激光加工机数控系统开发及焊缝跟踪技术研究

论文摘要

激光加工是光、机、电相结合的一种先进制造技术,它以其独特的优越性成为未来制造业的重要加工手段。目前,国内外应用于激光加工机的数控系统大多是一种专用型、封闭式系统,该类系统价格昂贵,无法适应现代化加工中高柔性、低成本的要求。近年来,代表了激光加工数控技术发展方向的、具有良好柔性和较低成本的开放式数控系统正逐渐成为数控技术研究的热点。开放式数控系统的研究目的是要建立一种模块化、可重构、可扩充的软硬件系统结构,以增强数控系统的功能柔性,在体系结构上给用户留有进行二次开发的更多余地,能够快速而经济地响应新的加工需求。本文结合五轴联动激光加工机床5LC,使用PMAC多轴运动控制器开发了一套适用于激光加工要求的开放式数控系统。同时,为了提高激光焊接的自动化程度,文章对焊缝自动跟踪技术进行了研究。论文的研究内容主要有:1、五轴联动激光加工机5LC开放式数控系统的开发。基于PMAC多轴运动控制器搭建了激光加工机数控系统硬件平台;在此基础上利用Visual C++6.0编程语言,开发了激光焊接、激光切割、激光淬火等加工模块以及能够实现数据处理、加工过程在线管理等功能的系统管理模块。2、针对五轴联动激光加工机5LC的结构,建立了机床运动学模型,编写了基于刀位文件的后置处理模块,实现了机床的自动化编程。最后,以激光淬火为例对该模块进行了实验,实验结果表明该模块完全达到了设计要求。3、在研究焊缝跟踪模型的基础上,以CCD摄像机、图像采集卡、工控机为核心完成焊缝视觉跟踪系统的硬件平台的搭建。针对该平台,对CCD摄像机进行了标定,确定了摄像机的内外参数;同时,重点研究了焊缝跟踪过程所涉及到的图像滤波、焊缝边缘提取、形态学图像处理等几项关键技术,完成了焊缝跟踪系统的软件开发。通过平面焊缝跟踪实验,验证了系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光加工机床的发展及应用现状
• 1.3 开放式数控系统
• 1.3.1 开放式数控系统的定义及特点
• 1.3.2 国外开放式数控系统的发展
• 1.3.3 我国开放式数控系统的发展
• 1.4 国内外焊缝跟踪及控制技术的研究现状及发展
• 1.4.1 国外的研究发展
• 1.4.2 国内的研究发展
• 1.5 课题的研究背景及意义
• 1.6 课题内容
• 2 激光加工机数控系统开发
• 2.1 开放式数控系统开发策略的选择
• 2.2 数控系统硬件平台的搭建
• 2.3 激光加工机数控系统软件开发
• 2.3.1 数控系统软件总体方案设计
• 2.3.2 数控系统的开发环境及相关技术
• 2.3.3 上下位机之间进行通讯的通讯驱动程序
• 2.3.4 实时控制部分程序开发
• 2.3.5 管理部分程序开发
• 2.4 PID参数的设定及调试
• 2.5 激光切割实验
• 2.6 小结
• 3 基于UG刀位源文件的机床后置处理
• 3.1 基于刀位算法的机床运动学建模
• 3.1.1 刀位算法的特点
• 3.1.2 基于刀位算法的机床运动学逆解
• 3.2 机床基准位置标定
• 3.2.1 标定原理
• 3.2.2 旋转工作台标定
• 3.2.3 标定结果
• 3.3 激光加工机后置处理模块的实现
• 3.4 仿真实验
• 3.5 小结
• 4 平面焊缝跟踪系统的数学模型及摄像机标定
• 4.1 焊缝跟踪系统的硬件组成
• 4.2 焊缝跟踪系统的数学模型
• 4.3 摄像机标定
• 4.3.1 摄像机成像模型
• 4.3.2 线性标定
• 4.3.3 两步标定法
• 4.3.4 两步法标定实验
• 4.4 小结
• 5 焊缝跟踪系统软件开发
• 5.1 软件结构
• 5.2 图像处理技术在焊缝跟踪中的应用
• 5.2.1 图像滤波
• 5.2.2 图像分割
• 5.2.3 形态学图像处理技术
• 5.3 MALAB与VC++混合编程
• 5.3.1 VC++与MATLAB的接口技术简介
• 5.3.2 使用MATLAB编译器实现与VC++的混合编程
• 5.4 焊缝跟踪实验
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文的主要工作与结论
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文