CN100500358C - 用于机器人辅助远程激光焊接的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于对金属板结构进行远程激光焊接的装置，包括人形机器人，在其腕部上安装了附属装置(3)，其携带有可使来自激光源的激光束聚焦的聚焦头，以及使聚焦激光束(F)的指向围绕一个摆动轴(8)摆动的装置。在焊接期间，机器人使附属装置(3)沿着给定的轨迹并在给定的速度下移动，而聚焦射束(F)的指向摆动成使得激光束所照射的结构区域(W)以不与机器人所携带的附属装置(3)的移动轨迹和速度直接相关的速度和/或轨迹移动。

Description

用于机器人辅助远程激光焊接的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于机器人辅助激光焊接的方法和装置，即用于焊接金属板结构、例如构成汽车车身或框架的组件或子组件的结构或与汽车领域无关的结构的方法和装置。该方法包括：设置多轴的操作机器人，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及可对电动机编程的可编程电子控制单元，以便使机器人的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位和任何轨迹上；在操作机器人的所述终端零件上安装可使来自激光源的激光束聚焦的附属装置，所述装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个摆动轴摆动来定向激光束；控制操作机器人，以使该附属装置沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹移动；当附属装置沿着给定轨迹移动时，通过附属装置来改变聚焦射束的方向，从而使聚焦激光束所照射的待焊接结构的区域以不与附属装置的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动。该装置包括：多轴的操作机器人，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及用于控制电动机的可编程电子控制单元，从而使机器人的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位以及任何轨迹上；安装在操作机器人的所述终端零件上的用于使来自激光源的激光束聚焦的附属装置，该装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个摆动轴摆动来定向该激光束，附属装置还包括用于控制摆动的机构，其由电子控制装置来控制；对控制单元进行编程，以使附属装置沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹移动；用于定向聚焦激光束的方向的机器人控制单元和电子控制装置被编程为使得，在附属装置被机器人沿着所述给定轨迹移动时可以改变聚焦激光束的指向，从而使聚焦激光束所照射的待焊接结构的区域以不与附属装置的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动。
背景技术
很久以前本申请人曾提出用于对汽车结构进行激光焊接的装置(例如参见涉及到所谓“激光门”系统的欧洲专利No.EP0440001B1和No.EP 0440002B1)。然而，激光焊接在这种应用中的使用并没有在其于90年代初期第一次提出之后得到有效的发展。这主要是由于针对激光焊接装置的第一实施例所做的实验表明，存在着若干与这种技术相关的问题。
第一项相关问题是由设有镀锌外防护层的金属板在汽车领域中的广泛使用所带来的结果。所述层在激光焊接期间会导致锌蒸气的产生，这通常会危害优质的焊接质量。
在本申请人的欧洲专利申请No.EP 1238748A1和No.EP1236535 A1中已经说明并详细公开了这些问题，其涉及可以简单且有效的方式克服前述技术障碍的装置，保证了焊接工艺期间所产生的锌蒸气的排出。在本申请人的意大利专利申请TO2002A000760中也已经提出了另一种解决锌蒸气问题的方法。
然而在证实、研究并完全解决前述技术问题之前已经过去了一段时间，这至少部分地解释了激光焊接在汽车领域的使用仍然长时间处于发展状态的原因。
在用于装配汽车结构的激光焊接应用中应当考虑的另一相关问题与在短制造时间内达到高装配质量的需求有关。用于汽车车身或其子组件的装配站通常包括多个定位和联锁系统，用于保证结构的金属板零件在焊接期间的正确位置。显然，对于可以设置用于所述目的的联锁系统的数量来说存在一个最小阈值，低于此值就不便于保证结构的几何形状，从而导致低质量的装配工作。这会导致焊接台相对“拥挤”，联锁系统充斥了控制装置，这些控制装置用于将联锁系统从打开的静止状态切换到闭合的工作状态或相反。更重要的是，在柔性焊接台即需要对几种类型或型号或型式的待焊接结构进行操作的焊接台的情况下，焊接台还装备了用于若干联锁系统支撑结构的导向和控制装置，其可根据每次进入到焊接台中的车身或子组件的类型而被快速更换。结果，焊接台及其部件的体系结构的相对复杂性明显地使用于将焊接装置(在传统情况下为电焊枪，在激光焊接中为激光头)送到待焊接结构的各个区域的附近的操作机器人的工作复杂化。
在电焊枪的传统技术和激光焊接的情况下，为了执行分配给它们的焊接操作，机器人应当连续地到达待焊接结构的一系列区域。因此，在待焊接结构已到达焊接台之后，它应当停留在所述焊接台中达至少一段足以使每个机器人执行完分配给其的所有操作的时间。很明显，通过增加机器人的数量可减少花在焊接台中的时间，然而由于经济方面的原因，以及在超过给定数量的机器人时各机器人就会阻碍相邻一个或多个机器人的操作的事实，这种可能性在此同样具有一定的阈值。
另一方面，每个机器人用于执行分配给其的所有焊接操作的时间不仅由各种操作所需的时间总和组成，而且还由每次用于到达待焊接区域的时间组成，尤其在机器人必须沿着相对弯曲的路径前进，从而躲避任何由待焊接结构的部件以及接合于其上的各种联锁系统所产生的阻碍时，这种时间可能会非常长。
另一方面，应当考虑到，在使用激光来焊接汽车结构的初期，可用的激光发生器比当今可用的那些激光发生器的效率更低，并且功率更小。对于第一代激光发生器来说，无论如何都需要保证机器人所携带的激光头相对于待焊接结构处于比较接近的位置，因此，从这一点出发，激光的使用相对于传统的电点焊来说并不是特别有优势。相反，利用当前可用的激光系统，大有希望的新解决方案打开了通向显著降低制造成本的途径。
成为所述进步的基础并属于本申请所做的第一实验的目的的思想在于，利用机器人来操纵激光头，在离待焊接结构为给定距离的位置处握持激光头，并且设置了可定位激光束的聚焦方向的装置，从而使激光束沿着待焊接结构在不与机器人移动激光头的方向和速度直接相关的方向和速度下移动。很明显，这不仅可用于在机器人所携带的激光头的移动期间为了获得焊缝而使激光束在给定区域内相对于待焊接结构移动，而且还可特别地用于快速且有效地对待焊接结构的不同区域进行焊接。
欧洲专利申请No.EP1228835A1公开了如本文技术领域部分所描述的用于激光焊接的系统和方法。然而，所述已知的系统适用于“笛卡儿坐标”机器人，而不适用于“人形”机器人，并且它是“附加”而非集成到机器人中。
尽管通过“集成”到机器人结构中的装置来实现，但是一种类似的解决方案已经成为已申请的先前意大利专利申请的目的。然而，如上述欧洲专利申请EP 1228835A1中所公开的那样，所述解决方案是非常复杂的，尤其涉及到用于使激光束聚焦并定向的装置及其控制部件。
发明内容
本发明的目的是实现可以简单且有效的方式运用上述基本思想的用于激光焊接的方法和装置，其特征尤其在于极其简单的体系结构和操作。
根据本发明，所述目的可通过一种用于对金属板零件构成的结构进行激光焊接的方法来实现，其包括：设置多轴的操作机器人，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及可对电动机编程的可编程电子控制单元，以便使机器人的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位和任何轨迹上；在操作机器人的所述终端零件上安装可使来自激光源的激光束聚焦的附属装置，所述装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个摆动轴摆动来定向激光束；控制操作机器人，以使该附属装置沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹移动；当附属装置沿着给定轨迹移动时，通过附属装置来改变聚焦射束的方向，从而使聚焦激光束所照射的待焊接结构的区域以不与附属装置的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动。而且，在所述方法中，所述附属装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个单独的摆动轴摆动来定向所述聚焦激光束；控制所述操作机器人，以使所述附属装置沿着直线轨迹移动，该直线轨迹垂直于所述单独的摆动轴；所述附属装置沿着所述直线轨迹以高于产生每条焊缝的速度的速度移动；当所述机器人沿着所述直线轨迹移动所述附属装置时，所述聚焦激光束的方向围绕所述单独的摆动轴摆动，以便聚焦激光束所照射的区域沿着待焊接结构以与应当产生焊缝的速度相对应的速度移动；一旦已经完成了焊缝，就将聚焦激光束突然地摆动到使其处于待产生的新焊缝的起始端，以便聚焦激光束所照射的结构的区域以非常高的速度从之前焊缝的终止端移动到新焊缝的起始端。
所述目的还可通过一种用于对金属板零件构成的结构进行激光焊接的装置来实现，其包括：多轴的操作机器人，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及用于控制电动机的可编程电子控制单元，从而使机器人的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位以及任何轨迹上；安装在操作机器人的所述终端零件上的用于使来自激光源的激光束聚焦的附属装置，该装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个摆动轴摆动来定向该激光束，附属装置还包括用于控制摆动的机构，其由电子控制装置来控制；对控制单元进行编程，以使附属装置沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹移动；用于定向聚焦激光束的方向的机器人控制单元和电子控制装置被编程为使得，在附属装置被机器人沿着所述给定轨迹移动时可以改变聚焦激光束的指向，从而使聚焦激光束所照射的待焊接结构的区域以不与附属装置的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动。并且，所述附属装置设计成通过使聚焦激光束围绕一个单独的摆动轴摆动来定向所述聚焦激光束。所述机器人控制单元被编程为使得，所述附属装置沿着直线轨迹移动，该直线轨迹垂直于所述单独的摆动轴。所述机器人控制单元被编程为使得，所述附属装置沿着所述直线轨迹以高于产生每条焊缝的速度的速度移动。所述电子控制装置被编程为使得，当所述机器人沿着所述直线轨迹移动所述附属装置时，所述聚焦激光束的方向围绕所述单独的摆动轴摆动，以便聚焦激光束所照射的区域沿着待焊接结构以与应当产生焊缝的速度相对应的速度移动。所述电子控制装置被编程为使得，一旦已经完成了焊缝，就将聚焦激光束突然地摆动到使其处于待产生的新焊缝的起始端，以便聚焦激光束所照射的结构的区域以非常高的速度从之前焊缝的终止端移动到新焊缝的起始端。
本发明的其它有利特征包括：附属装置包括刚性地连接在机器人腕部上的底座部分，以及以可围绕摆动轴摆动的方式安装在底座部分上的框架，并提供了电动机来控制摆动；摆动框架支撑了用于激光束的聚焦头；附属装置包括与底座部分刚性相连的聚焦头，以及可在聚焦头中摆动从而使聚焦激光束摆动的光学装置；通过光纤束来将激光束从激光源引导至附属装置中；光纤束整个地布置在机器人结构之外；光纤束至少部分地布置在机器人结构内。
将聚焦头保持成距待焊接工件为一段距离的可能性实现了在焊接期间对机器人所携带的激光头轨迹的极大简化。在焊接工序期间，激光头“飘荡在”待焊接工件之上的一定距离处，同时将聚焦的激光束定向成使其可在工件的各个区域中实现焊接线。
通常可使聚焦头相对于待焊接结构在比激光束应当产生焊缝的速度更大的速度下移动。这意味着在焊接每条焊缝时，可以改变聚焦方向，这样，当焊接头已经移出到产生所述焊缝的区域之外时，仍可在行进中将激光束引导至焊缝上。这样在完成焊缝时，激光头已经运动得较远了，因此，通过突然地改变激光束的指向，使激光束直接进入到将开始新焊缝的区域，就可以开始新焊缝的焊接。
另外，根据本发明，所述结果可通过具有极其简单的体系结构的装置来获得，它是一种安装到多轴式人形机器人的腕部上并具有简单结构的附件，这是因为它具有一根用于使激光束的聚焦方向摆动的轴。通过设置可相对于底架摆动的聚焦头支撑结构，或者设置用于使聚焦射束摆动的光学装置(例如振动反射镜)，便可实现所述结果。
附图说明
从仅以非限制性示例的方式提供的参照附图所作的描述中，可以清楚本发明的其它特征和优点，在图中：
-图1是设有根据本发明装置的操作机器人的透视图，
-图2是显示了在焊接工艺期间由根据本发明的装置所保持的各个位置的示意图。
具体实施方式
在图1中，采用标号1来整体上表示任何已知类型的操作机器人。本申请人已经制造并销售“人形”类型的机器人有很长一段时间了，其使用了可按照相应系列轴(通常为六个)而相互间可旋转地安装或铰接的一系列零件。各所述轴与电控制的电动机相关。电动机由与机器人相连的控制单元2来控制。该单元2可控制电动机，使得铰接式机器人结构能三维地移动，从而将机器人的终端或“腕部”带到具有给定形状和尺寸的空间体积中的任意点处。
在本发明中，在机器人的腕部上安装了附属装置3，该装置包括聚焦头4，用于使来自激光源(图中未示出)并经由光纤束5引导到装置3的激光束聚焦到焊点或区域W上。在图1中，光纤束5布置在机器人结构之外。然而，如同属于本申请人的上述专利申请中所设想并建议的那样，可将光纤束设置成至少部分地处于机器人结构之内。
参见图1，装置3具有简单的结构，其包括设计用于刚性地连接在机器人腕部上的底座部分6和包含有聚焦头4的部分7，该部分7安装在部分6上并可围绕一轴8摆动。底座6还设有用于控制框架7的摆动的任何已知类型的电动机，框架7围绕着轴8携带了聚焦头4。所述电动机由单独的可与机器人控制单元2进行通信的控制单元来控制，或者也可通过集成到机器人控制单元2中的电子装置来控制，从而根据下述要求来保证装置的控制。
在图1中，标号9整体上表示待焊接结构，例如一对压制金属板，其被设计成可通过施加一系列的焊缝来将它们沿着周边相互连接起来。这种应用的一个示例是汽车门结构的焊接。然而，本发明也可用于汽车领域之外。
图2显示了在实现多条焊缝10的焊接工艺期间装置3所保持的各种位置，这些焊缝排列成行并间隔开给定的纵向距离。
在这一工艺期间，控制机器人1使其沿着轨迹L并以通常比应当产生每条焊缝10的速度更大的速度V来移动装置3。当机器人沿着直线轨迹L以速度V移动装置3时，控制装置改变聚焦射束F的方向，从而使射束F所照射的区域W沿着结构9以与应当产生焊缝的速度相对应的速度VW移动。这意味着在装置3沿着轨迹L移动(朝向图2中的右侧)的过程中，聚焦射束F的方向会顺时针(仍参见图2)摆动，这样，当装置3从图2中的位置A移动到位置B时，聚焦射束F产生焊缝10AB。
一旦已经完成了焊缝10AB，就将聚焦射束F突然地摆动到使其处于新焊缝10CD的起始端，同时装置3已经达到了位置C。所述突然摆动导致射束F所照射的工件区域以非常高的速度VV从焊缝10AB的终止端移动到焊缝10CD的起始端。再次利用机器人1来完成焊缝10CD，机器人1以比工件的受照射区域沿着所述工件移动的速度更大的速度V来移动装置3，从而产生焊缝10CD。当装置3到达位置D时，聚焦射束F已经到达焊缝10CD的终止端，并已准备好可以突然摆动到焊缝10EG的起始位置，其对应于装置3的位置E。此时便如上所述地完成了新的焊缝10EG。当聚焦射束F接近射束10EG的终止端时，装置3位于位置G处，而聚焦射束再次从其在位置B处所具有的方向顺时针旋转到其在位置G处所保持的方向上。
如图所示，由于机器人可以是任何类型，并且其采用了具有一条控制轴8的非常简单的聚焦和指向装置，因此上述方法和装置运用了远程激光焊接的基本原理，并且极大地简化了其实施结构。
很明显，装置3可以包含能使携带了聚焦头4的结构绕轴8摆动的装置，或者是光学装置如振动反射镜，其可在相应的支撑结构不摆动的情况下使聚焦射束F的指向摆动。
很明显，虽然本发明的基本思想是相同的，然而在不脱离本发明框架的前提下，可以相对于仅借助示例来介绍和显示的那些内容来对结构细节和实施例进行广泛的修改。

Claims (8)

1.一种用于对金属板零件构成的结构进行激光焊接的方法，包括：
-设置多轴的操作机器人(1)，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及可对所述电动机编程的可编程电子控制单元(2)，以便使机器人的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位以及任何轨迹上，
-在操作机器人(1)的所述终端零件上安装可使来自激光源的激光束聚焦的附属装置(3)，所述装置设计成通过使聚焦激光束(F)围绕一个摆动轴(8)摆动来定向所述聚焦激光束(F)，
-控制所述操作机器人(1)，以使所述附属装置(3)沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹(L)移动，
-当所述附属装置(3)沿着所述给定轨迹(L)移动时，通过所述附属装置(3)来改变聚焦激光束(F)的方向，从而使聚焦激光束(F)所照射的待焊接结构的区域(W)以不与所述附属装置(3)的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动，
其特征在于：
-所述附属装置(3)设计成通过使聚焦激光束(F)围绕一个单独的摆动轴(8)摆动来定向所述聚焦激光束(F)，
-控制所述操作机器人(1)，以使所述附属装置(3)沿着直线轨迹(L)移动，该直线轨迹(L)垂直于所述单独的摆动轴(8)，
-所述附属装置(3)沿着所述直线轨迹以高于产生每条焊缝(10)的速度的速度(V)移动，
-当所述机器人沿着所述直线轨迹(L)移动所述附属装置(3)时，所述聚焦激光束(F)的方向围绕所述单独的摆动轴(8)摆动，以便聚焦激光束(F)所照射的区域(W)沿着待焊接结构以与应当产生焊缝的速度相对应的速度(VW)移动，
-一旦已经完成了焊缝(10)，就将聚焦激光束(F)突然地摆动到使其处于待产生的新焊缝的起始端，以便聚焦激光束(F)所照射的结构的区域以非常高的速度(VV)从之前焊缝(10AB)的终止端移动到新焊缝(10CD)的起始端。
2.一种用于对金属板零件构成的结构进行激光焊接的装置，包括：
-多轴的操作机器人(1)，其包括多个可控制机器人的零件围绕所述轴的运动的电动机，以及用于控制所述电动机的可编程电子控制单元(2)，从而使机器人(1)的终端零件在给定的三维空间体积内移动到任何位置、任何方位以及任何轨迹上，
-安装在操作机器人(1)的所述终端零件上的用于使来自激光源的激光束聚焦的附属装置(3)，所述装置设计成通过使聚焦激光束(F)围绕一个摆动轴(8)摆动来定向所述聚焦激光束(F)，所述附属装置(3)还包括用于控制所述摆动的机构，其由电子控制装置来控制，
-其中对所述控制单元进行编程，以使所述附属装置(3)沿着靠近但不邻接待焊接结构的各个区域的给定轨迹移动，
-用于定向聚焦激光束(F)的方向的所述机器人控制单元和所述电子控制装置被编程为使得，在所述附属装置(3)被机器人沿着所述给定轨迹移动时可以改变所述聚焦激光束(F)的指向，从而使聚焦激光束(F)所照射的待焊接结构的区域(W)以不与所述附属装置(3)的移动轨迹和速度直接相关的轨迹和/或速度进行移动，
其特征在于：
-所述附属装置(3)设计成通过使聚焦激光束(F)围绕一个单独的摆动轴(8)摆动来定向所述聚焦激光束(F)，
-所述机器人控制单元被编程为使得，所述附属装置(3)沿着直线轨迹(L)移动，该直线轨迹(L)垂直于所述单独的摆动轴(8)，
-所述机器人控制单元被编程为使得，所述附属装置(3)沿着所述直线轨迹以高于产生每条焊缝(10)的速度的速度(V)移动，
-所述电子控制装置被编程为使得，当所述机器人沿着所述直线轨迹(L)移动所述附属装置(3)时，所述聚焦激光束(F)的方向围绕所述单独的摆动轴(8)摆动，以便聚焦激光束(F)所照射的区域(W)沿着待焊接结构以与应当产生焊缝的速度相对应的速度(VW)移动，
-所述电子控制装置被编程为使得，一旦已经完成了焊缝(10)，就将聚焦激光束(F)突然地摆动到使其处于待产生的新焊缝的起始端，以便聚焦激光束(F)所照射的结构的区域以非常高的速度(VV)从之前焊缝(10AB)的终止端移动到新焊缝(10CD)的起始端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述附属装置(3)包括刚性地连接在机器人腕部上的底座部分(6)，以及以可围绕所述一个摆动轴(8)摆动的方式安装在所述底座部分(6)上的框架(7)，并提供了电动机来控制所述摆动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述摆动框架(7)支撑了用于激光束的聚焦头(4)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置包括与所述底座部分(6)刚性相连的聚焦头，以及可在所述聚焦头中摆动从而使聚焦激光束(F)摆动的光学装置。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，通过光纤束(5)来将激光束从激光源引导至所述附属装置(3)中。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光纤束(5)整个地布置在所述机器人结构之外。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光纤束(5)至少部分地布置在所述机器人结构内。
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