薄壁铝合金导管数字化装配及焊接偏差主动补偿

发布时间：2017-09-18 03:25

  本文关键词：薄壁铝合金导管数字化装配及焊接偏差主动补偿

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【摘要】：导管是航空飞机上最关键的组成部件之一。目前,国内航空飞机焊接类导管的制造主要采用手工钨极氩弧焊,焊接工作强度大、质量不稳定,无法满足导管CAD/CAM数字化制造的需求。针对航空导管制造的落后现状,本文旨在建立一套导管数字化装配及焊接试验系统,对系统中的关键技术如导管与法兰装配偏差的补偿、导管焊接热变形偏差的补偿等方面的内容进行研究。首先,针对导管形状复杂多变、壁厚薄的难点,建立了一套通用的、适应导管不同空间走向的柔性数字化装配及焊接试验系统。主要功能包括:a)导管的柔性定位与装卡;b)导管与法兰的自动装配偏差补偿;c)导管与法兰焊接热变形偏差的实时补偿。通过辅助的三坐标仪坐标系,建立了包括传感器坐标系、三坐标仪坐标系、机器人基坐标系、机器人工具坐标系在内的坐标闭式链,标定了机器人的手眼关系。采用四点标定法标定了装配机器人与焊接机器人基坐标系之间的相对位姿关系,实现了系统内坐标系的统一。从广义和狭义两方面分别对数字化焊接的定义进行了阐述。离线规划了装配机器人和焊接机器人的运动路径,用于系统中装配以及焊接任务的初步执行。分析了机器人离线规划路径偏差的产生原因。分析了导管多工序制造过程中,导管尺寸误差流动的特点及规律。针对导管多工序制造过程中误差流动的特殊性,提出了利用导管与法兰的精确空间位置构建导管尺寸偏差的反演模型,通过主动调整法兰相对于导管的装配偏差大小,实现利用一种偏差补偿多种偏差的误差补偿思路。提出了通过测量导管与法兰的相对位置偏差进行导管与法兰装配偏差补偿的策略。法兰绕自身坐标系端面轴旋转时,法兰轴线与导管轴线之间的夹角先减小后增大。利用旋转过程中夹角变化的对称性,法兰经过两次旋转,其轴线与导管轴线平行,精度在±0.5°范围内。提出了通过激光条纹与导管相对位姿关系进行装配偏差补偿的策略。结构光条纹与圆柱体相交时,随着圆柱母线与入射光平面夹角的增大,光平面在圆柱体上的投影逐渐趋近于圆弧。利用这一变化特征,先将光平面调整到与导管轴线垂直,然后将法兰调整到与光平面垂直,完成了导管与法兰装配姿态偏差的调整,精度在±0.5°~±1.5°范围内。当光平面相对于圆柱体平移时,激光传感器与圆柱体之间的距离先减小后增大,其最小值点恰好对应圆柱体的直径位置,在直径两侧呈轴对称关系。利用这一对称性规律完成了导管与法兰位置偏差的调整,精度在±0.20mm范围内。通过系统中机器人之间的相互位姿关系,实现了导管数字化制造过程中模型数据的传递,减小了后续焊接机器人规划路径的偏差。提出了一种新颖的基于视觉的导管弯曲成形尺寸偏差离线自动补偿算法。当焊枪沿着离线规划的横焊缝路径运动一周后,利用传感器采集的焊枪与导管端面焊缝间的横向及纵向距离,完成了导管弯曲成形尺寸偏差的离线自动补偿。补偿后,焊枪与焊缝的最大横向偏差为±0.60mm,最大纵向偏差为±0.64mm。最后,采用Marc数值模拟软件模拟了导管焊接热变形,将热变形引起的焊接路径偏差加载到离线规划路径中。在分析结构光前视于焊枪问题的基础上,将“示教-再现”型机器人开发为具备实时跟踪焊枪位置和姿态能力的智能焊接机器人系统。推导了结构光传感器采集的焊枪与焊缝中心线之间的偏差与焊枪调整量之间的关系模型;确定了小直径导管焊接时的传感器前视时间;借鉴搭接焊缝跟踪参考点的特征,完成了薄壁导管焊缝横向特征的识别。跟踪试验结果表明:导管与法兰焊缝的横向及高度跟踪精度为±0.20mm,满足导管数字化焊接的要求。
【关键词】：导管数字化制造 装配策略 焊接热变形 离线编程 偏差补偿
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V262.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-33
• 1.1 课题背景及意义15-16
• 1.2 多工序数字化制造过程中误差流理论的研究现状16-20
• 1.2.1 数字化制造的研究现状16-18
• 1.2.2 多工序制造过程中误差流理论的研究现状18-20
• 1.3 机器人离线编程路径偏差补偿的研究现状20-31
• 1.3.1 机器人自动装配的研究现状20-24
• 1.3.2 路径规划补偿技术研究现状24-28
• 1.3.3 焊缝跟踪的研究现状28-31
• 1.4 本课题国内外研究现状分析及主要研究内容31-33
• 第2章 导管数字化装配及焊接试验系统33-43
• 2.1 引言33
• 2.2 导管数字化装配及焊接试验系统33-36
• 2.3 激光视觉传感系统36-38
• 2.4 导管数字化装配及焊接软件控制系统38-41
• 2.4.1 中央控制单元与焊接机器人通信38-39
• 2.4.2 中央控制单元与装配机器人通信39
• 2.4.3 中央控制单元对系统的统一管理39-41
• 2.5 试验材料与方法41-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第3章 导管数字化装配及焊接路径的离线规划43-62
• 3.1 引言43
• 3.2 数字化焊接的定义43-45
• 3.3 手眼关系及机器人之间位姿关系的标定45-51
• 3.3.1 手眼关系的标定46-50
• 3.3.2 机器人之间位姿关系的标定50-51
• 3.4 导管装配及焊接路径的离线规划与误差来源51-56
• 3.4.1 导管装配及焊接路径的离线规划51-54
• 3.4.2 离线规划路径偏差的来源54-56
• 3.5 导管弯曲成形尺寸偏差56-60
• 3.5.1 导管的空间坐标表示56-57
• 3.5.2 导管绝对位置坐标向相对位置坐标的转换57-60
• 3.5.3 影响导管弯曲成形尺寸的因素60
• 3.6 本章小结60-62
• 第4章 视觉辅助导管与法兰装配偏差的主动补偿62-94
• 4.1 引言62
• 4.2 导管数字化装配策略62-69
• 4.2.1 导管多工序制造的尺寸误差流分析62-68
• 4.2.2 导管数字化装配思路68-69
• 4.3 测量导管与法兰的相对偏差进行装配偏差补偿69-80
• 4.3.1 导管与法兰三维坐标的获取69-70
• 4.3.2 导管与法兰装配姿态偏差调整策略70-74
• 4.3.3 导管与法兰装配位置偏差调整策略74-76
• 4.3.4 试验结果76-80
• 4.4 通过激光条纹与导管相对位姿关系进行装配偏差补偿80-92
• 4.4.1 装配流程的确定80-83
• 4.4.2 姿态调整流程83-86
• 4.4.3 试验结果86-92
• 4.5 本章小结92-94
• 第5章 导管弯曲成形尺寸偏差的离线自动补偿94-111
• 5.1 引言94
• 5.2 系统中模型数据的传递94-99
• 5.2.1 模型数据传递的分析95-98
• 5.2.2 试验结果98-99
• 5.3 导管尺寸偏差的离线自动补偿99-109
• 5.3.1 离线自动补偿原理100-105
• 5.3.2 试验结果105-109
• 5.4 本章小结109-111
• 第6章 小直径导管焊接热变形预测及在线补偿111-126
• 6.1 引言111
• 6.2 热变形偏差数据传递111-116
• 6.2.1 导管与法兰焊接热变形模拟111-114
• 6.2.2 热变形偏差数据传递过程114-116
• 6.3 结构光视觉超前问题分析116-119
• 6.3.1 结构光焊缝跟踪原理116-118
• 6.3.2 小直径导管结构光前视时间确定118-119
• 6.4 焊枪位置及姿态实时修正119-125
• 6.4.1 焊枪姿态实时修正119-122
• 6.4.2 薄壁导管焊缝横向特征识别122-123
• 6.4.3 焊缝跟踪试验123-125
• 6.5 本章小结125-126
• 结论126-128
• 创新点128-129
• 参考文献129-137
• 攻读博士学位期间发表的论文137-139
• 致谢139-140
• 个人简历140

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本文编号：873117