[發明專利]一種復雜異形薄板箱型結構機器人高效精準焊接系統

在審

• 申請號: 201910728152.6
• 申請日: 2019-08-08
• 公開（公告）號: CN112338379A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 王克鴻;張明朗;朱科宇;金鳴;錢旭升;汪海
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K31/02
• 分類號: B23K31/02;B23K37/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發明公開了一種復雜異形薄板箱型結構機器人高效精準焊接系統，屬于薄板焊接領域。該系統集成雙目視覺與多熱源加熱裝置，結合有限元分析技術，能及時獲取焊接薄板應力應變情況，從而準確獲得熱源加熱位置實時施加熱源，有效控制薄板焊接過程變形，自動化程度高，提高生產效率。

技術領域

本發明屬于薄板焊接變形控制領域，尤其涉及一種復雜異形薄板箱型結構機器人高效精準焊接系統。

背景技術

薄板由于厚度較薄，在焊接過程中由于受到不均勻溫度場作用而產生形狀尺寸的變化。焊接變形通常是由多種因素共同作用而引起的，而且涉及電弧物理、傳熱學、冶金學、力學等多門學科，情況復雜而且難于預測。對變形溫度場的有效控制，是如今薄板焊接的重要課題。傳統的焊接變形控制方法，如施加合理的焊接順序、焊接方法與工藝、加快散熱等方法成效有限，而預置變形與錘擊焊縫存在效率差。

傳統焊接變形控制方法中，加熱法主要是通過控制特定位置的溫度，產生局部塑性變形，使金屬材料冷卻后縮短消除變形。決定加熱矯正效果主要因素為：加熱位置，加熱溫度和加熱區形狀；其中決定成敗的關鍵是加熱位置的正確選擇。傳統方式為：一般簡構件憑經驗判斷；對于復雜構件要反復測試才能找到最佳加熱位置。因此通過溫度場模擬與分析判斷復雜構件焊接過程中加熱位置對使用該方法矯正焊接變形具有重要意義。

熱彈塑性分析是在焊接熱循環過程中逐步計算出熱應變和熱應力的一種有限元數值模擬方法，更加詳盡地了解焊接變形和應力的產生以及發展歷程，有助于研究焊接過程的本質以及內部變化關系，實現焊接應力、應變的預測，優化工藝。

隨著近年我國制造業的快速發展，靠累積經驗來控制焊接中的殘余變形的傳統方法已經遠不能滿足實際生產要求。因此，探究一種控制焊接溫度場的方法具有重要意義。

申請號為CN 109108554 A公開了一種弧面金屬薄板焊接變形控制裝置，其采用的是一種機械裝置使焊縫處于壓緊狀態、加快散熱以減少變形，但是其只對特定位置進行壓緊，不能控制整體變形，且控制變形程度有限。

發明內容

本發明目的在于提供一種復雜異形薄板箱型結構機器人高效精準焊接系統。

實現本發明的目的的解決方案為：

一種復雜異形薄板機器人高效精準焊接系統，該系統包括計算機、焊接系統、CCD測溫系統、FPGA裝置、多熱源加熱裝置，其中，CCD測溫系統、多熱源加熱裝置均與FPGA裝置相連；FPGA裝置與計算機相連；所述的焊接系統包括：焊接電源、控制柜、焊接機器人、保護氣、焊接水冷裝置；

所述的CCD測溫系統包括CCD相機、濾光片、數據采集卡、夾具；通過夾具固定于焊槍，調節至焊縫前端熔池位于CCD相機視場中心，與焊槍協同運動，獲得薄板焊縫周圍的圖像；

所述的計算機內設置MATLAB軟件對CCD測溫系統的獲得薄板焊縫周圍圖像進行處理獲得薄板溫度場；設置ANSYS軟件，利用測溫系統獲得的溫度場獲得薄板應力應變場，進而獲得多熱源加熱裝置作用位置；

所述的FPGA裝置獲得ANSYS軟件分析所得的位置信息，向多熱源加熱裝置的伺服電機發送脈沖串，形成運動指令控制伺服電機運動，使多熱源加熱裝置以運動到相應位置。該裝置運算速度高，運動控制同步性強，且具有可編程性，保證了系統的可擴展性。

進一步的，集成FPGA裝置與ANSYS軟件，用于準確獲得焊接熱源裝置在工件上的加熱位置。

進一步的，FPGA裝置采用ALTERA公司EP1C20，裝置高速運算特性，能夠很好實現運動同步性。

進一步的，多熱源加熱裝置以圓周形式均勻分布有17個分熱源，該裝置通過夾具固定。

進一步的，多熱源加熱裝置的總直徑為20cm，可覆蓋常見薄板點焊接變形區域。