一種針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光焊接動態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，具體地，涉及一種針對復(fù)雜曲線構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空航天制造領(lǐng)域中，為了適應(yīng)飛行器的氣動外形及流線形態(tài)，復(fù)雜曲線構(gòu)件的應(yīng)用非常廣泛，如飛行器蒙皮、尾翼、內(nèi)部桁條支撐等部件均具有類似的結(jié)構(gòu)特征。同時，由于航空航天制造業(yè)中對飛行器的重量控制幾近苛刻，復(fù)雜曲線構(gòu)件多為薄壁構(gòu)件，對焊接熱輸入的控制非常嚴(yán)格，采用激光焊接的方式可以有效的實現(xiàn)低熱輸入高效焊接。
[0003]然而，由于復(fù)雜曲線構(gòu)件的焊縫多為空間曲線，使用傳統(tǒng)的示教法實施焊接存在較大位置偏差。這樣的位置偏差對于施焊精度要求很高的激光焊存在很大影響，即有可能導(dǎo)致激光焊局部散焦從而無法焊透構(gòu)件，也有可能造成光束位置偏移造成焊接位置不準(zhǔn)以及拼縫偏移。一旦出現(xiàn)局部散焦或焊接位置失準(zhǔn)對構(gòu)件的焊接效果有極大影響，將會導(dǎo)致構(gòu)件服役水平急劇下降，從而影響整個飛行器的使用壽命。
[0004]解決示教曲線同實際空間曲線偏差的研究已有一定的進(jìn)展，然而均存在自身局限性:采用全焊縫離線編程的方式雖然能夠很好的適應(yīng)復(fù)雜曲線的結(jié)構(gòu)要求，然而需要準(zhǔn)確獲得路徑曲線函數(shù)，而這一過程在很多復(fù)雜曲線焊接中均是不現(xiàn)實的；前置引導(dǎo)光的方式雖然能夠一定程度上改善局部散焦，卻受限于構(gòu)件外形曲率對引導(dǎo)光的遮擋而無法全面適用；眾多自適應(yīng)路徑跟蹤焊接頭也存在制造難度高，應(yīng)用適應(yīng)性較差的問題。
[0005]因此，當(dāng)前針對復(fù)雜構(gòu)件激光焊接局部散焦以及光束與拼縫偏移問題，缺乏行之有效的解決措施，而該問題對大尺寸薄壁構(gòu)件的生產(chǎn)又存在重要影響，有必要研究一種能夠?qū)崟r調(diào)整局部散焦與拼縫的偏移問題的監(jiān)控系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，由此解決復(fù)雜曲面構(gòu)件激光焊接的局部散焦以及光束與拼縫的偏移問題，從而保證空間曲線焊縫激光焊接全過程準(zhǔn)確聚焦，以實現(xiàn)全焊縫穩(wěn)定熔透，得到高質(zhì)量焊縫。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種復(fù)雜空間曲線焊縫實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光焊接頭、機器人、影像采集設(shè)備、圖像處理單元、數(shù)據(jù)處理單元、反饋調(diào)節(jié)單元、機器人控制單元組成。通過輸出偏移校正指令到機器人，驅(qū)動機器人完成相應(yīng)補償路徑行走動作，不斷修正散焦?fàn)顟B(tài)。重復(fù)上述過程，保證激光焊接過程準(zhǔn)確按照規(guī)劃的焊接路徑實施。
[0008]優(yōu)選地，激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的激光器可以是使用光纖傳輸?shù)募す馄鳎绻饫w激光器、半導(dǎo)體激光器、DISK激光器等。激光器可以采用連續(xù)激光的出光方式或者間歇激光的出光方式。
[0009]優(yōu)選地，激光器為中高功率激光器，最大輸出功率可達(dá)4000W。
[0010]優(yōu)選地，激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的激光焊接頭為單激光焊接頭，能夠通過輸出激光將工件熔化，伴隨相應(yīng)的物理化學(xué)過程實現(xiàn)連接。
[0011]優(yōu)選地，激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)的機器人，為五軸聯(lián)動機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲線路徑運動。
[0012]優(yōu)先地，通過在影像采集設(shè)備鏡頭前加入適當(dāng)濾片后，可以過濾焊接產(chǎn)生的強光以及干擾光等，獲取真實清晰的焊接頭與工件相對形位。
[0013]優(yōu)先地，影像采集設(shè)備被設(shè)置合理的采集頻率并獲得激光焊關(guān)鍵時刻所匹配的分析用圖像，所拍攝圖像可實時傳送到圖像處理單元。
[0014]優(yōu)選的，影像采集設(shè)備可以選用兩臺CCD高速攝像機來完成數(shù)個垂直平面上的焊接實時在線監(jiān)控，以此來實現(xiàn)三維空間的實時修正焊接點散焦?fàn)顟B(tài)，改善光束與拼縫的偏移冋題。
[0015]本發(fā)明提出的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，針對目前復(fù)雜構(gòu)件激光焊接中的局部以及光束與拼縫的偏移問題，通過實時在線監(jiān)測及相應(yīng)補償矢量的計算和加載，實現(xiàn)激光焊接全過程精確焊接，具有以下諸多技術(shù)與經(jīng)濟方面的有益效果:
[0016](1)解決局部散焦以及光束與拼縫偏移等空間曲線焊縫焊接問題。本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)主要針對復(fù)雜曲面構(gòu)件激光焊接的局部散焦以及光束與拼縫偏移問題。其目的在于最大程度上改善由于局部散焦導(dǎo)致的熔深不足及由于光斑位置偏差造成的焊接成型不良等問題。本發(fā)明的實時在線監(jiān)測，可以對任意關(guān)鍵時間點的焊接頭形位加以標(biāo)定，并以此為依據(jù)調(diào)整焊接頭同工件的相對形位，從而解決局部散焦以及光束與拼縫偏移問題。
[0017](2)實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的激光加工控制。通過實時監(jiān)控系統(tǒng)的加入，對激光焊接系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)控能力是一個巨大的促進(jìn)。由于這樣的自洽調(diào)節(jié)能力的提升，針對復(fù)雜空間曲線的質(zhì)量將會獲得相應(yīng)提升。
[0018](3)提升焊接效率。本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)可以較好的控制局部散焦并提高焊接質(zhì)量，將會減輕傳統(tǒng)的示教法所帶來的額外的工作量。在后續(xù)復(fù)雜空間曲面構(gòu)件激光焊接過程中，無需進(jìn)行嚴(yán)格的曲線擬合及分段，而可以用一較為粗略的二次曲線代替行走路徑，再由針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)對路徑進(jìn)行實時調(diào)節(jié)即可。
[0019](4)集成化程度高。本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)將焊接實施、形位監(jiān)測、過程分析、反饋調(diào)節(jié)等步驟進(jìn)行了有效集成，使得工程人員能夠方便的進(jìn)行使用。
[0020](5)適用性強。本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)是一種針對空間曲面構(gòu)件的實時監(jiān)控系統(tǒng)，其應(yīng)用不受材料屬性、材料板厚、材料表面狀態(tài)等問題的限制，具有良好的適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0021]圖1示出的是本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)示意圖；
[0022]圖2示出的是本發(fā)明的針對復(fù)雜曲面構(gòu)件的激光焊接實時在線監(jiān)控系統(tǒng)運行流程圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0024]參看圖1，本實施例中，該在線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺包括激光焊接頭、機器人，采用CCD高速攝像機作為影像采集設(shè)備，圖像處理單元、數(shù)據(jù)處理單元、反饋調(diào)節(jié)單元在同一臺計算機內(nèi)實現(xiàn)，機器人控制單元作為單獨的設(shè)備實現(xiàn)。本實施例采用圖像處理單元實現(xiàn)灰度處理、圖像濾波降噪和激光焊接施焊位置、焊接頭出光點位置的特征信息提?。粩?shù)據(jù)處理單元與反饋調(diào)節(jié)單元進(jìn)行補償矢量的計算與分解，生成補償動作；最后通過機器人控制單元根據(jù)反饋調(diào)節(jié)單元傳來的指令，向焊接機器人發(fā)出校正指令。該系統(tǒng)的目的是通過實時拍攝焊接頭與工件的相對形位，對實際形位同規(guī)劃形位比對，計算回歸規(guī)劃路徑所需的補償矢量，繼而將該矢量加載于機器人上以調(diào)節(jié)機器人按照預(yù)定軌跡進(jìn)行焊接。
[0025]具體地，參看圖1，激光加工設(shè)備由機器人、激光焊接頭、工件組成。其中待加工工件一般體積較大且為復(fù)雜空間曲面構(gòu)件，此類構(gòu)件的焊縫為空間曲線且難以通過解析表達(dá)式表示其輪廓。其中，機器人為五軸聯(lián)動機器人，具有三方向直線及兩個角度轉(zhuǎn)動自由度。該機器人在焊接復(fù)雜空間曲面構(gòu)件時能夠滿足路徑的可達(dá)性需求，然而需要預(yù)設(shè)行走軌跡。激光焊接頭為加工終端設(shè)備，附加于機器人上，同機器人端部保持相對靜止，隨機器人移動。在激光焊接過程中，首先由機器人按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行運動，同時，激光焊接頭依據(jù)預(yù)先初始程序開始出光，對工件進(jìn)行焊接。
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