本發(fā)明涉及機械制造領(lǐng)域，具體涉及一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制方法與裝置，其特別適用于大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件的精確校形。

背景技術(shù)：

工業(yè)生產(chǎn)中的大量重要產(chǎn)品，如航空、船舶、汽車、建筑施工等制造行業(yè)都離不開焊接技術(shù)，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形會嚴重影響制造過程本身和焊接結(jié)構(gòu)的使用性能，因此，應(yīng)采取各種有效的措施將焊接殘余應(yīng)力和焊接變形減至最小，或者焊后將它們消除。

目前常采用退火消除焊接變形法、機械矯正法、剛性固定法、預(yù)應(yīng)力法、反變形法等方法來對焊接變形進行校正。這些方法在某種程度上能夠控制和減小焊接變形，但存在種種不足，精度更難以控制，因此一種效率高、操作簡單、適用性強、精度高的焊接金屬板料校形方法的提出具有很好的實際意義。

近年來，激光噴丸技術(shù)的深入研究為焊接校形中的部分問題提供了一種解決途徑，2002年6月，美國加利福尼亞大學(xué)的Hackel等人在美國國家專利中提出了利用激光噴丸強化裝置對金屬板材進行三維彎曲成形的原理和精確成形的方法，但未對激光噴丸開展進一步研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服傳統(tǒng)焊接校形的種種不足，本發(fā)明提供焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的方法與裝置，直接利用高功率的脈沖激光沖擊具有吸收層的焊接件，使吸收層氣化電離并形成沖擊波，由于焊接件表面水約束層的作用，高壓沖擊波作用于材料表面，產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，然后通過多點沖擊形成大面積的殘余應(yīng)力區(qū)域的分布，最終達到精確校形的目的。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明一方面提供了一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，其包括計算機控制系統(tǒng)(1)，激光器電源(2)，高功率脈沖激光器(3)，導(dǎo)光與光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)，反射鏡組(5)，透視鏡組(6)，焊接件(7)，夾具(8)，機械手(9)，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)，照明光源(11)，測量相機(12)，動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)，夾緊控制系統(tǒng)(14)，約束層噴水系統(tǒng)(15)，水層控制系統(tǒng)(16)，能量吸收層(17)，顯影劑(18)；其特征在于，其中所述計算機控制系統(tǒng)(1)與所述激光器電源(2)、所述動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)、所述夾緊控制系統(tǒng)(14)和所述水層控制系統(tǒng)(16)電氣連接；所述激光器電源(2)電氣連接所述高功率脈沖激光器(3)；所述水層控制系統(tǒng)(16)電連接所述約束層噴水系統(tǒng)(15)；所述夾緊控制系統(tǒng)(14)電連接所述機械手(9)，所述機械手(9)連接固定所述夾具(8)；所述動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)電連接所述動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)。

本發(fā)明另一方面提供了一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的方法，其基于所述的焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，其特征在于，所述方法的具體步驟為：

步驟1，在所述計算機控制系統(tǒng)(1)中將動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)測量得到的焊接件(7)的三維結(jié)果與標準產(chǎn)品的三維CAD模型進行坐標對齊，執(zhí)行對比分析，得到整個零件變形的可視化結(jié)果，確定需校形部位的變形量及校形路徑；

步驟2，建立激光噴丸校形強度與變形量之間的關(guān)系，得到激光噴丸校形強度與變形量之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，計算機控制系統(tǒng)(1)根據(jù)需校形部位的變形量，利用插值的方法以及所述數(shù)據(jù)庫，確定需校形部位的激光噴丸校形強度；

步驟3，計算機控制系統(tǒng)(1)通過所述激光器電源控制所述高功率脈沖激光器(3)，按確定好的激光噴丸校形強度和校形路徑對所述焊接件(7)需校形部位進行激光噴丸校形處理；

步驟4，通過動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)對激光噴丸校形檢驗，將實際測試結(jié)果與所述標準產(chǎn)品的三維CAD模型再次對比分析，如果分析結(jié)果超過預(yù)定誤差，則依次重復(fù)步驟2、3，逐步逼近，直至小于等于預(yù)定誤差。

更進一步的，所述的激光能量E在5-10J之間，激光光斑大小為3mm-8mm,激光脈沖寬度為8ns-16ns，脈沖重復(fù)率20Hz。

更進一步的，所述動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)包括兩臺高速測量相機(12)和兩臺照明光源(11)，進行測量和/或檢驗時，所述照明光源(11)發(fā)射的光照射在所述焊接件的(7)背面，焊接件(7)背面顯影微點(18)受到光照射發(fā)生漫反射，其中一部分反射光被高速測量相機(12)捕捉，從而在激光噴丸過程中，獲取三維型面坐標、位移和變形速度信息。

更進一步的，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)將所述信息反饋到計算機控制系統(tǒng)(1)，所述計算機控制系統(tǒng)(1)通過所述激光器電源控制所述高功率脈沖激光器(3)調(diào)整激光噴丸強度，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和焊接板料噴丸校形的動態(tài)控制。

更進一步的，所述高功率脈沖激光器(3)發(fā)射的激光依次通過所述反射鏡組(5)和透視鏡組(6)對所述焊接件(7)進行激光噴丸作業(yè)。

本發(fā)明帶來的有益效果包括但不限于：

(1)本發(fā)明可以對焊接試樣表面進行三維實時測量，測量數(shù)據(jù)實時傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將實際測試獲得的三維結(jié)果與產(chǎn)品的三維CAD模型進行坐標對齊，執(zhí)行對比分析，進而及時調(diào)整沖擊參數(shù)及校形路徑，可以非常精確的控制校形形狀。

(2)本發(fā)明通過夾持運動系統(tǒng)機械手的靈活運動和水層控制系統(tǒng)的相對運動，可以適應(yīng)于多種材料的校形，適用范圍廣，效率高。

(3)焊接金屬板料噴丸校形后表面形成了一定深度的殘余壓應(yīng)力，可顯著提高疲勞強度，校形的同時對焊接件表面進行了強化。

附圖說明

圖1焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置示意圖

圖2噴丸校形焊接板料構(gòu)成示意圖

圖中包括計算機控制系統(tǒng)(1)，激光器電源(2)，高功率脈沖激光器(3)，導(dǎo)光與光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)，反射鏡組(5)，透視鏡組(6)，焊接件(7)，夾具(8)，機械手(9)，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)，照明光源(11)，測量相機(12)，動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)，夾緊控制系統(tǒng)(14)，約束層噴水系統(tǒng)(15)，水層控制系統(tǒng)(16)，能量吸收層(17)，顯影劑(18)，其中與計算機控制系統(tǒng)(1)相連的有激光器電源(2)、動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)、夾緊控制系統(tǒng)(14)、水層控制系統(tǒng)(16)；夾具(8)被固定在機械手(9)上。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。

實施例一。

一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的方法，其具體步驟為：

步驟1，借助三維輪廓掃描儀將實際測試獲得的三維結(jié)果與產(chǎn)品的三維CAD模型進行坐標對齊，執(zhí)行對比分析，得到整個零件變形的可視化結(jié)果，進一步確定需校形部位的變形量及校形路徑；

步驟2，通過試驗建立試驗參數(shù)與變形量之間的關(guān)系，得到激光噴丸校形強度與變形量之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，計算機根據(jù)需校形部位的變形量，利用插值的方法，確定需校形部位的激光噴丸校形強度；

步驟3，利用激光噴丸設(shè)備，按計算機確定好的激光噴丸校形強度和校形路徑對焊接金屬板料需校形部位進行激光噴丸校形處理；

步驟4，利用動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)10對激光噴丸校形檢驗，將實際測試結(jié)果與CAD模型對比分析，如果超過預(yù)定誤差，則依次重復(fù)步驟2、3，逐步逼近，直至小于等于預(yù)定誤差。

實施例二。

參見圖1-2，焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，包括計算機控制系統(tǒng)(1)，激光器電源(2)，高功率脈沖激光器(3)，導(dǎo)光與光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)，反射鏡組(5)，透視鏡組(6)，焊接件(7)，夾具(8)，機械手(9)，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)，照明光源(11)，測量相機(12)，動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)，夾緊控制系統(tǒng)(14)，約束層噴水系統(tǒng)(15)，水層控制系統(tǒng)(16)，能量吸收層(17)，顯影劑(18)，其中與計算機控制系統(tǒng)(1)相連的有激光器電源(2)、動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)、夾緊控制系統(tǒng)(14)、水層控制系統(tǒng)(16)；夾具(8)被固定在機械手(9)上。

激光噴丸焊接件正面涂有厚度均勻的能量吸收層，背面噴涂一種用于實現(xiàn)動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的顯影劑，顯影劑形成密布的細小微點分布于在板料的背面表面。對焊接件進行噴丸校形時時，由于顯影劑顆粒的位置變化，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲得實際零件的幾何形狀信息。

動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)是由兩照明光源和兩臺高速測量相機構(gòu)成。進行監(jiān)測時，照明光源發(fā)射的光照射在焊接板料背面，焊接板料背面顯影劑受到強光照射發(fā)生漫反射，其中一部分反射光被高速測量相機捕捉，進而可以對試樣表面多個測量位置進行實時測量，測量數(shù)據(jù)實時傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制。

根據(jù)動態(tài)光學(xué)檢測系統(tǒng)的監(jiān)測和反饋，通過改變激光校形強度和校形路徑，進一步可實現(xiàn)板料的精確成形。

工裝夾具運動系統(tǒng)由機械手、夾具組成，夾具可根據(jù)校形板料的不同尺寸、校形方式更換不同的夾具。夾具夾持方式可實現(xiàn)單側(cè)夾持，雙側(cè)夾持，四周夾持等。工裝夾具運動系統(tǒng)與約束層噴射系統(tǒng)相互配合，滿足不同位置噴丸的需要。

實施例三。

本發(fā)明一方面提供了一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，其包括計算機控制系統(tǒng)(1)，激光器電源(2)，高功率脈沖激光器(3)，導(dǎo)光與光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)，反射鏡組(5)，透視鏡組(6)，焊接件(7)，夾具(8)，機械手(9)，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)，照明光源(11)，測量相機(12)，動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)，夾緊控制系統(tǒng)(14)，約束層噴水系統(tǒng)(15)，水層控制系統(tǒng)(16)，能量吸收層(17)，顯影劑(18)；其特征在于，其中所述計算機控制系統(tǒng)(1)與所述激光器電源(2)、所述動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)、所述夾緊控制系統(tǒng)(14)和所述水層控制系統(tǒng)(16)電氣連接；所述激光器電源(2)電氣連接所述高功率脈沖激光器(3)；所述水層控制系統(tǒng)(16)電連接所述約束層噴水系統(tǒng)(15)；所述夾緊控制系統(tǒng)(14)電連接所述機械手(9)，所述機械手(9)連接固定所述夾具(8)；所述動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)電連接所述動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)。

本發(fā)明另一方面提供了一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的方法，其基于所述的焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，其特征在于，所述方法的具體步驟為：

步驟1，在所述計算機控制系統(tǒng)(1)中將動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)測量得到的焊接件(7)的三維結(jié)果與標準產(chǎn)品的三維CAD模型進行坐標對齊，執(zhí)行對比分析，得到整個零件變形的可視化結(jié)果，確定需校形部位的變形量及校形路徑；

步驟2，建立激光噴丸校形強度與變形量之間的關(guān)系，得到激光噴丸校形強度與變形量之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，計算機控制系統(tǒng)(1)根據(jù)需校形部位的變形量，利用插值的方法以及所述數(shù)據(jù)庫，確定需校形部位的激光噴丸校形強度；

步驟3，計算機控制系統(tǒng)(1)通過所述激光器電源控制所述高功率脈沖激光器(3)，按確定好的激光噴丸校形強度和校形路徑對所述焊接件(7)需校形部位進行激光噴丸校形處理；

步驟4，通過動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)對激光噴丸校形檢驗，將實際測試結(jié)果與所述標準產(chǎn)品的三維CAD模型再次對比分析，如果分析結(jié)果超過預(yù)定誤差，則依次重復(fù)步驟2、3，逐步逼近，直至小于等于預(yù)定誤差。

更進一步的，所述的激光能量E在5-10J之間，激光光斑大小為3mm-8mm,激光脈沖寬度為8ns-16ns，脈沖重復(fù)率20Hz。

更進一步的，所述動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)包括兩臺高速測量相機(12)和兩臺照明光源(11)，進行測量和/或檢驗時，所述照明光源(11)發(fā)射的光照射在所述焊接件的(7)背面，焊接件(7)背面顯影微點(18)受到光照射發(fā)生漫反射，其中一部分反射光被高速測量相機(12)捕捉，從而在激光噴丸過程中，獲取三維型面坐標、位移和變形速度信息。

更進一步的，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)將所述信息反饋到計算機控制系統(tǒng)(1)，所述計算機控制系統(tǒng)(1)通過所述激光器電源控制所述高功率脈沖激光器(3)調(diào)整激光噴丸強度，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和焊接板料噴丸校形的動態(tài)控制。

更進一步的，所述高功率脈沖激光器(3)發(fā)射的激光依次通過所述反射鏡組(5)和透視鏡組(6)對所述焊接件(7)進行激光噴丸作業(yè)。

實施例四。

一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的方法包括如下步驟：

步驟1，借助三維輪廓掃描儀將實際測試獲得的三維結(jié)果與產(chǎn)品的三維CAD模型進行坐標對齊，執(zhí)行對比分析，得到整個零件變形的可視化結(jié)果，進一步確定需校形部位的變形量及校形路徑；

步驟2，通過試驗建立試驗參數(shù)與變形量之間的關(guān)系，得到激光噴丸校形強度與變形量之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，計算機根據(jù)需校形部位的變形量，利用插值的方法，確定需校形部位的激光噴丸校形強度；

步驟3，利用激光噴丸設(shè)備，按計算機確定好的激光噴丸校形強度和校形路徑對焊接金屬板料需校形部位進行激光噴丸校形處理；

步驟4，利用動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)對激光噴丸校形檢驗，將實際測試結(jié)果與CAD模型對比分析，如果超過預(yù)定誤差，則依次重復(fù)步驟2、3，逐步逼近，直至小于等于預(yù)定誤差。

以及，一種焊接金屬板料激光噴丸校形尺寸精度在線控制的裝置，其包括計算機控制系統(tǒng)(1)，激光器電源(2)，高功率脈沖激光器(3)，導(dǎo)光與光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)，反射鏡組(5)，透視鏡組(6)，焊接件(7)，夾具(8)，機械手(9)，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)，照明光源(11)，測量相機(12)，動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)，夾緊控制系統(tǒng)(14)，約束層噴水系統(tǒng)(15)，水層控制系統(tǒng)(16)，能量吸收層(17)，顯影劑(18)，其中與計算機控制系統(tǒng)(1)相連的有激光器電源(2)、動態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)(13)、夾緊控制系統(tǒng)(14)、水層控制系統(tǒng)(16)；夾具(8)被固定在機械手(9)上。激光噴丸焊接件(7)正面涂有厚度均勻的能量吸收層(17)，背面噴涂一種用于實現(xiàn)動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的顯影劑(18)，顯影劑(18)形成密布的細小微點分布于在板料的背面表面。對焊接件(7)進行噴丸校形時，由于顯影劑顆粒的位置變化，動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)能夠獲得實際零件的幾何形狀信息。而動態(tài)光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)(10)是由兩照明光源(11)和兩臺高速測量相機(12)構(gòu)成。進行監(jiān)測時，照明光源發(fā)射的光照射在焊接板料(7)背面，焊接板料背面顯影劑(18)受到強光照射發(fā)生漫反射，其中一部分反射光被高速測量相機捕捉，進而可以對試樣表面多個測量位置進行實時測量，測量數(shù)據(jù)實時傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)焊接金屬板料激光噴丸校形動態(tài)控制。

由于根據(jù)動態(tài)光學(xué)檢測系統(tǒng)(10)的監(jiān)測和反饋，通過改變激光校形強度和校形路徑，進一步可實現(xiàn)板料的精確校形。

另外，工裝夾具運動系統(tǒng)由機械手(9)、夾具(8)組成，夾具可根據(jù)校形板料的不同尺寸、形狀、校形方式更換不同的夾具。夾具夾持方式可實現(xiàn)單側(cè)夾持，雙側(cè)夾持，四周夾持等。工裝夾具運動系統(tǒng)與約束層噴水系統(tǒng)(15)相互配合，滿足不同形式噴丸校形的需要。

如上所述，可較好的實現(xiàn)本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計出不同形式的替代例并不需要創(chuàng)造性的勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實施例進行變化、修改、替換、整合和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。