一种民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置的制作方法

本发明属于机械设备技术领域，特别是涉及一种采用机器视觉进行焊枪校准和焊接轨迹规划的焊接设备。

技术背景

压气机叶片是民用航空发动机的关键部件，在使用过程中，经常因气流冲刷和外来物冲击等原因造成叶尖、前后缘等部位材料缺失，从而引起发动机喘振、燃油利用率下降等问题。采用多层堆焊方法补足叶片缺失部分的材料，然后加工成所需外形后重新装配使用，可以降低发动机全寿命费用。

由于叶片外形是复杂的三维曲面，尺寸跨度大，损伤部位离散性强，要求焊接轨迹定位精度高，堆焊前对非熔化极焊枪的姿态和送丝位置进行精确校准，采用传统目视示教焊接轨迹和校准焊枪的方法工作效率低下，定位精度和校准精度都无法保证叶片堆焊修复的质量要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置。

为了达到上述目的，本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置包括底座、台架、叶片柔性夹具、第一CCD相机、第二CCD相机、第一电控X轴直线导轨、第三电控Z轴直线导轨、第一电控W轴旋转台、多功能焊接机头、非熔化极焊枪、第三CCD相机、第二电控T轴旋转台、第二电控Y轴直线导轨和控制器；

所述的底座为水平设置的板状结构；台架为由左支撑臂、右支撑臂和连接在两个支撑臂上端的横梁构成的门字形结构，两个支撑臂的下端分别固定在底座的后端两侧部位；

第一电控X轴直线导轨以能够左右移动的方式安装在台架的横梁前端面上，水平设置；第二电控Y轴直线导轨以能够前后移动的方式安装在底座的表面中部，水平设置；第三电控Z轴直线导轨以能够上下移动的方式安装在第一电控X轴直线导轨的中部，垂直设置；第一电控X轴直线导轨、第二电控Y轴直线导轨、第三电控Z轴直线导轨三个导轨运动方向互相垂直，实现非熔化极焊枪和叶片柔性夹具在三维空间上的相对运动；

所述的第一电控W轴旋转台为中空管状结构，后端通过支架固定在第三电控Z轴直线导轨的下端前侧；多功能焊接机头安装在第一电控W轴旋转台的下端；非熔化极焊枪夹持在多功能焊接机头的下部，并且非熔化极焊枪上的枪缆向上穿过第一电控W轴旋转台的中心，使非熔化极焊枪能够随第一电控W轴旋转台在水平方向进行360°旋转；第二电控T轴旋转台的底面固定在第二电控Y轴直线导轨的表面中部；叶片柔性夹具安装在转接板上，能够随第二电控T轴旋转台沿前后方向旋转；

第一CCD相机安装在台架的右支撑臂中部，第三CCD相机安装在台架的左支撑臂中部，并且第一CCD相机和第三CCD相机的光轴呈直角设置且焦点重合于第一电控W轴旋转台轴心的正下方；第二CCD相机安装在第三电控Z轴直线导轨的下端一侧，且镜头朝下；控制器分别与第一CCD相机、第二CCD相机、第一电控X轴直线导轨、第三电控Z轴直线导轨、第一电控W轴旋转台、非熔化极焊枪、第三CCD相机、第二电控T轴旋转台、第二电控Y轴直线导轨电连接。

所述的多功能焊接机头包括安装板、第一手动平移台、第二手动平移台、第一角度调节器、第一连接板、第二角度调节器、防撞器、第二连接板、夹持块、第三连接板、手动升降台、焊缝保护气罩、送丝杆和微调螺钉；

所述的安装板为水平设置的环形板，安装在第一电控W轴旋转台的底面上，内径与第一电控W轴旋转台的内径相同且位置相对同轴，用于设置非熔化极焊枪的枪缆；第一手动平移台水平设置由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的顶面安装在安装板的底面上，滑块与固定块的底面滑动配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块的水平运动；第二手动平移台垂直设置，由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的顶面安装在第一手动平移台的滑块底面上，滑块与固定块的侧面滑动配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块水平运动，并且第一手动平移台上滑块和第二手动平移台上滑块的运动方向垂直，由此能够实现非熔化极焊枪在水平方向上两个维度的手动水平调节；第一角度调节器由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的侧面安装在第二手动平移台上滑块的外侧面上，滑块与固定块以转动的方式配合，通过手动旋拧调节螺栓能够实现滑块在垂直平面上的角度调节，且调节方向与第一手动平移台上滑块的运动方向垂直；第一连接板的上端一侧面连接在第一角度调节器的滑块上；第二角度调节器由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块连接在第一连接板下端的另一侧面上，滑块与固定块以转动的方式配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块在垂直平面上的角度调节，调节方向与第二手动平移台上滑块的运动方向垂直，并且第一角度调节器和第二角度调节器的滑块角度调节方向互相垂直，由此实现非熔化极焊枪在垂直方向上两个维度的手动角度调节；防撞器安装在第二角度调节器的滑块上；第二连接板水平设置，一端表面连接在防撞器的下端；手动升降台由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块垂直设置，连接在第二连接板的另一端，滑块与固定块的侧面滑动配合且通过第三连接板与焊缝保护气罩的侧面相连接；非熔化极焊枪通过焊枪夹持块固定在第二连接板上，且下端的枪嘴贯穿焊缝保护气罩后位于焊缝保护气罩的中心部位，通过手动旋拧手动升降台上的调节螺栓能够实现非熔化极焊枪和焊缝保护气罩在垂直方向的相对运动；送丝杆的中部倾斜贯穿安装在焊缝保护气罩的上，尾部位于焊缝保护气罩内，且送丝口指向非熔化极焊枪的枪嘴，后端安装有微调螺钉且微调螺钉的外部位于焊缝保护气罩外，利用手动旋拧微调螺钉的方式能够实现送丝杆的尾部在水平方向的摆动，由此来调节位于送丝杆内的焊丝与非熔化极焊枪上枪嘴的相对位置。

所述的第二电控T轴旋转台由支撑架、两个旋转盘和转接板构成，支撑架为U形板状结构，底面固定在第二电控Y轴直线导轨的表面中部，并且底面与第二电控Y轴直线导轨相垂直；两个旋转盘分别以可转动的方式设置在支撑架的两侧壁内表面上；转接板两端分别通过一连接轴设置在旋转盘轴心处。

本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置采用机器视觉校准非熔化极焊枪的姿态和送丝位置，进行焊接轨迹规划，排除了人为因素对修复叶片质量的影响，提高了堆焊工作效率，保证了焊接精度。

附图说明

图1为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置结构主视图。

图2为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置结构侧视图。

图3为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置中多功能焊接机头结构

图4为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置中非熔化极焊枪垂直校准原理图。

图5为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置中非熔化极焊枪送丝距离校准原理图。

图6为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置中非熔化极焊枪送丝位置校准原理图。

图7为本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置中焊枪相对于第一电控W轴旋转台同轴校准原理图。

图8为民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置焊接轨迹规划原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置包括底座1、台架2、叶片柔性夹具3、第一CCD相机4、第二CCD相机5、第一电控X轴直线导轨6、第三电控Z轴直线导轨7、第一电控W轴旋转台9、多功能焊接机头10、非熔化极焊枪11、第三CCD相机12、第二电控T轴旋转台14、第二电控Y轴直线导轨15；

所述的底座1为水平设置的板状结构；台架2为由左支撑臂、右支撑臂和连接在两个支撑臂上端的横梁构成的门字形结构，两个支撑臂的下端分别固定在底座1的后端两侧部位；

第一电控X轴直线导轨6以能够左右移动的方式安装在台架2的横梁前端面上，水平设置；第二电控Y轴直线导轨15以能够前后移动的方式安装在底座1的表面中部，水平设置；第三电控Z轴直线导轨7以能够上下移动的方式安装在第一电控X轴直线导轨6的中部，垂直设置；第一电控X轴直线导轨6、第二电控Y轴直线导轨15、第三电控Z轴直线导轨7三个导轨运动方向互相垂直，实现非熔化极焊枪11和叶片柔性夹具3在三维空间上的相对运动；

所述的第一电控W轴旋转台9为中空管状结构，后端通过支架8固定在第三电控Z轴直线导轨7的下端前侧；多功能焊接机头10安装在第一电控W轴旋转台9的下端；非熔化极焊枪11夹持在多功能焊接机头10的下部，并且非熔化极焊枪11上的枪缆向上穿过第一电控W轴旋转台9的中心，使非熔化极焊枪11能够随第一电控W轴旋转台9在水平方向进行360°旋转；第二电控T轴旋转台14的底面固定在第二电控Y轴直线导轨15的表面中部；叶片柔性夹具3安装在转接板13上，能够随第二电控T轴旋转台14沿前后方向旋转；由第一电控X轴直线导轨6、第三电控Z轴直线导轨7、第一电控W轴旋转台9、多功能焊接机头10、非熔化极焊枪11、第二电控T轴旋转台14、第二电控Y轴直线导轨15构成机械手系统；

第一CCD相机4安装在台架2的右支撑臂中部；第三CCD相机12安装在台架2的左支撑臂中部，并且第一CCD相机4和第三CCD相机12的光轴呈直角设置且焦点重合于第一电控W轴旋转台9轴心的正下方；第二CCD相机5安装在第三电控Z轴直线导轨7的下端一侧，且镜头朝下；由第一CCD相机4、第二CCD相机5、第三CCD相机12构成机器视觉系统；控制器分别与第一CCD相机4、第二CCD相机5、第一电控X轴直线导轨6、第三电控Z轴直线导轨7、第一电控W轴旋转台9、非熔化极焊枪11、第三CCD相机12、第二电控T轴旋转台14、第二电控Y轴直线导轨15电连接。

如图3所示，所述的多功能焊接机头10包括安装板10-1、第一手动平移台10-2、第二手动平移台10-3、第一角度调节器10-4、第一连接板10-5、第二角度调节器10-6、防撞器10-7、第二连接板10-8、夹持块10-9、第三连接板10-10、手动升降台10-11、焊缝保护气罩10-12、送丝杆10-13和微调螺钉10-14；

所述的安装板10-1为水平设置的环形板，安装在第一电控W轴旋转台9的底面上，内径与第一电控W轴旋转台9的内径相同且位置相对同轴，用于安装非熔化极焊枪11的枪缆；第一手动平移台10-2水平设置，由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的顶面安装在安装板10-1的底面上，滑块与固定块的底面滑动配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块的水平运动；第二手动平移台10-3垂直设置，由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的顶面安装在第一手动平移台10-2的滑块底面上，滑块与固定块的侧面滑动配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块水平运动，并且第一手动平移台10-2上滑块和第二手动平移台10-3上滑块的运动方向垂直，由此能够实现非熔化极焊枪11在水平方向上两个维度的手动水平调节；第一角度调节器10-4由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块的侧面安装在第二手动平移台10-3上滑块的外侧面上，滑块与固定块以转动的方式配合，通过手动旋拧调节螺栓能够实现滑块在垂直平面上的角度调节，且调节方向与第一手动平移台10-2上滑块的运动方向垂直；第一连接板10-5的上端一侧面连接在第一角度调节器10-4的滑块上；第二角度调节器10-6由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块连接在第一连接板10-5下端的另一侧面上，滑块与固定块以转动的方式配合，手动旋拧调节螺栓能够实现滑块在垂直平面上的角度调节，调节方向与第二手动平移台10-3上滑块的运动方向垂直，并且第一角度调节器10-4和第二角度调节器10-6的滑块角度调节方向互相垂直，由此实现非熔化极焊枪11在垂直方向上两个维度的手动角度调节；防撞器10-7安装在第二角度调节器10-6的滑块上；第二连接板10-8水平设置，一端表面连接在防撞器10-7的下端；手动升降台10-11由固定块和滑块以及调节螺栓组成，其中固定块垂直设置，连接在第二连接板10-8的另一端，滑块与固定块的侧面滑动配合且通过第三连接板10-10与焊缝保护气罩10-12的侧面相连接；非熔化极焊枪11通过焊枪夹持块10-9固定在第二连接板10-8上，且下端的枪嘴贯穿焊缝保护气罩10-12后位于焊缝保护气罩10-12的中心部位，通过手动旋拧手动升降台10-11上的调节螺栓能够实现非熔化极焊枪11和焊缝保护气罩10-12在垂直方向的相对运动；送丝杆10-13的中部倾斜安装在焊缝保护气罩10-12的一侧面上，尾部位于焊缝保护气罩10-12内，且下端口指向非熔化极焊枪11的枪嘴，后端安装有微调螺钉10-14且微调螺钉10-14的外部位于焊缝保护气罩10-12外，利用手动旋拧微调螺钉10-14的方式能够实现送丝杆10-14的尾部在水平方向的摆动，由此来调节位于送丝杆10-13内的焊丝与非熔化极焊枪11上枪嘴的相对位置。

所述的第二电控T轴旋转台14由支撑架16、两个旋转盘17和转接板13构成，支撑架16为U形板状结构，底面固定在第二电控Y轴直线导轨15的表面中部，并且底面与第二电控Y轴直线导轨15相垂直；两个旋转盘17分别以可转动的方式设置在支撑架16的两侧壁内表面上；转接板13两端分别通过一连接轴设置在旋转盘17轴心处。

在利用本发明提供的民用航空发动机压气机叶片堆焊修复装置进行叶片堆焊修复前，需要先对其上非熔化极焊枪11的姿态和送丝位置进行校准，校准步骤如下：

(1)如图4所示，所述的非熔化极焊枪11垂直校准步骤如下：将非熔化极焊枪11上的枪嘴卸下，安装上焊枪延长杆，在控制器的控制下使第一电控X轴直线导轨6左右移动，第二电控Y轴直线导轨15前后移动，第三电控Z轴直线导轨7上下移动，直至焊枪延长杆位于第一CCD相机4和第三CCD相机12的焦点处，旋转第一电控W轴旋转台9，将第一角度调节器10-4的角度调节方向调整到与第三CCD相机12的光轴相垂直的位置；开启第三CCD相机12，通过灰度变化提取焊枪延长杆的边界，测量焊枪延长杆上两个位置中心点的坐标值，如果两个位置中心点的Z轴坐标值不重合，旋拧第一角度调节器10-4上的调节螺栓直至Z轴坐标值重合；开启第一CCD相机4，通过灰度变化提取焊枪延长杆的边界，测量焊枪延长杆上两个位置中心点的坐标值，如果两个位置中心点的Z轴坐标值不重合，旋拧第二角度调节器10-6的调节螺栓直至与Z轴坐标值重合。

(2)如图5、图6所示，所述的非熔化极焊枪11送丝位置校准步骤如下：将非熔化极焊枪11上的焊枪延长杆卸下，安装上枪嘴，在控制器的控制下使第一电控X轴直线导轨6左右移动，第二电控Y轴直线导轨15前后移动，第三电控Z轴直线导轨7上下移动，直至非熔化极焊枪11的枪嘴位于第三CCD相机12的焦点处；旋转第一电控W轴旋转台9，使送丝杆10-13与第三CCD相机12垂直，开启第三CCD相机12，测量非熔化极焊枪11的枪嘴下沿轴心的坐标，然后测量轴心正下方焊丝上沿的坐标，两个测量点Z轴坐标值相减，即为送丝距离，旋拧手动升降台10-11的调节螺栓至送丝距离达到设定值；旋转第一电控W轴旋转台9，使第三CCD相机12、送丝杆10-13、非熔化极焊枪11的枪嘴位于一条直线上，测量非熔化极焊枪11的枪嘴轴心正下方的焊丝上沿坐标，然后使第一电控W轴旋转台9旋转180°，再次测量焊丝上沿坐标，两次测量得到的坐标点X轴坐标值相减，即为焊丝熔化点与焊枪轴心之间的距离偏差，调整微调旋钮10-14，使两次测量的X轴坐标值重合，即可保证焊接过程中焊丝在非熔化极焊枪11的枪嘴轴心正下方熔化。

(3)如图7所示，所述的非熔化极焊枪11上枪嘴与第一电控W轴旋转台9同轴校准步骤如下：在控制器的控制下使第一电控X轴直线导轨6左右移动，第二电控Y轴直线导轨15前后移动，第三电控Z轴直线导轨7上下移动，直至非熔化极焊枪11的枪嘴位于第三CCD相机12的焦点处；旋转第一电控W轴旋转台9，使第一手动平移台10-2运动方向与第一电控X轴直线导轨6运动方向平行，开启第三CCD相机12，测量非熔化极焊枪11的枪嘴下沿轴心的坐标，然后使第一电控W轴旋转台9旋转180°，开启第三CCD相机12，再次测量非熔化极焊枪11的枪嘴下沿轴心的坐标，两次测量得到X轴坐标值相减再除以2，即为焊枪在第一手动平移台10-2运动方向上的偏移量，旋拧第一手动平移台10-2的调节螺栓修正该偏移量；旋转第一电控W轴旋转台9，使第二手动平移台10-3运动方向与第一电控X轴直线导轨6运动方向平行，开启第三CCD相机12，测量非熔化极焊枪11的枪嘴下沿轴心的坐标，然后使第一电控W轴旋转台9旋转180°，开启第三CCD相机12，再次测量非熔化极焊枪11的枪嘴下沿轴心的坐标，两次测量得到的X轴坐标值相减再除以2，即为非熔化极焊枪11在第二手动平移台10-3运动方向上的偏移量，旋拧第二手动平移台10-3的调节螺栓修正该偏移量。

(4)如图8所示，所述的焊接轨迹规划步骤如下：校准视觉坐标系和机械手坐标系完毕后，将损伤叶片的待焊接修复部位表面打磨平整，安装在叶片柔性夹具3上，在控制器的控制下使第一电控X轴直线导轨6左右移动，第二电控Y轴直线导轨15前后移动，第三电控Z轴直线导轨7上下移动，使第二CCD相机5位于叶片上待焊接修复部位的正上方，开启第二CCD相机5，通过灰度变化提取叶片待焊接修复部位的轮廓，得到叶片前缘、后缘、中间典型厚度部位的视觉坐标，转化为机械手坐标后自动拟合焊接轨迹，调用焊接数据库的相关焊接参数，完成焊接轨迹自动规划。

在非熔化极焊枪11的周围形成均匀的惰性气体保护气氛，第一电控X轴直线导轨6、第二电控Y轴直线导轨15、第三电控Z轴直线导轨7、第一电控W轴旋转台9、第二电控T轴旋转台14配合运动，引导非熔化极焊枪11沿规划的焊接轨迹运动，完成损伤叶片堆焊修复。