激光拼焊装备定位、夹紧机构研究

激光焊接技术是现代焊接技术的重要组成部分之一，在板材深加工产业中占有重要地位。激光拼焊技术具有高效率、高速度、高精度、强适应性等特点，被广泛应用于汽车、造船、航天等领域。激光拼焊定位、夹紧机构是激光拼焊装备的核心技术之一。目前国外已经研制出高性能激光拼焊装备，国内仍处在实验研发阶段。因此，对激光拼焊定位、夹紧机构展开研究，对实现激光拼焊装备的发展具有重要意义。本文以中国科学院知识创新工程方向性项目“全自动激光拼焊成套装备关键技术研究与示范应用”为课题背景，结合项目实际开发中的具体要求，以激光拼焊生产线核心技术之一的定位、夹紧机构为研究对象，在定位、夹紧机构的创新设计及综合性能评价、焊缝碾压精密预成型原理与实现技术、碾压机构优化方法以及定位机构误差补偿方法等方面开展了深入研究，为激光拼焊装备研制提供理论和技术支持。本文首先对研究激光拼焊定位、夹紧机构所需的一些基本理论进行了综述。在此基础上系统的研究了激光拼焊定位、夹紧机构设计方法及性能评价模型、基于多体系误差建模方法、焊缝碾压精密预成型、基于Kriging模型的碾压机构优化设计方法等。这些方法对激光拼焊定位、夹紧机构设计具有指导意义。以沈阳自动化研究所研制的全自动激光拼焊生产线为背景，依据定位、夹紧机构性能评价模型分析了该生产线定位、夹紧机构设计原理及存在的问题。为了解决这些问题，采取了机构优化及改进、压紧力优化、过盈量作用机制、多组焊等措施。实际试验证明这些措施在一定程度上提高了定位、夹紧机构的性能，但是由于定位、夹紧机构自身结构特点，无法解决非线性定位误差和长焊缝料片的定位等问题。针对所研制的激光拼焊焊定位、夹紧机构的不足，结合国外相关先进技术，提出了一种新型激光拼焊定位、夹紧机构，对其结构和原理进行介绍，并建立了其参数化三维模型。为了保证料片的准连续传输，采用了传输带和辊子的方式传输板材；设计了水平方向成α角，竖直方向共面的两个定位机构实现板材在传输过程中的定位；通过沿焊缝方向布置与传输方向成β夹角的压紧轮保证板材传输位置精度；采用焊缝碾压精密预成型机构降低非线性定位误差带来的间隙，保证了长焊缝激光拼焊的质量。新型激光拼焊定位、夹紧机构能完成任意长度和异形料片的定位与夹紧。非线性定位误差是制约长焊缝激光拼焊的瓶颈，焊缝碾压精密预成型是解决非线性定位误差的主要手段，为了指导焊缝碾压机构的设计，对焊缝碾压精密预成型原理与实现技术展开了深入研究：建立了碾压预成型数学模型；研究了碾压过程中金属塑性流动规律；研究了基于Kriging模型的机构优化方法建立全局优化模型，实现了碾压轮机构优化设计；提出了基于曲柄滑块原理的碾压轮机构，碾压轮和薄板压紧轮同轴并采用两端支撑，提高了碾压机构刚度并实现薄板压紧轮与碾压轮竖直方向相对位置的调节，以适应不同板厚差板材焊缝的碾压预成型。以上述理论为指导，建立了碾压预成型试验平台，碾压试验结果表明：碾压预成型机构能够有效解决超长焊缝非线性定位误差问题，能够消除最大为0.3mm的焊缝间隙。本文研究了激光拼焊定位、夹紧机构误差对焊接质量的影响及其误差补偿方法。通过工艺试验研究，建立了机构误差对焊缝界面形状影响的数学模型，完善了激光焊接工艺对机构误差的补偿机制，研究了碾压在激光拼焊中的特点及作用。