非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰方法及系统

本发明属于工程机械制造，尤其涉及非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰方法及系统。

背景技术：

1、随着工程机械、风电装备及海洋工程等领域对重型结构件承载能力和可靠性要求的不断增长，塔座作为核心基础承载部件，其制造质量至关重要。塔座结构通常由大厚度底板与多块交叉分布的垂直法兰筋板组合而成，这些法兰与底板的交汇处形成了大量空间极度受限的t型接头，以及“底板竖板肋板”三面交汇的死角区域（即三面角接头）。目前，针对大厚度塔座结构件的连接技术，主要包括传统的埋弧焊、气体保护电弧焊（mag/mig）以及近年来兴起的激光电弧复合焊接技术。其中，激光电弧复合焊接因其能量密度高、深熔透能力强、热变形小，被认为是实现厚板高效、高强度连接的理想手段。然而，在塔座这种复杂狭窄的三面角空间内应用激光电弧复合焊接技术时，现有技术普遍存在如下不足：

2、（1）设备与光束的严重物理干涉难以避免；由于垂直筋板的阻挡，传统的对称v型或u型坡口无法提供足够的探入空间，导致体积庞大的一体式复合焊头（尤其是保护气嘴部位）极易与工件侧壁发生机械碰撞。同时，若坡口角度设计不当，激光光束极易被较陡峭的侧壁边缘遮挡（即削光现象），导致光束能量无法充分到达焊缝根部。

3、（2）三面角死角处的回返光损伤与熔池动力学崩溃；当焊接向三面角死角推进以规避物理碰撞时，现有操作往往单纯减小焊头推拉角直至完全垂直于底板（）。这种垂直照射不仅会导致等离子体云失去向后的吹拂方向，造成根部未熔合，更会引发强烈的激光回返光，直接沿光路返回从而烧毁昂贵的激光振荡器或准直镜片。

4、（3）动态调姿过程中的光电能量场严重失衡；为了实现避障，复合焊头在三维空间中的姿态必须发生动态连续改变。焊头仰角的减小会直接导致激光在坡口底部的投影面积拉长畸变，造成有效功率密度骤降；同时，姿态的变化会导致电弧干伸长急剧缩短、电流异常激增，严重破坏激光与电弧的协同耦合效应，极易引发大量飞溅、咬边及未焊透等缺陷。

5、（4）缺乏系统性的协同控制数学模型与自动化能力；现有技术多依赖人工经验示教或简单的静态参数匹配，缺乏将坡口非对称几何设计、机器人三维动态空间避障与双热源多场能量补偿相统一的系统性数学控制模型，无法实现塔座全位置的高质量自动化连续焊接。

6、综上所述，如何开发一种能够完美解决受限空间物理干涉、消除死角回返光隐患，并在三维动态避障过程中维持光电能量场稳定协同的复合焊接新方法，成为本领域需解决的关键技术难题。现有塔座复合焊接中极易产生焊头机械碰撞与光束遮挡，死角处存在回返光烧毁设备的致命风险，且在变姿态避障过程中能量场分布失衡、飞溅及未熔合缺陷频发，难以实现高质量、高一致性的自动化连续焊接。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明提供了非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰方法及系统。为克服现有技术中塔座复合焊接设备易发生空间干涉、死角易产生回返光损伤以及变姿态时多场能量分布失衡等问题，本发明公开实施例提供了塔座非对称坡口空间动态防碰激光电弧复合焊接方法及系统，尤其涉及一种基于多物理场干涉极值解算与非零渐近线协同补偿的控制方法，通过分段能量分布和空间轨迹协同，有效实现了复杂受限空间内的无干涉、全熔透焊接。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰方法，包括以下步骤：

3、s1、设置用于塔座焊接的一体化激光电弧复合焊头，针对塔座筋板与底板的角接接头，根据激光聚焦半角、离焦量及激光摆动参数，计算极小侧坡口角度的光学防削光约束模型及坡口底宽；结合一体式复合焊头的干涉外径及探入深度，计算避障侧坡口角度刚体防碰方程约束模型，制备非对称复合坡口；

4、s2、在焊接执行过程中，六轴机器人携复合焊头向塔座三面角推进，利用传感器实时获取当前熔池距离前方结构交汇死角的实时直线距离，并根据复合焊头的工作高度及防碰包络半径，计算出触发防碰调姿的临界安全距离；

5、s3、当实时直线距离时，启动三维动态变位姿调控，通过引入极限保底安全角，按照非零渐近线平滑控制律动态减小复合焊头的推拉角，直至到达所述实时直线距离时，将焊头锁定于所述极限保底安全角，防止激光垂直照射底板；

6、s4、在执行动态变位姿的过程中，通过实时计算仰角减小导致的光斑面积畸变与电弧干伸长缩短量，同步实施光电双场协同反向补偿，实时提升激光输出功率；且同步下调电弧送丝速度，维持熔池总热输入与熔滴过渡的绝对稳定。

7、在步骤s1中，根据激光聚焦半角、离焦量及激光摆动参数，计算极小侧坡口角度的光学防削光约束模型包括：计算实际光斑：

8、

9、式中，为实际作用光斑直径，为焦点光斑直径，为激光离焦量，为激光聚焦半角；

10、为容纳激光摆动幅度值并防遮挡，极小侧坡口角度的光学防削光约束模型为：

11、

12、式中，为激光摆动幅度值，为实际作用光斑直径，为高温等离子体导致的有效光束扩散补偿量，为激光焦距，为离焦量，为初始入射偏角，为等离子体安全裕度，为机械加工及制造误差安全裕度；

13、坡口底宽满足工艺约束：。

14、在步骤s1中，避障侧坡口角度的刚体防碰方程约束模型为：

15、

16、式中，为探入深度，为干涉外径，为横向工作角，为安全缓冲余量。

17、在步骤s2中，所述临界安全距离的计算模型为：

18、

19、式中，为工作高度，为初始稳态推拉角，为防碰物理包络半径，为避障安全提前量。

20、在步骤s3中，所述极限保底安全角的非零渐近线平滑控制公式为：

21、

22、式中，为实时推拉角随时间变化的焊头倾角，用于功率补偿计算；为实时直线距离，为平滑控制系数，且；

23、所述极限保底安全角的取值范围设定为。

24、在步骤s4中，激光输出功率的能量补偿公式为：

25、

26、式中，为初始稳态激光功率，为实时推拉角随时间变化的焊头倾角，用于功率补偿计算；为吸收率修正系数。

27、在步骤s4中，电弧送丝速度的动态补偿公式为：

28、

29、式中，为初始稳态送丝速度，为送丝闭环反馈增益系数，为随姿态动态重算的实际畸变干伸长，为初始稳态干伸长；

30、

31、式中，为垂直工作高度，为推拉角，为tcp结构偏置常数。

32、在步骤s3中，所述实时直线距离由安装于复合焊头前端的激光视觉跟踪传感器以不低于100hz的频率实时扫描并反馈至控制系统。

33、本发明的另一目的在于提供一种非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰系统，该系统实施所述的非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰方法，该系统包括：

34、坡口几何参数解算模块，用于设置用于塔座焊接的一体化激光电弧复合焊头，针对塔座筋板与底板的角接接头，根据激光聚焦半角、离焦量及激光摆动参数，计算极小侧坡口角度的光学防削光约束模型及坡口底宽；结合一体式复合焊头的干涉外径及探入深度，计算避障侧坡口角度刚体防碰方程约束模型，制备非对称复合坡口；

35、空间状态监测模块，用于在焊接执行过程中，六轴机器人携复合焊头向塔座三面角推进，利用传感器实时获取当前熔池距离前方结构交汇死角的实时直线距离，并根据复合焊头的工作高度及防碰包络半径，计算出触发防碰调姿的临界安全距离；

36、动态防碰位姿调控模块，当实时直线距离时，启动三维动态变位姿调控，通过引入极限保底安全角，按照非零渐近线平滑控制律动态减小复合焊头的推拉角，直至到达所述实时直线距离时，将焊头锁定于所述极限保底安全角，防止激光垂直照射底板；

37、双场协同反馈补偿模块，用于在执行动态变位姿的过程中，通过实时计算仰角减小导致的光斑面积畸变与电弧干伸长缩短量，同步实施光电双场协同反向补偿，实时提升激光输出功率；且同步下调电弧送丝速度，维持熔池总热输入与熔滴过渡的绝对稳定。

38、进一步，所述的非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰系统搭载在计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现所述的非对称坡口激光电弧复合焊接的空间动态防碰系统中的功能。

39、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

40、第一、本发明通过设置用于塔座焊接的一体化激光电弧复合焊头，针对塔座筋板与底板的角接接头，根据激光聚焦及摆动参数计算极小侧坡口角度及底宽，结合焊头干涉外径计算避障侧坡口角度，制备非对称复合坡口；在焊接执行过程中实时获取当前熔池距离前方结构交汇死角的直线距离，计算触发防碰调姿的临界安全距离；在逼近死角时启动三维动态变位姿调控，引入极限保底安全角，按照非零渐近线平滑控制律动态减小推拉角；在调姿过程中，同步计算光斑面积畸变与电弧干伸长缩短量，实施光电双场协同反向补偿，实时提升激光功率并下调送丝速度。本发明的焊接方法能够显著克服受限空间物理干涉、消除死角回返光隐患，维持变姿态过程中光电能量场的绝对稳定，适用于工程机械、风电装备及海洋工程等重型塔座结构件的高质量自动化制造。

41、第二、本发明通过基于多物理场极值反算的非对称坡口设计，完美解决了一体化复合焊头在塔座筋板处的物理设备干涉与激光光束遮挡问题。通过使靠近筋板一侧尽可能陡峭、远离侧平缓让位，在确保光束无损投射的前提下最大限度减小了坡口填充量，降低了热输入与变形。本发明在三维动态防碰算法中创新性地引入了极限保底安全角，使焊头在彻底抵达三面角死角时，推拉角不会降为0°而是精准维持在。这彻底消除了激光垂直照射引起的回返光烧毁核心光学设备的致命风险，同时保留了等离子体的有效吹拂方向，确保了三面角根部的全熔透。本发明提出了光电双场同步联动反向补偿机制。在连续变姿态避障过程中，采用“一增（随角度减小提升激光功率）一减（随干伸长缩短降低送丝速度）”的精妙解耦控制，彻底解决了姿态变化引起的激光能量密度突降和电弧电流激增问题，有效消除了死角区域的飞溅、咬边和局部未焊透等常见缺陷。本发明将静态几何设计、动态位姿插补与能量源协同统一在一个严密的数学模型框架内，打破了传统人工示教的盲区。该系统算法具有极强的工艺适应性和通用性，便于自动化和智能制造系统集成，极大地提升了大型塔座结构件复合焊接的批量化生产一致性。

42、第三、非对称坡口设计可使焊丝填充量较传统对称构型缩减约三成五，直接降低耗材开销与单道焊接周期。动态防碰策略配合极限保底安全角，能够有效防止焊头撞击工件及激光回返光损毁光学元件，进而削减设备维修与替换频次。该方法支撑塔座等大型复杂结构件的自动化连续生产，为工程机械、风电装备及海洋工程领域重型结构的高效高可靠制造提供了可行路径。针对狭小空间自动化焊接中长期存在的动态避障与热输入稳定相互制约的难题，本发明通过引入光电双场协同反向补偿机制，在焊头姿态连续调整的过程中有效抑制了光斑面积畸变与干伸长波动对熔池热平衡的干扰，使得能量输入保持恒定，从而突破了变位姿焊接时热源失稳的技术瓶颈。面对防撞、防回返光与根部全熔透三重工艺目标难以同步达成的困境，本方案将非零渐近线平滑调姿策略与非对称坡口设计有机融合，在确保安全避让受限空间的同时实现了焊接质量的全面提升，为复杂结构的高可靠性连接提供了系统性的解决路径。

43、第四、针对狭小空间内自动化焊接长期存在的动态避障与热输入稳定相互掣肘的工艺难点，本发明借助光电双场协同反向补偿策略，在焊头位姿连续调整过程中有效抑制了由光斑面积畸变及干伸长波动引发的能量场扰动，使熔池热输入保持恒定。面对焊头防撞、光学元件防护及根部全熔透三重目标难以兼得的工程困境，本方案将非零渐近线平滑调姿机制与非对称坡口构型有机结合，在保证受限空间安全通过的前提下实现了焊接质量的全面提升，为复杂结构的高可靠性连接提供了系统化的技术路径。针对坡口设计，研究摒弃了必须采用对称构型的固有看法，依据受限空间的实际约束条件，引入非对称坡口结构并建立了相应的数学描述方法，从理论层面确认了该设计的可行性。在避障操作方面，研究改变了靠近死角时须持续减小推拉角直至零度的常规做法，明确指出垂直照射存在损毁光学元件的风险，进而设定了5°至10°的保底安全倾角，为安全控制提供了新的操作准则。在控制架构上，研究打破了将机器人位姿调整与焊接参数分开处理的惯用模式，建立了姿态变动与光电输出之间的联动调节关系，形成了二者协同工作的控制逻辑，为复合焊接系统的集成控制提供了新的思路。