一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器及焊接方法与流程

本发明涉及激光焊接，具体涉及一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器及焊接方法。

背景技术：

1、复杂薄壁件具有结构精巧、壁厚薄（一般0.5mm～3mm）、材料特殊（钛合金、铝合金及高温合金）、形状复杂（存在曲面、窄缝等）等特点。采用激光焊接此类工件时，对焊枪的位置、姿态、对中及末端稳定性要求极高。

2、目前，常见的解决方案是将激光焊接头安装在六轴机器人腕部法兰。然而，在焊接复杂三维焊缝时，尤其是工件及工装焊接空间受限时，存在以下突出问题：

3、（1）碰撞风险较高，机器人末端执行器在复杂轨迹运动中，操作不当情况下，极易与工件、工装夹具发生干涉和碰撞，导致激光焊接头损坏或工件报废，造成极大损失；

4、（2）姿态调节能力不足，一般焊接末端执行器采用固定连接，难以在狭窄焊接空间内实现激光光束相对于焊缝的精确调姿，从而影响焊缝成形质量，特别是对于角焊缝或对接焊缝；

5、（3）系统响应迟缓，现有防碰撞多依赖于机器人离线编程与仿真，缺乏在线、主动、预判性的放碰撞，无法适应工件装配误差或热变形引起的焊缝轨迹变化；

6、（4）视觉检测集成度较低，一般焊接末端不具备视觉检测功能或功能单一，系统稳定性及检测精度不高。

7、因此，发明人提供了一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器及焊接方法。

技术实现思路

1、（1）要解决的技术问题

2、本发明实施例提供了一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器及焊接方法，解决了在狭窄焊接空间内激光焊接头易与工装碰撞而导致安全性及可靠性较差的技术问题。

3、（2）技术方案

4、本发明提供了一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，包括基座、激光测距传感器、双轴倾角仪、送丝装置、连接法兰、机器人法兰、同轴送气套件、送丝杆、激光焊接头和防碰撞传感器；其中，

5、所述防碰撞传感器的两端分别与所述基座、所述连接法兰连接且用于实时感知所述激光焊接头与工装及工件的接触力矩和接触力，所述机器人法兰的一端与所述连接法兰连接且夹角可调节，所述机器人法兰的另一端安装于机器人的法兰，所述送丝装置及所述激光焊接头均安装于所述基座，所述送丝装置用于将焊丝送入所述送丝杆，所述同轴送气套件的一端连通于所述激光焊接头的出光口，所述送丝杆固定于所述同轴送气套件，所述双轴倾角仪吸附连接于所述基座，所述激光测距传感器安装于所述基座且其测量激光与所述激光焊接头的激光中心线平行。

6、进一步地，所述激光焊接末端执行器还包括调节螺栓，所述机器人法兰与所述连接法兰转动连接并通过所述调节螺栓调整夹角后利用锁紧螺母锁紧。

7、进一步地，所述激光焊接末端执行器还包括送丝固定座，所述送丝装置通过所述送丝固定座固定于所述基座。

8、进一步地，所述激光焊接末端执行器还包括送丝杆固定环，所述送丝杆通过所述送丝杆固定环固定连接于所述同轴送气套件。

9、进一步地，所述激光焊接末端执行器还包括传感器支座，所述激光测距传感器通过所述传感器支座固定在所述基座的下端。

10、进一步地，所述同轴送气套件为三段锥形筒结构，包括直径逐渐缩小且依次连接的第一中空锥形筒、第二中空锥形筒及第三空锥形筒，所述第一中空锥形筒的侧壁开设有用于接通保护气的进气口。

11、进一步地，所述控制系统用于实时解算所述激光焊接头末端的安全距离值并实时调整所述激光焊接头的焊接姿态。

12、本发明还提供了一种采用上述复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器的激光焊接方法，包括以下步骤：

13、在焊接编程阶段，结合工装及工件的三维数模及焊接路径规划，将激光焊接末端执行器的周围划分为预警区、紧急制动区；

14、在焊接过程中，实时采集激光测距传感器的距离测量值、碰撞传感器的力矩测量值以及机器人的工具中心点位姿测量值，并实时更新所述激光焊接末端执行器相对于工装及工件的位姿关系；

15、当所述距离测量值进入所述预警区的区域阈值且所述力矩测量值无异常时，向所述机器人发送预警信号及风险方向，动态调整所述激光焊接末端执行器的运行姿态以保证激光束仍处于工艺要求的焊接路径；

16、当所述距离测量值进入所述紧急制动区的区域阈值或所述力矩测量值异常时，向所述机器人及所述激光焊接末端执行器发送紧急停止指令，在局部进行焊接路径的调整再规划，并调节所述激光焊接末端执行器的位姿以避开碰撞点或引导所述机器人沿安全轨迹返回上一个安全点，从修正的安全路径继续完成焊接。

17、进一步地，激光焊接头的激光中心与加强筋之间的夹角为55～65°。

18、进一步地，所述预警区为距离激光焊接头末端5～20mm的缓冲区域，所述紧急制动区为距离所述激光焊接头末端0～5mm临界区域。

19、（3）有益效果

20、综上，本发明通过激光测距传感器、双轴倾角仪、防碰撞传感器将激光视觉、倾角数据、力矩传感器信息高度集成一体，同时设计结构紧凑，可适应狭窄焊接空间，极大降低了激光焊接末端执行器在复杂狭窄空间内的运动干涉风险。

1.一种复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，包括基座（101）、激光测距传感器（102）、双轴倾角仪（103）、送丝装置（104）、连接法兰（105）、机器人法兰（106）、同轴送气套件（107）、送丝杆（108）、激光焊接头（109）和防碰撞传感器（110）；其中，

2.根据权利要求1所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，还包括调节螺栓（111），所述机器人法兰（106）与所述连接法兰（105）转动连接并通过所述调节螺栓（111）调整夹角后利用锁紧螺母锁紧。

3.根据权利要求1所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，还包括送丝固定座（112），所述送丝装置（104）通过所述送丝固定座（112）固定于所述基座（101）。

4.根据权利要求1所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，还包括送丝杆固定环（113），所述送丝杆（108）通过所述送丝杆固定环（113）固定连接于所述同轴送气套件（107）。

5.根据权利要求1所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，还包括传感器支座（114），所述激光测距传感器（102）通过所述传感器支座（114）固定在所述基座（101）的下端。

6.根据权利要求1所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器，其特征在于，所述同轴送气套件（107）为三段锥形筒结构，包括直径逐渐缩小且依次连接的第一中空锥形筒（1071）、第二中空锥形筒（1072）及第三空锥形筒（1073），所述第一中空锥形筒（1071）的侧壁开设有用于接通保护气的进气口（1074）。

7.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统用于实时解算所述激光焊接头（109）末端的安全距离值并实时调整所述激光焊接头（109）的焊接姿态。

8.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接头（105）的输入激光与输出激光垂直。

9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述的复杂薄壁构件的激光焊接末端执行器的激光焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的激光焊接方法，其特征在于，所述预警区为距离激光焊接头末端5～20mm的缓冲区域，所述紧急制动区为距离所述激光焊接头末端0～5mm临界区域。