一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统及调节方法技术方案

一种激光‑电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统及调节方法，属于材料加工工程领域。技术要点：包括激光束捕捉探测系统，焊丝捕捉探测系统，导轨运动机构，复合焊接数据库系统，计算机控制系统。利用激光束捕捉探测系统进行激光束作用点的横向位置探测捕捉，利用焊丝捕捉探测系统进行弧焊枪送丝端点的位置探测捕捉，二者探测的位置数据输入计算机控制系统实现光丝间距的计算识别。然后通过输入复合焊接基本参数至复合焊接数据库来调取合适的光丝间距数值，以实现计算机控制系统对导轨运动机构的控制来实现焊前和焊中光丝间距的实时自适应调节。本发明专利技术结构简单，能够实现光丝间距的实时自适应调节。

【技术实现步骤摘要】
一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统及调节方法
本专利技术涉及一种光丝间距实时自适应调节系统及调节方法，具体涉及一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统及调节方法，属于材料加工工程领域。
技术介绍
激光-电弧复合焊接技术结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点：激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的特性；电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势。因此极大程度地避免了二者的缺点：如金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备高的设备成本、低的电-光转化效率等，电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差等。同时二者的有机结合衍生出了很多新的特点：高能量密度、高能量利用率、高的电弧稳定性、较低的工装准备精度以及待焊接工件表面质量等，使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源，在船舶，汽车，航空航天等方向上都具有极大的应用前景。作为激光-电弧复合焊接过程当中起重要作用的焊接参数之一，光丝间距一定程度上决定了激光-电弧复合焊接接头质量与性能评价，光丝间距较大时会出现激光-电弧热源耦合困难，造成焊接过程当中热源耦合中断，从而形成断续焊缝，而光丝间距较小时则会导致双热源引导力减小，导致电弧发散并且导致焊接中断。目前，已有专利文献如201310200192.6提出了一种用于激光-MIG/MAG焊接设备的多向调节焊接装置，公开了一种通过丝杠传动进行三维调节焊前光丝间距的方法。该方法只能够在焊前进行光丝间距的调节，并不能实现焊接过程中的实时自适应调节，焊中的光丝间距值调节准确度不高。而专利文献201610464040.0提出的是一种基于视觉传感的的激光-电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法，该方法通过构建视觉检测系统，获得焊接过程中焊丝尖端和激光匙孔的图像，然后进行图像的提取和分析来确定光丝间距的位置。该方法虽能够实现焊接过程中光丝间距的实时自适应调节，但是实际焊接中激光匙孔往往是不规则形状且处于动态变化过程中，由匙孔图像来确定激光束的位置往往会有一定偏差，造成调整结果的不准确。另外，该调整装置缺乏相应的数据库与不同的材料进行焊接工艺参数的匹配，在实际应用过程当中需基于焊接经验进行材料数据匹配工作，焊接效率与应用便捷程度也受到影响。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，为了克服上述缺点，本专利技术目的是针对当前激光-电弧复合焊接系统的光丝间距调节困难，无法实现焊接实时自动调节来保证焊接稳定性的问题，而提供的一种调节方便且能实现精准调节的新型光丝间距调节系统及调节方法。方案一：本专利技术提供了一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，包括激光焊接系统，电弧焊系统，激光束捕捉探测系统，焊丝捕捉探测系统，导轨运动机构和计算机控制系统；所述导轨运动机构包括相互垂直连接且处于同一竖直平面内的横向导轨运动机构和竖向导轨运动机构，激光焊接系统的激光焊接输出头安装在横向导轨运动机构上，电弧焊系统的电弧焊焊枪安装在竖向导轨运动机构上；激光束捕捉探测系统包括第一红外线发射器、激光准直器和第一PSD红外线探测器，所述第一红外线发射器和第一PSD红外线探测器构成第一红外一体接收头；焊丝捕捉探测系统包括第二红外线发射器和第二PSD红外线探测器，第二红外线发射器和第二PSD红外线探测器构成第二红外一体接收头；所述第一红外线发射器、激光准直器、第一PSD红外线探测器、第二红外线发射器和第二PSD红外线探测器均与计算机控制系统连接；在激光焊接输出头上装有第一红外线发射器和第一PSD红外线探测器，用来探测和确定激光束与焊丝端部的横向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；在电弧焊焊枪上装有第二红外线发射器和第二PSD红外线探测器，用来发射红外线至焊接板材，然后通过接收反射的红外线，来确定焊丝端部与板材间的竖向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；激光准直器安装在激光焊接输出头上用于测定激光焊接头竖直方向上的偏离角度，以消除激光头偏离竖直方向所带来的数据误差。进一步地：所述光丝间距实时自适应调节系统整体安装在焊接机器人上；所述激光焊接系统为光纤激光焊接系统、气体激光焊接系统或固体激光焊接系统；所述电弧焊系统为熔化极电弧焊系统。进一步地：所述第一红外线发射器和第一PSD红外线探测器通过固定连接件安装在激光焊接输出头上，且与导轨传动机构处于同一竖直平面内。如此设置，通过红外相位探测原理，所述第一红外一体接收头发射红外线至所述竖直运动导轨表面上，来测得竖直运动导轨与第一红外一体接收头的距离，经过线性运算，间接得到实时的光丝间距数值。进一步地：所述第二红外线发射器和第二PSD红外线探测器通过固定连接件安装在电弧焊焊枪上。如此设置，通过红外探测原理测定出第二红外一体接收头与焊接板材的距离，通过数学换算，间接得到焊丝端头与焊接板材的竖直距离。当需要控制整个系统上下运动来调节离焦量时，所述焊丝捕捉探测系统将测定的竖直距离通过所述传输系统传输至所述计算机控制系统，所述计算机控制系统通过识别控制所述竖直运动导轨的运动，进而调整焊丝端点至合适的高度位置。进一步地：所述计算机控制系统内嵌入复合焊接数据库系统，复合焊接数据库系统为各种不同焊接条件下的基本工艺参数数据库，其用于输出不同母材、不同焊接工艺参数下的光丝间距。如此设置。在焊接前，向计算机控制系统输入所焊接的母材及工艺参数情况，复合焊接数据库系统可自动调取合适的光丝间距数值，用于本次焊接。另外，在确定光丝间距最优值的情况下，也可以直接输入光丝间距数值，用于本次焊接。进一步地：所述计算机控制系统包括输入模块，处理模块，输出模块；用于所述激光束捕捉探测系统和所述焊丝捕捉探测系统采集到的数据转换和输入，然后进行位置数据计算处理，得到所述导轨运动机构的运动距离，进而通过输出模块控制所述导轨运动机构的运动，达到调整光丝间距的目的。进一步地：所述横向导轨运动机构和竖向导轨运动机构均为丝杠滑块传动机构；横向导轨运动机构的丝杠由第一驱动电机驱动，竖向导轨运动机构的丝杠由第二驱动电机驱动，所述激光焊接输出头固定在横向运动滑块上，横向运动滑块在丝杠上移动实现激光焊接输出头的横向运动；所述电弧焊焊枪固定在竖向运动传动滑块上，竖向运动传动滑块在丝杠上移动实现电弧焊焊枪的竖向运动。如此设置，双导轨的安装位置保证激光头与电弧焊枪位于同一竖直平面内。由所述计算机控制系统处理激光作用点和焊丝端点的位置数据，通过控制两个驱动电机实现控制激光焊接头的横向运动和电弧焊枪的竖直运动。方案二：本专利技术提供了一种调节方便且能实现精准调节的新型光丝间距调节方法，其依托方案一所述一种调节方便且能实现精准调节的新型光丝间距调节系统实现的，具体为：焊接前，计算机控制系统输入合适的光丝间距值，计算机控制系统将控制横向导轨运动机构和竖向导轨运动机构进行调整激光束的横向位置和焊枪的竖向位置以至合适的光丝间距数值处；在焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光‑电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，包括激光焊接系统，电弧焊系统，激光束捕捉探测系统，焊丝捕捉探测系统，导轨运动机构和计算机控制系统；所述导轨运动机构包括相互垂直连接且处于同一竖直平面内的横向导轨运动机构(30)和竖向导轨运动机构(40)，激光焊接系统的激光焊接输出头(10)安装在横向导轨运动机构(30)上，电弧焊系统的电弧焊焊枪(20)安装在竖向导轨运动机构(40)上；激光束捕捉探测系统包括第一红外线发射器(11)、激光准直器(12)和第一PSD红外线探测器(13)，所述第一红外线发射器(11)和第一PSD红外线探测器(13)构成第一红外一体接收头；焊丝捕捉探测系统包括第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)，第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器22构成第二红外一体接收头；所述第一红外线发射器(11)、激光准直器(12)、第一PSD红外线探测器(13)、第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)均与计算机控制系统连接；在激光焊接输出头(10)上装有第一红外线发射器(11)和第一PSD红外线探测器(13)，用来探测和确定激光束与焊丝端部的横向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；在电弧焊焊枪(20)上装有第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)，用来发射红外线至焊接板材，然后通过接收反射的红外线，来确定焊丝端部与板材间的竖向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；激光准直器(12)安装在激光焊接输出头(10)上用于测定激光焊接头竖直方向上的偏离角度，以消除激光头偏离竖直方向所带来的数据误差。...

【技术特征摘要】
1.一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，包括激光焊接系统，电弧焊系统，激光束捕捉探测系统，焊丝捕捉探测系统，导轨运动机构和计算机控制系统；所述导轨运动机构包括相互垂直连接且处于同一竖直平面内的横向导轨运动机构(30)和竖向导轨运动机构(40)，激光焊接系统的激光焊接输出头(10)安装在横向导轨运动机构(30)上，电弧焊系统的电弧焊焊枪(20)安装在竖向导轨运动机构(40)上；激光束捕捉探测系统包括第一红外线发射器(11)、激光准直器(12)和第一PSD红外线探测器(13)，所述第一红外线发射器(11)和第一PSD红外线探测器(13)构成第一红外一体接收头；焊丝捕捉探测系统包括第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)，第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器22构成第二红外一体接收头；所述第一红外线发射器(11)、激光准直器(12)、第一PSD红外线探测器(13)、第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)均与计算机控制系统连接；在激光焊接输出头(10)上装有第一红外线发射器(11)和第一PSD红外线探测器(13)，用来探测和确定激光束与焊丝端部的横向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；在电弧焊焊枪(20)上装有第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)，用来发射红外线至焊接板材，然后通过接收反射的红外线，来确定焊丝端部与板材间的竖向距离，并通过传输线将数据传输至计算机控制系统中；激光准直器(12)安装在激光焊接输出头(10)上用于测定激光焊接头竖直方向上的偏离角度，以消除激光头偏离竖直方向所带来的数据误差。2.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述光丝间距实时自适应调节系统整体安装在焊接机器人上；所述激光焊接系统为光纤激光焊接系统、气体激光焊接系统或固体激光焊接系统；所述电弧焊系统为熔化极电弧焊系统。3.根据权利要求1或2所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述第一红外线发射器(11)和第一PSD红外线探测器(13)通过固定连接件安装在激光焊接输出头(10)上，且与导轨传动机构处于同一竖直平面内。4.根据权利要求1所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述第二红外线发射器(21)和第二PSD红外线探测器(22)通过固定连接件安装在电弧焊焊枪(20)上。5.根据权利要求3所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述计算机控制系统内嵌入复合焊接数据库系统，复合焊接数据库系统为各种不同焊接条件下的基本工艺参数数据库，其用于输出不同母材、不同焊接工艺参数下的光丝间距。6.根据权利要求5所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述计算机控制系统包括输入模块，处理模块，输出模块；用于所述激光束捕捉探测系统和所述焊丝捕捉探测系统采集到的数据转换和输入，然后进行位置数据计算处理，得到所述导轨运动机构的运动距离，进而通过输出模块控制所述导轨运动机构的运动，达到调整光丝间距的目的。7.根据权利要求6所述的一种激光-电弧复合焊接的光丝间距实时自适应调节系统，其特征在于，所述横向导轨运动机构(30)和竖向导轨运动机构(40)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福运，檀财旺，潘雁甲，陈波，张珊珊，宋晓国，冯吉才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，山东船舶技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37