焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法和裝置與流程

2023-05-23 06:14:11

本發明涉及航空製造領域，特別涉及焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法和裝置。

背景技術：

現代飛機對飛行速度、載荷性能和燃油經濟性有較高要求，傳統的鉚接壁板由於剛度、強度和密閉性差、結構壽命低、重量大等缺點已被整體壁板所取代。

近年來，隨著焊接技術發展，出現了筋條與蒙皮焊接而成的整體壁板結構。這種焊接整體壁板能夠將材料利用率大大提高、零件製造成本大幅降低；並且桁條與蒙皮可採用不同的合金材料，為整體壁板結構設計優化提供了更大的空間，進一步提高零件結構效率。例如，空客A380機身下壁板全部採用了6013和6056鋁合金的焊接整體壁板，可極大地降低了零件製造成本，並提高了整體結構效率。但是，整體壁板在筋條焊接過程中，由於只是局部受熱，使壁板內部產生非均勻的熱應力，導致加工完成後的壁板發生一定的初始變形及內部殘餘應力，不利於後期整體壁板的裝配與服役，因此必須進行相應的校形處理。

目前，針對焊接整體壁板的校形方法有壓力校形(例如：滾彎、壓彎和錘擊)、時效校形(例如：蠕變時效、振動時效)、機械噴丸校形。

在壓力校形中，由於加強筋參與變形，容易產生失穩、扭曲或開裂等缺陷，並且在卸載後會產生較大回彈，校形難度極大。此外，現代飛行器對結構疲勞壽命和損傷容限有較高要求，因此在一般情況下，壓力校形不作為主要校形手段，僅用於局部加強區域輔助校形手段。

時效校形必須採用具有時效硬化特性的材料，並且校形回彈量較大、壁板貼膜困難、模具成本高、準備周期長和要求有足夠尺寸的熱壓罐，導致生產耗能及成本很高。

機械噴丸校形則存在工藝參數難定、工藝可重複性差、校形能力受板厚限制、特殊細長加強結構與局部區域校形難度大等技術難點。

綜上所述，發展一種校形精度高、工藝可重複性強、自動化控制和經濟高效的焊接整體壁板校形的方法是航空製造業亟需解決的技術問題。

針對上述的技術問題，中國專利CN 103752651B《焊接整體壁板雷射衝擊校形方法》是通過離線測量工件變形和殘餘應力數據，利用計算機確定校形量和校形路徑，實施雷射噴丸校形後再次進行離線測量，如果貼膜間隙超過預留間隙，則重複上述步驟，直至貼膜間隙小於等於預定間隙。但上述方法存在以下問題：

1)採用離線測量工件變形，變形測量效率極低。

2)離線測量需要拆裝工件，導致重複定位誤差和變形大，尤其是對於大尺寸航空整體壁板而言重複精確定位很困難，推導出下一步的雷射噴丸參數而沒有考慮重複定位誤差的影響，這在實際生產中顯然不足的。

3)雷射噴丸殘餘應力離線測量非常費事，應力測量效率低，且殘餘應力值不宜作為確定下一步雷射噴丸工藝參數的依據。

4)雷射噴丸校形工藝參數確定機制簡單，僅基於變形量設定，且缺乏工藝參數優化機制，導致校形工序迭代步驟增長，效率低下。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提出一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法和裝置，旨在優化焊接整體壁板的雷射噴丸的生產工藝，以實現航空精密製造的柔性化、數位化和智能化。

為實現上述目的，本發明提出一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：

1)將需要校形的工件夾裝於工作檯上；

2)開啟LED測量輔助照明燈組提供高質量觀測光源；

3)使用光學測量相機對所述工件進行掃描，採集所述工件尺寸與校形量的數據並最終傳輸至專家系統；

4)所述專家系統根據所述工件尺寸和校形量的數據預設校形參數；

5)雷射發生器及導光系統接收所述專家系統的命令，雷射參數控制器設定雷射噴丸校形參數；

6)工作檯位移處理器接收所述雷射噴丸校形參數，工作檯位移控制器設定位移參數；

7)雷射噴丸單元產生衝擊波並作用於所述工件並發生相應變形；

8)所述工件雷射噴丸校形過程中，所述光學測量相機實時在線測量雷射噴丸區域材料動態應變場，由圖形處理工作站計算應變場數據得到材料動態本構方程和動態應變率數據，並反饋至專家系統；雷射噴丸校形結束，所述光學測量相機重新測量所述工件尺寸和校形量數據；

9)所述專家系統判斷工件經雷射噴丸校形後的尺寸是否合格；

10)如果所述工件尺寸合格，結束雷射噴丸校形；

11)如果所述工件尺寸不合格，所述專家系統通過數值仿真、在線測量數據和專家資料庫綜合推理得出實時最優的雷射噴丸參數與工件位移參數，並實時發送至雷射發生器及導光系統與工作檯位移處理器，再次實施工件雷射噴丸校形；重複所述步驟5)至所述步驟11)，通過雷射參數控制器與工作檯位移控制器實現最優雷射噴丸校形參數和工件按預定軌跡移動的實時反饋控制，逐區域控制工件變形，通過累積局部變形逐漸實現工件整體精密校形，直至工件達到尺寸要求。

優選地，所述工件為柱形、錐形、凸峰形、馬鞍形和折彎形的焊接整體壁板。

優選地，所述步驟1)的所述工作檯為航空製造專用的卡板式型面控制校形工裝。

優選地，所述步驟3)的所述光學測量相機的解析度2900萬像素，所述光學測量相機測量位移精度0.001-0.1/pixel。

優選地，所述步驟3)或所述步驟4)的所述專家系統由理論模型資料庫和試驗模型資料庫組成，所述理論模型資料庫由數值仿真得到，所述試驗模型資料庫由基礎試驗和經驗公式得到。

本發明還提出一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法的裝置，所述裝置包括光學在線測量模塊、雷射噴丸校形模塊、工作檯位移模塊以及專家系統。

優選地，所述光學在線測量模塊包括所述LED測量輔助照明燈組、所述光學測量相機、所述光學設備控制器、所述圖形處理工作站。所述雷射噴丸校形模塊包括雷射發生器及導光系統、所述雷射參數控制器、所述雷射噴丸單元；所述工作檯位移模塊包括所述工作檯、所述工作檯位移控制器、所述工作檯位移處理器；所述專家系統分別與所述圖形處理工作站、所述雷射發生器及導光系統、所述工作檯位移處理器電連接，所述光學設備控制器分別與所述LED測量輔助照明燈組、所述光學測量相機、所述圖形處理工作站電連接；所述雷射參數控制器分別與所述雷射發生器及導光系統、所述雷射噴丸單元電連接；所述工作檯位移控制器分別與所述LED測量輔助照明燈組、所述光學測量相機、所述雷射噴丸單元、所述工作檯位移處理器電連接。

本發明技術方案在工件雷射噴丸校形過程中，通過光學測量相機實時在線測量雷射噴丸區域材料動態應變場，並由圖形處理工作站計算應變場數據得到材料動態本構方程和動態應變率數據，並反饋至專家系統，專家系統通過數值仿真、在線測量數據和專家資料庫綜合推理得出實時最優的雷射噴丸參數與工件位移參數，並實時發送至雷射系統與工作檯位移系統，再次實施工件雷射噴丸校形，使焊接整體壁板在航空精密製造中避免重複拆裝工件，提高雷射噴丸校形的精度和工作效率，從而實現焊接整體壁板的雷射噴丸校形的柔性化、數位化和智能化。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。

圖1為本發明焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法的流程結構圖；

圖2為本發明焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形裝置的結構示意圖；

圖3為本發明的柱形焊接整體壁板工件的結構示意圖；

圖4為本發明的錐形焊接整體壁板工件的結構示意圖；

圖5為本發明的凸峰形焊接整體壁板工件的結構示意圖；

圖6為本發明的馬鞍形焊接整體壁板工件的結構示意圖；

圖7為本發明的折彎形焊接整體壁板工件的結構示意圖。

附圖標號說明：

本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後……)，則該方向性指示僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

另外，若本發明實施例中有涉及「第一」、「第二」等的描述，則該「第一」、「第二」等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。

本發明提出一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形裝置。

參見圖2，本發明的一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形的裝置包括光學在線測量模塊、雷射噴丸校形模塊、工作檯位移模塊以及專家系統。其中光學在線測量模塊包括LED測量輔助照明燈組2、光學測量相機3、光學設備控制器4、圖形處理工作站5；雷射噴丸校形模塊包括雷射發生器及導光系統6、雷射參數控制器7、雷射噴丸單元8；工作檯位移模塊包括工作檯1、工作檯位移控制器9、工作檯位移處理器10。

專家系統11分別與圖形處理工作站5、雷射發生器及導光系統6、工作檯位移處理器10電連接，光學設備控制器4分別與LED測量輔助照明燈組2、光學測量相機3、圖形處理工作站5電連接；雷射參數控制器7分別與雷射發生器及導光系統6、雷射噴丸單元8電連接；工作檯位移控制器9分別與LED測量輔助照明燈組2、光學測量相機3、雷射噴丸單元8、工作檯位移處理器10電連接。

請參見圖1，本發明還提出一種焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形的方法，包括以下步驟：

1)將需要校形的工件夾裝於工作檯1上；

2)開啟LED測量輔助照明燈組2提供高質量觀測光源；

3)使用光學測量相機3對工件進行掃描，採集工件尺寸與校形量的數據並最終傳輸至專家系統11；

4)專家系統11根據工件尺寸和校形量的數據預設校形參數；

5)雷射發生器及導光系統6接收專家系統11的命令，雷射參數控制器7設定雷射噴丸校形參數；

6)工作檯位移處理器10接收雷射噴丸校形參數，工作檯位移控制器9設定位移參數；

7)雷射噴丸單元8產生衝擊波並作用於工件並發生相應變形；

8)工件雷射噴丸校形過程中，光學測量相機3實時在線測量雷射噴丸區域材料動態應變場，由圖形處理工作站5計算應變場數據得到材料動態本構方程和動態應變率數據，並反饋至專家系統11；雷射噴丸校形結束，光學測量相機3重新測量工件尺寸和校形量數據；

9)專家系統11判斷工件經雷射噴丸校形後的尺寸是否合格；

10)如果工件尺寸合格，結束雷射噴丸校形；

11)如果工件尺寸不合格，專家系統11通過數值仿真、在線測量數據和專家資料庫綜合推理得出實時最優的雷射噴丸參數與工件位移參數，並實時發送至雷射發生器及導光系統6與工作檯位移處理器10，再次實施工件雷射噴丸校形；重複步驟5)至步驟11)，通過雷射參數控制器7與工作檯位移控制器9實現最優雷射噴丸校形參數和工件按預定軌跡移動的實時反饋控制，逐區域控制工件變形，通過累積局部變形逐漸實現工件整體精密校形，直至工件達到尺寸要求。

參見圖3至圖7，本發明的焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法和裝置適用於柱形焊接整體壁板、錐形焊接整體壁板、凸峰形焊接整體壁板、馬鞍形焊接整體壁板、折彎形焊接整體壁板。

請參見圖1和圖2，本發明在實際應用中，將需要校形的焊接整體壁板夾裝於工作檯1上，根據焊接整體壁板的外形尺寸調整工作檯1的相應工作參數，其中焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形裝置的工作檯1，是航空製造專用的卡板式型面控制校形工裝，其採用垂直於底座的線陣支撐結構的外形曲線構成所需要的工件外形，從而使得夾裝應力最小化，並且無需根據不同形狀尺寸的工件開發專用工裝，從而節約製造成本以及提高生產效率。

通過開啟LED測量輔助照明燈組2，為光學測量相機3提供高質量觀測光源，因為LED測量輔助照明燈組2配有雷射導航器，可指示和測量工件的相應位置與距離。

通過光學測量相機3對工件進行掃描，依次通過圖形處理工作站5、光學設備控制器4將工件的相應尺寸與校形量數據採集並最終傳出至專家系統11。因為多個光學測量相機3處於底層執行單元，由工作檯位移控制器9控制，可對工件進行全場掃描，如有必要可進行局部區域的精確掃描及重構。其中，光學測量相機3解析度2900萬像素，測量位移精度0.001-0.1/pixel。圖形處理工作站5採用雙目視覺幾何重構算法(Epipolar Geometry)得到工件實際尺寸數據，空間位置測量精度為：0.01mm/m3，並於理論外形尺寸對比得出校形量，最後將數據發送至專家系統11。

本發明中，專家系統11的綜合資料庫由兩大模塊組成，包括理論模型資料庫和試驗模型資料庫，其中理論模型資料庫，由數值仿真得到，而試驗模型資料庫，由基礎試驗和經驗公式得到。專家系統11在收到光學測量相機3發送的工件尺寸和校形量數據後，專家系統11根據資料庫預設校形參數，其中預設校形參數經專家系統11的理論模型資料庫和試驗模型資料庫推理得出，然後由專家系統11分別向雷射發生器及導光系統6和工作檯位移處理器10發送相應的雷射噴丸指令和工作檯位移指令。

雷射發生器及導光系統6接收專家系統11下達的雷射噴丸指令後，雷射發生器及導光系統6控制雷射參數控制器7設置相應的雷射脈衝寬度、能量、光斑直徑、搭接率等參數，最終控制雷射噴丸單元8進行雷射噴丸。

工作檯位移處理器10接收專家系統11下達的工作檯位移指令後，位移控制器9設定工作檯1和雷射噴丸單元8位移參數，工作檯位移處理器10對工作檯1與雷射噴丸單元8進行相應的位移軌跡運算，下達指令至位移控制器9，從而完成位移指令。

當工作檯位移控制器9執行位移指令完畢後，雷射發生器及導光系統6產生雷射脈衝，並由雷射噴丸單元8產生雷射噴丸照射至工件表面，對工件產生衝擊波作用從而使得工件發生相應的變形。

在工件進行雷射噴丸校形過程中，光學測量相機3實時在線測量雷射噴丸區域材料動態應變場。其中，光學測量相機3具有高速攝影功能，滿幅採樣頻率為168Hz，在降低解析度時可提高採樣頻率，採樣頻率可達1334Hz。應變測試精度20-50μ，通過光學設備控制器4將數據實時傳輸至圖形處理工作站5。

圖形處理工作站5接收光學測量相機3發送的數據後，計算應變場數據得到動態材料本構數據，並反饋至專家系統11。其中圖形處理工作站5採用圖像相關對比技術(Digital Image Correlation)和虛擬全場計算方法(Virtual Fields Method)得出雷射噴丸瞬時的動態材料本構方程和應變率，反饋至專家系統11進行迭代運算，為下一步雷射噴丸校形參數優化提供數據支持。

雷射噴丸校形完畢後，光學測量相機3對工件進行尺寸檢測。

如果工件的尺寸滿足設計要求，則校形過程結束。

如果工件的尺寸不滿足設計要求，則交由專家系統11進行決策和處理。專家系統11通過數值仿真、動態測量數據和專家資料庫綜合推理得出實時最優的雷射噴丸參數與工件位移參數，並實時發送至雷射發生器及導光系統6與工作檯位移處理器10；從而重複進行校形，通過雷射參數控制器7與工作檯位移控制器9實現最優雷射噴丸參數確定和工件按預定軌跡移動的實時反饋控制，逐區域控制工件變形，實現工件精密校形並最終達到尺寸要求。

本發明所提出的焊接整體壁板在線自適應雷射噴丸校形方法和裝置，相對於現有技術，具有工件在線測量、雷射噴丸校形參數自適應設定與優化、校形工序迭代次數少和高效率低成本等優點，能夠實現航空精密製造的柔性化、數位化和智能化。

以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護範圍內。