接及跟踪补偿控制系统构架如图 ： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 工 业计 算 机机 床操 作 I / O以 太 网 交 换 机M O D B U S接 口 板运 动 控 制运动控制器电 源 输 入C P U 通 信 模 块轴 控 板 1 轴 控 板 2X轴伺服驱动1X轴伺服驱动2Y轴伺服驱动Z轴伺服驱动P L C机 床 本 体各轴光栅尺A轴伺服驱动B。