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原文传递 Hair--pin绕组激光飞行焊接工艺及控制算法研究

论文题名：	Hair--pin绕组激光飞行焊接工艺及控制算法研究
关键词：	新能源汽车;驱动电机;激光飞行焊接;控制策略
摘要：	随着汽车的驱动电机向高性能、高效率、高功率密度方向的发展，Hair-pin电机由于其高槽满率、高散热效率以及良好的NVH特性，目前已经逐步成为新能源汽车驱动电机的首选对象。Hair-pin电机的生产过程中，对Hair-pin绕组的端部进行焊接是必不可少的工艺步骤，因此研究合适的焊接工艺与焊接策略对提升Hair-pin电机的合格率和生产效率具有重大的意义。　　本文通过研究Hair-pin绕组的激光焊接工艺参数与激光飞行焊接控制策略来提高Hair-pin绕组的焊接质量与生产效率，为Hair-pin绕组的焊接提供了一定的参考价值。本文的主要研究内容如下: 　　首先，搭建了激光飞行焊接实验平台，对激光器，振镜系统，机器人系统，水冷机，惰性保护气等平台组成部分做了详细的介绍。鉴于Hair-pin电机的绕组主要由铜扁线成型得到，因此本文选用的实验对象是规格为4mm×2mm×55mm的铜扁线。通过对其进行热塑性绝缘材料的去除等预处理，得到待实验的试样。　　其次，针对Hair-pin绕组的激光焊接工艺进行了研究。选择的焊接轨迹为直径2mm的圆形，在激光功率和焊接速度为自变量的基础上，定义了能量密度这一关键工艺参数,结合该参数对焊缝的形貌、熔深、熔宽、截面积、机械强度、表面硬度、焊缝的电阻值等指标进行了分析。针对Hair-pin绕组端部由于装夹不当的问题产生的Hair-pin上下高度差现象，对前述工艺进行了改进，即在原有轨迹的基础上添加左右两侧大小不同的半圆轨迹。依据上述方法，进行了能量仿真和实验验证，实验结果表明:工艺优化后的焊缝在外观形貌上与对照组（未进行工艺优化）相比产生了较大的改善,机械性能提升109.52％,电阻值降低13.11％,说明该工艺优化方案是Hair-pin绕组出现上下错位缺陷的良好解决方案。　　之后，从理论方面研究了激光飞行焊接过程中的运动跟踪与补偿的控制算法，同时对机器人最大飞行性能进行了分析。通过对飞行加工的流程进行分析，建立了激光飞行焊接的物理模型，对模型进行了简化，在此基础上得出了运动跟踪与补偿算法的数学模型，并通过MATLAB对算法进行了运动轨迹的仿真。之后分析得出了在振镜系统与机器人系统通信周期不同的情况下的控制流程。并根据扫描幅面的约束特性及实际的飞行策略要求得出了最大飞行性能的计算公式。　　最后，为了验证激光飞行焊接对Hair-pin绕组焊接的可行性，开发了控制系统软件，设计了相关实验流程并进行了工艺实验，之后分别对焊接质量以及焊接加工时间进行分析。结果表明:在相同工艺参数下，采用激光飞行焊接对Hair-pin端部进行焊接并不会对焊接质量产生较大影响，其电阻值相较于传统方法增加1.9％,最大拉伸载荷相较于传统方法降低1.4％;采用激光飞行焊接对加工效率提升显著，加工时间将在原有的基础上降低近20％。
作者：	张岸涛
专业：	机械
导师：	刘日良;张承瑞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023