一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法

摘要

本发明公开一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域，焊接所使用的装置包括搅拌摩擦焊接设备、摄影测量设备、回光反射标志点；摄影测量设备与搅拌摩擦焊接设备固定，回光反射标志点粘贴到被焊母材上；具体焊接方法包括：设备调试，确定焊缝轨迹，设置阈值，进行焊接。本发明结构简单、紧凑，适用板厚、板宽范围广，装夹效率高，成本低，尤其适用于不规则焊缝的轨迹规划、焊缝两侧母材有高度差等复杂工况中，对各种焊接母材情况，各种搅拌摩擦焊接设备的适应性极强。

权利要求

1.一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，焊接所使用的装置包括搅拌摩擦焊接设备、摄影测量设备、回光反射标志点；进行所述焊接时，焊接过程分为：搅拌头扎入阶段、搅拌头轴肩调节阶段、轨迹规划；所述轨迹规划，通过所述摄影测量设备识别人工示教过程中，被焊母材表面粘贴的所述回光反射标志点的空间坐标位置及通过顺序，所述摄影测量设备将识别出的焊接轨迹坐标及搅拌头扎入量发送给所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统，通过所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统对焊接轨迹进行纠正；所述回光反射标志点为编码回光反射标志点；焊接所使用的装置还包括基准尺，所述基准尺与所述搅拌摩擦焊接设备固定，且所述基准尺位于焊接起始位置时所述摄影测量设备的视野中；

具体焊接方法包括如下步骤：

设备调试，将所述摄影测量设备固定在所述搅拌摩擦焊接设备上，所述回光反射标志点粘贴在焊缝两侧搅拌头轴肩外母材区域；

确定焊缝轨迹，所述摄影测量设备利用所述搅拌摩擦焊接设备焊缝轨迹的二维轨迹进行人工示教；

设置阈值，在所述摄影测量设备中输入扎入进给速度调整阈值，扎入深度调整阈值及焊接轨迹调整阈值；

进行焊接。

2.根据权利要求1所述的基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌头扎入阶段，通过所述摄影测量设备利用摄影测量技术实时反馈测量过程中的RMS值，并将所述RMS值与所述扎入进给速度调整阈值进行对比，确定搅拌头下压速度，并对搅拌头下压速度进行调节。

3.根据权利要求1所述的基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌头轴肩调节阶段，通过所述摄影测量设备确定搅拌头轴肩与被焊母材的距离，并将得到的距离参数与所述扎入深度调整阈值进行对比，所述摄影测量设备将得到的对比结果发送给所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统，利用所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统对搅拌头轴肩高度进行调节。

4.根据权利要求1所述的基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述摄影测量设备的数量不少于两个。

说明书

一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，特别是涉及一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

[0002] 搅拌摩擦焊技术是一种高质量的固相连接技术，在铝合金板材拼接、铝合金筒体环向焊缝焊接、铝合金筒体纵向焊缝焊接和大型铝合金结构件焊接中得到广泛应用。搅拌
摩擦焊技术主要包含三项技术：搅拌头结构设计、有效工艺参数规划及合理的工装结构设
计。有效工艺参数规划直接影响产品焊接质量、生产效率及劳动强度，故有效工艺参数规划是制约此项技术进一步发展的一项关键技术，也是影响焊缝质量最关键的步骤。

[0003] 申请号为201811169627.4，发明名称为《一种控制搅拌摩擦焊焊头扎入深度的跟踪装置》的中国专利设计了一种能根据板厚变化动态调整扎入深度的装置。该发明所设计
的设备结构复杂，成本较高而且该发明不能规划焊缝轨迹也不能适应两侧母材有厚度差的
焊接工况，对双臂或多臂协同焊接工况的适应性差，没有根据扎入过程中振幅大小调节搅
拌头扎入进给速度的功能。

[0004] 申请号为202110087412.4，发明名称为《基于画线法视觉传感焊缝自动跟踪方法》的中国专利设计了一种预制与焊缝平行的直线进行焊缝轨迹规划。此种方法不具备根据被焊母材两侧高度差动态调整压深功能，轨迹规划精度完全取决于预制线的精度，生产难度
大。

[0005] 由此可见，应用搅拌摩擦焊专用设备对母材进行焊接时，要减少对于被焊母材要求的工艺和工艺装备才能更好的适应各种焊接工况。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，以解决上述现有技术存在的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，焊接所使用的装置包括搅拌摩擦焊接设备、摄影测量设备、回光反射标志
点；

[0008] 具体焊接方法包括如下步骤：

[0009] 设备调试，将所述摄影测量设备固定在所述搅拌摩擦焊接设备上，所述回光反射标志点粘贴在焊缝两侧搅拌头轴肩外母材区域；

[0010] 确定焊缝轨迹，利用所述搅拌摩擦焊接设备对所述摄影测量设备人工示教焊缝轨迹的二维轨迹；

[0011] 设置阈值，在所述摄影测量设备中输入扎入进给速度调整阈值，扎入深度调整阈值及焊接轨迹调整阈值；

[0012] 进行焊接。

[0013] 优选的，所述进行焊接时，焊接过程分为：搅拌头扎入阶段、搅拌头轴肩调节阶段、轨迹规划。

[0014] 优选的，所述搅拌头扎入阶段，通过所述摄影测量设备利用摄影测量技术实时反馈测量过程中的RMS值，并将所述RMS值与所述扎入进给速度调整阈值进行对比，确定搅拌
头下压速度，并对搅拌头下压速度进行调节。

[0015] 优选的，所述搅拌头轴肩调节阶段，通过所述摄影测量设备确定搅拌头轴肩与被焊母材的距离，并将得到的距离参数与所述扎入深度调整阈值进行对比，所述摄影测量设
备将得到的对比结果发送给所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统，利用所述搅拌摩擦焊接设
备的控制系统对搅拌头轴肩高度进行调节。

[0016] 优选的，所述轨迹规划，通过所述摄影测量设备识别人工示教过程中，被焊母材表面粘贴的所述回光反射标志点的空间坐标位置及通过顺序，所述摄影测量设备将识别出的焊接轨迹坐标及搅拌头扎入量发送给所述搅拌摩擦焊接设备的控制系统，通过所述搅拌摩
擦焊接设备的控制系统对焊接轨迹进行纠正。

[0017] 优选的，所述回光反射标志点为编码回光反射标志点。

[0018] 优选的，焊接所使用的装置还包括基准尺，所述基准尺与所述搅拌摩擦焊接设备固定，且所述基准尺位于焊接起始位置时所述摄影测量设备的视野中。

[0019] 优选的，所述摄影测量设备的数量不少于两个。

[0020] 与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：

[0021] 第一、本发明结构简单、紧凑、适用板材长度、宽度范围广，易于安装，工艺规划效率高、可靠实用、成本低，能够满足单轴肩和双轴肩搅拌摩擦焊工艺要求。

[0022] 第二、本发明可以解决搅拌摩擦焊接起点附近焊缝性能弱于中间位置的缺陷，增加整条焊缝的可用长度，节省性能较差焊缝的加工量，节省材料和后续工序时间。

[0023] 第三、本发明可兼容各种焊接工况及工艺装备，不仅可用于被焊母材不等厚及复杂二维、三维焊缝的焊接工况；还可用于机床类搅拌摩擦焊接设备，单机械臂搅拌摩擦焊接设备及双机械臂协同或不协同焊接测量臂。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明应用于机床类设备示意图；

[0026] 图2为本发明应用于单机搅拌摩擦焊接设备示意图；

[0027] 图3为本发明应用于双机械臂类设备示意图；

[0028] 其中，1‑机床类搅拌摩擦焊接设备；2‑摄影测量设备；3‑基准尺；4‑回光反射点群；5‑单臂搅拌摩擦焊接设备；6‑协同焊接测量臂。

具体实施方式

[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通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。

[0030] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0031] 本发明提供一种基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，焊接所使用的装置包括搅拌摩擦焊接设备、摄影测量设备2、回光反射标志点；

[0032] 具体焊接方法包括如下步骤：

[0033] 设备调试，将摄影测量设备2固定在搅拌摩擦焊接设备上，摄影测量设备2的数量不少于两个，回光反射标志点粘贴在焊缝两侧搅拌头轴肩外母材区域；首次使用时，需要标定摄影测量设备2的外参和内参；回光反射标志点可以是单个的，也可以是长条或者块状等任意形态分布。

[0034] 摄影测量设备2与搅拌摩擦焊接设备固连在一起，可以使摄影测量设备2与搅拌摩擦焊接设备同频同幅度振动，可以更加精确的识别搅拌头振动的剧烈程度，进而调节搅拌
头的扎入进给速度；以及可以更加精确的识别搅拌头轴肩与被焊母材的相对位置，通过算
法使搅拌头轴肩到达预设压深，防止由于设备刚度不足及其他原因引起的振动，造成轴肩
压深脉动；还可以更有效的减少焊后鱼鳞纹的高度差，使焊后表面更加平整、致密及更少的焊后加工量。

[0035] 确定焊缝轨迹，利用搅拌摩擦焊接设备对摄影测量设备2人工示教焊缝轨迹的二维轨迹；

[0036] 设置阈值，在摄影测量设备2中输入扎入进给速度调整阈值，扎入深度调整阈值及焊接轨迹调整阈值；

[0037] 扎入进给速度调整阈值范围为0～100，扎入深度调整阈值范围为‑10～+10、焊接轨迹调整阈值范围为‑10～10。扎入进给速度调整阈值负责调整扎入速度，扎入速度与被焊接金属材料硬度相关，材料硬度低的可以用较大阈值，材料硬度高的，可以用小阈值；通过扎入进给速度阈值调整搅拌摩擦焊接起始焊接位置的工艺特性；扎入深度调整阈值控制搅
拌头扎入深度，正数阈值会使搅拌头扎入更深，使搅拌头轴肩与工件接触力更大，负阈值则与之相反。扎入深度调整阈值影响搅拌摩擦焊接过程锻造力大小，阈值越大锻造力越大。焊接轨迹调整阈值负责调整摄像设备检测的轨迹与规划轨迹的允许偏置范围，轨迹调整阈值
为负，左向偏置，为正数时右向偏置。焊接轨迹调整阈值影响在对刀不准确时可以调整偏置工艺参数，使焊接轨迹更准确。

[0038] 最后启动搅拌摩擦焊接设备即可，焊接过程中摄影测量设备2会实时比对搅拌头实际位置与设定位置的偏差，超过上述调整阈值时就会进行实时调整。

[0039] 进行焊接时，焊接过程分为：搅拌头扎入阶段、搅拌头轴肩调节阶段、轨迹规划。

[0040] 搅拌头扎入阶段，通过摄影测量设备2利用摄影测量技术实时反馈测量过程中的RMS值，并将RMS值与扎入进给速度调整阈值进行对比，确定搅拌头下压速度，并对搅拌头下压速度进行调节。

[0041] 若在搅拌头扎入过程中，RMS值超过设定值至扎入进给速度调整阈值，表示搅拌头下压速度过大，被焊母材还没有足够热，则逐渐减少搅拌头下压进给速度，使RMS值与设定值差小于扎入进给速度调整阈值；若在轴肩压入过程中，RMS值不足设定值的量大于扎入进给速度调整阈值，表示搅拌头下压速度过小，被焊母材过热，需逐渐增大搅拌头下压进给速度至RMS值与设定值差小于扎入进给速度调整阈值。

[0042] 搅拌头轴肩调节阶段，通过摄影测量设备2确定搅拌头轴肩与被焊母材的距离，并将得到的距离参数与扎入深度调整阈值进行对比，摄影测量设备2将得到的对比结果发送
给搅拌摩擦焊接设备的控制系统，利用搅拌摩擦焊接设备的控制系统对搅拌头轴肩高度进
行调节。

[0043] 当搅拌头轴肩与被焊母材的距离大于调整阈值时，摄影测量设备2的摄影测量系统给搅拌摩擦焊接设备的控制系统发轴肩逐渐下压指令；当搅拌头轴肩与被焊母材的距离
小于调整阈值时，摄影测量系统给搅拌摩擦焊接设备的控制系统发轴肩逐渐升高指令；当
搅拌头轴肩与被焊母材的距离处于调整阈值内波动时，摄影测量系统不发指令。

[0044] 轨迹规划，通过摄影测量设备2识别人工示教过程中，被焊母材表面粘贴的编码回光反射标志点的空间坐标位置及通过顺序，摄影测量设备2将识别出的焊接轨迹坐标及搅
拌头扎入量发送给搅拌摩擦焊接设备的控制系统，通过搅拌摩擦焊接设备的控制系统对焊
接轨迹进行纠正。

[0045] 当焊接过程中，由于焊接工装或焊接母材由于受热、受力或其他扰动改变位置时，摄影测量系统也能够实施纠正焊接轨迹，使设备按照实际焊缝位置完成焊接工序。

[0046] 当摄影测量设备2的数量为一个时，焊接所使用的装置还包括基准尺3，基准尺3与搅拌摩擦焊接设备固定，且基准尺3位于焊接起始位置时摄影测量设备2的视野中。

[0047] 采用双摄影测量设备2或多摄影测量设备2时，不需要使用基准尺3，若采用双摄影测量设备2或多摄影测量设备2不能保证确定的相对位置时，需要使用基准尺3。

[0048] 搅拌摩擦焊接设备可以是机床类搅拌摩擦焊接设备，也可以是单臂或多臂机械臂类搅拌摩擦焊接设备，多臂搅拌摩擦焊接机械臂可以是协同运动，也可以是独立运动。单臂搅拌摩擦焊接设备和协同焊接测量臂6同时挂载摄影测量设备2时，则不需要基准尺3。

[0049] 利用本发明提供的基于摄影测量的搅拌摩擦焊接方法，可以精简设备规模，极大的降低了搅拌摩擦焊专用设备的制造成本和制造难度；焊接工艺规划效率高，节省了焊接
相位测量过程和复杂焊缝的轨迹规划时间。

[0050] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，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，因此不能理解为对本发明的限制。

[0051] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。