一种通过激光扫描实现冲压件焊接精度提升的方法与流程

本发明属于焊接，具体而言，涉及一种通过激光扫描实现冲压件焊接精度提升的方法。

背景技术：

1、在冲压件激光焊接领域，激光扫描传感器被广泛用于获取焊接坡口的三维点云数据，以实现焊接轨迹的自动规划与精度控制。传统技术通常采用固定曝光采样结合各向同性滤波对点云去噪，再通过刚体配准将点云与计算机辅助设计模型对齐，最后依据静态轨迹偏差生成补偿指令。在高反光金属冲压件表面，激光散射产生大量镜面飞点噪声，各向同性滤波在平滑噪声的同时会等强度模糊坡口棱线等关键边缘特征，导致配准精度下降；同时，焊接过程中持续的热输入在冲压件内部产生非线性热弹塑性变形，传统静态补偿方法无法实时追踪温度场与应力张量之间的耦合演化，导致补偿量与实际热变形之间存在持续偏差；此外，跨批次模具磨损引起的工件尺寸渐进漂移进一步叠加在热变形之上，使单批次配准所得基准轨迹在多批次生产中逐渐偏离真实几何状态。也就是说，现有技术中存在激光扫描点云在高反光冲压件焊接场景下因表面镜面噪声与动态热变形耦合导致焊接轨迹实时补偿精度不足的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种通过激光扫描实现冲压件焊接精度提升的方法，能够解决现有技术中存在激光扫描点云在高反光冲压件焊接场景下因表面镜面噪声与动态热变形耦合导致焊接轨迹实时补偿精度不足的技术问题。

2、本发明是这样实现的：本发明提供一种通过激光扫描实现冲压件焊接精度提升的方法，包括以下步骤：

3、对冲压件表面进行多曝光融合采样，采集初始点云数据，将所得点云数据输入基于切丛对齐与拉普拉斯-贝尔特拉米算子的各向异性点云去噪算法，输出高精度去噪点云；

4、在焊接现场激光扫描传感器前端安装窄带滤光片，启动脉冲激光同步调制技术，对焊接区域实施动态感兴趣区域提取，仅对感兴趣区域内的点云数据进行处理；

5、将去噪点云与标准冲压件计算机辅助设计模型进行配准，输入退化麦克斯韦流体模型动力学外推算法，预测当前批次模具磨损引起的工件尺寸漂移量，将漂移量逆向作用于计算机辅助设计标准件坐标系，得到修正后的焊接基准轨迹；

6、激光扫描传感器实时采集焊接坡口点云，将所采集点云与焊接电流、激光功率及实时温度场数据共同输入热传导物理拓扑残差变形预测模型，输出冲压件热变形场，由热弹塑性本构方程焊接轨迹形变动态补偿算法读取热变形场，计算补偿量；

7、构建基于无锁队列的异步并行处理架构，将激光扫描数据流、热传导物理拓扑残差变形预测模型输出流与焊接机器人轨迹控制指令流分轨运行，由自适应学习率调节函数动态调节热传导物理拓扑残差变形预测模型的学习率参数；

8、热弹塑性本构方程焊接轨迹形变动态补偿算法将计算所得补偿量实时反馈至焊接机器人控制系统，驱动焊接机器人按修正后的焊接基准轨迹完成冲压件焊接作业。

9、其中，多曝光融合采样，具体是激光扫描传感器按多档曝光时间对同一区域依次采样，各曝光帧的点云数据按像素级加权融合，融合权重依据各采样点的反射强度饱和程度确定，饱和程度超过饱和阈值的采样点权重置为零。

10、其中，基于切丛对齐与拉普拉斯-贝尔特拉米算子的各向异性点云去噪算法，具体是在每个采样点处构建局部切空间，对局部切空间内各邻近点的坐标偏差构造协方差矩阵得到各向异性流变张量，在切丛上离散化构造拉普拉斯-贝尔特拉米算子，以算子建立热传导方程控制点云坐标沿法线方向与切线方向以不同扩散系数进行各向异性扩散流转。

11、其中，脉冲激光同步调制技术，具体是脉冲激光发射器与激光扫描传感器图像采集触发信号通过硬件同步控制器实现时序锁定，采集触发时刻与脉冲激光发射时刻的时间偏差控制在时序偏差阈值范围内。

12、其中，动态感兴趣区域提取，具体是依据上一帧点云中焊接坡口的三维包络坐标在当前帧中自动缩小处理范围，仅对坡口包络坐标外扩距离阈值范围内的点云数据进行处理。

13、其中，退化麦克斯韦流体模型动力学外推算法，具体是将历史各生产批次的冲压件全局特征形变向量视为粘弹性流体模型的应变输出，以生产累计时间或累计冲压次数为应力加载轴，通过最小二乘拟合求解麦克斯韦模型中的虚拟弹性系数与松弛时间常数，再将所求参数代入粘弹性动力学方程外推预测工件尺寸漂移量。

14、其中，热传导物理拓扑残差变形预测模型以初始点云三维坐标、焊接电流、激光功率及实时温度场数据为输入，点云三维坐标经三维图卷积网络分支提取局部几何拓扑特征，焊接电流、激光功率及实时温度场数据经多层感知机分支提取工艺特征向量，两分支输出特征拼接后送入改进残差网络主干输出热变形场。

15、其中，改进残差网络主干中的跳跃连接替换为门控跳转机制，门控跳转机制依据当前残差块热传导残差特征动态输出门控系数，门控系数对跳跃分支特征加权后再与主路径特征相加。

16、其中，热传导物理拓扑残差变形预测模型的损失函数由数据拟合损失项与物理惩罚项构成，物理惩罚项为傅里叶热传导偏微分方程残差在全部采样点上的均方误差。

17、其中，自适应学习率调节函数以热传导物理拓扑残差变形预测模型在当前批次验证集上的均方误差、当前训练轮次与当前学习率为输入，计算综合调节系数，依据综合调节系数与衰减阈值及提升阈值的大小关系分别执行衰减策略、保持策略或小幅提升策略。

18、其中，热弹塑性本构方程焊接轨迹形变动态补偿算法，具体是以有限差分法在三维空间中建立热力耦合网格，依据焊接瞬态热传导微分方程与应力应变本构微分方程动态计算瞬态温度场分布及热应力张量，依据热应力张量计算工件热变形位移，通过逆向动力学控制方程将补偿量实时反馈至焊接机器人控制系统。

19、其中，无锁队列的异步并行处理架构，具体是激光扫描数据流、热传导物理拓扑残差变形预测模型输出流与焊接机器人轨迹控制指令流分别映射至独立的处理器核心，三流之间通过基于比较并交换原子操作实现的无锁环形队列进行数据交换。

20、其中，热传导物理拓扑残差变形预测模型的训练数据集通过对不同材质冲压件在不同焊接电流、激光功率及环境温度组合下进行焊接实验建立，实际三维位移通过在冲压件表面粘贴靶标点并以三坐标测量机在焊接前后分别测量靶标点坐标后相减得到。

21、其中，物理惩罚项的权重系数在训练过程中按每轮迭代线性增大，使模型在训练前期优先拟合数据分布，在训练后期逐步加强物理约束，均方误差连续若干轮迭代无下降时触发早停机制。

22、其中，多曝光融合采样的曝光时间范围为10～500，曝光档位数量为2～8档；各向异性点云去噪算法中法线方向扩散系数为5～20，切线方向扩散系数为1～5；窄带滤光片透射带宽为0.5～5；时序偏差阈值为1～10；感兴趣区域包络坐标外扩距离阈值为5～20；退化麦克斯韦流体模型所需历史批次数量不少于30批；有限差分法网格尺寸为0.5～3。

23、本发明通过多曝光融合采样与基于切丛对齐和拉普拉斯-贝尔特拉米算子的各向异性去噪算法获取高精度点云，利用退化麦克斯韦流体模型预测跨批次模具磨损漂移并修正焊接基准轨迹，再以热传导物理拓扑残差变形预测模型实时预测热变形场，最终通过热弹塑性本构方程动态补偿焊接轨迹，从三个层面协同消除了点云噪声、跨批次漂移与动态热变形对轨迹精度的影响。各向异性扩散方程在保护坡口边缘特征的同时彻底消除镜面飞点，使配准基础质量得到保障；退化麦克斯韦流体模型从历史批次数据中提取磨损动力学规律并向未来外推，使基准轨迹在生产周期内始终与冲压件实际几何状态保持一致；热传导物理约束的深度学习模型与热弹塑性本构方程共同将物理机理嵌入补偿计算，使补偿量在非线性大变形工况下仍保持物理合理性。综上所述，本发明解决了背景技术中提到的激光扫描点云在高反光冲压件焊接场景下因表面镜面噪声与动态热变形耦合导致焊接轨迹实时补偿精度不足的技术问题。