一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置及校准方法

摘要

本发明公开了一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置及校准方法，该装置包括摄像头、四个棱镜体和凸透镜，所述摄像头位于主体支架中心，摄像头通过摄像头固定板固定在主体支架上，所述凸透镜中心设有通孔，凸透镜套在摄像头固定板上，凸透镜的内壁与摄像头固定板之间有间隙，凸透镜通过透镜固定板与主体支架连接，凸透镜通过底座安装在主体支架上，所述主体支架上安装有盖板，所述四个棱镜体绕摄像头的中心轴圆周均布，在盖板上放置有与棱镜体对应的激光头。本发明的一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置，焊接前自动模拟并修正搅拌头角度高度，不需破坏焊件的表面结构，有利于进一步提高焊接质量，能根据具体的焊接要求方便更改下压量，倾斜角度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置及校准方法，属于焊接领域。

背景技术

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其 焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接 缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结 构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其 他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段 纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接 头，但是在工程实际操作中，待焊区域形状复杂，传统车床式搅拌摩擦焊严重受限，只 能焊接平直表面，无法实现复杂工件表面的焊接。因工件复杂，焊接时焊具位置需要及 时变换与校准，如专利(申请号201510675554.6)所描述，但这种校准方法适用范围小， 且需要焊前准备工作繁琐，设备庞大、并难以保证焊缝前后强度一致性，难以在通用搅 拌摩擦焊具设备上实现。

因此本发明针对搅拌摩擦焊具的位置和姿态提出了一种新的定位方式，通过焊接前 分析调整激光信号，模拟焊接路径上搅拌头位置、姿态等。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种搅拌摩擦焊具姿态和 位置校准装置及校准方法，焊接前自动模拟并修正搅拌头角度高度，不需破坏焊件的表 面结构，有利于进一步提高焊接质量，能根据具体的焊接要求方便更改下压量，倾斜角 度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置， 包括摄像头、四个棱镜体和凸透镜，所述摄像头位于主体支架中心，摄像头通过摄像头 固定板固定在主体支架上，摄像头与实时显示画面的显示器连接，所述凸透镜中心设有 通孔，凸透镜套在摄像头固定板上，凸透镜的内壁与摄像头固定板之间有间隙，凸透镜 通过透镜固定板与主体支架连接，凸透镜通过底座安装在主体支架上，所述底座设有阶 通孔，通孔设有截面为圆弧状的台阶，台阶的圆弧曲率与凸透镜的曲率相同，所述主体 支架上安装有盖板，底座、主体支架和盖板通过螺栓连接，所述四个棱镜体绕摄像头的 中心轴圆周均布，在盖板上放置有与棱镜体对应的激光头；激光头发射的激光进入棱镜 体，在棱镜体中分两路，一路竖直穿透棱镜体进入凸透镜中，在凸透镜中折射后进入待 焊工件表面，另一路在四个棱镜体内反射后从凸透镜的间隙中竖直射入到待焊工件表 面。

作为优选，所述棱镜体包含三个三棱镜，三棱镜为等腰直角三棱镜，等腰直角三棱 镜的斜边所在的面上涂有反射层，三个等腰直角三棱镜组成的棱镜体的截面为等腰直角 梯形。

作为优选，所述盖板中心设有螺纹孔。

在焊具被安装在搅拌摩擦焊接机器人手臂上之后，一种上述的搅拌摩擦焊具姿态和 位置校准装置的校准方法，包括以下步骤：

(1)调整校准装置与焊接区域间隔1个焦距，使外侧4路激光汇聚至待焊区域中 同一点，记为O点，内侧4路激光在待焊工件表面形成光点，分别依次记为A、B、C、D 点；

(2)调整校准装置沿焊具轴向上提0.5倍焦距距离，外侧4路激光在待焊工件表 面形成光点，对应同源内侧激光，分别记为a、b、c、d，通过特征图案比较Aa、Bb、 Cc、Dd距离；

(3)调节焊具姿态，确保焊具轴线经过焊接区域，并使Aa、Bb、Cc、Dd距离相等， 保持焊具轴向不变，移动焊具，使外侧4路激光汇聚至O点，记录此时焊具在机器人系 统中坐标位置和轴向角度；

(4)将待焊工件表面区域多次取点，重复步骤(1)至(3)，通过分析焊具在每个 点坐标位置和轴向角度，拟合成搅拌摩擦焊接机器人焊接路径。

在本发明中，摄像头安装在主体支架的中心线上，摄像头、主体支架、凸透镜的轴 线与焊具的轴线重合；摄像头同时也位于凸透镜的内孔中，其轴线与凸透镜的内孔轴线 重合；每个激光头配套三个等腰直角三棱镜，前两个斜边面相对放置，将光线分为径向 和轴向两方向，最后一个等腰直角三棱镜斜边面涂反射层，将水平激光折射为轴向方向； 3路激光通过光路装置后，形成了6路激光，其中外侧3路激光汇聚于凸透镜的焦点， 内侧3路激光平行轴线穿过凸透镜内的通孔后到达工件，这6路激光照射到工件表面后 形成光点的特征图案。

有益效果：现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)这是一种新式的搅拌摩擦焊接机器人手臂姿态激光校准装置，焊接前自动模 拟并修正搅拌头角度高度，不需破坏焊件的表面结构。

(2)校准过程中精度高，有利于进一步提高焊接质量，能根据具体的焊接要求方 便更改下压量，倾斜角度。

(3)结构简单、实用性强，重复多次使用。该搅拌摩擦焊接机器人激光自动校准 装置部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实 意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中光路的结构示意图。

图3为棱镜体的结构示意图。

图4为第一特征图案。

图5为第二特征图案。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的一种搅拌摩擦焊具姿态和位置校准装置，包括摄像头 9、四个棱镜体4和凸透镜7，所述摄像头9位于主体支架3中心，摄像头9通过摄像头 固定板10固定在主体支架3上，摄像头9与实时显示画面的显示器连接，所述凸透镜7 中心设有通孔，凸透镜7套在摄像头固定板10上，凸透镜7的内壁与摄像头固定板10 之间有间隙，凸透镜7通过透镜固定板5与主体支架3连接，凸透镜7通过底座8安装 在主体支架3上，所述底座8设有阶通孔，通孔设有截面为圆弧状的台阶，台阶的圆弧 曲率与凸透镜7的曲率相同，便于底座8更好的定位凸透镜7，所述主体支架3上安装 有盖板1，底座8、主体支架3和盖板1通过螺栓6连接，所述四个棱镜体4绕摄像头9 的中心轴圆周均布，棱镜体4包含三个三棱镜41、42、43，三棱镜为等腰直角三棱镜， 等腰直角梯形斜边所对应的边上的等腰直角三棱镜43的斜边所在的面上涂有反射层， 三个等腰直角三棱镜组成的棱镜体4的截面为等腰直角梯形，在盖板1上放置有与棱镜 体4对应的激光头2，所述盖板1中心设有螺纹孔，使搅拌摩擦焊具无需拆卸搅拌头， 直接与姿态位置校准器螺纹配合；激光头2发射的激光进入棱镜体4，在棱镜体4中分 两路，一路竖直穿透棱镜体4进入凸透镜7中，在凸透镜7中折射后进入待焊工件表面， 另一路在四个棱镜体4内反射后从凸透镜7的间隙中竖直射入到待焊工件表面。

如图4所示，当凸透镜7中心与距离工件距离为1个焦距时，特征图案1中内侧3 个点形成正三角形，外侧3点汇成一点位于正三角形中心。

如图5所示，当焊具轴线与待焊工件区域表面垂直、凸透镜7中心与距离工件距离 为1.5倍焦距时，特征图案2中内侧3个点形成正三角形，外侧3路激光在工件表面形 成3个光点。

本发明的装置的安装方法如下：将凸透镜7放入底座8，盖上透镜固定板5，将等 腰直角三棱镜依次放入主体支架3，摄像头9放入主体支架3中间通孔，导线穿过限位 孔，旋上摄像头固定板10，将激光头2装入盖板1，导线穿过限位孔，将装配好的盖板 1、主体支架3、底座8配合在一起，通过螺栓6连接，将激光头2、摄像头9的导线接 入电源和图像分析装置。

在焊具被安装在搅拌摩擦焊接机器人手臂上之后，一种上述的搅拌摩擦焊具姿态和 位置校准装置的校准方法，包括以下步骤：

(1)从焊具头部取下轴肩，安装本装置；

(2)打开激光和摄像头9，拍摄特征图案，分析特征图案中光点位置；

(3)调整本装置与焊接区域距离点约为一个焦距，使外侧3路激光汇聚至待焊区域 中同一点，记为O点，内侧3路激光在待焊工件表面形成光点，分别依次记为A、B、C 点；

(4)将焊具沿着轴向上提0.5倍焦距距离，外侧3路激光在待焊工件表面形成光点， 对应同源内侧激光，分别记为a、b、c；

(5)通过特征图案比较Aa、Bb、Cc距离；

(6)调节焊具姿态，确保焊具轴线经过焊接区域，并使Aa、Bb、Cc距离相等；

(7)保持焊具轴向不变，移动焊具，使外侧3路激光汇聚至O点；

(8)记录此时焊具在机器人系统中坐标位置和轴向角度；

(9)将待焊工件表面区域多次取点，重复步骤(3)至(8)，通过分析焊具在每个 点坐标位置和轴向角度，拟合成搅拌摩擦焊接机器人焊接路径；

(10)换上搅拌头，设定下压量，实行焊接操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。