激光飛行標(biāo)刻系統(tǒng)及激光加工機(jī)器人控制與仿真研究.pdf

1、激光加工機(jī)器人以高能激光束為加工工具，以多自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光束運(yùn)動(dòng)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(jì)的二維或三維加工軌跡精確運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種材料的點(diǎn)、線、面多種形式多種工藝的控型控性加工，是當(dāng)今最為活躍的先進(jìn)制造技術(shù)之一，在機(jī)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(jìn)行了2D激光飛行標(biāo)刻系統(tǒng)和3D激光加工機(jī)器人仿真的研究?；赑C平臺(tái)研制了激光飛行標(biāo)刻控制卡和控制軟件，進(jìn)行了激光標(biāo)刻路徑

2、智能優(yōu)化、激光飛行標(biāo)刻控制算法以及最大飛行速度性能影響因素等問(wèn)題的研究。研究了3D激光加工機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(biāo)刻軟件平臺(tái)上，開(kāi)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(diǎn)群加工、線條筆劃加工、閉合輪廓加工三類LPP優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)線條筆劃路徑優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種采用正負(fù)整數(shù)進(jìn)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(jì)實(shí)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(jì)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(zhǔn)則，并據(jù)此設(shè)計(jì)了3段局部?jī)?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(jìn)化過(guò)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(jìn)行路徑優(yōu)化測(cè)試結(jié)果顯示，激光標(biāo)刻跳躍路徑經(jīng)過(guò)優(yōu)化后長(zhǎng)度縮短48.96％，振鏡標(biāo)刻整個(gè)圖形的加工時(shí)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(biāo)刻掃描幅面約束特性、激光飛行標(biāo)刻控制算法以及激光飛行標(biāo)刻速度性能影響因素等問(wèn)題。首先分析了生產(chǎn)線恒速和變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下激光飛行標(biāo)刻控制的位移跟蹤模型，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)計(jì)算和閉環(huán)檢測(cè)兩類運(yùn)動(dòng)位移補(bǔ)償算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：開(kāi)環(huán)計(jì)算跟蹤算法在不需要增加額外硬件的情況下能完成對(duì)恒速運(yùn)動(dòng)工件的飛行標(biāo)刻；閉環(huán)檢測(cè)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(diǎn)。進(jìn)一步

5、研究了激光飛行標(biāo)刻掃描幅面約束特性(Scanning Area Limitation，SAL)、最大標(biāo)刻位移(Maximum Markable Offset，MMO)、最大標(biāo)刻時(shí)間(Maximum Markable Time，MMT)等問(wèn)題，推導(dǎo)出激光飛行標(biāo)刻最大飛行速度(Maximum Flying Velocity，MFV)與沿工件運(yùn)動(dòng)方向的最大標(biāo)刻位移成正比，與標(biāo)刻時(shí)間成反比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與MFV公式計(jì)算結(jié)果吻合良好。還研究了標(biāo)刻圖形

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

7、對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域激光飛行標(biāo)刻系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)和改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。
　　 本研究進(jìn)行了3D激光加工機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了3P2R框架式機(jī)器人和5R旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人正、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算公式，并分析了兩種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及定位誤差。在自行開(kāi)發(fā)的激光飛行標(biāo)刻控制軟件基礎(chǔ)上，引入OpenGL圖形引擎，自主開(kāi)發(fā)實(shí)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(jī)器人建模裝配及正、逆向運(yùn)

8、動(dòng)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(shí)現(xiàn)了機(jī)器人加工仿真?；贠pen CASCADE 造型內(nèi)核開(kāi)發(fā)了更具真實(shí)感的3D激光加工機(jī)器人仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由IGES 文件導(dǎo)入3D工件模型，通過(guò)對(duì)3D模型拓?fù)鋱D元的分析，提取模型邊數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了3D零件復(fù)雜激光加工路徑的生成。3D激光加工機(jī)器人仿真的研究為研制開(kāi)放式激光加工機(jī)器人控制系統(tǒng)以及激光加工