一种面向航天构件的智能激光焊接系统的制作方法

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种面向航天构件的智能激光焊接系统。

背景技术

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。自面世以来，取得飞速发展，其应用遍及人类生产和生活的各个领域。在航空航天、汽车、高速铁路、船舶等高端制造业领域，激光焊接、激光热处理、激光表面涂敷、激光打孔、激光且割等工艺已经得到广泛应用，并取得了巨大的经济效益和社会效益。

激光焊接是以激光作为能量载体进行的焊接。具体地说，激光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部熔化实现焊接的。激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：

1)激光聚焦光斑小，焊接速度快，作用时间短，加热和冷却速度快，焊缝窄、热影响区小、穿透深度大、焊缝深宽比大。

2)激光功率密度高，可焊接高熔点、难熔材料等，并能对异种材料进行焊接，并且效果良好。

3)在计算机的辅助作用下，激光焊接能精确定位，实现自动焊接，并可实行焊缝自动跟踪。

4)激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械变形。

5)激光焊接具有很大的灵活性，可以焊接难以接近的部位，对于远距离非接触部位可以进行焊接。最近，在yag激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术得到了更广泛的推广与应用。

6)激光能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。

随着德国工业4.0和中国智能制造2025等国家级制造业发展规划的出台，激光焊接与机器人、机器视觉等技术的结合愈加趋于紧密，大大提高激光焊接系统的生产性能，表现在：

1)激光束与机器人的可编程特性耦合，同一套装备，能够很容易就适应不同零件的焊接需求。多种零件，不同批次产品在同一工位进行生产，提高了设备利用率，降低生产成本。

2)激光焊接装备集成机器视觉，实现了焊缝跟踪、焊接过程监控、焊后检验等智能化应用，提高了焊接质量。

针对航天系统产品的多品种、小批量、质量要求高等特点，急需开发一种智能激光焊接系统，以实现工件柔性装夹，焊接轨迹自动生成，焊接路径自适应，焊接质量实时检测等智能化功能，提高生产效率和生产质量，保障航天生产任务的准时推进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种面向航天构件的智能激光焊接系统，以实现工件柔性装夹，焊接轨迹自动生成，焊接路径自适应，焊接质量实时检测等智能化功能，提高生产效率和生产质量，保障航天生产任务的准时推进。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种面向航天构件的智能激光焊接系统，其创新点在于：包括自动化上下料与柔性装夹子系统、视觉机器人与智能控制子系统、自适应激光焊接头和焊接质量在线监测子系统，

所述自动化上下料与柔性装夹子系统包括上下料机器人、机器人控制柜及工件传输装置，所述上下料机器人的末端设有柔性装夹，且柔性装夹设于工件传输装置的上方；

所述视觉机器人与智能控制子系统包括设于上下料机器人的末端且位于柔性装夹上方的ccd相机及机器视觉配置与控制系统，且机器视觉配置与控制系统与机器人控制柜及ccd相机电连接；

在所述柔性装夹的侧端还设有与柔性装夹配合的自适应激光焊接头及焊接质量在线监测子系统。

进一步地，所述ccd相机包括光源、摄像头、图像采集卡及工控计算机及机器视觉配置的控制软件。

进一步地，所述视觉机器人与智能控制子系统通过ccd相机对工件进行拍照并提取焊接轮廓，机器视觉配置与控制系统将照片上的轮廓数据变换为机器人tcp坐标轨迹。

进一步地，所述轮廓提取包括边缘检测和轮廓生成，所述边缘检测包括如下步骤：

(1)滤波：边缘检测算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数，通过滤波器增强边缘和降低噪声；

(2)增强：增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值，通过计算梯度幅值来增强边缘；

(3)检测：根据图像中梯度幅值阈值进行检测；

(4)定位：某一应用场合要求确定边缘位置，边缘的位置通过子像素分辨率估计，进而估计出边缘的方位。

进一步地，所述自适应激光焊接头采用光学识别焊缝跟踪系统。

进一步地，所述焊接质量在线监测子系统包括设置在熔池的信号滤波器以及与信号滤波器依次联接的外部光学传感器、光纤和数字信号处理单元。

本发明的优点在于：

（1）本发明面向航天构件的智能激光焊接系统，其中，自动化上下料与柔性装夹子系统，能够适应筋骨蒙皮类、罐类、箱类、导管类零件等各类零件上件需要，定位精度达0.05mm；

（2）本发明面向航天构件的智能激光焊接系统，其中，视觉机器人与智能控制子系统，自动生成机器人焊接轨迹，简化了机器人编程工作，改善了人员工作环境，提高了工作效率；

（3）本发明面向航天构件的智能激光焊接系统，其中，自适应激光焊接头，消除了工件加工偏差的影响，始终保证激光光斑位于焊缝中心，提高构件焊缝性能一致性和生产质量；

（4）本发明面向航天构件的智能激光焊接系统，其中，焊接质量在线监测子系统，降低了零件焊后检测的数量，保证生产质量的同时，降低了生产成本，提高了生产效率；

（5）本发明面向航天构件的智能激光焊接系统，整套激光焊接系统，实现了智能化、可视化、柔性化的先进制造目标，保障了航天国防系统的稳定高效生产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明面向航天构件的智能激光焊接系统中自动化上下料与柔性装夹子系统与视觉机器人与智能控制子系统的结构示意图。

图2为本发明面向航天构件的智能激光焊接系统中焊接质量在线监测子系统的结构示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例面向航天构件的智能激光焊接系统，包括自动化上下料与柔性装夹子系统、视觉机器人与智能控制子系统、自适应激光焊接头和焊接质量在线监测子系统。

如图1所示，自动化上下料与柔性装夹子系统包括上下料机器人1、机器人控制柜2及工件传输装置3，上下料机器人1的末端设有柔性装夹4，且柔性装夹4设于工件传输装置3的上方；视觉机器人与智能控制子系统包括设于上下料机器人的末端且位于柔性装夹上方的ccd相机5及机器视觉配置与控制系统6，且机器视觉配置与控制系统6与机器人控制柜2及ccd相机5电连接。

在柔性装夹4的侧端还设有与柔性装夹4配合的自适应激光焊接头及焊接质量在线监测子系统。

本实施例中，ccd相机5包括光源、摄像头、图像采集卡及工控计算机及机器视觉配置的控制软件。

视觉机器人与智能控制子系统通过ccd相机5对工件进行拍照并提取焊接轮廓，机器视觉配置与控制系统6将照片上的轮廓数据变换为机器人tcp坐标轨迹；轮廓提取包括边缘检测和轮廓生成，所述边缘检测包括如下步骤：

(1)滤波：边缘检测算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数，通过滤波器增强边缘和降低噪声；

(2)增强：增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值，通过计算梯度幅值来增强边缘；

(3)检测：根据图像中梯度幅值阈值进行检测；

(4)定位：某一应用场合要求确定边缘位置，边缘的位置通过子像素分辨率估计，进而估计出边缘的方位。

轮廓可以用边缘序列表或曲线拟合来表示。轮廓的最简单表示形式是边缘有序表，这种表示的精确度就是边缘估计的精确度，但其表示的紧凑性是最差的，因此不是一种有效的后续图像分析表示方法。用适当的曲线来拟合边缘会提高精确度，这是因为曲线模型拟合边缘时往往具有均值化效应，因而可以减少边缘位置误差。曲线模型也会提高轮廓表示的经济性，为后处理提供了一种更适合、更紧凑的表示。

得到照片上的轮廓数据后，可以通过坐标变换来得到tcp轨迹数据。这里的变换涉及到四个矩阵。其中𝐻𝑜𝑏𝑗𝑐𝑎𝑚是物体在照片里的成像坐标矩阵，即前述轮廓点位置；𝐻𝑐𝑎𝑚𝑡𝑜𝑜𝑙是标定得来的相机与工具tcp的位置关系矩阵；𝐻𝑡𝑜𝑜𝑙𝑏𝑎𝑠𝑒(acq.pos)为拍照时的机器人工具tcp相对于基坐标的位置坐标矩阵。前述三个矩阵相乘即能得到，焊缝轮廓相对于机器人基坐标的位置矩阵𝐻𝑡𝑜𝑜𝑙𝑏𝑎𝑠𝑒。

实施例中，自适应激光焊接头采用光学识别焊缝跟踪系统，对于焊缝自动跟踪系统，其中，线激光传感器内置cmos传感器，通过结构光反射的三角测量法，对激光条纹成像，反馈给控制器进行后续处理。该方法中，所投射的结构光可以是一束，而最新研究结果表明，三束封闭的结构光更能够有效地探测焊缝路径。其后，通过标定确定激光传感器与机器人的手眼关系。通过有效控制光源发射功率、调节激光传感器的安装角度、去除干扰区域、滤波等，获取清晰、稳定的焊缝区图像，实现焊缝图像的预处理。通过对采集到的激光条纹有效识别其起始点、终点、拐点的位置，定义其断点，进行相对位置的计算，依据特征点提取算法，获取焊缝中心位置、根部间隙、错变量等。通过预置接头识别算法，激光传感器实时获取焊缝接头的中心位置，并将其传给机器人，转换为tcp位置数据，将其与当前位置比较，经差值进行位置修正，实现机器人焊接路径自适应功能。

实施例中，如图2所示，焊接质量在线监测子系统包括设置在熔池的信号滤波器7以及与信号滤波器7依次联接的外部光学传感器8、光纤9和数字信号处理单元10，具体系统原理如下：首先是利用焊接过程中的熔池光反射经外部光学传感器8及光纤9传输光信号，其次熔池反射光通过模拟/数字信号转换，经数字信号处理单元10，获得焊接过程波形。另外，在焊接过程中，采用信号灯控制焊接过程是否能正常运行，通过对这些信号的分析来理解焊接过程，对焊接工艺以及焊接过程中出现的缺陷进行分析，同时进行优化，也就是说，将反馈的信号的分析将是焊接质量优化的依据。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。