CN105345264A - 一种针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统。该在线监控系统的硬件平台包括激光焊接头、机器人、影像采集设备、图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元、机器人控制单元。该系统的目的是通过实时拍摄焊接头与工件的相对形位，将实际形位与规划行位比对，计算回归规划路径所需的补偿矢量，继而将该矢量加载于机器人上以调节机器人按照预定轨迹进行焊接。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接动态监控领域，具体地，涉及一种针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统。
背景技术
在航空航天制造领域中，为了适应飞行器的气动外形及流线形态，复杂曲线构件的应用非常广泛，如飞行器蒙皮、尾翼、内部桁条支撑等部件均具有类似的结构特征。同时，由于航空航天制造业中对飞行器的重量控制几近苛刻，复杂曲线构件多为薄壁构件，对焊接热输入的控制非常严格，采用激光焊接的方式可以有效的实现低热输入高效焊接。
然而，由于复杂曲线构件的焊缝多为空间曲线，使用传统的示教法实施焊接存在较大位置偏差。这样的位置偏差对于施焊精度要求很高的激光焊存在很大影响，即有可能导致激光焊局部散焦从而无法焊透构件，也有可能造成光束位置偏移造成焊接位置不准以及拼缝偏移。一旦出现局部散焦或焊接位置失准对构件的焊接效果有极大影响，将会导致构件服役水平急剧下降，从而影响整个飞行器的使用寿命。
解决示教曲线同实际空间曲线偏差的研究已有一定的进展，然而均存在自身局限性：采用全焊缝离线编程的方式虽然能够很好的适应复杂曲线的结构要求，然而需要准确获得路径曲线函数，而这一过程在很多复杂曲线焊接中均是不现实的；前置引导光的方式虽然能够一定程度上改善局部散焦，却受限于构件外形曲率对引导光的遮挡而无法全面适用；众多自适应路径跟踪焊接头也存在制造难度高，应用适应性较差的问题。
因此，当前针对复杂构件激光焊接局部散焦以及光束与拼缝偏移问题，缺乏行之有效的解决措施，而该问题对大尺寸薄壁构件的生产又存在重要影响，有必要研究一种能够实时调整局部散焦与拼缝的偏移问题的监控系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统，由此解决复杂曲面构件激光焊接的局部散焦以及光束与拼缝的偏移问题，从而保证空间曲线焊缝激光焊接全过程准确聚焦，以实现全焊缝稳定熔透，得到高质量焊缝。
为实现上述目的，本发明提供一种复杂空间曲线焊缝实时监测系统，该系统由激光焊接头、机器人、影像采集设备、图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元、机器人控制单元组成。通过输出偏移校正指令到机器人，驱动机器人完成相应补偿路径行走动作，不断修正散焦状态。重复上述过程，保证激光焊接过程准确按照规划的焊接路径实施。
优选地，激光焊接实时在线监控系统的激光器可以是使用光纤传输的激光器，例如光纤激光器、半导体激光器、DISK激光器等。激光器可以采用连续激光的出光方式或者间歇激光的出光方式。
优选地，激光器为中高功率激光器，最大输出功率可达4000W。
优选地，激光焊接实时在线监控系统的激光焊接头为单激光焊接头，能够通过输出激光将工件熔化，伴随相应的物理化学过程实现连接。
优选地，激光焊接实时在线监控系统的机器人，为五轴联动机器人，能够实现复杂曲线路径运动。
优先地，通过在影像采集设备镜头前加入适当滤片后，可以过滤焊接产生的强光以及干扰光等，获取真实清晰的焊接头与工件相对形位。
优先地，影像采集设备被设置合理的采集频率并获得激光焊关键时刻所匹配的分析用图像，所拍摄图像可实时传送到图像处理单元。
优选的，影像采集设备可以选用两台CCD高速摄像机来完成数个垂直平面上的焊接实时在线监控，以此来实现三维空间的实时修正焊接点散焦状态，改善光束与拼缝的偏移问题。
本发明提出的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统，针对目前复杂构件激光焊接中的局部以及光束与拼缝的偏移问题，通过实时在线监测及相应补偿矢量的计算和加载，实现激光焊接全过程精确焊接，具有以下诸多技术与经济方面的有益效果：
(1)解决局部散焦以及光束与拼缝偏移等空间曲线焊缝焊接问题。本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统主要针对复杂曲面构件激光焊接的局部散焦以及光束与拼缝偏移问题。其目的在于最大程度上改善由于局部散焦导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问题。本发明的实时在线监测，可以对任意关键时间点的焊接头形位加以标定，并以此为依据调整焊接头同工件的相对形位，从而解决局部散焦以及光束与拼缝偏移问题。
(2)实现更加精准的激光加工控制。通过实时监控系统的加入，对激光焊接系统的自适应调控能力是一个巨大的促进。由于这样的自洽调节能力的提升，针对复杂空间曲线的质量将会获得相应提升。
(3)提升焊接效率。本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统可以较好的控制局部散焦并提高焊接质量，将会减轻传统的示教法所带来的额外的工作量。在后续复杂空间曲面构件激光焊接过程中，无需进行严格的曲线拟合及分段，而可以用一较为粗略的二次曲线代替行走路径，再由针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统对路径进行实时调节即可。
(4)集成化程度高。本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统将焊接实施、形位监测、过程分析、反馈调节等步骤进行了有效集成，使得工程人员能够方便的进行使用。
(5)适用性强。本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统是一种针对空间曲面构件的实时监控系统，其应用不受材料属性、材料板厚、材料表面状态等问题的限制，具有良好的适应性。
附图说明
图1示出的是本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统示意图；
图2示出的是本发明的针对复杂曲面构件的激光焊接实时在线监控系统运行流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参看图1，本实施例中，该在线监控系统的硬件平台包括激光焊接头、机器人，采用CCD高速摄像机作为影像采集设备，图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元在同一台计算机内实现，机器人控制单元作为单独的设备实现。本实施例采用图像处理单元实现灰度处理、图像滤波降噪和激光焊接施焊位置、焊接头出光点位置的特征信息提取；数据处理单元与反馈调节单元进行补偿矢量的计算与分解，生成补偿动作；最后通过机器人控制单元根据反馈调节单元传来的指令，向焊接机器人发出校正指令。该系统的目的是通过实时拍摄焊接头与工件的相对形位，对实际形位同规划形位比对，计算回归规划路径所需的补偿矢量，继而将该矢量加载于机器人上以调节机器人按照预定轨迹进行焊接。
具体地，参看图1，激光加工设备由机器人、激光焊接头、工件组成。其中待加工工件一般体积较大且为复杂空间曲面构件，此类构件的焊缝为空间曲线且难以通过解析表达式表示其轮廓。其中，机器人为五轴联动机器人，具有三方向直线及两个角度转动自由度。该机器人在焊接复杂空间曲面构件时能够满足路径的可达性需求，然而需要预设行走轨迹。激光焊接头为加工终端设备，附加于机器人上，同机器人端部保持相对静止，随机器人移动。在激光焊接过程中，首先由机器人按照预设轨迹进行运动，同时，激光焊接头依据预先初始程序开始出光，对工件进行焊接。
影像采集设备的主体为两台拍摄面垂直的CCD高速摄像机，伴以辅助光源、滤光片、广角镜头等相关附件，对激光焊接过程进行实时图像采集。即在激光焊接头出光的同时开启摄像装备，同时将摄像装备同图像处理单元进行数据连接，实时采集的图像数据以数据包的形式按照每个采集时间步长传送至图像处理单元。
图像处理单元为一个能够运行图像处理软件的计算机终端。图像处理单元的功能是通过将CCD相机拍摄而得的256色图像进行预处理并提取相应关键位置坐标，预处理包括对图片进行灰度处理：将256色图片转化为仅有灰度表示的8位图片；对图片进行滤波降噪，即对焊接头和工件焊接部位做强化处理：对其他干扰信号进行滤除，强化位置轮廓信息。第三步为提取图片特征信息，主要包括激光焊接施焊位置和焊接头出光点位置的选取，最后将提取完成的图片的位置信息传递给数据处理单元。
数据处理单元对图像处理单元传递的图片关键信息进行分析，以拍摄平面为基准面，将施焊焊缝位置转化为一个坐标区，而焊接头则作为一个带有端点的法向矢量。以实施焊接位置点为原点，沿工件表面的法线向焊接头方向延伸出一个理论规划的离焦量L0，定位为位置(X0,Y0)，出光点位置为(X1,Y1)，计算得到位置补偿矢量dX＝X1-X0，dY＝Y1-Y0，随后，补偿矢量(dX，dY)被传递到反馈调节单元。
依据传递而得的该时刻补偿矢量，反馈调节单元对该矢量进行分解，分解为机器人关节可操作的相应动作，并形成动作列表。此动作列表传递给机器人控制单元，由机器人控制单元通过计算机自编程运用机器人离线编程软件编制各动作离线程序，将其导出为成熟程序样本。最后，将其加载于机器人上完成本时间步的反馈调节。
不断重复上述过程即可实现激光焊接全过程实时监控，完成无局部散焦以及焊接位置失准现象的激光焊接。
下面，给出用本发明的针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统焊接的一些具体实例及显著提升的焊接效果。
实例1：某钛合金飞行器外壳焊接
焊缝长度：约2m
激光功率：4000w
焊接速度：4m/min
光斑直径：0.5mm
气流量：3.5m3/h
能够顺利完成焊透，并在不损失焊接速度的情况下获得具有足够强度的焊接接头。经过拉伸试验后，发现焊接接头强度达到母材90％，认为完全满足强度要求。同时，显微观察可以看到，焊接接头完整无缺陷，组织较为细密均匀，焊接质量优异。
实例2：铝合金飞机蒙皮试验件焊接
焊缝长度：约10m
材料厚度：1.8mm
激光功率：1800w
焊接速度：3m/min
光斑直径：0.5mm
气流量：3.5m3/h
实现了蒙皮背面单面焊接双面成型的效果，焊后T形焊缝进行剥离实验满足航标要求，达到理想焊接效果。
因此，本发明提出的针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统，能够大幅度的提升复杂空间曲面构件激光焊接的焊接质量。同时，由于在示教路径设计上的简化，可以有效的提升复杂构件激光焊接效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种针对复杂曲线构件的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，其包括激光器、激光焊接头、焊接机器人、影像采集设备、图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元和机器人控制单元，其中：
所述激光焊接头装在焊接机器人手臂上，并由焊接机器人的动作来控制其焊接路径；所述激光器输出激光送至激光焊接头；
所述影像采集设备安装相对固定，并随激光焊接头的移动而移动，与激光焊接头保持相对静止，其摄像镜头始终对准激光焊接头及激光焊接施焊区；
所述影像采集设备采集的图像，送入图像处理单元提取激光焊接头出光点位置和激光焊接施焊位置位置区，送至数据处理单元；
所述数据处理单元将提取的激光焊接头出光点坐标和激光焊接施焊位置坐标化，与规划的焊接头出光点坐标对比，计算出偏移矢量，送入反馈调节单元；
所述反馈调节单元将所述偏移矢量正交分解为水平面上两个部分，生成水平面位置偏移操作指令，传送给机器人控制单元；
所述机器人控制单元根据反馈调节单元传来的指令，通过离线编程向焊接机器人发出实时校正指令；
所述焊接机器人按校正指令作偏移校正，补偿路径执行行走动作，不断修正焊接点散焦以及光束与拼缝偏移问题。
2.如权利要求1所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述数据处理单元处理步骤如下：以拍摄平面为基准面，以实施焊接位置点为原点，沿工件表面的法线向焊接头轴线方向延伸出一个理论规划的离焦量L0，定位为位置(X0,Y0)，出光点位置为(X1,Y1)，计算得到位置补偿矢量dX＝X1-X0，dY＝Y1-Y0；随后，补偿矢量(dX，dY)输出到反馈调节单元。
3.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，在所述影像采集设备是两台拍摄面垂直的CCD高速摄像机，它们分别完成两个垂直平面上的焊接实时采集，将两个垂直平面采集的信息分两次送入图像处理单元、数据处理单元、反馈调节单元和机器人控制单元进行处理，实现三维空间的实时修正焊接点散焦以及光束与拼缝偏移问题。
4.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述的激光器是使用光纤传输的激光器,激光焊接头为单激光焊接头。
5.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述机器人为五轴联动机器人，能够实现复杂曲线路径运动。
6.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述影像采集设备是CCD高速摄像机，其拍摄频率应达到1000帧以上，能够清晰获取每一个焊接时刻焊接头和工件的图像。
7.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述图像处理单元依次进行灰度处理、图像滤波降噪、获取激光焊接头出光点和激光焊接施焊区位置的特征信息。
8.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述高速摄像机镜头前设有滤光镜，用于滤除激光焊接时产生的强光及干扰光。
9.如权利要求1或2所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述图像处理单元、数据处理单元和反馈调节单元运行于同一台计算机。
10.如权利要求3、6、7或8所述的激光焊接实时在线监控系统，其特征在于，所述高速摄像机镜头前设有滤光镜，用于滤除激光焊接时产生的强光及干扰光。
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