CN103331512B - 一种异型曲面的电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子束焊接领域，具体涉及一种异型曲面的电子束焊接方法。它包括：步骤一：建立焊缝平面曲线；以待焊件三维模型为基础，生成待焊焊缝轨迹曲线；步骤二：曲线分解；根据曲线特点对曲线进行分解，分解原则为根据焊缝曲线将其分解为直线段和圆弧段；步骤三：采集点并解算；解算电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径，步骤四：空转试运行；采用空转的方式将焊接程序运行一次，验证步骤三数据的正确性，如果正确用上述参数进行正式焊接，如果不正确返回步骤二，增加曲线分解中分解曲线的个数。本发明的优点是：实现了复杂异形曲面电子束焊接时快速高效解算出焊缝轨迹方程并保证一次焊接成形。

Description

一种异型曲面的电子束焊接方法

技术领域

本发明属于电子束焊接领域，具体涉及一种异型曲面的电子束焊接方法。

背景技术

现有的真空电子束焊机，其电子束焊接工作方式如图1所示，焊接电子束枪多是固定不动的，但可以通过更改电子束的聚焦电流高度参数1来实现其在Z方向变化，在焊枪下方适当的位置设置平台3，平台3可实现三个方位的联动，即平台3可在X-Y两自由度方向平动，即焊机平台可在X-Y两自由度方向平动，平台3设置主轴轴心2，在该主轴轴心2上设置待焊接零件，旋转的主轴的主轴旋转轴心2可带动焊接零件绕着焊机坐标X轴的主轴旋转，自由度为C，故零件在焊接过程中最多可实现四个方位的联动。

在精密产品的焊接过程中，要求焊缝的热输入保持不变，并确保电子束流与待焊点的法向一致，而聚焦电流必须随零件焊缝表面到电子枪高度的变化进行调整，以保证焊缝质量。通常情况下通过水平工作台的水平运动实现直线焊缝的焊接，通过旋转胎的旋转运动实现圆周焊缝的焊接，另外也可通过工作台的水平联动实现水平面内(z＝0)的曲线焊缝焊接。但是，当精密产品的焊接焊缝是竖直平面内(z≠0)的二次曲线时，通常焊接此类曲线焊缝通过人工直线插补+密集采点的方式完成焊接，采用此种方法需在待焊件焊接过程中将待焊的圆弧焊缝分成不同直线进行拼焊，故起弧熄弧的部位较多，两分段焊缝交接部位的质量难以保证。这种方式效率低、焊接效果差，质量难以保证。

发明内容

本发明针对现有技术缺陷，提供一种异型曲面的电子束焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种异型曲面的电子束焊接方法，包括下述步骤：

步骤一：建立焊缝轨迹曲线

以待焊件三维模型为基础，生成待焊焊缝轨迹曲线；

步骤二：曲线分解

根据曲线特点对曲线进行分解，分解原则为根据焊缝轨迹曲线将其分解为直线段和圆弧段；

步骤三：采集点并解算

对步骤二分解得到的每段曲线均采集下述点：主轴中心坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧角度；然后解算出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径，

步骤四：空转试运行

采用空转的方式将焊接程序运行一次，验证步骤三数据的正确性，

如果正确用上述参数进行正式焊接，如果不正确返回步骤二，增加曲线分解中分解曲线的个数。

如上所述的一种异型曲面的电子束焊接方法，其中，所述的步骤三中的解算按照下述步骤进行：

首先对于任意工件上的曲线焊缝，以主轴中心为原点，两坐标轴平行于焊机机器坐标轴，建立坐标系YZ，并设其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}Y=f\left(t\right)\\ Z=g\left(t\right)\end{array}\right.$ ..........................................公式(1)

其中：t为变量；

Y、f为t对应的Y轴的函数；

Z、g为t对应的Z轴的函数；

所述的f和g是以步骤一中的曲线为基础，根据高等数学的曲线平面分解计算得到的对应函数，

然后依据下述公式进行解算

Yo′＝(Yo-Ya)cosθ+(Zo-Za)sinθ

Zo′＝(Zo-Za)cosθ-(Yo-Ya)sinθ

H＝L-Zo′

R＝SQRT(Yo′*Yo′+Zo′*Zo′)........................公式(2)

其中：θ为曲线上任意一点A处切线的切线角即主轴转角；

Yo为O点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Zo为O点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Ya为A点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Za为A点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Yo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Y′向位移，即电子束Y方向平动距离，步骤三测量得到；

Zo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Z′向位移，即焊点距主轴的高度距离，步骤三测量得到；

L为电子束发射口距主轴的高度值，焊接机基本尺寸，为恒定常数，通过测量焊接机得到，或者通过焊接机的技术手册得到；

H为曲线上任意一点A的聚焦高度，步骤三测量得到；

R为曲线上任意一点A的回转半径，步骤三测量得到；

由以上方程可得出任意焊点对应的主轴位移、转角和聚焦高度，因此可以以某一参数为自变量，使其在定义域中以某个步长值进行变化，从而得出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径。

本发明的优点是：采用三维模型将焊缝轨迹曲线转化为可解析的平面曲线，通过曲线方程解算出焊缝每一点处的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径的参数方程，确保焊缝上每一点在电子束焊接时焦点都聚集在焊缝上并且电子束轴线与当前焊接点处的曲线法向一致，实现了复杂异形曲面电子束焊接时快速高效解算出焊缝轨迹方程并保证一次焊接成形。

附图说明

图1电子束焊接工作方式简图；

图2焊缝局部形状；

图3焊机焊接到曲线焊缝任意某点A时曲线在实际焊机中的位置状态；

图4典型前后段舱体对接结构示意图；

图5A向异型曲面焊缝轨迹图；

图6拟合后的焊缝分段图；

图7第二小段焊缝解算示意图。

图中：1.焊枪的聚焦高度 2.主轴轴心 3.平台。

具体实施方式

一种异型曲面的电子束焊接方法，包括下述步骤：

步骤一：建立焊缝轨迹曲线

在待焊件三维模型设计出来后(即产品未加工焊接前)，就可根据待焊焊缝轨迹建立焊缝平面曲线。本步骤采用现有技术实现。

步骤二：曲线分解

根据曲线特点对曲线进行分解，分解原则为根据焊缝轨迹曲线将其分解为直线段和圆弧段，即焊缝轨迹曲线由多段连续的直线段和圆弧段组成，同时分解的段数尽量少。

步骤三：采集点并解算

对步骤二分解得到的每段曲线均采集下述点：主轴中心坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧角度(直线段没有圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧角度)。然后解算出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径。

步骤四：空转试运行

采用空转的方式将焊接程序运行一次，验证步骤三数据的正确性。

如果正确用上述参数进行正式焊接，如果不正确返回步骤二，增加曲线分解中分解曲线的个数。

所述的步骤三中的解算按照下述步骤进行。

首先对于任意工件上的曲线焊缝，以主轴中心为原点，两坐标轴平行于焊机机器坐标轴，建立坐标系YZ如图2所示，并设其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}Y=f\left(t\right)\\ Z=g\left(t\right)\end{array}\right.$ ..........................................公式(1)

其中：t为变量；

Y、f为t对应的Y轴的函数；

Z、g为t对应的Z轴的函数；

所述的f和g是以步骤一中的曲线为基础，根据高等数学的曲线平面分解计算得到的对应函数。

当焊机焊接到曲线焊缝任意某点A时，曲线在实际焊机中的位置状态如图3所示，此时以A点为原点，电子束轴线为Z′轴(取竖直向上为正方向)，A点处曲线切线为Y′轴建立新笛卡尔坐标系。由于电子束轴线位置固定(即焊枪位置固定)，因此O点距电子束轴线的距离便为此时的主轴位移；由于主轴高度固定(即电子束枪到转胎的高度一定)，因此O点距A点处切线的距离便为此时焊点距主轴平面距离，由此推算出聚焦高度：聚焦高度＝电子束发射口距主轴的高度值-主轴距焊点高度值；A点处切线的切线角即为主轴转角。根据平面直角坐标系的坐标变换公式可得如下公式：

Yo′＝(Yo-Ya)cosθ+(Zo-Za)sinθ

Zo′＝(Zo-Za)cosθ-(Yo-Ya)sinθ

H＝L-Zo′

R＝SQRT(Yo′*Yo′+Zo′*Zo′)........................公式(2)

其中：θ为曲线上任意一点A处切线的切线角即主轴转角；

Yo为O点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Zo为O点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Ya为A点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Za为A点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Yo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Y′向位移，即电子束Y方向平动距离，步骤三测量得到；

Zo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Z′向位移，即焊点距主轴的高度距离，步骤三测量得到；

L为电子束发射口距主轴的高度值，焊接机基本尺寸，为恒定常数，通过测量焊接机得到，或者通过焊接机的技术手册得到；

H为曲线上任意一点A的聚焦高度，步骤三测量得到；

R为曲线上任意一点A的回转半径，步骤三测量得到；

由以上方程可得出任意焊点对应的主轴位移、转角和聚焦高度。因此可以以某一参数为自变量，使其在定义域中以某个步长值进行变化，从而得出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径。

Claims (2)

1.一种异型曲面的电子束焊接方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：建立焊缝轨迹曲线

以待焊件三维模型为基础，生成待焊焊缝轨迹曲线；

步骤二：曲线分解

根据曲线特点对曲线进行分解，分解原则为根据焊缝轨迹曲线将其分解为直线段和圆弧段；

步骤三：采集点并解算

对步骤二分解得到的每段曲线均采集下述点：主轴中心坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧角度；然后解算出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径，

步骤四：空转试运行

采用空转的方式将焊接程序运行一次，验证步骤三数据的正确性，

如果正确用上述参数进行正式焊接，如果不正确返回步骤二，增加曲线分解中分解曲线的个数。

2.如权利要求1所述的一种异型曲面的电子束焊接方法，其特征在于：所述的步骤三中的解算按照下述步骤进行：

首先对于任意工件上的曲线焊缝，以主轴中心为原点，两坐标轴平行于焊机机器坐标轴，建立坐标系YZ，并设其方程为：

其中：t为变量；

Y、f为t对应的Y轴的函数；

Z、g为t对应的Z轴的函数；

所述的f和g是以步骤一中的曲线为基础，根据高等数学的曲线平面分解计算得到的对应函数，

然后依据下述公式进行解算

Yo′＝(Yo-Ya)cosθ+(Zo-Za)sinθ

Zo′＝(Zo-Za)cosθ-(Yo-Ya)sinθ

H＝L-Zo′

R＝SQRT(Yo′*Yo′+Zo′*Zo′)........................公式(2)

其中：θ为曲线上任意一点A处切线的切线角即主轴转角；

Yo为O点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Zo为O点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Ya为A点在(Y、Z)坐标系下的Y向坐标；

Za为A点在(Y、Z)坐标系下的Z向坐标；

Yo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Y′向位移，即电子束Y方向平动距离，步骤三测量得到；

Zo′为O点距A点的(Y′、Z′)坐标系下的Z′向位移，即焊点距主轴的高度距离，步骤三测量得到；

L为电子束发射口距主轴的高度值，焊接机基本尺寸，为恒定常数，通过测量焊接机得到，或者通过焊接机的技术手册得到；

H为曲线上任意一点A的聚焦高度，步骤三测量得到；

R为曲线上任意一点A的回转半径，步骤三测量得到；

由以上方程可得出任意焊点对应的主轴位移、转角和聚焦高度，因此可以以某一参数为自变量，使其在定义域中以某个步长值进行变化，从而得出曲线上每点对应的电子束流聚焦高度、电子束焊机主轴在Y方向平动、主轴绕C轴转动角、回转半径。