激光飛行標刻系統(tǒng)及激光加工機器人控制與仿真研究.pdf

1、激光加工機器人以高能激光束為加工工具，以多自由度機器人運動機構(gòu)實現(xiàn)激光束運動傳輸，聚焦激光束在工件上按控制系統(tǒng)預(yù)先編程設(shè)計的二維或三維加工軌跡精確運動，實現(xiàn)各種材料的點、線、面多種形式多種工藝的控型控性加工，是當今最為活躍的先進制造技術(shù)之一，在機械制造、微電子加工、產(chǎn)品包裝等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
　　 本文進行了2D激光飛行標刻系統(tǒng)和3D激光加工機器人仿真的研究?；赑C平臺研制了激光飛行標刻控制卡和控制軟件，進行了激光標刻路徑

2、智能優(yōu)化、激光飛行標刻控制算法以及最大飛行速度性能影響因素等問題的研究。研究了3D激光加工機器人運動建模仿真及3D激光加工路徑的生成方法。在研制的激光飛行標刻軟件平臺上，開展了激光加工路徑(Laser Processing Path，LPP)智能優(yōu)化算法的研究。分析了點群加工、線條筆劃加工、閉合輪廓加工三類LPP優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，針對線條筆劃路徑優(yōu)化問題，提出了一種采用正負整數(shù)進行染色體基因編碼的新方案。結(jié)合 啟發(fā)式算法和免疫算法思想

3、設(shè)計實現(xiàn)了基于優(yōu)生策略的免疫遺傳算法。根據(jù)三角形三邊關(guān)系定理設(shè)計了消除染色體自相交缺陷的平滑免疫算子；提出了“最優(yōu)染色體內(nèi)部任意積木塊必定是最優(yōu)路徑”的完美積木塊準則，并據(jù)此設(shè)計了3段局部優(yōu)化免疫算子。兩類免疫算子的引入使遺傳算法獲得了均勻的進化過程、更快的收斂速度和優(yōu)良的局域優(yōu)化能力。應(yīng)用該算法進行路徑優(yōu)化測試結(jié)果顯示，激光標刻跳躍路徑經(jīng)過優(yōu)化后長度縮短48.96％，振鏡標刻整個圖形的加工時間減少了5.34％~8.57％。該優(yōu)化算法可

4、廣泛應(yīng)用于激光切割、焊接、打孔等激光加工控制系統(tǒng)。
　　 本文研究了激光飛行標刻掃描幅面約束特性、激光飛行標刻控制算法以及激光飛行標刻速度性能影響因素等問題。首先分析了生產(chǎn)線恒速和變速運動狀態(tài)下激光飛行標刻控制的位移跟蹤模型，設(shè)計實現(xiàn)了開環(huán)計算和閉環(huán)檢測兩類運動位移補償算法實驗結(jié)果表明：開環(huán)計算跟蹤算法在不需要增加額外硬件的情況下能完成對恒速運動工件的飛行標刻；閉環(huán)檢測跟蹤算法適合恒速和變速各種情況，具有速度自適應(yīng)的優(yōu)點。進一步

5、研究了激光飛行標刻掃描幅面約束特性(Scanning Area Limitation，SAL)、最大標刻位移(Maximum Markable Offset，MMO)、最大標刻時間(Maximum Markable Time，MMT)等問題，推導(dǎo)出激光飛行標刻最大飛行速度(Maximum Flying Velocity，MFV)與沿工件運動方向的最大標刻位移成正比，與標刻時間成反比，實驗結(jié)果與MFV公式計算結(jié)果吻合良好。還研究了標刻圖形

6、對象的不同掃描順序?qū)FV的影響，分析比較了完全進入后標刻(All Entered Marking，AEM)、逐行先進入先標刻(Rowed First Entering First Marking，RFEFM)、先進入先標刻FEFM(First Entering First Marking，RFEFM)算法對MFV的影響。研究結(jié)果表明采用FEFM算法可以獲得對于多種標刻圖形的最佳激光飛行標刻速度性能。MFV公式以及FEFM掃描算法的提出

7、對于工業(yè)領(lǐng)域激光飛行標刻系統(tǒng)的性能評價和改進具有指導(dǎo)意義。
　　 本研究進行了3D激光加工機器人仿真系統(tǒng)的研究。從激光加工應(yīng)用的角度分析了5自由度激光加工機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了3P2R框架式機器人和5R旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人正、逆向運動學(xué)計算公式，并分析了兩種機器人運動機構(gòu)的特點及定位誤差。在自行開發(fā)的激光飛行標刻控制軟件基礎(chǔ)上，引入OpenGL圖形引擎，自主開發(fā)實現(xiàn)了圓柱關(guān)節(jié)臂和STL模型關(guān)節(jié)臂的3D激光加工機器人建模裝配及正、逆向運

8、動仿真功能。研究了3D空間平面加工圖形和3D示教插值曲線加工路徑的編輯方法，并實現(xiàn)了機器人加工仿真。基于Open CASCADE 造型內(nèi)核開發(fā)了更具真實感的3D激光加工機器人仿真系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了由IGES 文件導(dǎo)入3D工件模型，通過對3D模型拓撲圖元的分析，提取模型邊數(shù)據(jù)點位置信息和法線信息，經(jīng)融合處理后生成3D激光加工路徑，實現(xiàn)了3D零件復(fù)雜激光加工路徑的生成。3D激光加工機器人仿真的研究為研制開放式激光加工機器人控制系統(tǒng)以及激光加工