3kW半导体激光熔覆机器人系统整机控制研究

摘要

大功率半导体激光器具有体积小，发光效率高等优点，在激光熔覆领域得到推广应用。本论文系统地研究3kW半导体激光熔覆机器人系统的单元器件、硬件电路、控制系统软件及熔覆系统调试。论文的主要工作如下：
　　（1）设计3kW半导体激光熔覆机器人系统整体控制方案。选择西门子S7-1200PLC作为控制系统主控制器，分析半导体激光器及激光电源、ABB机器人、制冷机、送粉器等单元部件的控制需求和通讯特性，提出集成这些设备的控制方案。
　　（2）分析3kW半导体激光熔覆系统中主要单元部件的设备结构、工作原理、端口定义等；分析制冷系统中需要测量的主要参数及参数变化范围，选择传感器并设计本论文所用传感器的电气控制回路；设计激光器系统、机器人本体与控制器的电气回路及控制回路，并根据控制需求配置PLC系统硬件组态及设计I/O。
　　（3）编写用于系统协同运行的PLC控制程序，程序中包含激光功率控制子程序、与机器人通信子程序、冷却水参数控制子程序。对于各个子程序均阐述其控制思路，并对程序中使用的核心模块进行详细说明。应用 EB8000软件设计出基于TK8100i的人机操作界面，包括主界面、激光器控制界面、制冷机控制界面及报警界面等。
　　（4）在硬件设计和软件编写基础上调试控制系统，包括激光功率测试、制冷机系统运行测试、系统稳定性测试等。在Robotstudio软件中建立机器人工作站仿真模型，研究机器人运动轨迹控制方法。为验证设备的可靠性，选取三种样品进行熔覆实验，样品达到试验预期要求，表明本论文设计的3kW半导体激光熔覆机器人系统满足实际使用需求。

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1 概论

1.1 高功率半导体激光熔覆工艺研究动态

1.2 半导体激光熔覆系统研究进展

1.3 PLC在激光加工系统中的应用

1.4 论文的研究目的和现实意义

2 3kW半导体激光熔覆机器人系统控制方案

2.1 3kW半导体激光熔覆机器人系统整体结构

2.2 半导体激光器

2.3 ABB六轴机器人

2.4 系统其他设备

2.5 基于PLC的控制系统设计方案

2.6 本章小结

3 电气控制系统硬件设计

3.1 LD及电源控制回路设计

3.2 ABB机器人控制回路设计

3.3 激光冷却系统控制回路设计

3.4 PLC选型及组态配置

3.5 供电回路设计

3.6 本章小结

4 控制系统软件设计

4.1 PLC控制程序设计

4.2 人机界面设计

4.3 本章小结

5 控制系统调试及熔覆应用测试

5.1 控制系统调试

5.2 机器人运动控制

5.3 激光熔覆系统整机应用测试

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

致谢

参考文献