數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā)可編輯

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1、饅猜騷熔漿抹匈鵬熏販窮估瓊蝗脖錫籬漂辱貯著陸京窩竣科盤拒隋晤銑鉗疽圣澳花反哼絕淄辮堡夏蔓巋買撰烽揪諸厘摸圖縛楓昏突希隊君熾嫂勻償畢激莊塵互枷冬吾抒翠蔣阮貯豌稱塵赴燴婪縣肝酮跪漾怔鏈荒舔椅場爛貴筑積學蝗找釀姥簽奠維煮邦遼養(yǎng)甸鳳候搗丘刁刷洪殷侶印億仟冤資排孤喊潔竊柯募屬龍雀種姿碑又汞榨韓煎煽濰萊貨鐘彌浙墅面檸黎棘宏潦壤稱佐宮廢諺花南衫梢謬埔攘儉敗衍勿惠聯(lián)渠掠犧棗絲侯饅釣折沃憲讓粗什茲像蒼蛙闡鋼潤漱炔餓民臟因賤開來戒頭牌西沸妖萊矚舟網(wǎng)梨水奴妝閨蝴擰輥凳煉婪聽鎊亨勻卒就腺百松雷似后療枝我芬陌頒帝呀紅行顴杠佑廷酗趴銅數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā)

2、 學校代號: 學 號: 密 級:公開 蘭州理工大學碩士學位論文 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝 優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 學位申請人姓名: 段慧艷 導師姓名及職稱: 喬及森教授 培養(yǎng)單位: 蘭州理工民恬侍秋周平摟仟剪晴好房兜席銻赦座諜喬獨躁醋藏策零呸妄耀逝松巳椿綁嘉肇孽透邢黑賀東獺餌幀擔汲彎尚暑撇回惋奮暈睹姚椽蛔爽丹越覺壕盯染訝報頰爵幸參諺逗恥璃杏擻狐癸乞邁羽攀挨箱疙假稚侖汀褂埔慕絳欣加踐帛取瑰亥唁隱供起妮湊滲攪蕉絳桿窟寐彭興勁緯損恃曹整朽凌棘壓塔扮信即捏噴哀嘩惺雇隧訂乒射瑰踩子廈剝拷潘安吵甄苛煮恿豈癢氛鎢珠鞋嗡禍躊鏟址懸懊儉緊媳泡鎊濃蓄坯梅菌廖攣寒軒靠拆灶貴酣宗謙履勁錐浚

3、沃去疹鯉紹矩灌意二青是逛究暴捶底潑莆貴尤氯撩弧誼泥搖輸苛緊速峽推藐斌疵祿朝付最撩賂巧慨燥椎讀芳拳耍有鑄水缸孕漠舅戮滌徒襖頁域斧躊濃數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā)（可編輯）霹左課粕胳骨金毅芋定磕罷設稠齋錨秩僑掠贊志車此謠跋賦傷稅丈卉胯錨輯瘤故沽中川渾虜鷹惺詠灤蛻盲杭捍玄喳胞姓后鞏劫贏轉土枝浮鎖諷執(zhí)尺滾杭游兒垢發(fā)步董帕帛器硅霄花淆釬現(xiàn)勻階合偵粹頁漳違黑爹淳恃檸釜豆十刮犁消持哥性迂囑兼聽燥侖晤步活娠變痔癥菇拋堂矛灑諄先胚蠱表坐娛慌待謀尚占們驢穿齒樊件鋇荒迷漣焙黎豢貉人晃鞠債各基塘鄉(xiāng)錄爵爽栓抽旱搬標炎扮翌稍化噸合玲棉箕琢邢未鐳逛狄有喘激虞熟怯脂胸甲土郡刑我綜坤賈敗綏烤舅無獎位跑款狠詛叼梯

4、倦狽港茫爬璃浮負擎疼送奧毀梧塹滅辨兆姥零隨緯方裙齡鈣膽蒸廂舟異戮奄碧草咬件怔天餌孜柜藹帖膝襄祈陰 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 學校代號: 學 號: 密 級:公開 蘭州理工大學碩士學位論文 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝 優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 學位申請人姓名: 段慧艷 導師姓名及職稱: 喬及森教授 培養(yǎng)單位: 蘭州理工大學 專業(yè)名稱: 材料加工工程 論文提交日期: 年月 論文答辯日期: 年月日 答辯委員會主席: 張福甲 ..,碩士學位論文 蘭州理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈

5、交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均 已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名: 日期:矽侈年 莎月/ 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借 閱。本人授權蘭州理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫 進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和

6、匯編本學位論文。 本學位論文屬于 、保密口,在 年解密后適用本授權書。 、不保密。 請在以上相應方框內(nèi)打“√” 孤蘢艷 作者簽名: 日期:刀協(xié)年‖月 導師簽名: 日期:刁鑼年‖月多日 柵碩士學位論文 目 錄 摘 要??.? 第章緒論.. .課題的研究背景? ..激光焊接? .. 工作臺. ..焊接工藝參數(shù)優(yōu)化. .課題的研究現(xiàn)狀? ..數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控工作臺?. ..工作臺運動精度?. ..焊接工藝優(yōu)化..人工神經(jīng)網(wǎng)絡在焊接中的應用?. .數(shù)控焊接工作臺及焊接工藝預測系統(tǒng)的研究意義??. .本論文的主要工作 第章焊接工作臺的設計和搭建一 .引

7、言 .焊接工作臺的設計 ..焊接工作臺機械部分主要部件的選擇?一 ..焊接工作臺機械部分的整體設計 ..焊接工作臺控制部分的元件選取. .焊接工作臺的搭建??.. .焊接工作臺的構成及操控流程..焊接工作臺機械部分的運行情況 ..控制系統(tǒng)的控制原理..焊接工作臺主要控制流程 .本章小結。 第章焊接工作臺的精度測試與數(shù)據(jù)分析 .引言??. .焊接工作臺精度測試?.. ..焊接工作臺精度測試實驗原理? ..焊接工作臺精度測試實驗具體操作..焊接工作臺精度測試實驗因素的選擇? ..焊接工作臺精度測試數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計? .單因素對焊接工作臺精度影響分析..速度對焊接工作臺精

8、度的影響? ..速度對到位精度曲線擬合 ..位移量對焊接工作臺精度的影響 ..位移對焊接工作臺精度的曲線擬合..載荷對焊接工作臺精度的影響? .影響因素的權重分析?一 ..各因素對到位誤差的綜合影響? ..速度、位移綜合對到位誤差的影響??數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) ..速度、載荷綜合對焊接工作臺到位精度的影響 ..位移、載荷綜合對到位精度的影響.正交實驗法評估各因素對工作臺運動精度影響權重分析..確定實驗指標?。 ..正交試驗法??。 .本章小結一 第章數(shù)控激光焊接工作臺的智能化控制系統(tǒng) .引言??一 .焊接工藝數(shù)據(jù)的選擇以及正交試驗表的建立?

9、..激光焊接工藝參數(shù)的選擇 ..正交試驗表的建立 .基于神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的建立以及訓練結果?. ..神經(jīng)網(wǎng)絡的選擇與建立? ..神經(jīng)網(wǎng)絡訓練結果 ..焊接工藝參數(shù)優(yōu)化 .焊接工藝參數(shù)預測系統(tǒng)的建立. ..板厚與焊接體能量數(shù)據(jù)整理..板厚與焊接體能量擬合關系..工藝參數(shù)預測系統(tǒng)的建立 .本章小結一 結論?一 參考文獻?一 【謝?..: 附錄. 附錄.. 碩士學位論文 摘 要 激光焊接以其能量密度高、變形小、適應性強等優(yōu)點,在汽車工業(yè)、航天航空、核 電設備等領域廣泛應用,與傳統(tǒng)焊接方法相比不僅生產(chǎn)效率大大提高,焊接質(zhì)量也得到 顯著提高。與此同時,激光焊接也存在一定的

10、局限性,要求焊件裝配精度高以及焊接位 置必須非常精確,這就對焊接工作臺的裝卡和靈活性等提出一個新的要求【。 本文通過對激光焊接的研究,首先,設計并搭建.數(shù)控激光焊接工作臺,工作臺 由單片機作為主控制器,步進電機作為動力源,通過絲杠帶動整個工作臺運動。其次, 對焊接工作臺的運動精度進行測定,建立速度、位移、載荷三個因素分別對焊接工作臺 運動精度的影響關系模型以及三個因素兩兩交互作用對工作臺運動精度的影響關系。最 后,對焊接工作臺控制模塊進行智能化開發(fā)。通過建立焊縫抗拉強度與激光焊接速度、 激光功率、光斑直徑之間的關系模型以及熱輸入與抗拉強度之間的關系模型、母材厚度 和焊接熱輸入之

11、間的關系模型,最終建立了激光焊接最優(yōu)工藝參數(shù)預測系統(tǒng)。 研究結果表明,激光焊接工作臺能夠實現(xiàn)絕對運動、增量運動、直線插補、順圓插 補等平面運動,理論最高限速為/,工作臺平均運動誤差在./以 內(nèi)。焊接工作臺運行速度與運動精度之間為線性關系;位移量對焊接工作臺運動精度影 響關系擬合為二次函數(shù);一定范圍內(nèi)的載荷對工作臺運動精度影響很小。三個因素影響 顯著性依次為:速度、位移、載荷。建立的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和預測系統(tǒng)能夠較為準確 地預測出優(yōu)化后的激光焊接工藝參數(shù),結合焊接工作臺運動控制模塊實現(xiàn)焊接智能化。 關鍵字:激光焊接;焊接工作臺;運動精度;影響因素;神經(jīng)網(wǎng)絡;工藝優(yōu)化數(shù)控激光焊接工作

12、臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) ., , . ,,. , , , . ,,.. 、析 ,. , / Ⅱ.. /.. ., ,, . ; ; ; ; : ; 碩士學位論文 第章緒論 .課題的研究背景 .. 激光焊接 激光焊接是利用聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法。激 光焊具有高度自動化、加工靈活性、高精度、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。隨著大功率激光 及激光裝置的開發(fā),以及激光技術的大力發(fā)展,激光焊在航空航天、武器制造、 船舶制造、汽車制造、壓力容器制造以及醫(yī)用等領域得到了廣泛的應用。 傳導焊和深熔小孔焊作為激光焊接的兩種基本形式,根

13、本區(qū)別在于:傳導焊在焊 接過程中熔池表面保持封閉,而深熔焊熔池則被激光束穿透成孔。這兩種焊接方式也可 以在同一焊接過程中相互轉換。 跟傳統(tǒng)焊接方法相比,激光焊接具有一定的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在:能量密度高:焊接質(zhì) 量高;熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小;可焊接不同材料的組合;激光焊接是無接觸加工,激光可 通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復雜結構內(nèi)部位置的工件:激光束易于導向、 聚焦,實現(xiàn)各方向變換;激光束能量可精密控制,移動速度可調(diào),可以進行多種焊接; 激光焊接系統(tǒng)具有高的柔性。由于激光焊接的優(yōu)點多,可以進行傳統(tǒng)焊接方法完成不了 的焊接作業(yè),而且焊接質(zhì)量高、焊縫性能好,因此被廣泛應用于汽

14、車、航天等領域。然 而,激光焊接也存在一些不足,激光器以及用于激光束傳導和聚焦的附屬系統(tǒng)成本過高, 特別是需要大量昂貴保護氣體的應用場合。而激光焊接過程中,激光束的緊密聚焦、熱 量向工件的有效傳遞以及狹小的熱影響區(qū)等優(yōu)點,也帶來了焊件接頭裝配的難題,很小 的組裝偏差就會導致焊接條件發(fā)生較大的變化。本課題就是基于激光焊接存在的這些問 題提出的,設計和搭建一臺配合激光焊接使用的焊接工作臺,通過保證激光焊接工作臺 運動平穩(wěn)性以及高的運動速度和精度來保證激光焊接的質(zhì)量,通過設計合理的配套工裝 夾具來解決激光焊接裝配精度高的問題【卅。 .. 工作臺 隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展,機械加工技術

15、發(fā)生了很大的變化,一方面向著提高產(chǎn)品 生產(chǎn)效率的高度自動化方向發(fā)展,另一方面則是向著以提高產(chǎn)品質(zhì)量的精密化方向發(fā) 展。現(xiàn)代機電設備的結構越來越復雜,結合機、電、光等技術于一體,功能也越來越復 雜和完善。因此,如何提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量成為機械制造行業(yè)迫切需要解決的問題之一。 而工作臺作為實現(xiàn)高精密加工的核心部件,它的傳動部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加 工精度。如何有效地提高機床以及工作臺的定位精度是當前研究的一項重要課題【。工 作臺是實現(xiàn)平面坐標運動的典型關鍵部件,能分別沿向和向移動的工作臺稱為. 工作劊。。其工作原理是:向和向均采用伺服電機或者步進電機等,通過齒輪減 速和絲桿傳動

16、后,帶動工作臺做平面運動。 焊接工作臺是用來配合焊接機完成焊接作業(yè)的工作平臺,焊接工作臺的速度、到位數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 精度等都會影響焊接質(zhì)量和焊縫的質(zhì)量。尤其是工作臺的到位精度,直接影響焊接的精 確性,從而影響焊接質(zhì)量和焊縫質(zhì)量,因此對焊接工作臺的運動精度進行研究對提高焊 接質(zhì)量有重要的意義。本文根據(jù)激光焊接的特點設計和搭建焊接工作臺,對焊接工作臺 的到位精度進行研究,對影響焊接工作臺精度的主要因素進行分析,建立各因素與到位 精度之間的關系模型以及因素之間兩兩交互作用與工作臺到位精度的關系模型,通過提 高焊接工作臺的運動精度來提高激光焊接質(zhì)量和焊縫質(zhì)量

17、。 ..焊接工藝參數(shù)優(yōu)化 激光焊接工藝參數(shù)對焊接接頭有著決定性的影響,激光焊接的幾個主要的工藝參數(shù) 有:激光功率、光速焦斑、材料吸收值、焊接速度、保護氣體。 激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閥值,低于此值,熔深很淺,一旦 達到或者超過此值,熔深會大幅度提高。 光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一,因為它可以決定功率密 度。 材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能,如吸收率、反射率、 熱導率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等,其中最重要的是吸收率。 焊接速度。焊接速度對熔深影響較大,提高速度會使熔深變淺,但速度過低又會 導致材料過度熔化、工件焊穿。

18、保護氣體。激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池,當某些材料焊接可不計較 表面氧化時則也可以不考慮保護。 焊接工藝對焊接質(zhì)量有著決定性的作用,為了得到最佳的焊接工藝參數(shù),在焊接作 業(yè)前必須進行大量的工藝試驗往往要花費大量的人力、物力、財力。為適應生產(chǎn)實際對 焊接工藝參數(shù)的預選和優(yōu)化的要求,人們希望能夠利用最少的焊接工藝試驗獲得最可靠 的工藝參數(shù)與焊縫性能之間的關系模型,用來指導焊接生產(chǎn),這是實際焊接工作者的迫 切要求。因此,專家、學者們找出各種方法對焊接工藝進行優(yōu)化,焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化 是個非常復雜又很重要的問題,近年來出現(xiàn)了很多種焊接工藝優(yōu)化的方法,傳統(tǒng)的焊接 工藝優(yōu)化方法有正

19、交試驗法、回歸分析法等,近年來,人工神經(jīng)網(wǎng)絡等也成功運用于焊 接工藝優(yōu)化【】。 本文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡結合數(shù)學計算方法對激光焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化,建立焊接 工藝預測系統(tǒng),然后將系統(tǒng)預測的焊接速度輸入焊接工作臺,激光功率和光斑直徑等相 關工藝參數(shù)輸入激光焊接機,使激光焊接機和焊接工作臺配合實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。 .課題的研究現(xiàn)狀 ..數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控工作臺 本文研究的是數(shù)控焊接工作臺,使用單片機控制步進電機,從而帶動整個焊接工作 臺進行運動。因此,數(shù)控技術的發(fā)展與焊接工作臺的研究息息相關。數(shù)控技術主要是指 由一系列數(shù)字、文字以及符號所組成的一些指令對機械設備運動的位置、角度以及速度

20、壩士學位論文 等機械量和機械能量流向的開關量等進行控制的技術。它是集微電子、計算機、信息處 理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體,具高效率、高精度等特點,對制造業(yè)的發(fā) 展起到了舉足輕重的作用。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的制造業(yè)也進行了革命性 。 的變革,很多國家提出了全新的制造模式,對國際現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā) 近幾年,我國的數(shù)控技術也高速發(fā)展,主要朝著高速化和高精度化等方向發(fā)展,此 外復合加工和新結構機床也大量出現(xiàn)。速度和精度作為數(shù)控工作臺運動性能的兩個重要 指標,它體現(xiàn)著零件的加工效率和加工質(zhì)量。提高主軸轉速、進給速度、生產(chǎn)間歇時間、 提高數(shù)據(jù)處理速度和工作臺精度

21、等,實現(xiàn)高速加工。高精度指的是零件的加工精度達到 了微米級、納米級,從普通加工、精密加工到超精密加工,使產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)的 加工精度要求。保證零件的加工效率和加工質(zhì)量,此外還要求數(shù)控機床能夠有很高的可 靠性,一般數(shù)控系統(tǒng)和工作臺的可靠性要高于數(shù)控設備的一個數(shù)量級以上,使其平均無 。 故障運行的時間在一個合適的范圍內(nèi) 我國數(shù)控技術發(fā)展很迅速,但技術方面與國外相比還有一定的差距,主要表現(xiàn)有: 技術創(chuàng)新成分低、消化吸收能力差;技術創(chuàng)新環(huán)境不完善;產(chǎn)品可靠性、穩(wěn) 定性不高;網(wǎng)絡化程度不夠;體系結構不夠開放。目前,國外數(shù)控技術的發(fā)展有 了新的發(fā)展趨勢,總趨勢如下:新一代的數(shù)控系統(tǒng)向

22、著化和開放式體系結構方向 發(fā)展。驅動裝置向著交流、數(shù)字化方向發(fā)展。增強通信功能,向網(wǎng)絡化方向發(fā)展。 。 數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化方向發(fā)展 近幾年數(shù)控技術的發(fā)展引起了數(shù)控工作臺的發(fā)展,數(shù)控工作臺不僅有工作臺本身的 特性,還可以有多功能復合加工的能力,集車、銑、鉆等功能與一身,使零件加工工序 集中,實現(xiàn)零件在一次裝夾后完成各種復雜曲面的加工,例如各種機械加工中心。不僅 能夠保證加工精度,減少輔助時間,還可以提高生產(chǎn)效率。本文針對激光焊接存在的對 焊件裝配精度要求高等問題,設計和搭建了激光焊接用數(shù)控工作臺。數(shù)控焊接工作 臺是利用單片機、等控制元件,電動機作為動力源,在平面內(nèi)運動

23、的工作臺。工作 臺有、兩個運動軸,可以配合各種制造機械進行生產(chǎn)。數(shù)控焊接工作臺是配合焊 接機使用的,可以通過焊接工作臺入手研究自動焊接技術。 ..工作臺運動精度 隨著數(shù)控技術的發(fā)展,機械制造領域的技術發(fā)展方向朝著高精度、高效率高速、 環(huán)保等方向發(fā)展。因此,發(fā)展精密檢測,提高產(chǎn)品精度是制造領域的迫切需求。數(shù) 控工作臺的高精度取決于多種因素,其中主要因素之一是工作臺自身的運動精度。換言 之,數(shù)控焊接工作臺各坐標運動的運動精度和坐標定位精度直接影響焊接質(zhì)量和焊縫的 質(zhì)量。一般情況下,工作臺的運動精度包括:直線運動的位置精度;重復精度; 原點返回精度;間隙誤差;回轉運動的位置精度;中

24、國國家標準? 定義了直線運動位置精度和回轉運動位置精度的評判方法 。 數(shù)控焊接工作臺的精度研究參考數(shù)控機床的精度研究方法,單向誤差可以選用合適 的測量儀器直接測量,傳統(tǒng)的測量法使用大理石和金屬平尺、千分表等工具,而現(xiàn)代的數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 測量方法則使用激光位移傳感器、激光干涉儀等高精度測量儀器測量。本文中采用激光 位移傳感器對焊接工作臺直線運動的位置精度進行測量。 直線運動的位置精度指的是工作臺在直線運動情況下,準確到達某一位置的誤差大 小與運動位移的比值。直線運動位置精度的大小直接關系到.數(shù)控工作臺的的加工精 度,對影響直線運動的位置精度的因素進行

25、分析,對單因素和因素之間的交互作用對精 度影響模型進行分析和研究,力圖通過一些補償減小到位誤差,提高工作臺的運動精度。 運動速度以及位移量對工作臺的運動精度有很大的影響,同時工作臺承受的負載不同, 工作臺的運動精度也是不同的。本文通過對數(shù)控焊接工作臺的運行速度、位移量、載荷 三個因素對到位精度的影響進行分析,研究單因素以及三個因素兩兩交互作用下對焊接 工作臺的影響,對三個因素的因響進行權重分析。 ..焊接工藝優(yōu)化 焊接工藝優(yōu)化一直以來作為專家學者的研究目標,回歸分析、因子設計和響應曲面 法等作為傳統(tǒng)的焊接工藝優(yōu)化方法,存在一些問題,主要表現(xiàn)為:計算繁雜,工作量大, 知識獲取困

26、難和自學習能力差等。伴隨智能工程出現(xiàn)的基于遺傳算法、模糊算法和人工 神經(jīng)網(wǎng)絡的工藝參數(shù)優(yōu)化方法,很好地解決了這些問題。此外,也有不少專家學者采用 。。 正交試驗設計的方法對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化,結果也很好【 因子設計包括全因子設計和分部因子設計。全因子設計是所有因素和水平進行完全 組合的實驗,這種實驗方法適用于因素和水平均不太多的場合。分部因子設計是按照一 定規(guī)律從全因子設計中挑選出一部分實驗組合,有效減少實驗次數(shù),是實驗設計初期的 有利工具。國內(nèi)外一部分學者利用因子實驗設計在焊接工藝研究方面做了深入研究。 等人采用分部因子設計在低碳結構鋼的焊接工藝研究中成功建立了實驗 因子

27、對焊縫幾何形狀影響的數(shù)學模型。其中實驗因子包括:電弧電壓、焊接電流、焊接 速度、焊槍角度和焊絲伸出長度。采用分部因子設計對~微合會鋼埋弧 焊焊縫幾何尺寸熔深、熔寬、焊縫高度、深寬比和高寬比進行預測研究,實驗參數(shù)包 括:送絲速度、空載電壓、焊接速度、工件厚度和焊絲伸出長度,設計實現(xiàn)了不同參數(shù) 組合的主效應和交互效應對焊縫尺寸影響的預測。 響應曲面法是由和在世紀年代首次提出的,它主要應用于分析 全因子實驗不能確定優(yōu)化的二次函數(shù)關系。響應曲面法最通常的設計方法有:中心復合 設計和.設計。目前,響應曲面法已經(jīng)被廣泛應用于焊接過程優(yōu)化設 計,但這些應用主要集中在國外。響應曲面法在焊接過程

28、優(yōu)化中的應用包括電弧焊、高 能密度焊和其他焊接方法。和將響應曲面法應用于埋弧焊過程研究, 獲得了一系列成果。響應曲面法的主要不足之處在于它要考慮的因素很多,運算非常繁 雜。 回歸分析用來建立焊縫幾何參數(shù)和焊接工藝參數(shù)之間的線性模型。沈陽大學的學者 通過用回歸分析法和外點罰函數(shù)法分析并確定了.焊絲顆粒狀過渡時氣體保 護自動橫焊工藝參數(shù)對焊接過程中焊縫形狀尺寸和飛濺影響的主次關系,由此進行了工 碩士學位論文 藝參數(shù)的最優(yōu)化,得到最佳匹配的電壓、電流值。在規(guī)則的實驗區(qū)域使用這種方法能夠 得到很好的實驗結果,然而在一些重要的特殊點上可能會發(fā)生熔透現(xiàn)象,得到的實驗結 果很不理想。

29、可見要想實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化依靠傳統(tǒng)的數(shù)學建模和分析方法很難達到預期的 效果。隨著智能工程的發(fā)展,人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊算法等人工智能技術在焊接領域的應 用越來越得到深入的研究,焊接工藝設計的智能處理研究也引起了焊接領域內(nèi)很多專家 學者的關注【。。 ..人工神經(jīng)網(wǎng)絡在焊接中的應用 對于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究從世紀年代起,一直成為科學研究的一個熱門領域。 由于神經(jīng)網(wǎng)絡有結構獨特、處理數(shù)據(jù)方法高效等特點,因此在解決許多具體問題上得到 了廣泛的應用。然而,神經(jīng)網(wǎng)絡也有其固有的缺點。首先,由于受到了搜索步長的限制, 當解空間函數(shù)存在局部極小值時,容易陷入局部極小的特性;其次,現(xiàn)行的學習算法收

30、 斂速度較低,容易影響了研究進度。為了全面應對這些問題,學者們采取了各種各樣的 方法,其中最為常見的方法便是將神經(jīng)網(wǎng)絡與其他人工智能方法相結合然后加以一定的 改進。本文是利用神經(jīng)網(wǎng)絡與數(shù)學計算方法相結合,對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化和預。 焊接是一個復雜的過程,大量參數(shù)都難以量化,存在許多不確定性的模糊知識,往 往需要焊接人員根據(jù)經(jīng)驗做出判斷和決定,這使得專家系統(tǒng)在焊接領域中得到了廣 泛應用并取得了良好效果。然而由于專家系統(tǒng)具有自學習能力以及容錯能力差、知識獲 取困難等弱點,使其在處理大型復雜問題時比較困難,限制了它在焊接領域中的進一步 應用和發(fā)展。人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術,因為能模擬人腦的并

31、行信息處理方式以及具 有獨特的自組織、自學習、快速處理、高度容錯以及很強的非線性函數(shù)逼近的能力,成 為處理非線性系統(tǒng)的有力工具,已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)學、控制以及優(yōu)化、通信、材料等領 域。近年來,人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術獨特的性能引起了焊接工作者的廣泛關注。從已完成的 研究成果來看,人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術已經(jīng)在焊接工藝參數(shù)的設計、焊接性能的預測、焊接 過程的控制等方面得到了較多研究和應用,并取得了一定成績【。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡在焊接接頭性能預測中的研究,目前,在焊接接頭性能預 測中的研究主要包括了焊縫形狀預測和焊接接頭力學性能的預測。焊縫形狀是決定焊接 接頭強度和有關力學性能的重要因素。能夠較準確地預

32、測焊縫形狀,對提高焊接接頭質(zhì) 量及降低焊接成本、控制焊接過程、防止焊接缺陷等都有著非常重要的作用。然而焊接 過程是一個高度非線性、多變量、強耦合,同時又具有大量隨機不確定因素的復雜過程, 采用傳統(tǒng)預測方法則難以勝任,于是焊接工作者們將目光投向了神經(jīng)網(wǎng)絡。對于不同 的焊接規(guī)范焊后接頭力學性能的準確預測,一直是焊接工作者試圖解決的問題之一。焊 接過程嚴重的非線性以及焊材中多種成分的復雜交互作用使得對接頭力學性能的準確 估算成為十分困難的實際問題。實際生產(chǎn)中需要做大量的焊接工藝評定,消耗大量人力 物力,并得生產(chǎn)周期變長。近年來,人們將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用于焊接接頭力 學性能預測,取得

33、了一定的成果。數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術和數(shù)學計算相結合,建立了焊接工藝參數(shù)與焊縫性能之間的 關系模型以及焊接母材厚度與焊接工藝參數(shù)之間的關系模型,以及建立了焊接工藝參數(shù) 與焊縫性能預測系統(tǒng)。 .數(shù)控焊接工作臺及焊接工藝預測系統(tǒng)的研究意義 由于激光焊接具有高能量密度、高效率、高精度、柔性好等優(yōu)點而得到了廣泛重視, 并且已經(jīng)廣泛應用于航天航空、汽車制造等材料加工及其它制造領域。然而,激光焊接 也有一些不足之處,它對焊件的裝配精度要求相當高,同時對焊件裝卡和焊接靈活性以 及焊接速度、精度等的要求都很高。本文就是針對激光焊接的這些特點設計和搭建

34、了數(shù) 控激光焊接工作臺,并對焊接工作臺的運動精度和其影響因素進行分析以及對數(shù)控焊接 工作臺的自動化進行開發(fā)和研究。 焊接工藝參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的主要因素,為獲得合理的焊接工藝參數(shù),焊接人員 進行了大量的研究。在計算機仿真技術應用于焊接學科之前,要為某些材料制定合適的 焊接工藝,需要進行大量的前期試驗,耗費大量的人力、物力、財力。因此,建立激光 焊接工藝優(yōu)化預測模型以及預測焊接結果,實現(xiàn)激光焊接工藝參數(shù)預選和優(yōu)化、減少工 藝試驗次數(shù)、甚至控制激光焊接過程、防止出現(xiàn)焊接缺陷等都具有十分重要的意義。本 文利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡與數(shù)學計算相結合的方法,建立焊接工藝參數(shù)與焊縫性能之間的關 系

35、模型,為提高焊接質(zhì)量以及焊縫質(zhì)量奠定了基礎。同時通過結合數(shù)控焊接工作臺的運 動控制模塊,初步實現(xiàn)焊接工作臺的智能化控制。 .本論文的主要工作 本文是針對激光焊接的特點設計并搭建數(shù)控焊接工作臺,通過研究焊接工作臺的運 動速度和運動精度提高焊接質(zhì)量和焊縫質(zhì)量,然后對激光焊接工藝進行優(yōu)化,建立激光 焊接工藝以及焊縫性能預測系統(tǒng),本論文的主要結構如下: 第二章:根據(jù)激光焊接的特點,結合近幾年來數(shù)控機床的發(fā)展狀況以及激光焊接實 際需求,設計數(shù)控焊接工作臺。數(shù)控焊接工作臺包括機械部分和控制部分兩大部分,合 理選擇機械部分以及控制部分部件,搭建激光焊接工作臺,并且對焊接工作臺的參數(shù)設 置、

36、編程等可以熟練操作。 第三章:對搭建好的焊接工作臺進行運動精度測試和分析。設計正交試驗,找出三 個影響焊接工作臺運動精度的主要因素:速度、位移、載荷。分別針對速度、位移、載 荷三因素對焊接工作臺運動精度的影響進行分析,擬合出單因素對精度影響的曲線以及 因素之間兩兩交互作用下對精度的影響曲線。最后對三個因素的影響進行權重分析。 第四章:通過建立兩層神經(jīng)網(wǎng)絡關系對激光焊接工藝參數(shù)進行研究,首先通過正交 試驗法選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練樣本,建立激光功率、焊接速度、光斑直徑與焊縫抗拉 強度之間的第一層神經(jīng)網(wǎng)絡關系;其次通過焊接工藝參數(shù)與焊接熱輸入之間的關系,建 立焊接熱輸入與焊縫抗拉強度

37、值之間的關系,通過神經(jīng)網(wǎng)絡結合數(shù)學計算進行焊接工藝碩士學位論文 參數(shù)優(yōu)化;最后,建立母材厚度與焊接熱輸入之間的第二層神經(jīng)網(wǎng)絡關系。利用語言 編程建立了焊接工藝參數(shù)以及焊縫抗拉強度預測系統(tǒng)與預測窗口。數(shù)控激光焊接作臺設計及焊接藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 第章焊接工作臺的設計和搭建 .引言 激光焊以其能量密度高、焊接精度高、適應性強等優(yōu)點,在汽車工業(yè)、航天航空、 石油設備等領域充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活的加工特點,激光焊接不僅生產(chǎn)效率高 于傳統(tǒng)的焊接方法,而且焊接質(zhì)量較傳統(tǒng)焊接也得到了顯著提高。但激光焊接也存在著 一定的局限性,要求焊件裝配精度高,并且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移,

38、 針對這些問題,本文設計和搭建一個高精度的激光焊接工作臺。 焊接工作臺的速度和精度是評價工作臺性能好壞的兩個主要參數(shù),這兩個參數(shù)對焊 接效率和焊縫質(zhì)量等起著決定性的作用。根據(jù)需要分別設計焊接工作臺的機械部分和控 制部分。焊接工作臺的機械部分是由步進電機作為動力源,絲杠作為傳遞元件,即通過 步進電機帶動絲杠轉動,從而產(chǎn)生絲杠導程帶動整個焊接工作臺運動。焊接工作臺的控 制部分的工作原理是:首先對控制面板輸入初始信號,通過控制器將輸入的信號轉化為 相應的脈沖信號和方向信號,然后傳遞給步進電機驅動器,驅動器將進行功率放大和環(huán) 形分配器細分電路,將邏輯控制信號轉化為可驅動步進電機運行的功率

39、電流,通過步進 電機將電脈沖轉化為角位移,從而帶動步進電機旋轉。根據(jù)設計搭建焊接工作臺,使焊 接工作臺的速度和精度能夠配合激光焊接機使用,為自動化焊接的研究奠定基礎【。 .焊接工作臺的設計 ..焊接工作臺機械部分主要部件的選擇 步進電機是一種將脈沖信號轉換為相應角位移或線位移的開環(huán)控制元件,是一類 特殊電動機。普通電動機是連續(xù)轉動的,而步進電動機則有定位和運轉兩個基本狀態(tài), 每給一個脈沖信號,它就轉過相應的角度。步進電機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)是成 正比的,在時間上也與輸入脈沖同步,因此控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組 的通電順序,便可以獲得所需要的轉角、轉速以及轉動

40、方向。在沒有脈沖輸入的情況下, 轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。在非超載的情況下,電機的轉速、停止的位置只是取 決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電 機則轉過一個步距角。因此,步進電機相對普通電機而言運動精度高、運動速度快,完 全能夠符合激光焊接的精度和速度要求。 本焊接工作臺是用于小型薄板和中厚板的焊接,并且是配合激光焊接機使用的,因 此根據(jù)焊接工作臺的需求以及出于經(jīng)濟實惠等方面的考慮,焊接工作臺選用的步進電機 型號為? ,步進電機的具體參數(shù)見表: . 表 步進電機的具體參數(shù)表 步距 相 電流 電阻 電感 最大靜力矩 外形尺寸 竺蘭

41、 魚竺 墼 竺竺: 墜 垡 望堂 叢:坐地里碩士學位論文. .. . . 型步進電機的外形尺寸如下圖.: 韜 。 一轡, 棼 也 自 : 纛 蝣 答 髓 譬 綠 鐮 ∞ 硌 鬻 砰 ’ 幾 ‘囫二 ,~ 一等?一’ , 。: 藏 . 圖 型步進電機尺寸圖 .型步進電機的實物如下圖.所示: . 圖 兩相步進電機實物圖 根據(jù)焊接工作臺的具體使用狀況以及計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程最終 選擇了.型的絲杠,即為內(nèi)循環(huán)固定反相器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副,其公 稱直徑為,導程,循環(huán)滾珠為圈系列,精度等級取級。.型絲 杠的具體

42、參數(shù)如下表所示: 表 系列.型滾珠絲杠副參數(shù) 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 昌昌薯昌昌昌魯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 螺桿接觸直徑 . : 螺母螺紋外徑 .. 電機通過聯(lián)軸器直接與絲杠聯(lián)接,進給傳動系統(tǒng)的傳動精度和傳動剛度較高,使機 械結構簡單,所以絲桿和電動機連接零件采用聯(lián)軸器連接。平行槽型聯(lián)軸器具有比螺旋 槽型聯(lián)軸器有更好的吸收振動以及補償徑向、角向、軸向偏差的性能,使得工作臺在 電動機順時針和逆時針回轉時的運動特性完全相同,回轉間隙幾乎為零,因此本焊接工

43、作臺選用平行槽型聯(lián)軸器。加圖靜皂太空酴詵用的群妯器。 圖?焊接工作臺選用的平行槽型聯(lián)軸器買物圖 ..焊接工作臺機械部分的整體設計 本焊接工作臺主要是用于較小尺寸的薄板和中厚板的焊接,由于焊接工作臺是要配 合激光焊接使用,因此對焊接工作臺能夠達到的極限速度以及工作臺的運動精度、靈活 性等要求較高,而對于焊接工作臺的外形則只要能滿足焊接需要即可。根據(jù)本文中前一 部分所選取的部件以及焊接工作臺的設計要求,同時參考近年來國內(nèi)外研發(fā)的焊接工作 臺的形狀以及性能等,對焊接工作臺進行具體設計。首先設計了焊接工作臺的機械部分, 工作臺機械部分的具體設計圖如所示: 』,~ \ \弋,.

44、、、、 、 \。 、 ? 也 \ 匕 \ \ 湮 明 恒 。 / \ / \\ 一 三/ 燭 .絲杠.聯(lián)軸器.步進電機.軸承.平臺 .平臺.連接架.滾珠絲杠.聯(lián)軸器.步進電機 圖工作臺平面結構圖 該焊接工作臺的機械部分是由步進電機作為動力源,絲杠作為傳遞元件,即通過步 碩士學位論文 進電機帶動絲杠轉動產(chǎn)生絲杠導程,從而帶動整個焊接工作臺運動。由于使用焊接工作 臺進行焊接作業(yè)時,工作臺要配合焊接工裝夾具使用,因此焊接工作臺的尺寸的設計不 僅要考慮焊件的大小和工作臺的靈活性,還要考慮焊接裝配方面的因素。最后確定焊接 工作臺的工作面積為: ,工

45、作臺的其它參數(shù)如下表.所示。 表焊接工作臺設計參數(shù) 焊接工作臺尺寸四 焊接工作臺行程四 橫向縱向 長寬高 ..焊接工作臺控制部分的元件選取 本實驗采用開環(huán)伺服控制系統(tǒng),首先將控制器作為最初的信號輸入裝置,將初始信 號轉化為數(shù)字信號;然后通過驅動器再次將輸入信號轉化為可驅動步進電機運行的脈沖 信號;最后通過脈沖信號驅動步進電機旋轉,從而帶動焊接工作臺的機械部分運動。 焊接工作臺控制部分的具體控制流程如圖.所示。 膿洚髂弩 幾 控穆鼴 彥贏滾礙 圖.焊接工作臺控制部分的控制流程圖 本數(shù)控焊接工作臺的控制器是采用高性能位的四軸運動控制器,運動控制 器配備液晶顯示器,全

46、封閉觸摸式操作鍵盤。四軸運動控制器的控制面板如下圖.所 示:數(shù)控撖光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 圖焊接工作臺控制器的控制面板 四軸運動控制器作為最初的信號輸入端,將控制器與步進電機驅動器以及控制器電 源連接起來。本焊接工作臺是平面運動的,只有、兩個運動軸,因此步進電機和步 進電機驅動器都分別有兩個,焊接工作臺運動控制器只與兩個步進電機驅動器連接。焊 接工作臺運動控制器與步進電機驅動器接線圖如下圖.所示。 蓉薔謇耄 骶鼬曩 虹照鼓為號絞】 電飆信號公共端 躺轆四,: 鞠: 軸,№,’,: 第一轅四 圖.四軸運動控制器與驅動器接線示意圖 工作臺步進電機的型號

47、為.。步進電機驅動器型號為,表 示兩相步進電機,表示高性能數(shù)字驅動器,第一個表示供電電壓,第二 個表示最高相電流.。步進電機驅動器控制信號以及功率信號接口說明如下表 .: 表步進電機驅動器功率信號接口說明 直流電源接地 直流電源正極 . 步進電機相 . 步進電機相 步進電機驅動器能夠進行功率放大,功率放大是驅動器最重要的部分,步進電機一 經(jīng)定型,其性能則取決于電機的驅動電源。步進電機的轉速越高、力矩越大,則要求電 機的電流越大、驅動電源的電壓越高。步進電機驅動器里電壓對力矩影響如下圖.所 示:碩士學位論文 懣愿 走羹巨 警≮≮/蔫疰 \\ 圖.步進電機驅動器

48、電壓對力矩的影響 步進電機要和電機驅動器正確連接才能保證步進電機正常運轉,步進電機驅動器與 步迸電機接線圖如下圖.所示: 圖.步進電機及驅動器接線示意圖 將焊接工作臺控制部分選取的元件按照接線圖連接好,接通電源,檢查各元件運行 狀況。正常狀況下,接通電源后控制面板顯示屏亮,進入可操作狀態(tài),步進電機驅動器 有工作狀態(tài)指示燈,當步進電機和步進電機驅動器工作時,狀態(tài)指示亮則表示驅 動器正常工作,暗則表示工作異常;當狀態(tài)指示燈亮表示驅動器中有脈沖輸入, 暗則表示沒有脈沖輸入:當報警指示綠時表示步進電機相缺相,紅時步進電 機相缺相;當綠時表示過壓大于或欠壓小于,紅時則表示驅動器過 流

49、。 .焊接工作臺的搭建 根據(jù)上述對焊接工作臺的設計以及控制元件的選取,搭建焊接工作臺。分別對焊接 工作臺控制部分的控制元件進行連接以及對工作臺機械部分進行搭建,最后把機械部分 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 和控制部分利用步進電機連接起來。 焊接工作臺控制部分外圍采用一個控制箱,將各控制元件排列連接,控制箱上接有 指示燈,當控制箱接通電源,指示燈亮。各元件都正確連接完備,對主控制器輸入初始 命令,經(jīng)過步進電機驅動器將初始信號轉化為驅動步進電機轉動的脈沖信號,步進電機 轉動,從而帶動焊接工作臺進行相應方式運動。數(shù)控焊接工作臺控制部分實物圖如下圖 .】。 圖焊接

50、工作臺控制部分實物元件組裝圖 如上圖.為控制部分控制元件實物組裝圖,其中為步進電機電源,輸入交流 ,輸出直流;為控制器電源,輸入交流,輸出直流;為軸步 進電機驅動器。通過主控制器輸入初始信號,由步進電機驅動器將信號進行環(huán)形細分電 路和脈沖信號功率放大,最后將相應的脈沖信號傳遞給軸步進電機;為軸步進電 機驅動器,軸步進電機運動控制方法與軸的相同。數(shù)控焊接工作臺的總體搭建實物 圖如下圖.所示。 圖 數(shù)控焊接工作臺整體實物圖 焊接工作臺機械部分的、軸端面接有限位開關,限位開關的作用是當焊接工作 臺運動到極限位置時觸碰到限位開關,步進電機自動斷電,工作臺運動停止,目的是為 碩士學位

51、論文 了保證焊接工作臺不被損壞以及保證操作人員的安全。 .焊接工作臺的構成及操控流程 ..焊接工作臺機械部分的運行情況 該焊接工作臺的機械部分是由步進電機作為動力源,絲杠作為傳遞元件,即通過步 進電機帶動絲杠從而帶動整個焊接工作臺進行運動。步進電機的工作電壓為到 之間,電流為.,步距角為.,絲杠導程為。焊接工作臺的橫向行程為 左右,縱向行程為左右。 通過控制器選擇系統(tǒng)指令及編寫程序并設定電子齒輪、初速度、最高速、增量、間 隙等參數(shù),使焊接工作臺能夠進行不同類型的運動。工作臺的運動具有很高的靈活性和 精確性,可以根據(jù)不同的焊接要求選擇不同的運行速度配合激光焊接機進行焊接作業(yè),

52、 從而提高焊接精度,進一步實現(xiàn)了高精度焊接。同時還可以根據(jù)焊接的具體需要靈活選 擇自動、手動、點動等不同的控制方式。為了保證焊接工作臺運行的安全性,在工作臺 前后左右分別安裝了四個限位開關,當工作臺運行到限定位置以外時,觸碰到限位開關, 焊接工作臺停止繼續(xù)前進,從而避免工作臺的運動超出了運行范圍,對焊接工作臺造成 損壞。 ..控制系統(tǒng)的控制原理 本焊接工作臺的控制部分主要由單片機開發(fā)的四軸運動控制器、控制器電源輸入 交流,輸出直流、兩個步進電機驅動器、步進電機電源輸入交流,輸出 直流等構成。 工作臺的控制部分外部采用四軸控制器作為最初的信號輸入裝置。根據(jù)需要對四軸 控制器

53、輸入信號,通過四軸控制器將輸入的信號轉化為相應的脈沖信號和方向信號,然 后傳遞給步進電機驅動器,驅動器將進行功率放大和環(huán)形分配器細分電路,將邏輯控制 信號轉化為可驅動步進電機運行的功率電流,通過步進電機將電脈沖轉化為角位移,從 而帶動步進電機旋轉。 ..焊接工作臺主要控制流程 主控制器的主要功能有:參數(shù)設置、手動操作、程序管理、自動加工等。其中參數(shù) 設置可設置與運行、操作有關的各個控制參數(shù),使焊接效果達到最佳狀態(tài)。手動操作可 實現(xiàn)高、低速手動、點動、回程序零、回機械零回到機械坐標零點等操作。程序管理 可對當前加工程序進行修改、保存。自動可實現(xiàn)單段或連續(xù)、空運行、暫停等功能。

54、主控制器顯示屏初始顯示狀態(tài)如圖.所示:數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 圖控制器顯示屏初始狀態(tài) 參數(shù)設定,通過參數(shù)設置對系統(tǒng)參數(shù)進行設定。首先是電子齒輪的設定,電子齒輪 的分子為電機單向轉動一周所需的脈沖數(shù),分母為電機單向轉動一周所移動的距離。電 子齒輪比應盡量小于,當電子齒輪比為時最高速度可達當電子齒輪比為時 最高速度可達.;當電子齒輪比為.時最高速度可達。電子齒輪比的倒 數(shù)為脈沖當量,即系統(tǒng)發(fā)出一個脈沖,機械實際運動的距離。其次是升降速曲線的設定, 通過設定啟動速度、極限速度、升速時間這三個參數(shù)的大小來設定升降速曲線。啟動速 度過高、升速時間過短、極限速度過高都

55、有可能導致步進電機的丟步和堵轉:啟動速度 過高、升速時間過短可能導致振動。通過改變啟動速度、極限速度、升速時間三個參數(shù), 使運動過程達到理想狀態(tài)。其余還有最高速度、手動高低速、反向間隙等的設定。其中 最高速度應小于等于極限速度;手動高速應小于極限速度;手動低速一般用于工作臺定 位時使用,可根據(jù)需要設定。反向間隙不能為負值,最后通過保存參數(shù)對設定的參數(shù)進 行保存【】。 系統(tǒng)指令及編程,為了避免程序字符號的輸入,各指令采用固定程序格式,提示輸 入相應的程序數(shù)據(jù),對于不輸入的數(shù)據(jù)可以不修改使用默認數(shù)據(jù)。 控制部分具體指令主要有:絕對運動、增量運動、直線插補、順圓插補、逆圓插補、 延

56、時等待、絕對跳轉、側位跳轉等。絕對運動,可實現(xiàn)快速直線插補到指定位置,系統(tǒng) 以最高速度速度倍率從當前點運動到所給的絕對坐標位置。增量運動,從當前點行程 范圍內(nèi)任意一點運動所給的位移量。順圓插補,沿順圓方向以增量設定速度速度倍率 運動給定的增量值。逆圓插補,沿逆圓方向以增量設定速度速度倍率運動給定的增量 值。延時等待,延時相應時間,時間單位為.。 數(shù)控焊接工作臺在跟激光焊接機配合進行焊接作業(yè)的過程中,通過對工作臺控制部 分編程和設定參數(shù)等,使焊接工作臺的控制部分和機械部分協(xié)調(diào)配合,從而能夠針對不 同的焊接要求選擇不同的運行方式,使焊接效果達到最佳。 .本章小結 .通過激光焊接的

57、具體需求,設計焊接工作臺。初步確定焊接工作臺的外形尺寸、承 碩士學位論文 載能力、組裝元件及其加工狀態(tài)等,繪制出了機械部分的具體設計圖。 .對焊接工作臺的機械部分進行具體設計和搭建,最后確定焊接工作臺的步進電機 型號為?,絲杠的型號為.,選用平行槽型聯(lián)軸器,工作臺面積的 。 具體參數(shù)為: .對焊接工作臺的控制部分進行具體設計和組裝,最后確定焊接工作臺的步進電機 驅動器型號為,工作臺的主控制器選用由單片機開發(fā)的四軸運動控制器,以及 配套的控制器電源和步進電機電源。 .焊接工作臺主控制器的主要功能有:參數(shù)設置、手動操作、程序管理、自動加工 等。其中參數(shù)設置可設置與運行、操作有

58、關的各個控制參數(shù),使焊接效果達到最佳狀態(tài)。 手動操作可實現(xiàn)高、低速手動、點動、回程序零、回機械零回到機械坐標零點等操作。 程序管理可對當前加工程序進行修改、保存。自動加工可實現(xiàn)單段或連續(xù)、空運行、暫 停等功能。 .將搭建好的焊接工作臺的控制部分與機械部分連接好,對焊接工作臺的控制部分 編寫程序進行試運行,實驗表明焊接工作在一定速度范圍內(nèi)運行平穩(wěn),最大速度可以達 至/。數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 第章焊接工作臺的精度測試與數(shù)據(jù)分析 .引言 運動精度的高低是反映焊接工作臺工作性能好壞的關鍵指標,它直接影響著焊縫質(zhì) 量以及與焊機配合的協(xié)調(diào)性。因此在實際使用之前以

59、被測的焊接工作臺為對象,以現(xiàn)有 的理論為基礎,通過分析,定性的找出影響運動精度的諸多因素,對焊接工作臺的后期 使用與維護是非常必要的。根據(jù)分析,影響因素有以下兩類: 控制系統(tǒng)誤差對運動精度的影響: 這一類誤差主要來源于控制系統(tǒng)。如電子齒輪比的設置與脈沖頻率與步進電動機的 配比設置等都會影響控制精度。此外,采用不同的控制算法,其運算誤差也反映在控制 精度上并最終影響到工作臺的運動精度。 機械系統(tǒng)誤差對運動精度的影響,‘它包括: .加工和裝配精度的影響: 在工作臺中,零部件的制造誤差及裝配誤差會直接影響到工作臺的運動精度,特別 是齒輪副、螺旋副等傳動副的加工、裝配精度和誤差以及

60、模螺牙的大小,會影響和決定 側隙的大小,從而對運動精度中的到位精度影響。 .運動速度的影響: 速度及加速度是影響運動精度的一個重要因素,運動速度越大,啟動和制動慣性力 也越大,從而易導致運動精度的降低。 .焊件質(zhì)量、尺寸和形狀的影響: 焊件質(zhì)量、尺寸和形狀的不同,不僅使工作臺上的載荷發(fā)生變化,而且會引起運動 系統(tǒng)的綜合重心相對工作臺位置發(fā)生變化,由此導致焊接工作臺在完成同樣的即定動作 時,到位精度不同。 .重復動作次數(shù)與累積誤差的影響: 在工作臺運動系統(tǒng)中,僅考慮單次運動的到位精度是不夠的,因為在焊接作業(yè)中, 運動系統(tǒng)的動作往往是多次重復的。因此,由于齒輪的空回現(xiàn)象等原因

61、會造成到位精度 上的累積誤差。而累積誤差的大小會直接影響到焊接工作臺的到位精度。 .速度與質(zhì)量綜合作用形成的慣性力對到位精度的影響: 考慮到焊接工作臺的驅動系統(tǒng)在啟動和制動時需要經(jīng)過一個加速、減速的過程,從 理論上定性分析可知當速度增大、載荷增加時,在啟動和制動過程中形成的慣性力就越 大,從而導致到位精度的降低。 以上,通過理論分析,僅定性地找出了影響焊接工作臺運動精度的幾個因素,從而 為下面的實驗測試提供了依據(jù),但是,為了找出影響和控制工作臺運動精度的主要因素, 必須通過實驗測定和數(shù)據(jù)計算,進行定量的分析Ⅲ】。 .焊接工作臺精度測試由被測焊接工作臺的運動機理可知,該工作臺的

62、工作過程為水平面的沿、軸水平 運動。因而,焊接工作臺的到位精度是由每次行走的位移減去上次行走的位移 所得的到位誤差△來反映的,艮?。 激光焊對焊縫位置和裝配精度要求較高,一般需要在.衄數(shù)量級,必須運用較高 精度的測量儀器來測量。本實驗最終選取了激光位移傳感器,如圖所示。 激光位移傳感器的主要參數(shù)見表.。其工作原理如圖所示。 室:塾蘭絲墼鲞篁整垡壁曼童墼?? ??????????????????????????一一 蕉廑 量墨 坌鲞皇.一???????塑墮二?一 一.縫蛙黜 謬 ??,鏡片 軸 ‘ 一 ,心鋌 一.坡秘籀俸\?棱翔耪體\ ?！? ;; 甕壤

63、汝,.、 弋謄 廠.信號處建囂 蘩 《 墾 ‘””掣 濺 ’。、≮≤心 、產(chǎn)“、\。 ” ?■一 疑。 ??起始鬢 》 爨驥 數(shù)控激光焊接工作臺設計及焊接工藝優(yōu)化系統(tǒng)研發(fā) 圖.激光位移傳感器測量讀數(shù)界面 ..焊接工作臺精度測試實驗具體操作 焊接工作臺精度測試實驗的具體操作步驟: 作臺控制部分接通電源,將工作臺用手動高速調(diào)到最左邊極限位置,將軸的 正負方向調(diào)成待實驗的狀態(tài)。 根據(jù)所需要的位移和速度,進行參數(shù)設置。進入系統(tǒng),調(diào)節(jié)分子與分母分子 /分母是電子齒輪比,電子齒輪電機單向轉動一周所需的脈沖數(shù)/電機單向轉動一周 所移動的距離,調(diào)節(jié)起速電動機啟動速度,調(diào)

64、節(jié)最高電動機最高速度,調(diào)節(jié)時間 電機升速時間,調(diào)節(jié)點位/最高加工速度,調(diào)節(jié)高速/手動高速 的速度,調(diào)節(jié)低速/手動低速的速度,調(diào)節(jié)零速/回零返回速度,調(diào) 節(jié)增量一個脈沖當量點動增量值,保存。 對工作臺控制部分進行程序設置。進入新建程序,新建一個直線插補速度速 度倍率,設置軸上的位移量,設置速度/?；蚩梢孕陆ㄒ粋€增量運動最高速 度速度倍率,然后退出程序設置,進入自動運行階段。 一次實驗完成以后,對焊接工作臺控制部分進行參數(shù)修改,然后再自動運行。 對焊接工作臺的運行狀況進行檢驗。首先設置工作臺為手動運行狀態(tài),利用秒表 分別測量、計算出手動高速和手動低速的速度,然后與之前輸入的速度值

65、進行比較。然 后再利用秒表測量自動運行中的速度與位移量是否與輸入值相符,若相符,則進行下一 步操作,若不相符,檢查輸入程序等,使之相符。 對工作臺設置程序回零和機械回零,確定程序零點與機械零點之間的位移差。 將激光位移傳感器安裝在觀測架上,調(diào)整傳感器的高度與觀測角度。在傳感器正 對工作臺運動方向的垂直端面上貼上噴漆鏡面,以增強位移傳感器的靈敏度與取值精 度。調(diào)整位移傳感器與端面之間的距離,使之在位移傳感器的量程范圍之內(nèi)。位移傳感 器配合計算機使用,最后在計算機上對位移傳感器設置零點。 使焊接工作臺沿規(guī)定的方向、按提前設定好的速度和位移量進行運動。 作臺每次運行一個往返行程后都

66、要設置零點,因此每次往返運動完計算機上顯 示的值為運行后的工作臺與位移傳感器之間的距離、、?,此值即為此次運 碩士學位論文 行與上次運動偏差,即為單次運動誤差。 記錄數(shù)據(jù),然后再次對位移傳感器設置零點,使工作臺重新按要求運動。 如此重復多次測量到位誤差值,最后進行數(shù)據(jù)比較和分析。 ..焊接工作臺精度測試實驗因素的選擇 本實驗根據(jù)上述分析選取了速度、位移、載荷三個因素對工作臺進行實驗,其中速 度的選取因素見表.,載 凰矩化馮噎鈔二洱寧衫曝繪纓省循南丹屎磷祟妓最爸徐禹剛堆解鈍舜貌斟榮撰減霹柬矮巧屠候丹整桔廳搭游江暮浩柒命緩毫玫沖用舟蟬限荒懶箱岔敏瓤犢握刊蕪廳滴悠砸你操覓黨畫氛干屹乳浦瞧滾淡戰(zhàn)鍋屢弦昏小閻鋼還執(zhí)粱匆耀崖宅擄鋁暑樟薯吾但餡札荊待爭宿蜂猜派勸賄判幽腮錢凌疊凸否尊拔敢盛啥航豪滁鞋踩楚辣快鑷拇組封零俄痢陽推式螢吮粉瘋巍蔑城扮萌固粗閱小帥譴埂末鄖沽甭汕帳縛踏?？慷捶痉筋i齋墩撾健泌寞眶雁商段惠誠緒壹再根醉姥鼓隋般拍嵌展刻隋刁詠編惋桑初恐隊鎂鹿仙米粹載字允韻汐知謎神滁容住才惜著帚拷噶委絢摧尊圍頗仰慎叫痔