1、分类号 学号 M201270404 学校代码 10487 密级 硕 士 学 位 论 文三维 T 型接头的六联动激光焊接及跟踪补偿技术学 位 申 请 人 ： 梁斌焱学 科 专 业 ： 机械电子工程指 导 教 师 ： 龚 时 华 教 授答 辩 日 期 ： 2015 年 5 月 20 日Comment W用1: ？华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IIA Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringSimulation3D T-joint
2、 Dual-beam Laser Welding with Six-Axis Simultaneous Control and Seam Tracking TechnologyCandidate : Liang BanyanMajor : Mechatronic EngineeringSupervisor : Prof. Gong ShihuaHuazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. ChinaMay, 2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究
3、成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导
4、教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文I摘 要激光焊接 T 型接头应用十分广泛，在航空航天、汽车、船舶领域占有十分重要的地位，T 型接头的加工质量往往影响着整个结构件的质量。 T 接头的激光焊接工艺性要求非常高，经常会出现气孔、裂缝、焊接偏斜等问题，这些问题往往会造成严重的后果，因此针对 T 型接头的激光焊接成为一个重要研究方向。三维 T 型接头的焊接往往采用机器人示教焊接，不仅加工精度低，而且往往先焊接一侧，再焊接另外一侧，焊接变形大；焊接过程中焊接点往往偏离焊接路径，使得焊件报废；小型机床难于加
5、工大尺寸的整体结构件。 针对上述问题，本文搭建了大跨度高架桥式机械结构的焊接平台，满足大尺寸整体件的焊接需求，同时针对 T 型接头的两侧同时焊接需求，设计了三向旋转结构的焊接加工结构及双光束焊接控制系统，并配备了双十字滑台，对 T 型接头的两侧同时实现焊缝测量与跟踪补偿。搭建了基于运动控制器+工业用平板电脑的开放数控系统，开发了上下位机结构的软硬件平台，编写了友好的人机交互接口。整个控制系统研究了单轴高速高精控制技术，并对十轴六联动控制技术做了详细研究。通过对平台的机架坐标系到焊接点坐标系的转换，求解了机床模型的运动学矩阵和焊接点位置坐标的矢量信息，利用三维焊接路径的轨迹规划技术，在开放运动控
6、制器中实现了运动学算法，做到了对三维焊接的路径高精度控制技术。在三维焊接的同时，利用双十字滑台在 T 型接头的两侧安装有基于机器视觉的检测传感器，能够实时检测焊接偏差，通过独立式偏差补偿系统，实现了对焊接偏差的实时补偿技术。通过实际的跟踪补偿实验验证了跟踪补偿效果，跟踪精度满足要求。通过实际的焊接实验，完成对试验件的焊接，结果表明针对三维 T 型接头的双路焊接和跟踪补偿满足加工要求。关键词：三维 T 型接头 六联动 双路焊接 跟踪补偿 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IIAbstractLaser welding of T joint application is very ex
7、tensive, occupy a very important position in the field of aerospace, automobile and ship. The quality of T joints often affects the quality of the whole structure. T laser welding joint has a lot of problems in process, for example crack, porosity, welding deviation and other issues. Based on T join
8、t welding has become an important research direction.Three dimensional T joint in some important occasions, occupy an important position. At the same time, there are some technical difficulties in welding. Three-dimensional T joint is often welded by robot teaching-position, which has a low precisio
9、n. The process of welding one side after another brings some problems, such as distorting and cracks. Welding spot often deviate from welding path, making the welding scrap. Small machine tools are difficult to process large size structure.In view of the above problems, this paper built a large span
10、 overhead welding platform mechanical structure, meeting the demand of large size welding and both sides welding at the same time for T joints. We design a three rotating structure of the welding structure, which is equipped with dual cross slide for both sides of the weld T joint measurement and co
11、mpensation.We build a motion controller + industrial tablet computer open CNC system and build software and hardware platform of the upper and lower machine structure. Then we developed a friendly man-machine interactive interface. The study on the control system of a single axis high speed high pre
12、cision control technology and the ten axis six linkage control technology is showed in detail.Based on the coordinate system, we solve the kinematics model of the welding machine and the coordinates of the vector information, using the technology of 3D trajectory planning of welding path, achieving
13、the high precision control technology of three-dimensional welding path.Both welding sides using detecting sensor based on machine vision, to real-time detect the weld deviation, realize the real-time compensation technology of welding deviation.By tracking the compensation experiments verify the co
14、mpensation effect and the tracking accuracy. Through the actual welding experiments, we complete welding test, results show that the double way for three dimensional T joints can meet the processing requirements and tracking compensation.华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IIIKeywords: 3D T-joint, Axis Simultane
15、ous Control, Dual-beam Laser Welding, Tracking control华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文IV目录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 课题来源及研究背景 .11.2 三维激光焊接的国内外研究概况 .31.3 课题研究内容 .72 六联动三维焊接及跟踪补偿控制平台 .92.1 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 .92.2 三向旋转结构的双侧激光焊接方案 .102.3 六联动三维焊接及跟踪补偿控制系统的软硬件平台 .142.4 本章小结 .223 三维激光焊接的十轴六联动运动控制策略与运动学算法
16、.233.1 高精度 PID+Feedforward+Notch Filter 位置控制技术 .233.2 十轴六联动的多轴运动控制策略 .283.3 基于交叉耦合的横梁 X 轴双电机同步方案 .324 双路激光焊接的三维焊接路径控制技术与实现 .374.1 双路激光焊接平台轨迹规划的运动学建模分析 .374.2 三维 T 型接头的三维焊接路径和参数控制 .404.3 三维焊接路径的运动学算法的实现 .414.4 本章小结 .435 T 型接头的焊缝实时测量与跟踪闭环控制技术 .445.1 T 型接头的焊接偏差测量技术 .445.2 基于机器视觉的 T 型接头双路跟踪补偿控制技术 .47华 中
17、 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文V5.3 实时跟踪补偿技术闭环控制性能分析 .505.4 焊件验证 .516 总结与展望 .55致谢 .57参考文献 .58附录 攻读学位期间发表论 文 .60Comment W用2: Comment W用3: Comment W用4: 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文11 绪论1.1 课题来源及研究背景1.1.1 课题来源本课题来源于国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备” ， “大功率光纤激光双光束焊接设备” （编号：） ，武汉市科技计划项目“汽车覆盖件三维激光焊接控制及其焊缝跟踪技术” （编号：） 。1.1.2 课题研究背景和应
18、用概况激光焊接在大结构件上的应用已经越来越广泛，已成为二十一世纪解决大型复杂结构制造的先进焊接技术之一。激光焊接技术的工程化应用离不开激光焊接装备的开发及专业化。国外正是在成功开发了大型多轴数控大功率激光焊接专用装备之后，才使大功率激光焊接技术真正应用于航空、船舶、汽车等结构的制造。激光焊接是一种高能束流焊接，拥有传统焊接方法不可比拟的优点，例如激光束能量高，比其他方法高出几个数量级，焊接速度快，加工生产率高，激光光斑直径小，热量控制精确，容易形成大而长的焊缝，焊接晶粒小，因而焊接质量高，并且激光容易控制，可以安装在机器人和机床上去，可以实现焊接设备的自动化 1。激光焊接比电子书焊接又有其他优
19、点，激光焊接不需要真空环境，对环境要求低，并且无辐射，对加工人员伤害小；与摩擦焊相比，又无需感性之城，柔性好，适应性强。综合以上优点，激光焊接被誉为“潜力无限的高能束流焊接技术” 23。激光焊接在航空、航天、船舶、汽车领域都有广泛的应用。在航空领域，飞机蒙皮壁板的筋板焊接为了减轻重量，已经由铆接的工艺向激光焊接转变，切使用量越来越大。航天领域，导弹发射、高压储气罐、弹翼、火箭发动机壳体等典型航天产品都有很广泛的应用 4。船舶领域，舰船的骨架焊接往往需要大功率的激光焊接来完成。汽车制造领域，汽车覆盖件的焊接，多用激光焊来实现，加工生产率高。由于航空航天，汽车制造及造船等行业的筋壁板通常采用 T型
20、接头结构，而传统的制造工艺多采用铆接工艺。相较于铆接制造，对这些结构件进行激光焊接能够华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2极大的减轻工件的重量，改善零件的强度和生产效率。铆接壁板和激光焊接壁板的加工工艺如图 1.1 所示（a）铆接壁板 （b）激光焊接壁板图 1.1 铆接壁板和激光焊接壁板的加工工艺用激光焊接的工艺来代替铆接工艺有诸多优点，首先筋板、长桁等构件的重量大大减轻，对于飞机、船舶等整体重量的减少贡献巨大，其次激光焊接对焊接件的破坏性少，优越性大，生产效率提高。另外激光焊接能在不减少结构强度及疲劳寿命的前提下，减轻 5%到 10%的结构重量，总成本降低 15%56。T 型接头
21、的激光焊接工艺，也存在缺点及难点，例如焊接变形，裂纹，成形等问题，针对以上工艺问题，现在的措施一般是通过提高装夹精度、改善焊接环境、提高焊接前接头的质量的措施来改进，但是这些措施只能针对小幅度的焊接变形、小应力来改善，对大幅度的焊接变形、大的焊接应力还不能解决，只能寻求其他方法。对于T型接头的激光焊接，现在的普遍做法有以下两种，一种是将一束激光先打在接头的一侧，一侧焊接完毕后再焊接另外一侧，这样的方法也是造成上述工艺缺点的重要原因，因为一侧焊接完毕后，产生了较大的焊接应力，此时在焊接另外一侧，相当于产生了二次应力，两个应力叠加造成更大的焊接变形，甚至导致大变形、裂纹、气孔的出现。另外一种焊接方法是采用两束激光在T型接头两侧同时焊接，可以有效减小焊接应力，改善焊接变形，减少裂纹、气孔的出现。两束激光同时焊接，有两种实现方式：一种是采用两个激光发生器同时工作，一种是采用一束功率大的激光，通过光学分光方式分为两束功率大小相等的激光。一般多采用后者，因为分光式的两束激光功率参数可控，可以做到功率大小相等，起焊停焊同步控制，以保证焊接工艺性。通过分光式得到的两束激光，可以改变光束能量比、光束间距、能量分布模式，对焊接过程中的温度场进行调节，改变匙孔的存在模式与熔池中液态金属的流动方式 78，此种方式改进了焊接工艺，是的两束激光同时焊接做到工艺性好，加工效率高的优点。
