一种用于t型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法
阅读说明：本技术 一种用于t型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法 (Flexible automatic clamping device and method for laser penetration welding of back of T-shaped structure ) 是由 占小红 康绪枫 颜廷艳 王磊磊 胡丹娜 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法,该柔性自动化夹持装置包括装夹、测距、控制三大系统。测距系统输出位置指令至控制系统,控制系统输出运动指令至装夹系统,使其调整至最佳位置,然后通过Y型连杆实现桁条压板对桁条的紧固,通过蒙皮连杆实现蒙皮压板对蒙皮的紧固。基于该柔性自动化夹持装置,该方法包括焊前装夹、背面激光穿透焊接以及焊后保型。本发明实现了蒙皮-桁条T型结构的精准定位、自动装夹、背面穿透焊接以及焊后保型,解决了工件不稳定装夹导致的焊接质量差及焊后变形问题,且柔性自动化装夹过程缩短了生产周期,进一步获得高质量强性能短周期的焊接产品。(The invention relates to a flexible automatic clamping device and a method for laser penetration welding of the back of a T-shaped structure. The distance measuring system outputs a position instruction to the control system, the control system outputs a motion instruction to the clamping system to adjust the clamping system to the optimal position, then fastening of the stringer pressing plate to the stringer is achieved through the Y-shaped connecting rod, and fastening of the skin pressing plate to the skin is achieved through the skin connecting rod. Based on the flexible automatic clamping device, the method comprises clamping before welding, back laser penetration welding and shape maintaining after welding. The invention realizes the accurate positioning, automatic clamping, back penetration welding and post-welding shape keeping of the skin-stringer T-shaped structure, solves the problems of poor welding quality and post-welding deformation caused by unstable clamping of a workpiece, shortens the production period in the flexible automatic clamping process, and further obtains a high-quality, strong-performance and short-period welding product.)
技术领域
本发明属于激光自动化高精度焊接领域，特别涉及一种柔性自动化夹持装置及方法。
背景技术
在飞机制造领域中，机身壁板中钛合金蒙皮-桁条T型结构接头一直采用传统的铆接工艺进行连接，铆接工艺虽然具有工艺简单、连接强度高、工艺完善、安全性较高等优点，但是使用大量的铆钉材料不可避免的带来了结构重量的增加，同时在基材上还需要加工大量的工艺孔，降低了生产效率。激光焊接具有能量密度高、穿透性好、气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点，因此被广泛应用于航空航天、工程制造等领域。
采用激光焊接的蒙皮-桁条钛合金T型结构从降低飞机制造成本、缩短生产周期、减轻飞机重量、提高构件的机械性能，提高飞机运载能力、增强飞机稳定性等方面，都有良好的效果。
双激光束双侧同步焊接工艺是钛合金蒙皮-桁条T型结构激光焊接的主要工艺，然而在实际生产过程中，蒙皮常常需要置于桁条上方进行焊接，由于设备干涉，装配干涉以及待焊件尺寸变化等因素，这导致部分情况下双激光束双侧同步焊接无法实现。此外，蒙皮-桁条T型结构的装夹过程存在不稳定，不抗扭，不可松脱，柔性差以及自动化程度低等问题，从而导致在焊接过程中工件的稳定性较差，容易形成气孔、未焊透等焊接缺陷，降低焊缝质量，且非柔性自动化的装夹过程便得产品的生产效率较低，影响飞机的生产周期。
因此，本发明提出一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法，用于实现蒙皮-桁条T型结构的精准定位、自动装夹、背面穿透焊接以及焊后保型，该方法解决了焊接过程中设备、装配的干涉问题，工件不稳定的装夹问题以及工件焊后的变形问题，同时实现了工件装夹过程的柔性自动化，从而提高了工件在焊接过程中的稳定性，提高了焊缝质量，缩短了工件的生产周期，并且释放了工件的焊后残余应力，控制了工件的焊后变形，进一步得到高质量强性能短周期的产品。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法，该方法能够实现蒙皮-桁条T型结构的装夹过程柔性自动化，并保证装夹过程稳定、抗扭、可松脱，优质高效地实现蒙皮-桁条T型结构背面激光穿透焊接，并且达到焊后保型的效果。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下所述：
一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置，用于对不同尺寸、不同焊接位置的T型结构待焊件进行自动的、锁紧的、抗扭的、可松脱的柔性装夹，包括：
装夹系统，包括，基板上开有若干导轨槽，中心立柱置于导轨槽内，并与滚珠丝杠相连，用于实现中心立柱的横向调节；中心立柱中部设有Y型连杆，Y型连杆与桁条压板相连，用于实现桁条的装夹紧固；中心立柱上方设有升降连杆，用于实现蒙皮支撑台高度的实时调整，蒙皮支撑台用于承托蒙皮，并通过齿轮连杆与蒙皮盖板相连，用于实现蒙皮盖板的开合，便于蒙皮的安装和卸载；蒙皮盖板通过蒙皮连杆与蒙皮压板相连，用于实现蒙皮的装夹紧固；
测距系统，包括横向激光测距仪和纵向激光测距仪，用于实时测量记录桁条厚度和蒙皮高度，实现桁条和蒙皮的定位；
控制系统，基于测距系统测得的数据，调整装夹系统，使得装夹系统位于最佳位置；同时，根据所得数据，从数据库中获取最佳压力参数，输出最佳压力参数至装夹系统，对待焊件实施最佳紧固方案。
优选的，包括桁条压板和蒙皮压板在内的压紧结构件均采用耐高温橡胶材料，增大了压紧结构件与桁条、蒙皮的接触面积，降低了待焊件的局部受力，实现了T型结构待焊件装夹过程的稳定抗扭。
优选的，Y型连杆与桁条压板、蒙皮连杆与蒙皮压板均通过螺纹连接，便于实现不同尺寸的压紧结构件的更换。
优选的，桁条压板、蒙皮支撑台、蒙皮压板内部均安装了力学传感器，用于实时观察记录桁条和蒙皮的受压情况，并反馈给控制系统。
优选的，导轨槽尺寸为120mm×50mm×30mm，导轨槽距基板长边垂直距离为15mm，两导轨槽间距为100mm，滚珠丝杠位于导轨槽内部，其相对于导轨槽底部的高度可调，调节范围为10-20mm。
优选的，测距系统有两套，关于桁条呈对角放置，以降低测量误差；横向激光测距仪距基板长边垂直距离为15mm，纵向激光测距仪距基板长边垂直距离为125mm。。
优选的，装夹系统通过气动装置控制Y型连杆和蒙皮连杆；通过伺服电机控制滚珠丝杠、升降连杆和齿轮连杆。
一种用于T型结构背面激光穿透焊接的方法，用于实现不同尺寸、不同焊接位置T型结构的背面激光穿透焊接，并控制工件的焊后变形，包括：
焊前装夹，通过柔性自动化夹持装置对T型结构待焊件实现自动的、锁紧的、抗扭的、可松脱的柔性装夹；
背面激光穿透焊接，基于柔性自动化夹持装置，在待焊位置施加能量密度高、穿透性能好的激光热源，焊接熔池贯通蒙皮和桁条，从而实现T型结构待焊件的背面激光穿透焊接；
焊后保型，通过柔性自动化夹持装置对焊后工件进行持续的夹固，用于实现T型结构工件焊后应力释放以及变形控制。
优选的，在焊接完成后，通过柔性自动化夹持装置，提高1000-1500N的装夹压力，对工件进行12-24h的固定，在带拘束的条件下实现工件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
本发明带来的有益技术效果为：
针对当前蒙皮-桁条T型结构在双激光束双侧同步焊接过程中设备干涉、装配干涉等因素导致双激光束双侧同步焊接无法实现的问题，并且蒙皮-桁条T型结构的装夹过程存在不稳定、不抗扭、不可松脱、柔性差及自动化程度低等问题，提出了一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法，通过柔性自动化夹持装置对蒙皮-桁条T型结构进行牢固的、抗扭的、可松脱的柔性自动化装夹，并建立了由焊前柔性自动化装夹、背面激光穿透焊接以及焊后保型所构成的体系化焊接方法，进而获得质量高、性能优异的蒙皮-桁条T型结构背面激光穿透焊缝，并且缩短了焊接产品的生产周期。本发明可根据待焊件尺寸、焊缝位置等参数的变化，调整装夹系统的位置及装夹压力，以完成针对不同尺寸、不同焊接位置蒙皮-桁条T型结构待焊件的柔性自动化装夹，并对蒙皮-桁条T型结构待焊件进行背面激光穿透焊接，以填补双激光束双侧同步焊接方法不能应用的场景，得到高质量焊缝，焊接完成后对工件进行焊后保型，释放残余应力以控制焊后变形，最终获得质量高、性能强、生产周期短的焊接产品。
附图说明
图1为本发明所述柔性自动化夹持装置的装夹系统示意图。
图2为本发明所述柔性自动化夹持装置运行原理图。
图3为本发明所述柔性自动化夹持装置的装夹系统局部示意图。
图4为本发明所述柔性自动化夹持装置的测距、装夹系统正视图。
图5为本发明所述柔性自动化夹持装置根据待焊件尺寸及焊缝位置调整后的测距、装夹系统正视图。
图6为本发明所述用于T型结构背面激光穿透焊接方法流程图。
附图标记：200为装夹系统、300为测距系统、400为控制系统；
201为基板、202为中心立柱、203为滚珠丝杠、204为Y型连杆、205为桁条压板、206为桁条、207升降连杆、208为蒙皮支撑台、209为蒙皮、210为齿轮连杆、211为蒙皮盖板、212为蒙皮连杆、213为蒙皮压板；
301为横向激光测距仪、302为纵向激光测距仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
参照图1、图2及图6所示，本发明为一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法，该柔性自动化夹持装置包括装夹系统(200)、测距系统(300)、控制系统(400)；装夹系统(200)包括基板(201)、中心立柱(202)、滚珠丝杠(203)、Y型连杆(204)、桁条压板(205)、桁条(206)、升降连杆(207)、蒙皮支撑台(208)、蒙皮(209)、齿轮连杆(210)、蒙皮盖板(211)、蒙皮连杆(212)、蒙皮压板(213)；测距系统(300)包括横向激光测距仪(301)和纵向激光测距仪(302)；基于该柔性自动化夹持装置，该方法包括焊前装夹、背面激光穿透焊接以及焊后保型。
参照图1、图2及图3所示，首先，将蒙皮盖板(211)置于打开状态，将待焊的桁条(206)、蒙皮(209)分别放置于基板(201)和蒙皮支撑台(208)上；然后横向激光测距仪(301)获得桁条(206)厚度，纵向激光测距仪(302)获得蒙皮(209)高度，测距系统(300)将测得的位置指令输出至控制系统(400)中；控制系统(400)根据反馈的数据，从数据库中调取相适应的运动指令，并输出至装夹系统(200)中；装夹系统(200)通过伺服电机控制滚珠丝杠(203)、升降连杆(207)和齿轮连杆(210)运动，使得中心立柱(202)和蒙皮支撑台(208)处于最佳位置，并且闭合蒙皮盖板(211)；装夹系统(200)的位置确定后，控制系统调取数据库中的相对应的装夹压力数据，输出至装夹系统(200)中；装夹系统(200)通过气动装置控制Y型连杆(204)和蒙皮连杆(212)运动，实现桁条压板(205)和蒙皮压板(213)对桁条(206)和蒙皮(209)的装夹紧固，并通过桁条压板(205)、蒙皮支撑台(208)、蒙皮压板(213)内的力学传感器实时反馈运动指令到控制系统(400)中；
参照图4、图5所示，根据不同尺寸、不同焊接位置的T型结构待焊件，装夹系统(200)、测距系统(300)、控制系统(400)通过配合调整，使装夹系统(200)达到相应的最佳位置，并实施相应的最佳紧固方案。
参照图6所示，首先，在焊接作业开始前，制定相应的工艺方案，并通过柔性自动化夹持装置完成上述T型结构待焊件焊前装夹；然后通过调整焊接机器人以及激光发生器，校准焊接位置、激光入射角度和离焦量等，并设定激光功率和焊接速度；完成调试后，对上述T型结构待焊件进行背面激光穿透焊接，在焊接过程中使用保护气对焊缝进行保护；焊接完成后，对工件进行焊后保型，即通过柔性自动化夹持装置，提高1000-1500N的装夹压力，对工件进行12-24h的固定，在带拘束的条件下实现工件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
以下以一种用于T型结构背面激光穿透焊接的柔性自动化夹持装置及方法为实例，阐述本发明的装配与使用的完整流程。
首先将蒙皮盖板置于打开状态，将待焊的桁条、蒙皮分别放置于基板和蒙皮支撑台()上；然后横向激光测距仪测得桁条厚度为2mm，纵向激光测距仪测得蒙皮高度为50mm，测距系统将测得的位置指令输出至控制系统中；控制系统根据反馈的数据，从数据库中调取滚珠丝杠不动，升降连杆上升35mm的运动指令，并输入到装夹系统中；装夹系统通过伺服电机控制升降连杆升高35mm，并控制齿轮连杆转动，使蒙皮盖板闭合；装夹系统的位置确定后，控制系统调取数据库中的1000N的装夹压力，输出至装夹系统中；装夹系统通过气动装置控制Y型连杆和蒙皮连杆运动，实现桁条压板和蒙皮压板对桁条和蒙皮的装夹紧固，并通过桁条压板、蒙皮支撑台、蒙皮压板内的力学传感器实时反馈运动指令到控制系统中。
其次，确认T型结构待焊件装夹完成后，根据预先制定的工艺方案，调整工艺参数。本实例所用焊接机器人为KUKA机器人，控制KUKA机器人使得激光束垂直于待焊焊缝，激光束离焦量为0mm，设置焊接速度为22mm·s-1，设定起始位置和终点位置；所用激光器为TruDisk-12003，调节激光功率为2400W；通入99.99％的氩气进行保护；一切调试完成后，对上述T型结构进行背面激光穿透焊接。
最后，焊接完成后，通过柔性自动化夹持装置对工件施加额外1000N的装夹压力，并进行14h的固定，在带拘束的条件下实现工件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
基板、中心立柱、升降螺柱、蒙皮支撑台、蒙皮盖板、螺栓等可采用黑色金属材料，包括但不限于冷作模具钢、热作模具钢和不锈钢等各种牌号的合金。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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