CN112589354A - 一种自动控制焊接变形的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动控制焊接变形的系统和方法，该包括下述焊后矫形步骤：基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制，并采集控制过程中工件的当前矫形形变量；以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以所述当前矫形量更新所述矫形量阈值。本方案基于产品结构的工艺及焊接变形趋势分析、定位策略的制定、预变形/矫形的实施方案，处理过程高效、快速，在确保产品精度的基础上，可广泛应用于产品批量生产过程。

Description

一种自动控制焊接变形的系统和方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺技术领域，具体涉及一种自动控制焊接变形的系统和方法。

背景技术

众所周知，工件在焊接过程中受到不均匀温度场的作用时，将产生形状、尺寸变化，也即焊接变形。其中，随温度变化而产生的变化，称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接残余变形。

现有焊接工艺中，通常针对焊接变形进行干预控制，以避免焊接变形过大影响产品良率。基于现有焊接变形的控制方法来看，焊接变形的控制大多基于经验进行焊接预变形的设置及焊后矫形的实施。然而，量产过程中影响焊接变形的因素非常多，如：原材料成份的变化、冲压件的稳定性、焊接工艺过程的波动、电网电压的波动、焊接设备的稳定性等，都会导致焊接变形不一致/稳定。目前，以焊接经验值进行焊接变形控制的方式，无法满足批量产品质量的稳定性，特别是，严重情况下会造成停产调整，大大提高了返修成本。

有鉴于此，亟待另辟蹊径针对焊接变形进行优化，以提高产品批量生产良率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种自动控制焊接变形的系统和方法，可高效快速地应用于产品批量生产过程。

本发明提供的自动控制焊接变形的方法，包括下述焊后矫形步骤：

基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制，并采集控制过程中工件的当前矫形形变量；

以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以所述当前矫形量更新所述矫形量阈值。

优选地，所述根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，包括：

以多个矫正实验获得的样本数据，确定矫形参数以及所述矫形参数与所述样本数据的第一函数关系；其中，所述样本数据包括矫形形变量和矫形量；

根据所述当前矫形形变量和所述第一函数关系，计算获得所述当前矫形量。

优选地，所述预设的矫形量阈值以多个矫正实验获得的样本数据确定。

优选地，还包括下述焊前预变形步骤：

基于预设的预变形量阈值执行工件焊前预变形的控制，并采集控制过程中工件的当前预变形形变量；

以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，还根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，并以所述当前预形变量更新所述预变形量阈值。

优选地，所述根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，包括：

以多个矫正实验获得的样本数据，确定预变形参数以及所述预变形参数与所述样本数据的第二函数关系；其中，所述样本数据还包括预变形形变量和预变形量；

根据所述当前预变形形变量和所述第二函数关系，计算获得所述当前预形变量。

优选地，以焊后矫形控制后的当前工件不满足精度要求为判断条件，调整夹紧执行机构输出的矫形量，并再次采集相应的当前矫形形变量，直至焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求。

优选地，执行所述工件焊后矫形的控制之前，或者执行所述工件焊前预变形的控制之前，自检夹紧执行机构。

本发明还提供一种自动控制焊接变形的系统，包括：夹紧执行机构，用于输出焊后矫形作用力至工装夹具；存储单元，用于储存预设的矫形量阈值；采集单元，用于采集控制过程中工件的当前矫形形变量；控制单元，用于根据预设的所述矫形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；所述控制单元还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以所述当前矫形量更新所述矫形量阈值。

优选地，所述夹紧执行机构还用于输出焊前预变形作用力至工装夹具，所述存储单元还用于储存预设的预变形量阈值，所述采集单元还用于采集控制过程中工件的当前预变形形变量，所述控制单元还用于根据预设的所述预变形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；所述控制单元还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，并以所述当前预形变量更新所述预变形量阈值。

优选地，所述夹紧执行机构设置在工装底座上，所述工装底座上设置有用于观察形变量的刻度尺。

优选地，所述夹紧执行机构包括伺服驱动部件、夹紧机构和夹紧缸，其中，所述夹紧机构和所述夹紧缸分别位于待处理工件的两侧，所述夹紧机构用于限定待处理工件的可形变量，所述夹紧缸可根据所述控制指令输出夹紧作用力至所述工装夹具，所述伺服驱动部件可根据所述控制指令驱动所述夹紧机构调整工作位置。

优选地，所述采集单元具体为位移传感器。

针对现有焊接工艺，本方案创新性地提出了可自动控制焊接变形的方法，具体地，基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制，结合工装夹具实现相应矫形操作；矫形后当前工件满足精度要求，则根据所采集当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并更新矫形量阈值。如此设置，一方面解决了复杂零件焊接中无法解决的矫形工作，矫形、验证及阈值修正均可高效、快速地执行，利用产品批量生产过程；另外，经进一步拟合修正后更新的矫形量阈值，可最大限度的降低焊接变形所造成的影响，由此，为提升工件关键安装的尺寸精度及整体尺寸合格率提供了良好的技术保障；与此同时可减少人为因素的影响，进一步提升工装/设备的稳定性。

在本发明的优选方案中，针对焊前预变形增设了相应的控制手段。基于预设的预变形量阈值执行工件焊前预变形的控制，结合工装夹具实现相应预变形操作；同样地，当前工件满足精度要求时，则根据所采集当前预变形形变量计算确定当前预变形形量，并更新预变形形量阈值。整体上，在焊前预变形和焊后矫形两个阶段，均可精确地实现相应的自动控制。

附图说明

图1为具体实施方式所述车架纵梁的整体结构示意图；

图2示出了图1所示车架纵梁主要焊接变形的方向示意；

图3为具体实施方式中所述自动控制焊接变形的工装示意图；

图4为图3的A向视图；

图5为实施例一所述自动控制焊接变形的方法流程图；

图6为实施例二所述自动控制焊接变形的方法流程图；

图7为实施例三所述自动控制焊接变形的系统原理框图。

图中：

工装底座1、伺服驱动部件2、刻度尺3、位移传感器4、夹紧缸5、夹紧机构6、纵梁前端定位机构7、纵梁后端定位机构8、车架纵梁9；

夹紧执行机构71、存储单元72、采集单元73、控制单元74。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

不失一般性，本实施方式以图中所示车架纵梁(左)作为描述对象，详细说明自动控制焊接变形的具体方案。应当理解，不同待焊工件的结构尺寸等均依据自体功能设计确定，并非本申请对现有技术作出的贡献，故对本申请请求保护的自动控制焊接变形的相应方案未构成实质性限制。

请参见图1和图2，其中，该图示出了本实施方式所述车架纵梁的整体结构示意图，图2示出了该车架纵梁主要焊接变形的方向示意。也即，以根据生产经验确定的图示±F向焊接变形，作为本实施方式主要控制的矫形方向。

请一并参见图3和图4，其中，图3为具体实施方式中所述自动控制焊接变形的工装示意图，图4为图3的A向视图。

需要说明的是，该工装的零件定位、矫形部位需要根据产品的结构、工艺、焊接变形情况等进行设计，例如但不限于图中基于车架纵梁的优选示例。该工装包括工装底座1、伺服驱动部件2、刻度尺3、位移传感器4、夹紧缸5、夹紧机构6、纵梁前端定位机构7和纵梁后端定位机构8；其中，待处理的车架纵梁9置于工装夹具中后，可分别通过纵梁前端定位机构7和纵梁后端定位机构8进行定位固定。并在此基础上，执行相应的矫形操作。

图示工装结合数据计算分析系统，构成自动控制焊接变形的系统。

实施例一：

请参见图5，该图示出了本实施例所述自动控制焊接变形的方法流程图。该自动控制方法的工作过程如下：

S01.针对待矫形产品，选择初始预形变量及矫形量阈值。

其中，待矫形产品是指车型及该车型的具体待焊产品，本方案中为工件(车架纵梁)，具体可通过HMI(人机界面)进行确定，并选择初始预形变量及矫形量阈值。应当理解，该矫形量阈值通常大于理论值，经过矫形并松开夹紧后，工件有所回弹后基本恢复到理论尺寸。

S02.自检。

在执行相应矫形操作之前，检查各夹紧机构是否已经打开、各伺服驱动部件是否恢复到工作原点。

S03.装夹工件。

将车架纵梁放置于工装上，定位后夹紧。

S51.基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制。

根据车型/产品从数据库调用各部位的矫形量阈值，控制伺服驱动部件对焊后的车架纵梁进行矫形并保持。这里，对于待处理工件的焊前预变形和焊后矫形处理，具体处理部位的选择可根据不同车型的产品进行确定。

S52.数据采集。

采集控制过程中工件的当前矫形形变量，以用于精度判定、矫形量的计算及拟合，并进一步完善矫形数据库。

S53.精度判定。

基于车架纵梁的产品设计要求，以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，确认当前工件是否为合格产品。若是，则执行步骤S54；若否，则执行步骤S55。

S54.计算确定当前矫形量，并更新数据库。

根据所采集的当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以当前矫形量更新该车架纵梁的矫形量阈值。

也就是说，矫形后需要检测最终车架纵梁是否达到精度标准。若达到标准，记录下此次数据，存入数据库，作为下次调用基础数据。若不能达到标准，则执行步骤S55。

S55.调整夹紧执行机构输出的矫形量，并重复执行步骤S51～S53。

这里的“调整夹紧执行机构输出的矫形量”，包括增加或减少矫形量，以调整矫形数据，并再次采集相应的当前矫形形变量，直至焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求，记录下数据，并用于更新数学模型。

需要说明的是，本方案中数据存储单元中存储的阈值及计算模型均基于矫正实验确定。在矫正调试过程中，利用工装上的位移传感器4持续采集每台车架纵梁9的形变量数据，通过一定数量的矫正实验，例如但不限于，采用分布算法。

具体来说，该根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，包括：

以多个矫正实验获得的样本数据，确定矫形参数以及所述矫形参数与所述样本数据的第一函数关系；其中，所述样本数据包括矫形形变量和矫形量；根据所述当前矫形形变量和所述第一函数关系，计算获得所述当前矫形量。

同时，预设的矫形量阈值也以多个矫正实验获得的样本数据确定。本方案根据矫正实验得到最初的矫形参数。用初始数据建立数学模型，得到形变量及矫正参数的函数曲线，后续生产过程中，采集到的数据代入函数计算，得到需要矫形量数据。也就是说，系统开始启用时是一组经验值，后续的矫形量阈值数据为系统不断拟合后的最优值。

本实施例实现了焊后待矫形产品的自动控制，还可以进一步增设焊前预变形的自动控制，具体在下述实施中详细说明。

实施例二：

请参见图6，该图示出了本实施例所述自动控制焊接变形的方法流程图。该自动控制方法的工作过程如下：

S01.针对待矫形产品，选择初始预形变量及矫形量阈值。

其中，待矫形产品是指车型及该车型的具体待焊产品，本方案中为工件(车架纵梁)，具体可通过HMI(人机界面)进行确定，并选择初始预形变量及矫形量阈值。应当理解，该矫形量阈值通常大于理论值，经过矫形并松开夹紧后，工件有所回弹后基本恢复到理论尺寸。

S02.自检。

在执行相应矫形操作之前，检查各夹紧机构是否已经打开、各伺服驱动部件是否恢复到工作原点。

S03.装夹工件。

将车架纵梁放置于工装上，定位后夹紧。

S61.基于预设的预变形量阈值执行工件焊前预变形的控制。

根据车型/产品从数据库调用各部位的预变形量阈值，控制伺服驱动部件对待焊的车架纵梁进行预变形。

S62.焊接加工，并保持。

S63.数据采集。

采集控制过程中工件的当前预变形形变量，以用于精度判定、预变形量的计算及拟合，并进一步完善预变形数据库。

S64.基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制。

根据车型/产品从数据库调用各部位的矫形量，控制伺服驱动部件对焊后的车架纵梁进行矫形并保持。

S65.数据采集。

采集控制过程中工件的当前矫形形变量，以用于精度判定、矫形量的计算及拟合，并进一步完善矫形数据库。

S66.精度判定。

基于车架纵梁的产品设计要求，以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，确认当前工件是否为合格产品。若是，则执行步骤S67；若否，则执行步骤S68。

S67.计算确定当前矫形量，并更新数据库。

根据所采集的当前矫形形变量计算确定当前矫形量，同时根据所采集的当前预变形形变量计算确定当前预变形量，并以当前矫形量和当前预变形量分别更新该车架纵梁的矫形量阈值和预变形量阈值。

也就是说，矫形后需要检测最终车架纵梁是否达到精度标准。若达到标准，记录下此次数据，存入数据库，作为下次调用基础数据。若不能达到标准，则执行步骤S68。

S68.调整夹紧执行机构输出的矫形量，并重复执行步骤S64～S66。

需要说明的是，该矫形量的具体调整以及相应阈值的确定与实施例一相同，故本方案不再赘述。

其中，根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，包括：以多个矫正实验获得的样本数据，确定预变形参数以及所述预变形参数与所述样本数据的第二函数关系；其中，所述样本数据还包括预变形形变量和预变形量；根据所述当前预变形形变量和所述第二函数关系，计算获得所述当前预形变量。

实施例三：

请一并参见图3、图4和图7，其中，图7示出了自动控制焊接变形的系统原理框图。本方案提供的自动控制焊接变形的系统，可执行实施一和实施例二所述自动控制方法。

基于实施例一所述自动控制焊接变形的方法，其夹紧执行机构71用于输出焊后矫形作用力至工装夹具，其存储单元72用于储存预设的矫形量阈值，其采集单元73用于采集控制过程中工件的当前矫形形变量，其控制单元74用于根据预设的所述矫形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；并且，该控制单元74还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以当前矫形量更新所述矫形量阈值。

该夹紧执行机构设置在工装底座1上。如图3和图4所示，该夹紧执行机构71包括伺服驱动部件2、夹紧机构6和夹紧缸5，其中，夹紧机构6位于车架纵梁9(待处理工件)的上方，夹紧缸5位于车架纵梁9的下方，也即两者分别位于待处理工件的两侧。

本方案中，夹紧机构6用于限定车架纵梁9的可形变量，具体地，根据控制单元74输出的控制指令，可由伺服驱动部件2驱动夹紧机构6调整工作位置，从而限制确定车架纵梁9的可形变量；相应地，根据控制单元74输出的控制指令，夹紧缸5可输出夹紧作用力至工装夹具，由此实现矫形操作。

其中，采集单元73优选采用位移传感器4，用于采集当前工件的相应部位变形量并反馈至控制单元74，以用于精度判定、矫形量的计算及拟合。

另外，在工装底座1上设置有用于观察形变量的刻度尺3，在经验数据统计阶段，用于观察调整量与设定量的一致性。

基于实施例二所述自动控制焊接变形的方法，该夹紧执行机构71还用于输出焊前预变形作用力至所述工装夹具，该存储单元72还用于储存预设的预变形量阈值，该采集单元73还用于采集控制过程中工件的当前预变形形变量，该控制单元74还用于根据预设的所述预变形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；同时，该控制单元74还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，并以所述当前预形变量更新所述预变形量阈值。

需要说明的是，本实施方式以车架纵梁为描述对象详细说明自动控制矫形方案，图中所示纵梁前端定位机构7和纵梁后端定位机构8均适配于车架纵梁9。对于其他待处理工件，相应的定位机构可适配选择替换，可以理解的是，定位机构非本申请的核心发明点所在，且本领域技术人员基于现有技术能够实现，故本文不再赘述。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种自动控制焊接变形的方法，其特征在于，包括下述焊后矫形步骤：

基于预设的矫形量阈值执行工件焊后矫形的控制，并采集控制过程中工件的当前矫形形变量；

以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以所述当前矫形量更新所述矫形量阈值。

2.根据权利要求1所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，所述根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，包括：

以多个矫正实验获得的样本数据，确定矫形参数以及所述矫形参数与所述样本数据的第一函数关系；其中，所述样本数据包括矫形形变量和矫形量；

根据所述当前矫形形变量和所述第一函数关系，计算获得所述当前矫形量。

3.根据权利要求2所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，所述预设的矫形量阈值以多个矫正实验获得的样本数据确定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，还包括下述焊前预变形步骤：

基于预设的预变形量阈值执行工件焊前预变形的控制，并采集控制过程中工件的当前预变形形变量；

以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，还根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，并以所述当前预形变量更新所述预变形量阈值。

5.根据权利要求4所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，所述根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，包括：

以多个矫正实验获得的样本数据，确定预变形参数以及所述预变形参数与所述样本数据的第二函数关系；其中，所述样本数据还包括预变形形变量和预变形量；

根据所述当前预变形形变量和所述第二函数关系，计算获得所述当前预形变量。

6.根据权利要求5所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，以焊后矫形控制后的当前工件不满足精度要求为判断条件，调整夹紧执行机构输出的矫形量，并再次采集相应的当前矫形形变量，直至焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求。

7.根据权利要求6所述的自动控制焊接变形的方法，其特征在于，执行所述工件焊后矫形的控制之前，或者执行所述工件焊前预变形的控制之前，自检夹紧执行机构。

8.一种自动控制焊接变形的系统，其特征在于，包括：

夹紧执行机构，用于输出焊后矫形作用力至工装夹具；

存储单元，用于储存预设的矫形量阈值；

采集单元，用于采集控制过程中工件的当前矫形形变量；

控制单元，用于根据预设的所述矫形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；所述控制单元还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前矫形形变量计算确定当前矫形量，并以所述当前矫形量更新所述矫形量阈值。

9.根据权利要求8所述的自动控制焊接变形的系统，其特征在于，所述夹紧执行机构还用于输出焊前预变形作用力至所述工装夹具，所述存储单元还用于储存预设的预变形量阈值，所述采集单元还用于采集控制过程中工件的当前预变形形变量，所述控制单元还用于根据预设的所述预变形量阈值输出控制指令至所述夹紧执行机构的控制端；所述控制单元还以焊后矫形控制后的当前工件满足精度要求为判断条件，根据所述当前预变形形变量计算获得当前预形变量，并以所述当前预形变量更新所述预变形量阈值。

10.根据权利要求9所述的自动控制焊接变形的系统，其特征在于，所述夹紧执行机构设置在工装底座上，所述工装底座上设置有用于观察形变量的刻度尺。

11.根据权利要求10所述的自动控制焊接变形的系统，其特征在于，所述夹紧执行机构包括伺服驱动部件、夹紧机构和夹紧缸，其中，所述夹紧机构和所述夹紧缸分别位于待处理工件的两侧，所述夹紧机构用于限定待处理工件的可形变量，所述夹紧缸可根据所述控制指令输出夹紧作用力至所述工装夹具，所述伺服驱动部件可根据所述控制指令驱动所述夹紧机构调整工作位置。

12.根据权利要求11所述的自动控制焊接变形的系统，其特征在于，所述采集单元具体为位移传感器。

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