本发明提供了一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备与方法。所述装备利用三维扫描摄像头对其进行测量，并将所测得的三维几何数模导入计算机系统中，通过对比原始几何模型数据后，由计算机将原始模型与待修复模型进行对比，根据模型差值输出修复方案，并将方案传输至修复系统，从而实现空间在轨环境下的激光定量修复。在修复系统中，填充金属为焊丝，焊枪的出丝口安装有小型定向超声辅助装置，焊丝被激光熔化后形成的熔滴可以在修复过程中有效克服微重力的环境并填充在待修复表面，达到在轨修复效果。
1.一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备，其特征在于：包括控制系统(1)、激光修复系统(2)、超声辅助送丝系统(3)、可移动式工作台(4)、在轨工作舱体(5)、在轨修复装置底座(6)，所述激光修复系统(2)、超声辅助送丝系统(3)、可移动式工作台(4)均安装于在轨工作舱体(5)内部；
所述控制系统(1)用于控制激光修复系统(2)、超声辅助送丝系统(3)、可移动式工作台(4)，包括显示器(11)、控制柜(12)、三个三维扫描摄像头(13)，其中，显示器(11)位于在轨工作舱体(5)外部，控制柜(12)、三个三维扫描摄像头(13)位于在轨工作舱体(5)内部；
所述三维扫描摄像头(13)对称安装于夹具B(33)，三者夹角呈120°，以实现待修复工件几何特征的全局扫描；
所述三维扫描摄像头(13)将测得的几何模型数据导入控制系统(1)，并与原始几何模型数据进行对比，并根据控制系统(1)的数据库反馈在轨修复方案，将相应的指令传达至激光修复系统(2)与超声辅助送丝系统(3)；
所述控制系统(1)可进行定量化的修复方案，具体为当数模对比后所确定的修复量S小于阈值S1时，控制系统(1)则选择不填丝修复方案；当确定的修复量S大于阈值S1时，控制系统(1)则需选择填丝修复方案；
所述激光修复系统(2)用于实施在轨激光修复作业，包括半导体激光器(21)、机器人底座(22)、六轴加工机器人(23)、光纤(24)、夹具A(25)、激光头(26)，其中，所述半导体激光器(21)安装于机器人底座(22)内部，所述激光头通过夹具A(25)固定于六轴加工机器人(23)的末端机械臂上；
所述超声辅助送丝系统(3)包括送丝机(31)、超声波发生装置(32)、夹具B(33)、焊枪(34)、定向超声震动头(35)、焊丝(36)，所述定向超声震动头(35)安装于焊枪(34)出丝端，使得丝材被激光熔化后可以有效克服微重力的环境，有效填充于待修复工件(7)表面，从而达到修复的效果；
所述超声辅助送丝系统(3)处于填丝修复模式时，控制系统(1)需要传递相关的参数信号，并将送丝速度信号传递至送丝机(31)，将激光扫描路径、扫描速度、离焦量、光斑直径、激光功率传递至激光修复系统(2)；与此同时，将与送丝速度相匹配的超声波功率、振动频率、振动波形传递至超声波发生装置(32)；
所述可移动式工作台(4)用于移动待修复工件(7)，包括可平移式平台(41)与可升降式平台(42)；
所述在轨修复装置底座(6)装有滚轮，使得修复系统按指定轨道行进到待修复位置，同时起到固定机器人的效果。
2.一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备，包括如下步骤：第一，将待修复工件(7)放置于可移动式工作台(4)上，并通过控制可移动式工作台(4)将待修复工件(7)移动至指定的待加工区域；
第二，开启控制系统(1)与激光修复系统(2)，控制系统(1)设置六轴加工机器人(23)的运动轨迹，通过三维扫描摄像头(13)对待修复工件(7)的原始几何特征进行全局扫描，并将扫描结果反馈至控制系统(1)；
第三，控制系统(1)将扫描结果与原始几何模型数据进行对比，计算修复量S；
第四，当修复量S小于阈值S1时，控制系统(1)则选择不填丝修复方案；当确定的修复量S大于阈值S1时，控制系统(1)则需选择填丝修复方案，同时，控制系统(1)的数据库反馈送丝速度信号传递至送丝机(31)，反馈激光扫描路径、扫描速度、离焦量、光斑直径、激光功率信号传递至激光修复系统(2)，反馈与送丝速度相匹配的超声波功率、振动频率、振动波形信号传递至超声波发生装置(32)；
第五，激光修复系统(2)与超声辅助送丝系统(3)根据控制系统(1)反馈的参数对待修复工件(7)开始激光修复作业；
第六，修复完成，依次关闭超声辅助送丝系统(3)、激光修复系统(2)、控制系统(1)。
一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备与方法
技术领域
[0001] 本发明属于空间在轨制造技术领域，特别涉及一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备与方法。
背景技术
[0002] 为了进一步开发利用宇宙空间资源，扩展人类生存空间，世界各航天国家先后推出各自的深空探测发展规划。为保障人类宇宙空间科学探索的可持续发展，在轨修复已成为一种不可缺少的技术，其预期的主要应用背景针对空间大型结构建造、航天器维护维修、空间急需的产品研制等，以保障在轨航天器长寿命可靠运行。
[0003] 在材料修复领域，由于激光的空间控制性和时间控制性很好，对修复对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，且激光修复技术具有材料浪费少、对修复对象具有很强的适应性，且真空度对激光修复的影响较小等优势特点，因而，激光修复是一种非常适用于空间在轨修复的技术。
[0004] 航天器在轨运行时，其结构件表面时常会存在一定的损害，目前的解决方法一般是通过航天员出舱进行修补。但舱外修补一般修复精度比较粗糙，且无法进行定量修复，对操作人员的安全性也具有一定的威胁。因此亟需发明一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备与方法，以实现不同损害程度的待修复工件进行定量的在轨修复，从而有效解决上述问题，进一步延长航天器有效在轨运行寿命。
发明内容
[0005] 为满足针对航天器不同尺寸的待修复件实时进行在轨修复，极大程度上解决航天器的在轨修复难题，本发明提出了一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备。
[0006] 为了达到该目的，本发明通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装备，其特征在于：包括控制系统、激光修复系统、超声辅助送丝系统、可移动式工作台、在轨工作舱体、在轨修复装置底座。
[0008] 所述控制系统用于控制激光修复系统、超声辅助送丝系统、可移动式工作台，包括显示器、控制柜、三个三维扫描摄像头，其中，显示器位于在轨工作舱体外部，控制柜、三个三维扫描摄像头位于在轨工作舱体内部。
[0009] 所述三维扫描摄像头对称安装于夹具B，三者夹角呈120°，以实现待修复工件几何特征的全局扫描。
[0010] 所述三维扫描摄像头将测得的几何模型数据导入控制系统，并与原始几何模型数据进行对比，并根据控制系统的数据库反馈在轨修复方案，将相应的指令传达至激光修复系统与超声辅助送丝系统。
[0011] 所述控制系统可进行定量化的修复方案，具体为当数模对比后所确定的修复量S小于阈值S1时，控制系统则选择不填丝修复方案；当确定的修复量S大于阈值S1时，控制系统则需选择填丝修复方案。
[0012] 可选地，所述激光修复系统、超声辅助送丝系统、可移动式工作台均安装于在轨工作舱体内部。
[0013] 所述激光修复系统用于实施在轨激光修复作业，包括半导体激光器、机器人底座、六轴加工机器人、光纤、夹具A、激光头，其中，所述半导体激光器安装于机器人底座内部，所述激光头通过夹具A固定于六轴加工机器人的末端机械臂上。
[0014] 所述超声辅助送丝系统包括送丝机、超声波发生装置、夹具B、焊枪、定向超声震动头、焊丝，所述定向超声震动头安装于焊枪出丝端，使得丝材被激光熔化后可以有效克服微重力的环境，有效填充于待修复工件表面，从而达到修复的效果。
[0015] 所述超声辅助送丝系统处于填丝修复模式时，控制系统需要传递相关的参数信号，并将送丝速度信号传递至送丝机，将激光扫描路径、扫描速度、离焦量、光斑直径、激光功率传递至激光修复系统；与此同时，将与送丝速度相匹配的超声波功率、振动频率、振动波形传递至超声波发射装置。
[0016] 所述可移动式工作台用于移动待修复工件，包括可平移式平台与可升降式平台。
[0017] 所述在轨修复装置底座装有滚轮，可在其下方铺设行进轨道，使得修复系统按指定轨道行进到待修复位置，同时起到固定机器人的效果。
[0018] 本发明的另一个目的在于提出一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复方法，操作简便、修复效果好。
[0019] 为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
[0020] 一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复方法，采用上述在轨激光修复装备，包括如下步骤：
[0021] 第一，将待修复工件放置于可移动式工作台上，并通过控制可移动式工作台将待修复工件移动至指定加工区域；
[0022] 第二，开启控制系统与激光修复系统，控制系统设置六轴加工机器人的运动轨迹，通过三维扫描摄像头对待修复工件的几何特征进行全局扫描，并将扫描结果反馈至控制系统；
[0023] 第三，控制系统将扫描结果与原始模型进行对比，计算修复量S；
[0024] 第四，当修复量S小于阈值S1时，控制系统则选择不填丝修复方案；当确定的修复量S大于阈值S1时，控制系统则需选择填丝修复方案，同时，控制系统将送丝速度信号传递至送丝机，将激光扫描路径、扫描速度、离焦量、光斑直径、激光功率传递至激光修复系统，将与送丝速度相匹配的超声波功率、振动频率、振动波形传递至超声波发射装置；
[0025] 第五，激光修复系统与超声辅助送丝系统根据控制系统反馈的参数开始激光修复作业；
[0026] 第六，修复完成，依次关闭超声辅助送丝系统、激光修复系统、控制系统。
[0027] 本发明产生的有效作用为：本发明的效果克服了现有装备在轨修复精度低，且无法定量修复的弊端。通过本发明，可以针对性的以修复量为依据，依托控制系统的数据库反馈的在轨修复方案，从而满足在轨待修复工件的高精度修复需求，进一步延长航天器有效在轨运行寿命。
附图说明
[0028] 图1是本发明实施例提供的一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装置示意图；
[0029] 图2是本发明实施例提供的在轨修复过程示意图；
[0030] 其中，
[0031] 1‑控制系统；11‑显示器；12‑控制柜；13‑三维扫描摄像头；
[0032] 2‑在轨激光焊接系统；21‑半导体激光器；22‑机器人底座；23‑六轴加工机器人；24‑光纤；25‑夹具A；26‑激光头；
[0033] 3‑超声辅助送丝系统；31‑送丝机；32‑超声波发生装置；33‑夹具B；34‑焊枪；35‑定向超声震动头；36‑焊丝；
[0034] 4‑可移动式工作台；41‑可平移式平台；42‑可升降式平台；
[0035] 5‑在轨工作舱体；
[0036] 6‑在轨修复装置底座；
[0037] 7‑待修复工件。
具体实施方式
[0038] 为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039] 在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
[0040] 下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
[0041] 参考图1所示，一种基于超声辅助送丝的在轨激光修复装置包括控制系统1、激光修复系统2、超声辅助送丝系统3、可移动式工作台4、在轨工作舱体5、在轨修复装置底座6。
[0042] 所述控制系统1用于控制激光修复系统2、超声辅助送丝系统3、可移动式工作台4，包括显示器11、控制柜12、三个三维扫描摄像头13。其中，显示器11位于在轨工作舱体5外部，控制柜12、三个三维扫描摄像头13位于在轨工作舱体5内部。所述激光修复系统2、超声辅助送丝系统3、可移动式工作台4均安装于在轨工作舱体5内部。
[0043] 所述激光修复系统用于实施激光修复作业，包括半导体激光器21、机器人底座22、六轴加工机器人23、光纤24、夹具A25、激光焊接头26。其中，所述半导体激光器21安装于机器人底座22内部，所述激光焊接头通过夹具A25固定于六轴加工机器人23的末端机械臂上。
[0044] 如图1‑2所示，所述超声辅助送丝系统3包括送丝机31、超声波发生装置32、夹具B33、焊枪34、定向超声震动头35、焊丝36，所述定向超声震动头35安装于焊枪34出丝端，使得丝材被激光熔化后可以有效克服微重力的环境，有效填充于待修复工件7表面，从而达到修复的效果。
[0045] 所述可移动式工作台4用于移动待修复工件7，包括可平移式平台41与可升降式平台42。
[0046] 所述在轨修复装置底座6装有滚轮，可在其下方铺设行进轨道，使得修复系统按指定轨道行进到待修复位置，同时固定机器人。
[0047] 以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
[0048] 待加工工件7为钛合金结构，其表面出现损伤时，在加工装置下方设行进轨道，利用滚轮将装置行进到合适的待加工位置后，将待加工工件7卸下，置于可平移式平台4上，并通过可升降式平台42，上升至合适位置，同时调整好六轴加工机器人23的位姿，根据待修复工件7的几何特征，设置三维扫描摄像头的扫描方向，对待修复工件7进行全局扫描，并将扫描结果反馈至控制系统。
[0049] 在显示器(11)中显示数据为200mm×200mm×5mm。之后，与该工件的原始几何模型数据250mm×220mm×6mm进行对比。数模对比后所确定的修复量S超过阈值S1，控制系统1则需选择填丝修复方案，并根据控制系统1的数据库中反馈所需该种型号的构件的最优修复方案，并将相应指令传达各系统。
[0050] 进一步地，控制系统1将相关的加工方案信号传递给在轨激光焊接系统，并将扫描路径、扫描速度2m/min、离焦量0，光斑直径0.3mm，激光功率5kW等信号传递给激光修复系统2。
[0051] 进一步地，控制系统1将相关的加工方案信号分别传输送丝系统，并将送丝速度为4m/min的信号传递至送丝器31，此外，将与送丝速度相匹配的超声波频率40KHz、振动幅度
0.6μm等相关参数信号传递至超声波发射装置32中。待信号传递用完以后，即进行待加工工件的在轨定量修复。
[0052] 进一步地，激光修复系统2与超声辅助送丝系统3根据控制系统1反馈的参数开始激光修复作业。
[0053] 进一步地，修复完成，依次关闭超声辅助送丝系统3、激光修复系统2、控制系统1。
[0054] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
