数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发（可编辑）

数控激光焊接工作台及焊接工艺优化系统研发（可编辑） 数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 学校代号: 学 号: 密 级:公开 兰州理工大学硕士学位论文 数控激光焊接工作台设计及焊接工艺 优化系统研发 学位申请人姓名: 段慧艳 导师姓名及职称: 乔及森教授 培养单位: 兰州理工大学 专业名称: 材料加工工程 论文提交日期: 年月 论文答辩日期: 年月日 答辩委员会主席: 张福甲 ..,硕士学位论文 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个 人或 集体已经发或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 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后果由本人承担。 作者签名: 日期:矽侈年 莎月/ 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,同意学校保 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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 、保密口,在 年解密后适用本授权书。 、不保密。 请在以上相应方框内打“?” 孤茏艳 作者签名: 日期:刀协年‖月 导师签名: 日期:刁锣年‖月多日 栅硕士学位论文 目 录 摘 要??.? 第章绪论.. .课题的研究背景? ..激光焊接? .. 工作台. ..焊接工艺参数优化. .课题的研究现状? ..数控系统及数控工作台?. ..工作台运动精度?. ..焊接工艺优化..人工神经网络在焊接中的应用?. .数控焊接工作台及焊接工艺预测系统的研究意义??. .本论文的主要工作 第章焊接工作台的设计和搭建一 .引言 .焊接工作台的设计 ..焊接工作台机械部分主要部件的选择?一 ..焊接工作台机械部分的整体设计 ..焊接工作台控制部分的元件选取. .焊接工作台的搭建??.. .焊接工作台的构成及操控..焊接工作台机械部分的运行情况 ..控制系统的控制原理..焊接工作台主要控制流程 .本章小结。 第章焊接工作台的精度测试与数据 .引言??. .焊接工作台精度测试?.. ..焊接工作台精度测试实验原理? ..焊接工作台精度测试实验具体操作..焊接工作台精度测试实验因素的选 择? ..焊接工作台精度测试数据整理及统计? .单因素对焊接工作台精度影响分析..速度对焊接工作台精度的影响? ..速度对到位精度曲线拟合 ..位移量对焊接工作台精度的影响 ..位移对焊接工作台精度的曲线拟合..载荷对焊接工作台精度的影响? .影响因素的权重分析?一 ..各因素对到位误差的综合影响? ..速度、位移综合对到位误差的影响??数控激光焊接工作台设计及焊接工艺 优化系统研发 ..速度、载荷综合对焊接工作台到位精度的影响 ..位移、载荷综合对到位精度的影响.正交实验法评估各因素对工作台运动 精度影响权重分析..确定实验指标?。 ..正交试验法??。 .本章小结一 第章数控激光焊接工作台的智能化控制系统 .引言??一 .焊接工艺数据的选择以及正交试验表的建立? ..激光焊接工艺参数的选择 ..正交试验表的建立 .基于神经网络系统的建立以及训练结果?. ..神经网络的选择与建立? ..神经网络训练结果 ..焊接工艺参数优化 .焊接工艺参数预测系统的建立. ..板厚与焊接体能量数据整理..板厚与焊接体能量拟合关系..工艺参数预 测系统的建立 .本章小结一 结论?一 参考文献?一 【谢?..: 附录. 附录.. 硕士学位论文 摘 要 激光焊接以其能量密度高、变形小、适应性强等优点,在汽车工业、航天航 空、核 电设备等领域广泛应用,与传统焊接方法相比不仅生产效率大大提高,焊接 质量也得到 显著提高。与此同时,激光焊接也存在一定的局限性,要求焊件装配精度高以及焊接位 置必须非常精确,这就对焊接工作台的装卡和灵活性等提出一个新的要求【。 本文通过对激光焊接的研究,首先,设计并搭建.数控激光焊接工作台,工作台 由单片机作为主控制器,步进电机作为动力源,通过丝杠带动整个工作台运动。其次, 对焊接工作台的运动精度进行测定,建立速度、位移、载荷三个因素分别对焊接工作台 运动精度的影响关系模型以及三个因素两两交互作用对工作台运动精度的影响关系。最 后,对焊接工作台控制模块进行智能化开发。通过建立焊缝抗拉强度与激光焊接速度、 激光功率、光斑直径之间的关系模型以及热输入与抗拉强度之间的关系模型、母材厚度 和焊接热输入之间的关系模型,最终建立了激光焊接最优工艺参数预测系统。 研究结果表明,激光焊接工作台能够实现绝对运动、增量运动、直线插补、顺圆插 补等平面运动,理论最高限速为/,工作台平均运动误差在./以 内。焊接工作台运行速度与运动精度之间为线性关系;位移量对焊接工作台 运动精度影 响关系拟合为二次函数;一定范围内的载荷对工作台运动精度影响很小。三个因素影响 显著性依次为:速度、位移、载荷。建立的焊接工艺参数优化和预测系统能够较为准确 地预测出优化后的激光焊接工艺参数,结合焊接工作台运动控制模块实现焊接智能化。 关键字:激光焊接;焊接工作台;运动精度;影响因素;神经网络;工艺优化数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 ., , . ,,. , , , . ,,.. 、析 ,. , / ?.. /.. ., ,, . ; ; ; ; : ; 硕士学位论文 第章绪论 .课题的研究背景 .. 激光焊接 激光焊接是利用聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法。激 光焊具有高度自动化、加工灵活性、高精度、生产效率高等优点。随着大功率激光 及激光装置的开发,以及激光技术的大力发展,激光焊在航空航天、武器制造、 船舶制造、汽车制造、压力容器制造以及医用等领域得到了广泛的应用。 传导焊和深熔小孔焊作为激光焊接的两种基本形式,根本区别在于:传导焊在焊 接过程中熔池表面保持封闭,而深熔焊熔池则被激光束穿透成孔。这两种焊接方式也可 以在同一焊接过程中相互转换。 跟传统焊接方法相比,激光焊接具有一定的优势,具体表现在:能量密度高:焊接质 量高;热影响区和变形区都很小;可焊接不同材料的组合;激光焊接是无接触加工,激光可 通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件:激光束易于导向、 聚焦,实现各方向变换;激光束能量可精密控制,移动速度可调,可以进行多种焊接; 激光焊接系统具有高的柔性。由于激光焊接的优点多,可以进行传统焊接方法完成不了 的焊接作业,而且焊接质量高、焊缝性能好,因此被广泛应用于汽车、航天等领域。然 而,激光焊接也存在一些不足,激光器以及用于激光束传导和聚焦的附属系统成本过高, 特别是需要大量昂贵保护气体的应用场合。而激光焊接过程中,激光束的紧密聚焦、热 量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点,也带来了焊件接头装配的难题,很小 的组装偏差就会导致焊接条件发生较大的变化。本课题就是基于激光焊接存在的这些问 题提出的,设计和搭建一台配合激光焊接使用的焊接工作台,通过保证激光焊接工作台 运动平稳性以及高的运动速度和精度来保证激光焊接的质量,通过设计合理的配套工装 夹具来解决激光焊接装配精度高的问题【卅。 .. 工作台 随着现代信息技术的发展,机械加工技术发生了很大的变化,一方面向着提高产品 生产效率的高度自动化方向发展,另一方面则是向着以提高产品质量的精密化方向发 展。现代机电设备的结构越来越复杂,结合机、电、光等技术于一体,功能也越来越复 杂和完善。因此,如何提高产品的加工质量成为机械制造行业迫切需要解决的问题之一。 而工作台作为实现高精密加工的核心部件,它的传动部件的定位精度直接影响系统的加 工精度。如何有效地提高机床以及工作台的定位精度是当前研究的一项重要课题【。工 作台是实现平面坐标运动的典型关键部件,能分别沿向和向移动的工作台称为. 工作刽。。其工作原理是:向和向均采用伺服电机或者步进电机等,通过齿轮减 速和丝杆传动后,带动工作台做平面运动。 焊接工作台是用来配合焊接机完成焊接作业的工作平台,焊接工作台的速度、到位数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 精度等都会影响焊接质量和焊缝的质量。尤其是工作台的到位精度,直接影 响焊接的精 确性,从而影响焊接质量和焊缝质量,因此对焊接工作台的运动精度进行研究对提高焊 接质量有重要的意义。本文根据激光焊接的特点设计和搭建焊接工作台,对焊接工作台 的到位精度进行研究,对影响焊接工作台精度的主要因素进行分析,建立各因素与到位 精度之间的关系模型以及因素之间两两交互作用与工作台到位精度的关系模型,通过提 高焊接工作台的运动精度来提高激光焊接质量和焊缝质量。 ..焊接工艺参数优化 激光焊接工艺参数对焊接接头有着决定性的影响,激光焊接的几个主要的工艺参数 有:激光功率、光速焦斑、材料吸收值、焊接速度、保护气体。 激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阀值,低于此值,熔深很浅,一旦 达到或者超过此值,熔深会大幅度提高。 光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一,因为它可以决定功率密 度。 材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能,如吸收率、反射率、 热导率、熔化温度、蒸发温度等,其中最重要的是吸收率。 焊接速度。焊接速度对熔深影响较大,提高速度会使熔深变浅,但速度过低又会 导致材料过度熔化、工件焊穿。 保护气体。激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池,当某些材料焊接可不计较 表面氧化时则也可以不考虑保护。 焊接工艺对焊接质量有着决定性的作用,为了得到最佳的焊接工艺参数,在焊接作 业前必须进行大量的工艺试验往往要花费大量的人力、物力、财力。为适应生产实际对 焊接工艺参数的预选和优化的要求,人们希望能够利用最少的焊接工艺试验获得最可靠 的工艺参数与焊缝性能之间的关系模型,用来指导焊接生产,这是实际焊接工作者的迫 切要求。因此,专家、学者们找出各种方法对焊接工艺进行优化,焊接工艺参数的优化 是个非常复杂又很重要的问题,近年来出现了很多种焊接工艺优化的方法,传统的焊接 工艺优化方法有正交试验法、回归分析法等,近年来,人工神经网络等也成功运用于焊 接工艺优化【】。 本文利用人工神经网络结合数学计算方法对激光焊接工艺参数进行优化,建立焊接 工艺预测系统,然后将系统预测的焊接速度输入焊接工作台,激光功率和光斑直径等相 关工艺参数输入激光焊接机,使激光焊接机和焊接工作台配合实现高质量的焊接。 .课题的研究现状 ..数控系统及数控工作台 本文研究的是数控焊接工作台,使用单片机控制步进电机,从而带动整个焊接工作 台进行运动。因此,数控技术的发展与焊接工作台的研究息息相关。数控技术主要是指 由一系列数字、文字以及符号所组成的一些指令对机械设备运动的位置、角度以及速度 坝士学位论文 等机械量和机械能量流向的开关量等进行控制的技术。它是集微电子、计算机、信息处 理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具高效率、高精度等特点,对制造业的发 展起到了举足轻重的作用。随着计算机技术的不断发展,传统的制造业也进行了革命性 。 的变革,很多国家提出了全新的制造模式,对国际现代制造技术进行研究开发 近几年,我国的数控技术也高速发展,主要朝着高速化和高精度化等方向发展,此 外复合加工和新结构机床也大量出现。速度和精度作为数控工作台运动性能的两个重要 指标,它体现着零件的加工效率和加工质量。提高主轴转速、进给速度、生产间歇时间、 提高数据处理速度和工作台精度等,实现高速加工。高精度指的是零件的加工精度达到 了微米级、纳米级,从普通加工、精密加工到超精密加工,使产品能够满足现代工业的 加工精度要求。保证零件的加工效率和加工质量,此外还要求数控机床能够有很高的可 靠性,一般数控系统和工作台的可靠性要高于数控设备的一个数量级以上,使其平均无 。 故障运行的时间在一个合适的范围内 我国数控技术发展很迅速,但技术方面与国外相比还有一定的差距,主要表现有: 技术创新成分低、消化吸收能力差;技术创新环境不完善;产品可靠性、稳 定性不高;网络化程度不够;体系结构不够开放。目前,国外数控技术的发展 有 了新的发展趋势,总趋势如下:新一代的数控系统向着化和开放式体系结构方向 发展。驱动装置向着交流、数字化方向发展。增强通信功能,向网络化方向发展。 。 数控系统在控制性能上向智能化方向发展 近几年数控技术的发展引起了数控工作台的发展,数控工作台不仅有工作台本身的 特性,还可以有多功能复合加工的能力,集车、铣、钻等功能与一身,使零件加工工序 集中,实现零件在一次装夹后完成各种复杂曲面的加工,例如各种机械加工中心。不仅 能够保证加工精度,减少辅助时间,还可以提高生产效率。本文针对激光焊接存在的对 焊件装配精度要求高等问题,设计和搭建了激光焊接用数控工作台。数控焊接工作 台是利用单片机、等控制元件,电动机作为动力源,在平面内运动的工作台。工作 台有、两个运动轴,可以配合各种制造机械进行生产。数控焊接工作台是配合焊 接机使用的,可以通过焊接工作台入手研究自动焊接技术。 ..工作台运动精度 随着数控技术的发展,机械制造领域的技术发展方向朝着高精度、高效率高速、 环保等方向发展。因此,发展精密检测,提高产品精度是制造领域的迫切需求。数 控工作台的高精度取决于多种因素,其中主要因素之一是工作台自身的运动精度。换言 之,数控焊接工作台各坐标运动的运动精度和坐标定位精度直接影响焊接质量和焊缝的 质量。一般情况下,工作台的运动精度包括:直线运动的位置精度;重复精度; 原点返回精度;间隙误差;回转运动的位置精度;中国国家标准? 定义了直线运动位置精度和回转运动位置精度的评判方法 。 数控焊接工作台的精度研究参考数控机床的精度研究方法,单向误差可以选用合适 的测量仪器直接测量,传统的测量法使用大理石和金属平尺、千分表等工具,而现代的数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 测量方法则使用激光位移传感器、激光干涉仪等高精度测量仪器测量。本文中采用激光 位移传感器对焊接工作台直线运动的位置精度进行测量。 直线运动的位置精度指的是工作台在直线运动情况下,准确到达某一位置的误差大 小与运动位移的比值。直线运动位置精度的大小直接关系到.数控工作台的 的加工精 度,对影响直线运动的位置精度的因素进行分析,对单因素和因素之间的交互作用对精 度影响模型进行分析和研究,力图通过一些补偿减小到位误差,提高工作台的运动精度。 运动速度以及位移量对工作台的运动精度有很大的影响,同时工作台承受的负载不同, 工作台的运动精度也是不同的。本文通过对数控焊接工作台的运行速度、位移量、载荷 三个因素对到位精度的影响进行分析,研究单因素以及三个因素两两交互作用下对焊接 工作台的影响,对三个因素的因响进行权重分析。 ..焊接工艺优化 焊接工艺优化一直以来作为专家学者的研究目标,回归分析、因子设计和响应曲面 法等作为传统的焊接工艺优化方法,存在一些问题,主要表现为:计算繁杂,工作量大, 知识获取困难和自学习能力差等。伴随智能工程出现的基于遗传算法、模糊算法和人工 神经网络的工艺参数优化方法,很好地解决了这些问题。此外,也有不少专家学者采用 。。 正交试验设计的方法对焊接工艺参数进行优化,结果也很好【 因子设计包括全因子设计和分部因子设计。全因子设计是所有因素和水平进行完全 组合的实验,这种实验方法适用于因素和水平均不太多的场合。分部因子设计是按照一 定规律从全因子设计中挑选出一部分实验组合,有效减少实验次数,是实验设计初期的 有利工具。国内外一部分学者利用因子实验设计在焊接工艺研究方面做了深入研究。 等人采用分部因子设计在低碳结构钢的焊接工艺研究中成功建立了实验 因子对焊缝几何形状影响的数学模型。其中实验因子包括:电弧电压、焊接电流、焊接 速度、焊枪角度和焊丝伸出长度。采用分部因子设计对~微合会钢埋弧 焊焊缝几何尺寸熔深、熔宽、焊缝高度、深宽比和高宽比进行预测研究,实验参数包 括:送丝速度、空载电压、焊接速度、工件厚度和焊丝伸出长度,设计实现了不同参数 组合的主效应和交互效应对焊缝尺寸影响的预测。 响应曲面法是由和在世纪年代首次提出的,它主要应用于分析 全因子实验不能确定优化的二次函数关系。响应曲面法最通常的设计方法有:中心复合 设计和.设计。目前,响应曲面法已经被广泛应用于焊接过程优化设 计,但这些应用主要集中在国外。响应曲面法在焊接过程优化中的应用包括电弧焊、高 能密度焊和其他焊接方法。和将响应曲面法应用于埋弧焊过程研究, 获得了一系列成果。响应曲面法的主要不足之处在于它要考虑的因素很多,运算非常繁 杂。 回归分析用来建立焊缝几何参数和焊接工艺参数之间的线性模型。沈阳大学的学者 通过用回归分析法和外点罚函数法分析并确定了.焊丝颗粒状过渡时气体保 护自动横焊工艺参数对焊接过程中焊缝形状尺寸和飞溅影响的主次关系,由此进行了工 硕士学位论文 艺参数的最优化,得到最佳匹配的电压、电流值。在规则的实验区域使用这种方法能够 得到很好的实验结果,然而在一些重要的特殊点上可能会发生熔透现象,得到的实验结 果很不理想。 可见要想实现焊接工艺参数优化依靠传统的数学建模和分析方法很难达到预期的 效果。随着智能工程的发展,人工神经网络和模糊算法等人工智能技术在焊接领域的应 用越来越得到深入的研究,焊接工艺设计的智能处理研究也引起了焊接领域 内很多专家 学者的关注【。。 ..人工神经网络在焊接中的应用 对于人工神经网络的研究从世纪年代起,一直成为科学研究的一个热门领域。 由于神经网络有结构独特、处理数据方法高效等特点,因此在解决许多具体问题上得到 了广泛的应用。然而,神经网络也有其固有的缺点。首先,由于受到了搜索步长的限制, 当解空间函数存在局部极小值时,容易陷入局部极小的特性;其次,现行的学习算法收 敛速度较低,容易影响了研究进度。为了全面应对这些问题,学者们采取了各种各样的 方法,其中最为常见的方法便是将神经网络与其他人工智能方法相结合然后加以一定的 改进。本文是利用神经网络与数学计算方法相结合,对焊接工艺参数进行优化和预。 焊接是一个复杂的过程,大量参数都难以量化,存在许多不确定性的模糊知识,往 往需要焊接人员根据经验做出判断和决定,这使得专家系统在焊接领域中得到了广 泛应用并取得了良好效果。然而由于专家系统具有自学习能力以及容错能力 差、知识获 取困难等弱点,使其在处理大型复杂问题时比较困难,限制了它在焊接领域中的进一步 应用和发展。人工神经网络技术,因为能模拟人脑的并行信息处理方式以及具 有独特的自组织、自学习、快速处理、高度容错以及很强的非线性函数逼近的能力,成 为处理非线性系统的有力工具,已经广泛应用于医学、控制以及优化、通信、材料等领 域。近年来,人工神经网络技术独特的性能引起了焊接工作者的广泛关注。从已完成的 研究成果来看,人工神经网络技术已经在焊接工艺参数的设计、焊接性能的预测、焊接 过程的控制等方面得到了较多研究和应用,并取得了一定成绩【。 人工神经网络在焊接接头性能预测中的研究,目前,在焊接接头性能预 测中的研究主要包括了焊缝形状预测和焊接接头力学性能的预测。焊缝形状是决定焊接 接头强度和有关力学性能的重要因素。能够较准确地预测焊缝形状,对提高焊接接头质 量及降低焊接成本、控制焊接过程、防止焊接缺陷等都有着非常重要的作用。然而焊接 过程是一个高度非线性、多变量、强耦合,同时又具有大量随机不确定因素 的复杂过程, 采用传统预测方法则难以胜任,于是焊接工作者们将目光投向了神经网络。对于不同 的焊接规范焊后接头力学性能的准确预测,一直是焊接工作者试图解决的问题之一。焊 接过程严重的非线性以及焊材中多种成分的复杂交互作用使得对接头力学性能的准确 估算成为十分困难的实际问题。实际生产中需要做大量的焊接工艺评定,消耗大量人力 物力,并得生产周期变长。近年来,人们将人工神经网络技术应用于焊接接头力 学性能预测,取得了一定的成果。数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 本文利用神经网络技术和数学计算相结合,建立了焊接工艺参数与焊缝性能之间的 关系模型以及焊接母材厚度与焊接工艺参数之间的关系模型,以及建立了焊接工艺参数 与焊缝性能预测系统。 .数控焊接工作台及焊接工艺预测系统的研究意义 由于激光焊接具有高能量密度、高效率、高精度、柔性好等优点而得到了广泛重视, 并且已经广泛应用于航天航空、汽车制造等材料加工及其它制造领域。然而, 激光焊接 也有一些不足之处,它对焊件的装配精度要求相当高,同时对焊件装卡和焊接灵活性以 及焊接速度、精度等的要求都很高。本文就是针对激光焊接的这些特点设计和搭建了数 控激光焊接工作台,并对焊接工作台的运动精度和其影响因素进行分析以及对数控焊接 工作台的自动化进行开发和研究。 焊接工艺参数是影响焊接质量的主要因素,为获得合理的焊接工艺参数,焊接人员 进行了大量的研究。在计算机仿真技术应用于焊接学科之前,要为某些材料制定合适的 焊接工艺,需要进行大量的前期试验,耗费大量的人力、物力、财力。因此,建立激光 焊接工艺优化预测模型以及预测焊接结果,实现激光焊接工艺参数预选和优化、减少工 艺试验次数、甚至控制激光焊接过程、防止出现焊接缺陷等都具有十分重要的意义。本 文利用人工神经网络与数学计算相结合的方法,建立焊接工艺参数与焊缝性能之间的关 系模型,为提高焊接质量以及焊缝质量奠定了基础。同时通过结合数控焊接工作台的运 动控制模块,初步实现焊接工作台的智能化控制。 .本论文的主要工作 本文是针对激光焊接的特点设计并搭建数控焊接工作台,通过研究焊接工作台的运 动速度和运动精度提高焊接质量和焊缝质量,然后对激光焊接工艺进行优化,建立激光 焊接工艺以及焊缝性能预测系统,本论文的主要结构如下: 第二章:根据激光焊接的特点,结合近几年来数控机床的发展状况以及激光焊接实 际需求,设计数控焊接工作台。数控焊接工作台包括机械部分和控制部分两大部分,合 理选择机械部分以及控制部分部件,搭建激光焊接工作台,并且对焊接工作台的参数设 置、编程等可以熟练操作。 第三章:对搭建好的焊接工作台进行运动精度测试和分析。设计正交试验,找出三 个影响焊接工作台运动精度的主要因素:速度、位移、载荷。分别针对速度、位移、载 荷三因素对焊接工作台运动精度的影响进行分析,拟合出单因素对精度影响的曲线以及 因素之间两两交互作用下对精度的影响曲线。最后对三个因素的影响进行权重分析。 第四章:通过建立两层神经网络关系对激光焊接工艺参数进行研究,首先通过正交 试验法选择合适的神经网络训练样本,建立激光功率、焊接速度、光斑直径与焊缝抗拉 强度之间的第一层神经网络关系;其次通过焊接工艺参数与焊接热输入之间的关系,建 立焊接热输入与焊缝抗拉强度值之间的关系,通过神经网络结合数学计算进行焊接工艺硕士学位论文 参数优化;最后,建立母材厚度与焊接热输入之间的第二层神经网络关系。利用语言 编程建立了焊接工艺参数以及焊缝抗拉强度预测系统与预测窗口。数控激光焊接作台设计及焊接艺优化系统研发 第章焊接工作台的设计和搭建 .引言 激光焊以其能量密度高、焊接精度高、适应性强等优点,在汽车工业、航天航空、 石油设备等领域充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,激光焊接不仅生产效率高 于传统的焊接方法,而且焊接质量较传统焊接也得到了显著提高。但激光焊接也存在着 一定的局限性,要求焊件装配精度高,并且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移, 针对这些问题,本文设计和搭建一个高精度的激光焊接工作台。 焊接工作台的速度和精度是评价工作台性能好坏的两个主要参数,这两个参数对焊 接效率和焊缝质量等起着决定性的作用。根据需要分别设计焊接工作台的机械部分和控 制部分。焊接工作台的机械部分是由步进电机作为动力源,丝杠作为传递元件,即通过 步进电机带动丝杠转动,从而产生丝杠导程带动整个焊接工作台运动。焊接工作台的控 制部分的工作原理是:首先对控制面板输入初始信号,通过控制器将输入的信号转化为 相应的脉冲信号和方向信号,然后传递给步进电机驱动器,驱动器将进行功率放大和环 形分配器细分电路,将逻辑控制信号转化为可驱动步进电机运行的功率电流,通过步进 电机将电脉冲转化为角位移,从而带动步进电机旋转。根据设计搭建焊接工作台,使焊 接工作台的速度和精度能够配合激光焊接机使用,为自动化焊接的研究奠定基础【。 .焊接工作台的设计 ..焊接工作台机械部分主要部件的选择 步进电机是一种将脉冲信号转换为相应角位移或线位移的开环控制元件,是 一类 特殊电动机。普通电动机是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两个基本状态, 每给一个脉冲信号,它就转过相应的角度。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数是成 正比的,在时间上也与输入脉冲同步,因此控制输入脉冲的数量、频率以及电动机绕组 的通电顺序,便可以获得所需要的转角、转速以及转动方向。在没有脉冲输入的情况下, 转子保持原有位置处于定位状态。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只是取 决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电 机则转过一个步距角。因此,步进电机相对普通电机而言运动精度高、运动速度快,完 全能够符合激光焊接的精度和速度要求。 本焊接工作台是用于小型薄板和中厚板的焊接,并且是配合激光焊接机使用的,因 此根据焊接工作台的需求以及出于经济实惠等方面的考虑,焊接工作台选用的步进电机 型号为? ,步进电机的具体参数见表: . 表 步进电机的具体参数表 步距 相 电流 电阻 电感 最大静力矩 外形尺寸 竺兰 鱼竺 墼 竺竺: 坠 垡 望堂 丛:坐地里硕士学位论文. .. . . 型步进电机的外形尺寸如下图.: 韬 。 一辔, 棼 也 自 : 纛 蝣 答 髓 譬 绿 镰 ? 硌 鬻 砰 ’ 几 ‘囫二 ,~ 一等?一’ ?, 。: 藏 . 图 型步进电机尺寸图 .型步进电机的实物如下图.所示: . 图 两相步进电机实物图 根据焊接工作台的具体使用状况以及计算出的最大动载荷和初选的丝杠导 程最终 选择了.型的丝杠,即为内循环固定反相器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副,其 公 称直径为,导程,循环滚珠为圈系列,精度等级取级。.型丝 杠的具体参数如下表所示: 表 系列.型滚珠丝杠副参数 数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 昌昌薯昌昌昌鲁昌昌置暑昌昌昌昌昌昌盲昌昌昌昌昌昌昌昌昌暑昌暑昌昌 昌昌皇暑昌暑盲昌暑昌暑暑昌昌暑皇暑暑暑昌昌昌昌昌昌量昌暑暑昌昌昌昌詈暑 螺杆接触直径 . : 螺母螺纹外径 .. 电机通过联轴器直接与丝杠联接,进给传动系统的传动精度和传动刚度较高,使机 械结构简单,所以丝杆和电动机连接零件采用联轴器连接。平行槽型联轴器具有比螺旋 槽型联轴器有更好的吸收振动以及补偿径向、角向、轴向偏差的性能,使得工作台在 电动机顺时针和逆时针回转时的运动特性完全相同,回转间隙几乎为零,因此本焊接工 作台选用平行槽型联轴器。加图静皂太空酴诜用的群妯器。 图?焊接工作台选用的平行槽型联轴器买物图 ..焊接工作台机械部分的整体设计 本焊接工作台主要是用于较小尺寸的薄板和中厚板的焊接,由于焊接工作台是要配 合激光焊接使用,因此对焊接工作台能够达到的极限速度以及工作台的运动精度、灵活 性等要求较高,而对于焊接工作台的外形则只要能满足焊接需要即可。根据 本文中前一 部分所选取的部件以及焊接工作台的设计要求,同时参考近年来国内外研发 的焊接工作 台的形状以及性能等,对焊接工作台进行具体设计。首先设计了焊接工作台 的机械部分, 工作台机械部分的具体设计图如所示: 』,~ \ \弋,. 、、、 、 \。 、 ? 也 \ 匕 \ \ 湮 明 恒 。 / \ / \\ 一 三/ 烛 .丝杠.联轴器.步进电机.轴承.平台 .平台.连接架.滚珠丝杠.联轴器.步进电机 图工作台平面结构图 该焊接工作台的机械部分是由步进电机作为动力源,丝杠作为传递元件,即通过步 硕士学位论文 进电机带动丝杠转动产生丝杠导程,从而带动整个焊接工作台运动。由于使用焊接工作 台进行焊接作业时,工作台要配合焊接工装夹具使用,因此焊接工作台的尺寸的设计不 仅要考虑焊件的大小和工作台的灵活性,还要考虑焊接装配方面的因素。最后确定焊接 工作台的工作面积为: ,工作台的其它参数如下表.所示。 表焊接工作台设计参数 焊接工作台尺寸四 焊接工作台行程四 横向纵向 长宽高 ..焊接工作台控制部分的元件选取 本实验采用开环伺服控制系统,首先将控制器作为最初的信号输入装置,将 初始信 号转化为数字信号;然后通过驱动器再次将输入信号转化为可驱动步进电机运行的脉冲 信号;最后通过脉冲信号驱动步进电机旋转,从而带动焊接工作台的机械部分运动。 焊接工作台控制部分的具体控制流程如图.所示。 脓洚髂弩 几 控穆鼹 彦赢滚碍 图.焊接工作台控制部分的控制 本数控焊接工作台的控制器是采用高性能位的四轴运动控制器,运动控制 器配备液晶显示器,全封闭触摸式操作键盘。四轴运动控制器的控制面板如下图.所 示:数控撖光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 图焊接工作台控制器的控制面板 四轴运动控制器作为最初的信号输入端,将控制器与步进电机驱动器以及控制器电 源连接起来。本焊接工作台是平面运动的,只有、两个运动轴,因此步进电机和步 进电机驱动器都分别有两个,焊接工作台运动控制器只与两个步进电机驱动器连接。焊 接工作台运动控制器与步进电机驱动器接线图如下图.所示。 蓉蔷謇耄 骶鼬曩 虹照鼓为号绞】 电飙信号公共端 躺辘四,: 鞠: 轴,?,’,: 第一辕四 图.四轴运动控制器与驱动器接线示意图 工作台步进电机的型号为.。步进电机驱动器型号为,表 示两相步进电机,表示高性能数字驱动器,第一个表示供电电压,第二 个表示最高相电流.。步进电机驱动器控制信号以及功率信号接口说明如下 表 .: 表步进电机驱动器功率信号接口说明 直流电源接地 直流电源正极 . 步进电机相 . 步进电机相 步进电机驱动器能够进行功率放大,功率放大是驱动器最重要的部分,步进 电机一 经定型,其性能则取决于电机的驱动电源。步进电机的转速越高、力矩越大,则要求电 机的电流越大、驱动电源的电压越高。步进电机驱动器里电压对力矩影响如下图.所 示:硕士学位论文 懑愿 走羹巨 警??/蔫疰 \\ 图.步进电机驱动器电压对力矩的影响 步进电机要和电机驱动器正确连接才能保证步进电机正常运转,步进电机驱动器与 步迸电机接线图如下图.所示: 图.步进电机及驱动器接线示意图 将焊接工作台控制部分选取的元件按照接线图连接好,接通电源,检查各元件运行 状况。正常状况下,接通电源后控制面板显示屏亮,进入可操作状态,步进电机驱动器 有工作状态指示灯,当步进电机和步进电机驱动器工作时,状态指示亮则表示驱 动器正常工作,暗则表示工作异常;当状态指示灯亮表示驱动器中有脉冲输入, 暗则表示没有脉冲输入:当报警指示绿时表示步进电机相缺相,红时步进电 机相缺相;当绿时表示过压大于或欠压小于,红时则表示驱动器过 流。 .焊接工作台的搭建 根据上述对焊接工作台的设计以及控制元件的选取,搭建焊接工作台。分别对焊接 工作台控制部分的控制元件进行连接以及对工作台机械部分进行搭建,最后把机械部分 数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 和控制部分利用步进电机连接起来。 焊接工作台控制部分外围采用一个控制箱,将各控制元件排列连接,控制箱上接有 指示灯,当控制箱接通电源,指示灯亮。各元件都正确连接完备,对主控制器输入初始 命令,经过步进电机驱动器将初始信号转化为驱动步进电机转动的脉冲信号,步进电机 转动,从而带动焊接工作台进行相应方式运动。数控焊接工作台控制部分实物图如下图 .】。 图焊接工作台控制部分实物元件组装图 如上图.为控制部分控制元件实物组装图,其中为步进电机电源,输入交流 ,输出直流;为控制器电源,输入交流,输出直流;为轴步 进电机驱动器。通过主控制器输入初始信号,由步进电机驱动器将信号进行环形细分电 路和脉冲信号功率放大,最后将相应的脉冲信号传递给轴步进电机;为轴步进电 机驱动器,轴步进电机运动控制方法与轴的相同。数控焊接工作台的总体搭建实物 图如下图.所示。 图 数控焊接工作台整体实物图 焊接工作台机械部分的、轴端面接有限位开关,限位开关的作用是当焊接工作 台运动到极限位置时触碰到限位开关,步进电机自动断电,工作台运动停止,目的是为 硕士学位论文 了保证焊接工作台不被损坏以及保证操作人员的安全。 .焊接工作台的构成及操控流程 ..焊接工作台机械部分的运行情况 该焊接工作台的机械部分是由步进电机作为动力源,丝杠作为传递元件,即通过步 进电机带动丝杠从而带动整个焊接工作台进行运动。步进电机的工作电压为到 之间,电流为.,步距角为.,丝杠导程为。焊接工作台的横向行程为 左右,纵向行程为左右。 通过控制器选择系统指令及编写程序并设定电子齿轮、初速度、最高速、增量、间 隙等参数,使焊接工作台能够进行不同类型的运动。工作台的运动具有很高的灵活性和 精确性,可以根据不同的焊接要求选择不同的运行速度配合激光焊接机进行焊接作业, 从而提高焊接精度,进一步实现了高精度焊接。同时还可以根据焊接的具体需要灵活选 择自动、手动、点动等不同的控制方式。为了保证焊接工作台运行的安全性,在工作台 前后左右分别安装了四个限位开关,当工作台运行到限定位置以外时,触碰到限位开关, 焊接工作台停止继续前进,从而避免工作台的运动超出了运行范围,对焊接工作台造成 损坏。 ..控制系统的控制原理 本焊接工作台的控制部分主要由单片机开发的四轴运动控制器、控制器电源输入 交流,输出直流、两个步进电机驱动器、步进电机电源输入交流,输出 直流等构成。 工作台的控制部分外部采用四轴控制器作为最初的信号输入装置。根据需要对四轴 控制器输入信号,通过四轴控制器将输入的信号转化为相应的脉冲信号和方向信号,然 后传递给步进电机驱动器,驱动器将进行功率放大和环形分配器细分电路,将逻辑控制 信号转化为可驱动步进电机运行的功率电流,通过步进电机将电脉冲转化为角位移,从 而带动步进电机旋转。 ..焊接工作台主要控制流程 主控制器的主要功能有:参数设置、手动操作、程序管理、自动加工等。其中参数 设置可设置与运行、操作有关的各个控制参数,使焊接效果达到最佳状态。手动操作可 实现高、低速手动、点动、回程序零、回机械零回到机械坐标零点等操作。程序管理 可对当前加工程序进行修改、保存。自动可实现单段或连续、空运行、暂停等功能。 主控制器显示屏初始显示状态如图.所示:数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 图控制器显示屏初始状态 参数设定,通过参数设置对系统参数进行设定。首先是电子齿轮的设定,电子齿轮 的分子为电机单向转动一周所需的脉冲数,分母为电机单向转动一周所移动 的距离。电 子齿轮比应尽量小于,当电子齿轮比为时最高速度可达当电子齿轮比为时 最高速度可达.;当电子齿轮比为.时最高速度可达。电子齿轮比的倒 数为脉冲当量,即系统发出一个脉冲,机械实际运动的距离。其次是升降速曲线的设定, 通过设定启动速度、极限速度、升速时间这三个参数的大小来设定升降速曲线。启动速 度过高、升速时间过短、极限速度过高都有可能导致步进电机的丢步和堵转:启动速度 过高、升速时间过短可能导致振动。通过改变启动速度、极限速度、升速时间三个参数, 使运动过程达到理想状态。其余还有最高速度、手动高低速、反向间隙等的设定。其中 最高速度应小于等于极限速度;手动高速应小于极限速度;手动低速一般用于工作台定 位时使用,可根据需要设定。反向间隙不能为负值,最后通过保存参数对设定的参数进 行保存【】。 系统指令及编程,为了避免程序字符号的输入,各指令采用固定程序格式,提示输 入相应的程序数据,对于不输入的数据可以不修改使用默认数据。 控制部分具体指令主要有:绝对运动、增量运动、直线插补、顺圆插补、逆 圆插补、 延时等待、绝对跳转、侧位跳转等。绝对运动,可实现快速直线插补到指定位置,系统 以最高速度×速度倍率从当前点运动到所给的绝对坐标位置。增量运动,从当前点行程 范围内任意一点运动所给的位移量。顺圆插补,沿顺圆方向以增量设定速度×速度倍率 运动给定的增量值。逆圆插补,沿逆圆方向以增量设定速度×速度倍率运动给定的增量 值。延时等待,延时相应时间,时间单位为.。 数控焊接工作台在跟激光焊接机配合进行焊接作业的过程中,通过对工作台控制部 分编程和设定参数等,使焊接工作台的控制部分和机械部分协调配合,从而能够针对不 同的焊接要求选择不同的运行方式,使焊接效果达到最佳。 .本章小结 .通过激光焊接的具体需求,设计焊接工作台。初步确定焊接工作台的外形尺寸、承 硕士学位论文 载能力、组装元件及其加工状态等,绘制出了机械部分的具体设计图。 .对焊接工作台的机械部分进行具体设计和搭建,最后确定焊接工作台的步进电机 型号为?,丝杠的型号为.,选用平行槽型联轴器,工作台面积的 。 具体参数为: .对焊接工作台的控制部分进行具体设计和组装,最后确定焊接工作台的步进电机 驱动器型号为,工作台的主控制器选用由单片机开发的四轴运动控制器,以及 配套的控制器电源和步进电机电源。 .焊接工作台主控制器的主要功能有:参数设置、手动操作、程序管理、自动加工 等。其中参数设置可设置与运行、操作有关的各个控制参数,使焊接效果达到最佳状态。 手动操作可实现高、低速手动、点动、回程序零、回机械零回到机械坐标零点等操作。 程序管理可对当前加工程序进行修改、保存。自动加工可实现单段或连续、空运行、暂 停等功能。 .将搭建好的焊接工作台的控制部分与机械部分连接好,对焊接工作台的控制部分 编写程序进行试运行,实验表明焊接工作在一定速度范围内运行平稳,最大速度可以达 至/。数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 第章焊接工作台的精度测试与数据分析 .引言 运动精度的高低是反映焊接工作台工作性能好坏的关键指标,它直接影响着焊缝质 量以及与焊机配合的协调性。因此在实际使用之前以被测的焊接工作台为对象,以现有 的理论为基础,通过分析,定性的找出影响运动精度的诸多因素,对焊接工作台的后期 使用与维护是非常必要的。根据分析,影响因素有以下两类: 控制系统误差对运动精度的影响: 这一类误差主要来源于控制系统。如电子齿轮比的设置与脉冲频率与步进电动机的 配比设置等都会影响控制精度。此外,采用不同的控制算法,其运算误差也反映在控制 精度上并最终影响到工作台的运动精度。 机械系统误差对运动精度的影响,‘它包括: .加工和装配精度的影响: 在工作台中,零部件的制造误差及装配误差会直接影响到工作台的运动精度,特别 是齿轮副、螺旋副等传动副的加工、装配精度和误差以及模螺牙的大小,会影响和决定 侧隙的大小,从而对运动精度中的到位精度影响。 .运动速度的影响: 速度及加速度是影响运动精度的一个重要因素,运动速度越大,启动和制动惯性力 也越大,从而易导致运动精度的降低。 .焊件质量、尺寸和形状的影响: 焊件质量、尺寸和形状的不同,不仅使工作台上的载荷发生变化,而且会引起运动 系统的综合重心相对工作台位置发生变化,由此导致焊接工作台在完成同样的即定动作 时,到位精度不同。 .重复动作次数与累积误差的影响: 在工作台运动系统中,仅考虑单次运动的到位精度是不够的,因为在焊接作业中, 运动系统的动作往往是多次重复的。因此,由于齿轮的空回现象等原因会造成到位精度 上的累积误差。而累积误差的大小会直接影响到焊接工作台的到位精度。 .速度与质量综合作用形成的惯性力对到位精度的影响: 考虑到焊接工作台的驱动系统在启动和制动时需要经过一个加速、减速的过程,从 理论上定性分析可知当速度增大、载荷增加时,在启动和制动过程中形成的惯性力就越 大,从而导致到位精度的降低。 以上,通过理论分析,仅定性地找出了影响焊接工作台运动精度的几个因素,从而 为下面的实验测试提供了依据,但是,为了找出影响和控制工作台运动精度的主要因素, 必须通过实验测定和数据计算,进行定量的分析?】。 .焊接工作台精度测试由被测焊接工作台的运动机理可知,该工作台的工作过程为水平面的沿、轴水平 运动。因而,焊接工作台的到位精度是由每次行走的位移减去上次行走的位移 所得的到位误差?来反映的,艮?。 激光焊对焊缝位置和装配精度要求较高,一般需要在.衄数量级,必须运用较高 精度的测量仪器来测量。本实验最终选取了激光位移传感器,如图所示。 激光位移传感器的主要参数见表.。其工作原理如图所示。 室:塾兰丝墼鲞篁整垡壁曼童墼?? ??????????????????????????一一 蕉廑 量墨 坌鲞皇.一???????塑堕二?一 一.缝蛙黜 谬 ??,镜片 轴 ‘ 一 ,心铤 一.坡秘籀俸\?棱翔耪体\ 。’一 ;; 瓮壤汝,.、 弋誊 厂?.信号处建嚣 蘩 《 垦 ‘””掣 溅 ’。、??心 、产“、\。 ” ??一 疑。 ??起始鬓 》 爨骥 数控激光焊接工作台设计及焊接工艺优化系统研发 图.激光位移传感器测量读数界面 ..焊接工作台精度测试实验具体操作 焊接工作台精度测试实验的具体操作步骤: 作台控制部分接通电源,将工作台用手动高速调到最左边极限位置,将轴的 正负方向调成待实验的状态。 根据所需要的位移和速度,进行参数设置。进入系统,调节分子与分母分子 /分母是电子齿轮比,电子齿轮电机单向转动一周所需的脉冲数/电机单向转动一周 所移动的距离,调节起速电动机启动速度,调节最高电动机最高速度,调节时间 电机升速时间,调节点位/最高加工速度,调节高速/手动高速 的速度,调节低速/手动低速的速度,调节零速/回零返回速度,调 节增量一个脉冲当量点动增量值,保存。 对工作台控制部分进行程序设置。进入新建程序,新建一个直线插补速度×速 度倍率,设置轴上的位移量,设置速度/。或可以新建一个增量运动最高速 度×速度倍率,然后退出程序设置,进入自动运行阶段。 一次实验完成以后,对焊接工作台控制部分进行参数修改,然后再自动运行。 对焊接工作台的运行状况进行检验。首先设置工作台为手动运行状态,利用秒表 分别测量、计算出手动高速和手动低速的速度,然后与之前输入的速度值进行比较。然 后再利用秒表测量自动运行中的速度与位移量是否与输入值相符,若相符,则进行下一 步操作,若不相符,检查输入程序等,使之相符。 对工作台设置程序回零和机械回零,确定程序零点与机械零点之间的位移差。 将激光位移传感器安装在观测架上,调整传感器的高度与观测角度。在传感器正 对工作台运动方向的垂直端面上贴上喷漆镜面,以增强位移传感器的灵敏度与取值精 度。调整位移传感器与端面之间的距离,使之在位移传感器的量程范围之内。位移传感 器配合计算机使用,最后在计算机上对位移传感器设置零点。 使焊接工作台沿规定的方向、按提前设定好的速度和位移量进行运动。 作台每次运行一个往返行程后都要设置零点,因此每次往返运动完计算机上显 示的值为运行后的工作台与位移传感器之间的距离、、?,此值即为此次运 硕士学位论文 行与上次运动偏差,即为单次运动误差。 记录数据,然后再次对位移传感器设置零点,使工作台重新按要求运动。 如此重复多次测量到位误差值,最后进行数据比较和分析。 ..焊接工作台精度测试实验因素的选择 本实验根据上述分析选取了速度、位移、载荷三个因素对工作台进行实验,其中速 度的选取因素见表.,载