本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法，屬于焊接領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
自英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項(xiàng)技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小，無需保護(hù)氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時(shí)能顯著降低成本、節(jié)省材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量等特點(diǎn)受到各國科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于這項(xiàng)技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點(diǎn)，它很快就被用于航天領(lǐng)域，新一代運(yùn)載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，但是在工程實(shí)際操作中，待焊區(qū)域形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)車床式攪拌摩擦焊嚴(yán)重受限，只能焊接平直表面，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件表面的焊接。因工件復(fù)雜，焊接時(shí)焊具位置需要及時(shí)變換與校準(zhǔn)，如專利(申請?zhí)?01510675554.6)所描述，但這種校準(zhǔn)方法適用范圍小，且需要焊前準(zhǔn)備工作繁瑣，設(shè)備龐大、并難以保證焊縫前后強(qiáng)度一致性，難以在通用攪拌摩擦焊具設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。因此本發(fā)明針對攪拌摩擦焊具的位置和姿態(tài)提出了一種新的定位方式，通過焊接前分析調(diào)整激光信號，模擬焊接路徑上攪拌頭位置、姿態(tài)等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法，焊接前自動模擬并修正攪拌頭角度高度，不需破壞焊件的表面結(jié)構(gòu)，有利于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，能根據(jù)具體的焊接要求方便更改下壓量，傾斜角度。技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置，包括攝像頭、四個(gè)棱鏡體和凸透鏡，所述攝像頭位于主體支架中心，攝像頭通過攝像頭固定板固定在主體支架上，攝像頭與實(shí)時(shí)顯示畫面的顯示器連接，所述凸透鏡中心設(shè)有通孔，凸透鏡套在攝像頭固定板上，凸透鏡的內(nèi)壁與攝像頭固定板之間有間隙，凸透鏡通過透鏡固定板與主體支架連接，凸透鏡通過底座安裝在主體支架上，所述底座設(shè)有階通孔，通孔設(shè)有截面為圓弧狀的臺階，臺階的圓弧曲率與凸透鏡的曲率相同，所述主體支架上安裝有蓋板，底座、主體支架和蓋板通過螺栓連接，所述四個(gè)棱鏡體繞攝像頭的中心軸圓周均布，在蓋板上放置有與棱鏡體對應(yīng)的激光頭；激光頭發(fā)射的激光進(jìn)入棱鏡體，在棱鏡體中分兩路，一路豎直穿透棱鏡體進(jìn)入凸透鏡中，在凸透鏡中折射后進(jìn)入待焊工件表面，另一路在四個(gè)棱鏡體內(nèi)反射后從凸透鏡的間隙中豎直射入到待焊工件表面。作為優(yōu)選，所述棱鏡體包含三個(gè)三棱鏡，三棱鏡為等腰直角三棱鏡，等腰直角三棱鏡的斜邊所在的面上涂有反射層，三個(gè)等腰直角三棱鏡組成的棱鏡體的截面為直角梯形。作為優(yōu)選，所述蓋板中心設(shè)有螺紋孔。在焊具被安裝在攪拌摩擦焊接機(jī)器人手臂上之后，一種上述的攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：(1)調(diào)整校準(zhǔn)裝置與焊接區(qū)域間隔1個(gè)焦距，使外側(cè)4路激光匯聚至待焊區(qū)域中同一點(diǎn)，記為O點(diǎn)，內(nèi)側(cè)4路激光在待焊工件表面形成光點(diǎn)，分別依次記為A、B、C、D點(diǎn)；(2)調(diào)整校準(zhǔn)裝置沿焊具軸向上提0.5倍焦距距離，外側(cè)4路激光在待焊工件表面形成光點(diǎn)，對應(yīng)同源內(nèi)側(cè)激光，分別記為a、b、c、d，通過特征圖案比較Aa、Bb、Cc、Dd距離；(3)調(diào)節(jié)焊具姿態(tài)，確保焊具軸線經(jīng)過焊接區(qū)域，并使Aa、Bb、Cc、Dd距離相等，保持焊具軸向不變，移動焊具，使外側(cè)4路激光匯聚至O點(diǎn)，記錄此時(shí)焊具在機(jī)器人系統(tǒng)中坐標(biāo)位置和軸向角度；(4)將待焊工件表面區(qū)域多次取點(diǎn)，重復(fù)步驟(1)至(3)，通過分析焊具在每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)位置和軸向角度，擬合成攪拌摩擦焊接機(jī)器人焊接路徑。在本發(fā)明中，攝像頭安裝在主體支架的中心線上，攝像頭、主體支架、凸透鏡的軸線與焊具的軸線重合；攝像頭同時(shí)也位于凸透鏡的內(nèi)孔中，其軸線與凸透鏡的內(nèi)孔軸線重合；每個(gè)激光頭配套三個(gè)等腰直角三棱鏡，前兩個(gè)斜邊面相對放置，將光線分為徑向和軸向兩方向，最后一個(gè)等腰直角三棱鏡斜邊面涂反射層，將水平激光折射為軸向方向；3路激光通過光路裝置后，形成了6路激光，其中外側(cè)3路激光匯聚于凸透鏡的焦點(diǎn)，內(nèi)側(cè)3路激光平行軸線穿過凸透鏡內(nèi)的通孔后到達(dá)工件，這6路激光照射到工件表面后形成光點(diǎn)的特征圖案。有益效果：現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)這是一種新式的攪拌摩擦焊接機(jī)器人手臂姿態(tài)激光校準(zhǔn)裝置，焊接前自動模擬并修正攪拌頭角度高度，不需破壞焊件的表面結(jié)構(gòu)。(2)校準(zhǔn)過程中精度高，有利于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，能根據(jù)具體的焊接要求方便更改下壓量，傾斜角度。(3)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)，重復(fù)多次使用。該攪拌摩擦焊接機(jī)器人激光自動校準(zhǔn)裝置部件較少、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)且裝配方便，這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中光路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為棱鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為第一特征圖案。圖5為第二特征圖案。具體實(shí)施方式如圖1至圖3所示，本發(fā)明的一種攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置，包括攝像頭9、四個(gè)棱鏡體4和凸透鏡7，所述攝像頭9位于主體支架3中心，攝像頭9通過攝像頭固定板10固定在主體支架3上，攝像頭9與實(shí)時(shí)顯示畫面的顯示器連接，所述凸透鏡7中心設(shè)有通孔，凸透鏡7套在攝像頭固定板10上，凸透鏡7的內(nèi)壁與攝像頭固定板10之間有間隙，凸透鏡7通過透鏡固定板5與主體支架3連接，凸透鏡7通過底座8安裝在主體支架3上，所述底座8設(shè)有階通孔，通孔設(shè)有截面為圓弧狀的臺階，臺階的圓弧曲率與凸透鏡7的曲率相同，便于底座8更好的定位凸透鏡7，所述主體支架3上安裝有蓋板1，底座8、主體支架3和蓋板1通過螺栓6連接，所述四個(gè)棱鏡體4繞攝像頭9的中心軸圓周均布，棱鏡體4包含三個(gè)三棱鏡41、42、43，三棱鏡為等腰直角三棱鏡，直角梯形斜邊所對應(yīng)的邊上的等腰直角三棱鏡43的斜邊所在的面上涂有反射層，三個(gè)等腰直角三棱鏡組成的棱鏡體4的截面為直角梯形，在蓋板1上放置有與棱鏡體4對應(yīng)的激光頭2，所述蓋板1中心設(shè)有螺紋孔，使攪拌摩擦焊具無需拆卸攪拌頭，直接與姿態(tài)位置校準(zhǔn)器螺紋配合；激光頭2發(fā)射的激光進(jìn)入棱鏡體4，在棱鏡體4中分兩路，一路豎直穿透棱鏡體4進(jìn)入凸透鏡7中，在凸透鏡7中折射后進(jìn)入待焊工件表面，另一路在四個(gè)棱鏡體4內(nèi)反射后從凸透鏡7的間隙中豎直射入到待焊工件表面。如圖4所示，當(dāng)凸透鏡7中心與距離工件距離為1個(gè)焦距時(shí)，特征圖案1中內(nèi)側(cè)3個(gè)點(diǎn)形成正三角形，外側(cè)3點(diǎn)匯成一點(diǎn)位于正三角形中心。如圖5所示，當(dāng)焊具軸線與待焊工件區(qū)域表面垂直、凸透鏡7中心與距離工件距離為1.5倍焦距時(shí)，特征圖案2中內(nèi)側(cè)3個(gè)點(diǎn)形成正三角形，外側(cè)3路激光在工件表面形成3個(gè)光點(diǎn)。本發(fā)明的裝置的安裝方法如下：將凸透鏡7放入底座8，蓋上透鏡固定板5，將等腰直角三棱鏡依次放入主體支架3，攝像頭9放入主體支架3中間通孔，導(dǎo)線穿過限位孔，旋上攝像頭固定板10，將激光頭2裝入蓋板1，導(dǎo)線穿過限位孔，將裝配好的蓋板1、主體支架3、底座8配合在一起，通過螺栓6連接，將激光頭2、攝像頭9的導(dǎo)線接入電源和圖像分析裝置。在焊具被安裝在攪拌摩擦焊接機(jī)器人手臂上之后，一種上述的攪拌摩擦焊具姿態(tài)和位置校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：(1)從焊具頭部取下軸肩，安裝本裝置；(2)打開激光和攝像頭9，拍攝特征圖案，分析特征圖案中光點(diǎn)位置；(3)調(diào)整本裝置與焊接區(qū)域距離點(diǎn)約為一個(gè)焦距，使外側(cè)3路激光匯聚至待焊區(qū)域中同一點(diǎn)，記為O點(diǎn)，內(nèi)側(cè)3路激光在待焊工件表面形成光點(diǎn)，分別依次記為A、B、C點(diǎn)；(4)將焊具沿著軸向上提0.5倍焦距距離，外側(cè)3路激光在待焊工件表面形成光點(diǎn)，對應(yīng)同源內(nèi)側(cè)激光，分別記為a、b、c；(5)通過特征圖案比較Aa、Bb、Cc距離；(6)調(diào)節(jié)焊具姿態(tài)，確保焊具軸線經(jīng)過焊接區(qū)域，并使Aa、Bb、Cc距離相等；(7)保持焊具軸向不變，移動焊具，使外側(cè)3路激光匯聚至O點(diǎn)；(8)記錄此時(shí)焊具在機(jī)器人系統(tǒng)中坐標(biāo)位置和軸向角度；(9)將待焊工件表面區(qū)域多次取點(diǎn)，重復(fù)步驟(3)至(8)，通過分析焊具在每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)位置和軸向角度，擬合成攪拌摩擦焊接機(jī)器人焊接路徑；(10)換上攪拌頭，設(shè)定下壓量，實(shí)行焊接操作。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。