CN106269998B - 焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置，本发明的技术方案借助光学在线测量设备和计算机人工智能技术，对焊接整体壁板尺寸、校形量和材料动态特性在线测量，通过专家系统实时数据传输与自适应反馈控制实现激光喷丸工艺参数的设定与优化，完成焊接整体壁板的自动化、数字化和智能化的精密校形。

Description

焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置

技术领域

本发明涉及航空制造领域，特别涉及焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置。

背景技术

现代飞机对飞行速度、载荷性能和燃油经济性有较高要求，传统的铆接壁板由于刚度、强度和密闭性差、结构寿命低、重量大等缺点已被整体壁板所取代。

近年来，随着焊接技术发展，出现了筋条与蒙皮焊接而成的整体壁板结构。这种焊接整体壁板能够将材料利用率大大提高、零件制造成本大幅降低；并且桁条与蒙皮可采用不同的合金材料，为整体壁板结构设计优化提供了更大的空间，进一步提高零件结构效率。例如，空客A380机身下壁板全部采用了6013和6056铝合金的焊接整体壁板，可极大地降低了零件制造成本，并提高了整体结构效率。但是，整体壁板在筋条焊接过程中，由于只是局部受热，使壁板内部产生非均匀的热应力，导致加工完成后的壁板发生一定的初始变形及内部残余应力，不利于后期整体壁板的装配与服役，因此必须进行相应的校形处理。

目前，针对焊接整体壁板的校形方法有压力校形(例如：滚弯、压弯和锤击)、时效校形(例如：蠕变时效、振动时效)、机械喷丸校形。

在压力校形中，由于加强筋参与变形，容易产生失稳、扭曲或开裂等缺陷，并且在卸载后会产生较大回弹，校形难度极大。此外，现代飞行器对结构疲劳寿命和损伤容限有较高要求，因此在一般情况下，压力校形不作为主要校形手段，仅用于局部加强区域辅助校形手段。

时效校形必须采用具有时效硬化特性的材料，并且校形回弹量较大、壁板贴膜困难、模具成本高、准备周期长和要求有足够尺寸的热压罐，导致生产耗能及成本很高。

机械喷丸校形则存在工艺参数难定、工艺可重复性差、校形能力受板厚限制、特殊细长加强结构与局部区域校形难度大等技术难点。

综上所述，发展一种校形精度高、工艺可重复性强、自动化控制和经济高效的焊接整体壁板校形的方法是航空制造业亟需解决的技术问题。

针对上述的技术问题，中国专利CN 103752651 B《焊接整体壁板激光冲击校形方法》是通过离线测量工件变形和残余应力数据，利用计算机确定校形量和校形路径，实施激光喷丸校形后再次进行离线测量，如果贴膜间隙超过预留间隙，则重复上述步骤，直至贴膜间隙小于等于预定间隙。但上述方法存在以下问题：

1)采用离线测量工件变形，变形测量效率极低。

2)离线测量需要拆装工件，导致重复定位误差和变形大，尤其是对于大尺寸航空整体壁板而言重复精确定位很困难，推导出下一步的激光喷丸参数而没有考虑重复定位误差的影响，这在实际生产中显然不足的。

3)激光喷丸残余应力离线测量非常费事，应力测量效率低，且残余应力值不宜作为确定下一步激光喷丸工艺参数的依据。

4)激光喷丸校形工艺参数确定机制简单，仅基于变形量设定，且缺乏工艺参数优化机制，导致校形工序迭代步骤增长，效率低下。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置，旨在优化焊接整体壁板的激光喷丸的生产工艺，以实现航空精密制造的柔性化、数字化和智能化。

为实现上述目的，本发明提出一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)将需要校形的工件夹装于工作台上；

2)开启LED测量辅助照明灯组提供高质量观测光源；

3)使用光学测量相机对所述工件进行扫描，采集所述工件尺寸与校形量的数据并最终传输至专家系统；

4)所述专家系统根据所述工件尺寸和校形量的数据预设激光喷丸校形参数；

5)激光发生器及导光系统接收所述专家系统的命令，激光参数控制器设定激光喷丸校形参数；

6)工作台位移处理器接收所述激光喷丸校形参数，工作台位移控制器设定工件位移参数；

7)激光喷丸单元产生冲击波并作用于所述工件并发生相应变形；

8)所述工件激光喷丸校形过程中，所述光学测量相机实时在线测量激光喷丸区域材料动态应变场，由图形处理工作站计算应变场数据得到材料动态本构方程和动态应变率数据，并反馈至专家系统；激光喷丸校形结束，所述光学测量相机重新测量所述工件尺寸和校形量数据；

9)所述专家系统判断工件经激光喷丸校形后的尺寸是否合格；

10)如果所述工件尺寸合格，结束激光喷丸校形；

11)如果所述工件尺寸不合格，所述专家系统通过数值仿真、在线测量数据和专家数据库综合推理得出实时最优的激光喷丸校形参数与工件位移参数，并实时发送至激光发生器及导光系统与工作台位移处理器，再次实施工件激光喷丸校形；重复所述步骤5)至所述步骤11)，通过激光参数控制器与工作台位移控制器实现最优激光喷丸校形参数和工件按预定轨迹移动的实时反馈控制，逐区域控制工件变形，通过累积局部变形逐渐实现工件整体精密校形，直至工件达到尺寸要求。

优选地，所述工件为柱形、锥形、凸峰形、马鞍形和折弯形的焊接整体壁板。

优选地，所述步骤1)的所述工作台为航空制造专用的卡板式型面控制校形工装。

优选地，所述步骤3)的所述光学测量相机的分辨率2900万像素，所述光学测量相机测量位移精度0.001-0.1/pixel。

优选地，所述步骤3)或所述步骤4)的所述专家系统由理论模型数据库和试验模型数据库组成，所述理论模型数据库由数值仿真得到，所述试验模型数据库由基础试验和经验公式得到。

本发明还提出一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法的装置，所述装置包括光学在线测量模块、激光喷丸校形模块、工作台位移模块以及专家系统。

优选地，所述光学在线测量模块包括所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、所述光学设备控制器、所述图形处理工作站。所述激光喷丸校形模块包括激光发生器及导光系统、所述激光参数控制器、所述激光喷丸单元；所述工作台位移模块包括所述工作台、所述工作台位移控制器、所述工作台位移处理器；所述专家系统分别与所述图形处理工作站、所述激光发生器及导光系统、所述工作台位移处理器电连接，所述光学设备控制器分别与所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、所述图形处理工作站电连接；所述激光参数控制器分别与所述激光发生器及导光系统、所述激光喷丸单元电连接；所述工作台位移控制器分别与所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、所述激光喷丸单元、所述工作台位移处理器电连接。

本发明技术方案在工件激光喷丸校形过程中，通过光学测量相机实时在线测量激光喷丸区域材料动态应变场，并由图形处理工作站计算应变场数据得到材料动态本构方程和动态应变率数据，并反馈至专家系统，专家系统通过数值仿真、在线测量数据和专家数据库综合推理得出实时最优的激光喷丸校形参数与工件位移参数，并实时发送至激光系统与工作台位移系统，再次实施工件激光喷丸校形，使焊接整体壁板在航空精密制造中避免重复拆装工件，提高激光喷丸校形的精度和工作效率，从而实现焊接整体壁板的激光喷丸校形的柔性化、数字化和智能化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法的流程结构图；

图2为本发明焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形装置的结构示意图；

图3为本发明的柱形焊接整体壁板工件的结构示意图；

图4为本发明的锥形焊接整体壁板工件的结构示意图；

图5为本发明的凸峰形焊接整体壁板工件的结构示意图；

图6为本发明的马鞍形焊接整体壁板工件的结构示意图；

图7为本发明的折弯形焊接整体壁板工件的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形装置。

参见图2，本发明的一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形的装置包括光学在线测量模块、激光喷丸校形模块、工作台位移模块以及专家系统。其中光学在线测量模块包括LED测量辅助照明灯组2、光学测量相机3、光学设备控制器4、图形处理工作站5；激光喷丸校形模块包括激光发生器及导光系统6、激光参数控制器7、激光喷丸单元8；工作台位移模块包括工作台1、工作台位移控制器9、工作台位移处理器10。

专家系统11分别与图形处理工作站5、激光发生器及导光系统6、工作台位移处理器10电连接，光学设备控制器4分别与LED测量辅助照明灯组2、光学测量相机3、图形处理工作站5电连接；激光参数控制器7分别与激光发生器及导光系统6、激光喷丸单元8电连接；工作台位移控制器9分别与LED测量辅助照明灯组2、光学测量相机3、激光喷丸单元8、工作台位移处理器10电连接。

请参见图1，本发明还提出一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形的方法，包括以下步骤：

1)将需要校形的工件夹装于工作台1上；

2)开启LED测量辅助照明灯组2提供高质量观测光源；

3)使用光学测量相机3对工件进行扫描，采集工件尺寸与校形量的数据并最终传输至专家系统11；

4)专家系统11根据工件尺寸和校形量的数据预设激光喷丸校形参数；

5)激光发生器及导光系统6接收专家系统11的命令，激光参数控制器7设定激光喷丸校形参数；

6)工作台位移处理器10接收激光喷丸校形参数，工作台位移控制器9设定工件位移参数；

7)激光喷丸单元8产生冲击波并作用于工件并发生相应变形；

8)工件激光喷丸校形过程中，光学测量相机3实时在线测量激光喷丸区域材料动态应变场，由图形处理工作站5计算应变场数据得到材料动态本构方程和动态应变率数据，并反馈至专家系统11；激光喷丸校形结束，光学测量相机3重新测量工件尺寸和校形量数据；

9)专家系统11判断工件经激光喷丸校形后的尺寸是否合格；

10)如果工件尺寸合格，结束激光喷丸校形；

11)如果工件尺寸不合格，专家系统11通过数值仿真、在线测量数据和专家数据库综合推理得出实时最优的激光喷丸校形参数与工件位移参数，并实时发送至激光发生器及导光系统6与工作台位移处理器10，再次实施工件激光喷丸校形；重复步骤5)至步骤11)，通过激光参数控制器7与工作台位移控制器9实现最优激光喷丸校形参数和工件按预定轨迹移动的实时反馈控制，逐区域控制工件变形，通过累积局部变形逐渐实现工件整体精密校形，直至工件达到尺寸要求。

参见图3至图7，本发明的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置适用于柱形焊接整体壁板、锥形焊接整体壁板、凸峰形焊接整体壁板、马鞍形焊接整体壁板、折弯形焊接整体壁板。

请参见图1和图2，本发明在实际应用中，将需要校形的焊接整体壁板夹装于工作台1上，根据焊接整体壁板的外形尺寸调整工作台1的相应工作参数，其中焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形装置的工作台1，是航空制造专用的卡板式型面控制校形工装，其采用垂直于底座的线阵支撑结构的外形曲线构成所需要的工件外形，从而使得夹装应力最小化，并且无需根据不同形状尺寸的工件开发专用工装，从而节约制造成本以及提高生产效率。

通过开启LED测量辅助照明灯组2，为光学测量相机3提供高质量观测光源，因为LED测量辅助照明灯组2配有激光导航器，可指示和测量工件的相应位置与距离。

通过光学测量相机3对工件进行扫描，依次通过图形处理工作站5、光学设备控制器4将工件的相应尺寸与校形量数据采集并最终传出至专家系统11。因为多个光学测量相机3处于底层执行单元，由工作台位移控制器9控制，可对工件进行全场扫描，如有必要可进行局部区域的精确扫描及重构。其中，光学测量相机3分辨率2900万像素，测量位移精度0.001-0.1/pixel。图形处理工作站5采用双目视觉几何重构算法(Epipolar Geometry)得到工件实际尺寸数据，空间位置测量精度为：0.01mm/m3，并于理论外形尺寸对比得出校形量，最后将数据发送至专家系统11。

本发明中，专家系统11的综合数据库由两大模块组成，包括理论模型数据库和试验模型数据库，其中理论模型数据库，由数值仿真得到，而试验模型数据库，由基础试验和经验公式得到。专家系统11在收到光学测量相机3发送的工件尺寸和校形量数据后，专家系统11根据数据库预设激光喷丸校形参数，其中预设激光喷丸校形参数经专家系统11的理论模型数据库和试验模型数据库推理得出，然后由专家系统11分别向激光发生器及导光系统6和工作台位移处理器10发送相应的激光喷丸指令和工作台位移指令。

激光发生器及导光系统6接收专家系统11下达的激光喷丸指令后，激光发生器及导光系统6控制激光参数控制器7设置相应的激光脉冲宽度、能量、光斑直径、搭接率等参数，最终控制激光喷丸单元8进行激光喷丸。

工作台位移处理器10接收专家系统11下达的工作台位移指令后，位移控制器9设定工作台1和激光喷丸单元8工件位移参数，工作台位移处理器10对工作台1与激光喷丸单元8进行相应的位移轨迹运算，下达指令至位移控制器9，从而完成位移指令。

当工作台位移控制器9执行位移指令完毕后，激光发生器及导光系统6产生激光脉冲，并由激光喷丸单元8产生激光喷丸照射至工件表面，对工件产生冲击波作用从而使得工件发生相应的变形。

在工件进行激光喷丸校形过程中，光学测量相机3实时在线测量激光喷丸区域材料动态应变场。其中，光学测量相机3具有高速摄影功能，满幅采样频率为168Hz，在降低分辨率时可提高采样频率，采样频率可达1334Hz。应变测试精度20-50μ，通过光学设备控制器4将数据实时传输至图形处理工作站5。

图形处理工作站5接收光学测量相机3发送的数据后，计算应变场数据得到动态材料本构数据，并反馈至专家系统11。其中图形处理工作站5采用图像相关对比技术(DigitalImage Correlation)和虚拟全场计算方法(Virtual Fields Method)得出激光喷丸瞬时的动态材料本构方程和应变率，反馈至专家系统11进行迭代运算，为下一步激光喷丸校形参数优化提供数据支持。

激光喷丸校形完毕后，光学测量相机3对工件进行尺寸检测。

如果工件的尺寸满足设计要求，则校形过程结束。

如果工件的尺寸不满足设计要求，则交由专家系统11进行决策和处理。专家系统11通过数值仿真、动态测量数据和专家数据库综合推理得出实时最优的激光喷丸校形参数与工件位移参数，并实时发送至激光发生器及导光系统6与工作台位移处理器10；从而重复进行校形，通过激光参数控制器7与工作台位移控制器9实现最优激光喷丸校形参数确定和工件按预定轨迹移动的实时反馈控制，逐区域控制工件变形，实现工件精密校形并最终达到尺寸要求。

本发明所提出的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法和装置，相对于现有技术，具有工件在线测量、激光喷丸校形参数自适应设定与优化、校形工序迭代次数少和高效率低成本等优点，能够实现航空精密制造的柔性化、数字化和智能化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)将需要校形的工件夹装于工作台上；

2)开启LED测量辅助照明灯组提供高质量观测光源；

3)使用光学测量相机对所述工件进行扫描，采集所述工件尺寸与校形量的数据并最终传输至专家系统；

4)所述专家系统根据所述工件尺寸和校形量的数据预设激光喷丸校形参数；

5)激光发生器及导光系统接收所述专家系统的命令，激光参数控制器设定激光喷丸校形参数；

6)工作台位移处理器接收所述激光喷丸校形参数，工作台位移控制器设定工件位移参数；

7)激光喷丸单元产生冲击波并作用于所述工件并发生相应变形；

8)所述工件激光喷丸校形过程中，所述光学测量相机实时在线测量激光喷丸区域材料动态应变场，由图形处理工作站计算应变场数据得到材料动态本构方程和动态应变率数据，并反馈至专家系统；激光喷丸校形结束，所述光学测量相机重新测量所述工件尺寸和校形量数据；

9)所述专家系统判断工件经激光喷丸校形后的尺寸是否合格；

10)如果所述工件尺寸合格，结束激光喷丸校形；

11)如果所述工件尺寸不合格，所述专家系统通过数值仿真、在线测量数据和专家数据库综合推理得出实时最优的激光喷丸校形参数与工件位移参数，并实时发送至激光发生器及导光系统与工作台位移处理器，再次实施工件激光喷丸校形；重复所述步骤5)至所述步骤11)，通过激光参数控制器与工作台位移控制器实现最优激光喷丸校形参数和工件按预定轨迹移动的实时反馈控制，逐区域控制工件变形，通过累积局部变形逐渐实现工件整体精密校形，直至工件达到尺寸要求。

2.如权利要求1所述的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述工件为柱形、锥形、凸峰形、马鞍形和折弯形的焊接整体壁板。

3.如权利要求1所述的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述步骤1)的所述工作台为航空制造专用的卡板式型面控制校形工装。

4.如权利要求1所述的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述步骤3)的所述光学测量相机的分辨率2900万像素，所述光学测量相机测量位移精度0.001-0.1/pixel。

5.如权利要求1所述的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法，其特征在于，所述步骤3)或所述步骤4)的所述专家系统由理论模型数据库和试验模型数据库组成，所述理论模型数据库由数值仿真得到，所述试验模型数据库由基础试验和经验公式得到。

6.一种使用如权利要求1所述的焊接整体壁板在线自适应激光喷丸校形方法的装置，其特征在于，所述装置包括光学在线测量模块、激光喷丸校形模块、工作台位移模块以及专家系统。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学在线测量模块包括所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、光学设备控制器、所述图形处理工作站；所述激光喷丸校形模块包括激光发生器及导光系统、所述激光参数控制器、所述激光喷丸单元；所述工作台位移模块包括所述工作台、所述工作台位移控制器、所述工作台位移处理器；所述专家系统分别与所述图形处理工作站、所述激光发生器及导光系统、所述工作台位移处理器电连接，所述光学设备控制器分别与所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、所述图形处理工作站电连接；所述激光参数控制器分别与所述激光发生器及导光系统、所述激光喷丸单元电连接；所述工作台位移控制器分别与所述LED测量辅助照明灯组、所述光学测量相机、所述激光喷丸单元、所述工作台位移处理器电连接。