激光拼焊生产线定位误差分析及其控制

对激光拼焊生产线板材定位精度进行了分析与研究。详细介绍了该系统定位装置的组成及定位原理。通过对板材自身直线度误差、定位销定位误差和对中运动误差的分析,建立了激光拼焊生产线板材定位误差模型。根据系统定位机构特点提出了过盈量作用机制来提高定位精度,通过对前后侧压紧力F1、F2以及过盈量I这3个主要参数的优化,在全自动激光拼焊生产线上实现良好的板材定位精度。对比试验验证了采用过盈量作用机制能有效减小板材定位误差,提高焊接质量。

激光拼焊错边产生与预测建模方法

错边是评定激光拼焊质量的一个非常重要的指标,薄板构件错边的控制是激光拼焊中一个难题。针对国内首条全自动激光拼焊设备,对错边的产生以及控制方法进行了深入研究,经过大量试验确定了影响错边大小的几个主要因素,板材自身物理变形、压紧力大小与均匀性、压紧横梁变形、支撑底板平面度误差以及焊接变形的影响。通过分析以上因素对错边的影响以及各个因素之间相互关系,建立了错边预测的数学模型。试验验证了模型的正确性,从而为确定错边产生原因,提高焊接质量提供了一个有效的理论指导。

基于Zernike矩边缘检测的焊缝信息获取

针对目前焊缝坐标提取方法存在精度较低,难于实现视觉引导的机器人激光焊接高速度、高精度的要求,提出一种基于Zernike正交矩的曲线焊缝位置坐标信息获取算法,该算法首先采用Zernike边缘检测算法识别焊缝边缘,然后提取出焊缝的中心线,最后计算出该中心线的亚像素坐标。通过试验验证了该算法的可行性。

PLC在长焊缝激光拼焊系统中的应用

介绍了长焊缝激光拼焊系统的工作原理和控制要求。针对长焊缝激光拼焊的难点,提出了焊缝塑性成形原理,采用碾压轮对板材焊缝进行碾压预处理提高定位精度。阐述了牵引电机同步控制原理和碾压轮力控制原理。详细介绍了该系统的组成和工作原理,确定了以三菱PLC为核心的长焊缝激光拼焊的控制系统,说明了其硬件组成、软件设计和控制系统的抗干扰措施。

基于PLC的激光拼焊生产线控制系统设计

本文介绍了基于PLC的激光拼焊生产线控制系统。分析了激光拼焊生产工艺过程,针对激光拼焊生产过程中多工作单元相互协调和工业过程复杂等特点,开发了基于三菱PLC的控制系统,介绍了系统的软硬件设计方法。该系统能够完成上料、定位、压紧、焊接、检测、下料以及废料处理功能,实现了激光拼焊生产线的全自动化,具有较高的安全性和稳定性。

基于三坐标测量机激光拼焊板材直线度研究

利用高精度三坐标测量机扫描功能,充分获得焊接板材端面线性三维数据坐标值,采用基于最小二乘法而建立的理想直线数学模型来评定直线度误差,并与实际采用塞尺法进行对比,结果发现采用三坐标测量更能详尽地反应整个焊接边缘直线度真实情况,节省大量的数据处理时间,且数据更加准确可靠,并在实际激光焊接中获得良好激光焊缝,同时直观地给出了焊接板材边缘线性特征,为剪板机刀具调整提供了方向与位置。

激光拼焊成套装备定位方法及焊接工艺研究

激光拼焊由于具有能量密度高，焊缝深宽比大，变形和热影响区小，焊接速度快，满足工件不同部位对材料各自性能的需求，焊接质量好，容易实现自动化等众多优点，使其广泛应用于工业中各个领域。激光拼焊生产线是利用高能激光作为焊接热源，将两块或多块汽车板材一次焊接成形，实现高效全自动化生产，年产可达百万片，以满足汽车行业的需求。而我国作为世界制造加工大国，目前尚不能完全独立自主开发激光拼焊成套装备。 针对自主开发激光拼焊成套装备的几个关键技术点，本文以中国科学院知识创新工程重要方向性项目“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，在对现有激光拼焊技术深入分析的基础上，对激光拼焊定位夹紧、最优化激光拼焊工艺和焊接接头机械性能、金相组织等方面进行了深入研究，得出了激光拼焊最优工艺规范和相应的焊接质量变化规律，为激光拼焊成套装备开发提供参考。 第一部分激光拼焊定位夹紧对中方法研究。重点分析了由于激光光束本身条件限制、激光拼焊生产线高速高效的要求、激光焊接热变形和目前国内汽车板材本身理化性能一致性差以及激光焊接过程中的诸多不确定因素，总结出了激光拼焊生产线工装夹具设计影响因素，并在此基础上指出了激光拼焊定位夹紧结构所应具备的功能特征。针对激光拼焊板材介于刚体和弹性体之间的柔性体特征，结合传统的定位原理“3-2-1”，提出了“N-2-1”的定位方式，给出了激光拼焊夹具定位原理及设计准则，初步建立了激光拼焊夹具参数化零件库和相应准则，并对激光拼焊夹紧机构进行了柔性分析，给出了拼焊夹具的柔性评价方案。 第二部分激光拼焊工艺研究。首先分析了激光拼焊工艺特征，重点研究了在大功率固态激光器条件下，激光拼焊焊接工艺参数主要包括激光功率、焊接速度、离焦量和侧吹保护气体的喷嘴高度、倾斜角度及气体流量等因素变化对焊接质量的影响，得出了变化规律曲线，为激光拼焊工艺规范微调方向提供参考依据;同时也为激光工艺库开发提供推理机制。最后系统全面地研究了目前汽车常用板材全厚度系列激光拼焊工艺，采用叠代寻优的方法获得到了适用于全自动激光拼焊生产线的最优化工艺规范。 第三部分激光拼焊工艺库开发。针对激光拼焊成套装备项目开发面临的问题：在中国市场中，激光拼焊成套装备销售必须附带汽车行业常用工艺规范库的现实问题。在大量试验的基础上，借助于VB6.0集成开发环境，建立了激光拼焊工艺库系统，主要包括激光拼焊示范应用模块、工艺参数查询模块、经济评估模块、数据库维护模块、管理查询模块等，初步实现了系统演示、查询、评估、管理等功能，基本满足激光拼焊生产线要求。 第四部分激光拼焊焊接接头金相组织性能研究。结合金属Fe3C相图，分析了在激光焊接快速冷却、大过冷度条件下，分别从合金性质、成分、固/液界面上的表面能、均相成核速度和固相生长速度等角度，探讨了金相组织结构变化特征。然后通过试验分别研究了汽车碳钢板和不锈钢板激光拼焊时，板材厚度、激光功率、焊接速度等工艺参数变化，对激光拼焊焊接接头的抗拉强度、显微组织硬度和金相组织结构影响。 第五部分针对激光拼焊钢板实际生产中，存在着焊接性能随焊接工艺变化差异大的问题，利用激光拼焊生产线实际得到的数据，建立了基于BP神经网络激光拼焊焊接性能预测模型，初步实现了根据工艺参数的改变，直接预测焊接力学性能的目的，克服了激光拼焊初期需大量试验性研究的缺点，为工艺参数优化研究提供了一种有效的手段。

基于视觉测量的机器人激光焊接信息获取及路径规划

随着计算机视觉与机器人智能控制学科的飞速发展，在汽车工业中，结合视觉测量和机器人控制技术，采用激光拼焊方式加工汽车车身零部件显示出愈来愈重要的作用。在国外汽车板材激光拼焊技术已获得广泛应用，而在国内还只是处于研发和试生产阶段。应用工业机器人进行激光拼焊，不仅能充分发挥工业机器人灵活性、智能性等特点，而且还能代替大型激光拼焊装备进行生产，降低成本，提高效益。本课题以激光拼焊为背景，以搭建的工业机器人激光拼焊试验系统为研究平台，对基于视觉的激光焊接机器人焊缝位置信息获取及路径规划技术进行了研究。 在众多的信息获取方法中，立体视觉是一种有效的三维信息获取技术。一个完整的立体视觉过程包括：图像获取、特征提取、摄像机标定、立体匹配、深度信息计算和插值六个部分。单个摄像机获取的图像是二维的，图像的深度信息丢失。采用两个相同的摄像机在不同位置对被测物件取像，通过立体视觉匹配能计算出图像的深度信息。为避免立体匹配的困难，采用结构光代替其中一个摄像机是行之有效的方法。基于视觉的激光焊接机器人焊缝位置信息获取是立体视觉技术在激光焊接机器人焊接作业中的典型应用。对由CCD摄像机拍摄到工件图像进行算法处理提取出焊缝特征信息，是基于视觉的激光焊接机器人系统中关键技术之一。 图像处理的精度直接影响到整个视觉测量系统的精度，获取的焊缝位置信息的准确性直接决定着焊接任务的成败。焊缝在图像上表现为两条边缘，在成像条件较好的情况下，可以采用边缘特征提取的方法来获取工件焊缝的位置信息。亚像素边缘检测是近年来较为流行的边缘检测算法，检测的边缘精度可以达到亚像素级别。基于Zernike矩的亚像素边缘检测算法具有很好的抗噪性，适用于激光焊缝信息的提取，但检测出的边缘较粗，本文针对Zernike矩亚像素边缘检测存在的不足进行了算法改进，推导出7×7模板系数，并提出了新的边缘判断依据。试验验证了改进算法的有效性。改进的算法能获取焊缝位置精确信息。 阐述了Tsai两步法和Zhang的基于平面靶标标定的原理和标定过程。提出双线结构光视觉测量系统，建立了用于跟踪曲线焊缝的双线结构光视觉系统的数学模型，并给出标定方法。该方法首先采用Zhang的标定方法对摄像机进行标定，然后基于交比不变性原理，对结构光平面进行拟合。双线结构光视觉系统在跟踪曲线焊缝时，在一帧图像中可以同时检测出焊缝转角偏差和位置偏差，应用在机器人激光焊接焊缝跟踪上可获得比单线结构光更加丰富的信息。 激光焊接机器人焊枪的位姿直接影响着焊接质量的好坏。本文研究了机器人末端执行器位姿表达方法，建立了焊枪位姿和焊缝坐标系的数学模型。在激光焊接机器人焊接之前需要对焊缝编程，阐述了焊接机器人编程原理。针对在圆弧焊缝曲率变化较大的地方采用视觉测量方法存在较大的测量误差，提出偏转角的概念，对偏转角提前进行补偿，能明显提高焊接质量。 设计了测量焊接机器人轨迹误差的试验，对激光焊接机器人在高速焊接或焊接曲率较大的圆弧时轨迹误差进行了测量和分析。归纳了焊接机器人轨迹误差的来源及其产生的原因。给出了一种补偿机器人轨迹误差的方法。该方法的基本思想是先由结构光视觉系统测量出焊接机器人的重复轨迹误差，然后由视觉伺服系统补偿。实验证明，该方法应用在长焊缝和曲线焊缝焊接时，能有效补偿焊接机器人的轨迹误差。

基于视觉的机器人激光焊接质量检测技术研究

视觉检测技术是随着计算机视觉技术和光电技术的飞速发展，而出现的一种新的检测技术。检测被测目标时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体，从图像中提取有用的信号，它是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术。现代激光自动化焊接技术是由激光、计算机、机器人、数控和精密机床等相结合的综合高新技术,此项技术已成为工业生产自动化的关键技术，拥有普通加工技术所不能比拟的优势。为了克服机器人焊接过程中各种不确定因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作可靠性，要求焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，即焊接机器人焊接过程的自主化和智能化。本文的研究依托于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生产线”，旨在探索立体视觉检测系统的实现及其在激光拼焊工程中的应用的问题。从理论和实践两个方面，对其中的若干关键技术，如视觉检测系统创新设计、数学模型、量化误差、摄像机标定、结构光条纹中心线提取、焊前特征检测、溶池边缘提取、焊后缺陷图像匹配算法、三维重建和表面孔的视觉定位等进行了研究。主要研究成果如下： 1．提出了一种可以用于焊前跟踪，焊后检测，以及焊接过程中对激光溶池进行监测的多功能激光视觉检测装置。推导了检测系统在不考虑像平面安装倾斜角度时和考虑像平面安装倾斜角度时检测点坐标的计算公式以及量化误差公式，分别针对由于数模转换量化误差、安装角度倾斜误差、安装高度误差三个方面引起的量化误差，分析其关于行，列，以及不同倾斜角度的影响分布规律。并对于各种情况进行了仿真，对于各种误差分布特征进行了分析，提出了检测奇异点的情况和数学模型的局限性。以上工作为实现焊缝三维信息的高精度提取奠定了基础。 2．对于摄像机的标定技术进行了研究，结合工程实际，利用zhang的标定法和matlab标定工具包，对于摄像机进行了标定；针对检测相机视场较小，标定采集范围不易调整和相机的畸变主要发生在视场边缘等特征，在保证要求的精度范围之内，提出一种基于标定靶的标定方法，实验证明该方法的标定与测量精度能够满足工程需要。 3．研究了现有的条纹中心提取算法过程，提出了基于OTSU阈值的多次高斯拟合平均法和基于OTSU阈值的质心平均法计算激光条纹中心坐标。该法对条纹的噪声，散斑和被测工件表面漫反射有很强的抵制作用，因此具有很强的鲁棒性。实验表明，与传统方法相比，具有更高的提取精度。同时为了适应激光条纹被工件表面调制后发生的角度变化，以及硬件安装带来的激光线型条纹倾斜，提出了一种自适应方向模板法，可以解决特殊倾斜角度时的激光条纹中心线提取问题。三个仿真试验验证了方法的可行性。 4．提出了一套在线实时进行焊前检测的图形处理算法，可以实现焊缝宽度，焊前错配和焊缝中心位置检测。通过工程实验提取了各指标的检测结果，并验证了算法的正确性。 5．提出了一种基于数学形态学的激光拼焊溶池边缘检测算法，对于激光拼焊中的溶池图像进行边缘提取，基于真实图像进行了实验研究表明，提取边缘效果可以达到单像素。 6．对焊后表面形貌检测的图像实时处理算法进行了研究。提出了一套在线实时进行焊后焊缝表面缺陷检测的图形处理算法,可以进行焊缝宽度，错配，凹度，凸度，咬边，焊接倾角，过高七种表面焊接缺陷的匹配识别；对于整个焊缝的表面形貌进行三维重建。通过等厚板焊接和不等厚板焊接两种试验，验证了算法的合理性和鲁棒性。提出了一种基于randon变换的错配和兴趣区域快速检测算法。对于表面孔的检测算法进行了探讨，主要针对孔的检测中的噪声和表面反射，研究了腐蚀膨胀对于表面孔定位和大小的检测影响。 7．研究了以普通6R机器人进行焊缝视觉检测的工作视野，即焊缝视觉检测空间，提出了一种生成焊缝视觉检测空间的解算法；以此检测视野为依托，探索了在视觉检测视野中进行焊缝视觉检测的初始位置规划问题，提出了一种初始位置规划算法；仿真结果证明了算法的正确性。

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。

Wavefront measurement of double-clad pulsed ytterbium fiber laser

Because of high efficiencies, compact structure, and excellent heat dissipation, high-power fiber lasers are extremely useful for applications such as cutting, welding, precision drilling, trimming, sensing, optical transmitter, material processing, micromachining, and so on. However, the wavefront of the double clad fiber laser doped with ytterbium is still unknown. In this paper, wavefront of a fiber laser is measured and the traditional Hartmann-shack wavefront sensing method is adopted. We measured a double clad fiber laser doped with ytterbium which produces pulse wave output at infrared wavelength. The wavefront shape and contour are reconstructed and the result shows that wavefront is slightly focused and not an ideal plane wavefront. Wavefront measurement of fiber laser will be useful to improving the lasers' performance and developing the coherent technique for its applications.

Numerical Analysis of a Dual Polarization Mode-Locked Laser with a Quarter Wave Plate

Dynamical behaviors and frequency characteristics of an active mode-locked laser with a quarter wave plate (QWP) are numerically studied by using a set pf vectorial laser equation. Like a polarization self-modulated laser, a frequency shift of half the cavity mode spacing exists between the eigen-modes in the two neutral axes of QWP. Within the active medium, the symmetric gain and cavity structure maintain the pulse's circular polarization with left-hand and right-hand in turn for each round trip. Once the left-hand or right-hand circularly polarized pulse passes through QWP, its polarization is linear and the polarized direction is in one of the directions of i45o with respect to the neutral axes of QWP. The output components in the directions of i45" from the mirror close to QWP are all linearly polarized with a period of twice the round-trip time.

Polarization Self-Modulation Phenomenon in a Free Oscillated Nd: YAG Laser

Polarization self-modulation effect in a free oscillated Nd:YAG laser is investigated after a quarter wave plate is introduced independently in the two positions of the cavity. As described in the previous experiments, the intensity components in the orthogonal directions are modulated with a period of the round-trip time or twice. Different pulse shapes reveal that the seed field from the spontaneous emission is not uniform and seems to be stochastic for each pulse.

Surface amorphous and crystalline microstructure by alloying zirconium using Nd : YAG pulsed laser

A novel composite coating was synthesized by laser alloying of zirconium nanoparticles on an austenite stainless steel surface using a pulsed Nd:YAG laser. The coating contained duplex microstructures comprising an amorphous phase and an austenitic matrix. A discontinuous zirconium-containing region formed at a depth of 16 mum below the surface. The amorphous phase was present in the zirconium-rich region, with the composition of zirconium ranging from 7.8 to 14.5 at. pet. The formation of the amorphous phase was attributed to the zirconium addition. The hardness, corrosion, and wear-corrosion resistance of the irradiated coating were evidently enhanced compared to those of the stainless steel.