CN101269442B - 激光焊接装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊接装置及其方法。该激光焊接装置即使在改变了机器人的动作速度的情况下也能再现与在生产现场使机器人实际运行时相同程度的焊接状态。在使机器人的移动速度(机器人速度)为50％的移动速度变更率时(使机器人速度从图示的虚线成为实线)，提高扫描器头(6)内的激光扫描用反射镜(113)的转动速度，由此，使焊接点速度与100％的移动速度变更率时的焊接点速度相同，该焊接点速度是由设有扫描器头(6)的机器人的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜(113)的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。

Description

激光焊接装置及其方法 

技术领域

本发明涉及一种激光焊接装置及其方法。 

背景技术

近年来，利用机器人的焊接也使用激光焊接。这种焊接技术有在机器人臂(机械手(Manipulator))的前端安装用于照射激光束的激光照射装置而进行焊接的技术。这种技术通过使机器人臂移动、并改变来自激光照射装置的激光照射方向，从而一边移动激光、一边焊接预先确定的焊接点(例如，参照专利文献1)。由于焊接对象物(工件)远离激光照射装置，故这种焊接被称为远距离焊接。 

专利文献1：日本特开2005-177862号公报 

发明内容

但是，在这种远距离焊接中，在生产准备阶段等中，示教机器人动作路径时的试运行时与在生产现场实际使机器人动作时的实际运行时，机器人臂前端的激光照射装置的移动速度不同。 

即，在上述试运行时，使臂前端的激光照射装置的移动速度比实际运行时慢，需要对不与其它的机器人臂和外围设备干扰而进行准确的动作的情况进行确认。 

因此，例如在上述试运行时，有时激光照射点的行进速度(称为焊接点速度)比实际运行时的行进速度慢，对焊接点输入过多的能量(成为输入热量过多)。其结果，在试运行时存在不能准确地确认实际运行时的焊接状态的问题。 

因此，本发明的目的在于提供一种激光焊接装置及其方法，该激光焊接装置及其方法即使在生产准备阶段等试运行时改变了机器人的动作速度的情况下，也能再现与在生产现场的机器人实际运行相同程度的焊接状态。 

为实现上述目的，本发明是一种激光焊接装置和激光焊接方法，其特征在于：该激光焊接装置或激光焊接方法具有激光振荡器、激光照射装置、移动装置和控制装置；上述激光振荡器产生激光；上述激光照射装置具有能转动的反射镜，该反射镜用于改变从上述激光振荡器导出的上述激光的照射方向；上述移动装置使上述激光照射装置移动；试运行时，在上述移动装置的动作速度被改变了的情况下，上述控制装置控制上述反射镜的转动速度，使得由上述激光照射装置的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由上述反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度成为预先确定的速度。 

根据本发明，在改变了移动装置的动作速度时，通过控制反射镜的转动速度，使由激光照射装置的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度成为预先确定的速度，因此，即使在机器人试运行时改变了移动装置的动作速度的情况下，也能再现与实际运行时的状态相同的焊接状态。 

附图说明

图1为用于说明应用了本发明的激光焊接装置结构的概略图。 

图2为用于说明扫描器头内部结构的说明图。 

图3为表示移动速度变更时(使机器人速度变慢时)的处理顺序的流程图。 

图4为在采用本实施方式进行移动速度变更动作的情况下的时间图。 

图5为在作为比较例进行了以往的移动速度变更动作的情况下的时间图。 

图6为表示用于使焊接点速度变化的输入热量与实际运行时的输入热量相等的激光输出功率值的曲线图。 

图7为表示用于说明移动速度变更率改变的与焊接点速度对应的激光输出功率值的曲线图。 

具体实施方式

以下，参照附图，说明用于实施本发明的最佳实施方式。 

图1为用于说明应用了本发明的激光焊接装置(远距离焊接系统(简称为系统))的结构的概略图。 

与以往的点焊等相比，图示的系统的焊接夹具不直接接触工件，而是使用激光在远离工件的位置进行焊接。因此称这种焊接为远距离焊接。 

该系统由机器人1、控制该机器人1的机器人控制器2、设置于机器人1手臂前端并照射激光的扫描器头6(激光照射装置或部件)、将激光从作为激光源的激光振荡器3引导到扫描器头6的光缆5(导光装置或部件(以下略记为光纤5)、以及控制扫描器头6和激光振荡器3的控制装置4(控制装置或部件)构成。 

在此，控制装置4例如是计算机，并且具有中央运算处理装置和存储装置等。 

激光振荡器3为了由光纤5引导激光，所以使用了YAG激光振荡器。 

机器人1为通常的多轴机器人(也称为多关节机器人等)等。能够根据由示教作业给予的动作路径的数据，改变其姿势，使臂前端、即扫描器头6沿各种各样的方向移动。用附图标记7示出了激光照射的移动范围。

图2为用于说明扫描器头6内部结构的说明图。 

如图2所示的那样，扫描器头6内部具有光纤5、用于保持光纤的光纤保持部12、光纤位置改变机构13、光纤用驱动器控制装置14、准直透镜16、固定反射镜17、变焦用透镜119、第1透镜110、第2透镜111、变焦用透镜用驱动器112、激光扫描用反射镜113(反射装置或反射镜)、反射镜用驱动器114、以及反射镜控制装置115。另外，用附图标记15表示激光。 

已通过准直透镜16的激光束15，又通过固定反射镜17、变焦用透镜119、第1透镜110、第2透镜111，再被激光扫描用反射镜113反射并射出。 

激光扫描用反射镜113由反射镜用驱动器114的驱动而转动(移动)自如地移动。反射镜控制装置115根据预先示教的焦点速度的数据使反射镜用驱动器114动作。反射镜控制装置115根据焦点速度的数据，算出用于得到该焦点速度所需的激光扫描用反射镜113的转动角速度，控制激光扫描用反射镜113，以使焦点速度成为被示教(或者被指令的)的焦点速度。 

这样，在该激光焊接装置中，不仅可以利用设有扫描器头6的机器人的动作、而且还可以利用激光扫描用反射镜113的动作，向各种各样的方向照射激光。 

另外，光纤用驱动器控制装置14与焊接路径中的从扫描器头6到工件117的距离116对应地控制光纤位置改变机构13，通过改变光纤5的激光发射端61的位置来调整焊接路径中的激光束的焦点位置。虽然在焊接动作中固定了该光纤位置改变机构13的位置，但是在因改变激光焊接装置自身的设置位置或更换工件而使从扫描器头6到工件的激光照射距离大幅度地改变的情况下，仍可以为了与激光对焦而进行调整。 

如图1中的附图标记7所示，该扫描器头6的激光照射范围为3 维的范围。即，在其X-Y方向上可以通过激光扫描用反射镜113改变位置；在Z方向上可以通过改变变焦用透镜119的位置来改变位置。 

在进行激光焊接时，实际照射在工件上的激光的焊接点位置的移动速度(焊接点速度)是由由于机器人1的动作而带来的扫描器头6的移动所引起的激光束的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜113的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。即，一边移动扫描器头6、一边使激光扫描用反射镜113转动，从而使激光束的焦点位置移动，因此，实际照射在工件上的激光束的焊接点位置的移动速度(焊接点速度)成为将由扫描器头6移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜自身的转动引起的激光束的焦点位置移动速度合成而得到的速度。 

因此，即使在生产准备阶段在试运行中改变了机器人的动作速度时，如果此时的焊接点速度与在生产现场使机器人按照通常的速度动作时的焊接点速度相同，则焊接状态也不会发生变化。 

机器人控制器2预先存储有示教数据，根据该示教数据使机器人1的各轴动作，进行焊接动作。 

示教数据例如是焊接动作中的机器人的动作路径(即，使扫描器头6移动的路径)、机器人在该动作路径行进中的动作速度、与机器人的动作路径或动作速度对应的激光束的焦点位置移动速度、用于获得该焦点位置的移动速度的激光扫描用反射镜113的转动速度、用于改变与激光照射位置对应的焦点距离的变焦用透镜119的位置数据、焊接条件等。 

这些被存储着的机器人速度和激光扫描用反射镜113的转动速度是投入生产现场而使机器人动作时的速度。另外，用于改变与激光照射位置对应的焦点距离的变焦用透镜119的位置数据是与机器人1的动作路径和激光扫描用反射镜113的旋转角度对应 的。因此，变焦用透镜119不依赖于机器人速度和焦点速度，而是以与机器人1的当前位置和激光扫描用反射镜113的当前旋转角度对应地变化的方式被指令。 

另外，机器人1的当前位置和激光扫描用反射镜113的当前旋转角度可以根据安装在各自上的编码器的值获得。另外，虽然在本实施例中说明了使变焦用透镜119的位置数据与机器人1的动作路径和激光扫描用反射镜113的旋转角度对应的情况，但是在使用具有自动调焦功能的透镜的情况下，没有必要如上述那样使它们对应。也能以非接触的方式测定扫描器头6与工件117之间的距离，同时进行调焦。因为关于自动调焦技术在照相机技术等中已众所周知，所以省略详细说明。 

另外，焊接条件是焊接点速度、激光输出功率、激光照射开始位置和激光照射结束位置等，上述焊接点速度是由扫描器头的移动引起的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。激光照射开始位置和激光照射结束位置与从机器人1各轴的编码器(未图示)获得的当前位置、及从反射镜用驱动器114的编码器(未图示)获得的激光扫描用反射镜113的当前转动角度对应地实时算出激光照射位置，在达到激光照射开始点的时刻开始照射激光，而在达到激光照射结束点的时刻结束照射激光。 

控制装置4的反射镜控制装置115控制机器人动作的移动速度变更时(改变作为激光照射部件的扫描器头6的移动速度)的扫描器头6内的激光扫描用反射镜113的转动速度和激光振荡器3的激光输出功率值。 

例如当示教再现动作等时，使机器人以比实际运行时的动作速度低的动作速度动作时，控制装置4对应其移动速度变更率(移动速度改变率)，分别向扫描器头6和激光振荡器3指令激光扫描用 反射镜113的转动速度和激光振荡器3的激光输出功率值。 

以使机器人实际运行时的移动速度变更率为100％。即，存储于机器人控制器2的机器人速度是移动速度变更率为100％时的机器人速度。 

而且，机器人控制器2通常可以通过改变该移动速度变更率使机器人以各种机器人速度动作。例如，如果移动速度变更率为50％，则机器人以实际运行时的机器人速度的1/2的速度动作。 

控制装置4获得上述被机器人控制器2指令的移动速度变更率，与所获得的移动速度变更率相对应地分别向扫描器头6和激光振荡器3指令激光扫描用反射镜113的转动速度和激光振荡器3的激光输出功率值。 

图3为表示移动速度变更时(使机器人速度变慢时)的处理顺序的流程图。 

首先，控制装置4根据示教数据中的机器人速度和被指令的移动速度变更率求得移动速度变更动作时的机器人速度(S1)。其中，示教数据取自机器人控制器2；而移动速度变更率取自操作人员输入至机器人控制器2内的值。 

其次，控制装置4通过以下减法求得在被指令的移动速度变更时的激光扫描用反射镜113的转动速度(S2)，即，从示教数据中的焊接条件中的焊接点速度减去在步骤S1中求得的移动速度变更动作时的机器人速度。 

控制装置4接到由上述移动速度变更产生的动作开始的指令，指令机器人控制器2，使激光扫描用反射镜113以算出的转动速度转动(S3)。 

机器人控制器2接到该指令后，判断是否能够使激光扫描用反射镜113以该转动速度转动(S4，后面详述该处理)。 

在此，如果能够根据指令进行转动动作(S4：Yes)，则机器 人控制器2一边使激光扫描用反射镜113以控制装置4指令的转动速度转动、一边使激光扫描用反射镜113按照被指令的移动速度变更率进行移动速度变更动作(S8)。 

由此，焊接点速度成为实际运行时的速度(即预先确定的速度)，该焊接点速度是由机器人(扫描器头)的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。 

另外，在移动速度变更下的动作过程中，也和实际运行时一样，与从机器人1各轴的编码器(未图示)获得的当前位置及从反射镜用驱动器114的编码器(未图示)获得的激光扫描用反射镜113的当前旋转角度相对应地实时算出激光照射位置，在达到激光照射开始点的时刻开始激光照射，在达到激光照射结束点的时刻结束激光照射。 

图4和图5为说明本实施方式的作用的图。图4为采用本实施方式进行了移动速度变更动作的情况下的时间图。图5为作为比较例进行了以往的移动速度变更动作的情况下的时间图。另外，各图中的横轴表示时间。 

首先，如图4所示，在本实施方式的情况下，相对于移动速度变更率100％(用虚线图示，以下同样)，当根据移动速度变更的指令使机器人动作时，机器人速度降低(用实线图示，以下同样)。另一方面，与此对应，由扫描器的转动产生的焦点位置移动速度升高。因此，焊接点速度与移动速度变更率100％时的焊接点速度相同，此时的输入热量也未变化，该焊接点速度是由扫描器头6的移动引起的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜113的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。 

因此，如果应用本实施方式，即使在移动速度变更时，也能看见与实际运行时的焊接状态相同的焊接状态。当然，通过进行 移动速度变更动作而使机器人1的动作变慢，能够确认它的动作有无异常、是否与其它的物体相干扰等。 

相反，使用如图5所示的现有方法，相对于移动速度变更率100％(用虚线图示，以下同样)，当根据移动速度变更的指令使机器人动作时，机器人速度降低(用实线图示)。此时，由扫描器头6的移动引起的焦点位置移动速度也根据移动速度变更指令而变低。因此，该焊接点速度也变得比移动速度变更率100％时的焊接点速度慢(如图所示，由虚线的位置向实线的位置变化)，该焊接点速度是由机器人的移动速度、与由激光扫描用反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度。于是，此时的输入热量因焊接点速度变低而变得比实际运行时多地输入(如图所示，由虚线的位置向实线的位置变化)。 

因此，如果直接以现有的移动速度变更使机器人变慢，则输入比实际运行时的热量多的热量，而使此时的焊接状态不同于实际运行时的焊接状态，即使能够确认机器人的动作，也甚至不能确认与该动作对应的焊接状态之前的焊接状态。 

其次，说明激光输出功率的调整。 

在上述步骤S4中，判断出了是否能够以指令的转动速度使激光扫描用反射镜113转动。这是由于提高激光扫描用反射镜113的转动速度可使焊接点速度与实际运行时的焊接点速度相同。然而，还存在仅根据被输入的移动速度变更率提高激光扫描用反射镜113的转动速度，不能使输入热量与实际运行时的输入热量相同的情况。 

例如，移动速度变更率小的情况是即使将激光扫描用反射镜113以最大速度转动，也不会使焊接点速度达到实际运行时的焊接点速度的情况。因此，在上述步骤S4中判断是否能够使激光扫描用反射镜113转动就是判断被指令了的激光扫描用反射镜113的转 动速度是否会超过转动速度的最大值。 

而且，在超过激光扫描用反射镜113能转动的最大速度这样的情况(S4：No)(即，由机器人的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由激光扫描用反射镜113的移动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度小于等于规定的下限速度这样的情况)下，不仅调整激光扫描用反射镜113的转动速度控制，而且还调整激光振荡器3的激光输出功率值(S5)。在步骤S4中回答为No的情况下，从机器人控制器2向控制装置4传送传达其旨意的信号。 

上述激光输出功率值的调整这样进行：预先制作相对于焊接点速度该多大程度地减少激光输出功率的数据，在控制装置4内存储该数据以供使用。 

然后，控制装置4判断调整了的激光输出功率值是否大于等于预先确定的界限值(S6，后面详述)，如果调整后的激光输出功率值大于等于预先确定的界限值，则向激光振荡器指令该激光输出功率值、并且指令机器人控制器2执行移动速度变更率的移动速度变更动作，机器人控制器2执行移动速度变更动作(S7)。 

图6为表示相对于焊接点速度的变化，用于使输入热量与实际运行时的输入热量相等的激光输出功率值的曲线图。 

从如图6所示的曲线图可知：在将与实际运行时的输入热量对应的激光输出功率值作为标准输出功率的情况下，通过降低焊接点速度而得到与实际运行时的输入热量相等的输入热量的激光输出功率值。 

另外，在图6中，作为实例示出了三种不同的焊接条件。 

预先在控制装置4内存储与这种曲线图相同的、与焊接点速度相对应的激光输出功率值的对应表。在控制装置4即使对应于移动速度变更率提高激光扫描用反射镜113的转动速度也不能达到作为预先确定的速度的、实际运行时的焊接点速度的情况下，通过 控制装置4进一步参照上述对应表(与图7所示的曲线图相同)，调整激光输出功率值，使输入热量成为此时的焊接点速度所需的输入热量。 

由此，即使在移动速度变更率较小的情况下，也能够维持与实际运行时的输入热量相等的输入热量。因此，能够根据机器人的慢动作确认机器人自身的动作，同时由此得到的焊接状态也能够确认为与实际运行时相同的状态。 

其次，进一步说明移动速度变更率的改变。 

在上述步骤S6中，判断出调整后的激光输出功率值是否大于等于预先确定了的界限值。其原因是：如果将该激光输出功率值调整至过小，则担心尽管焊接点速度低，但是仍因激光输出功率过于不足而不能进行焊接。 

因此，在本实施方式中，在必须使这样的激光输出降低至不能焊接的程度的情况下(S6：No)，控制装置4可以进一步改变被指令的移动速度变更率(S9)。 

图7为表示用于说明改变移动速度变更率的、与焊接点速度对应的激光输出功率值的曲线图。 

如图7所示，例如，当移动速度变更率低至10％时，与其对应，也使激光输出功率值减小。但是，因为这样的激光输出功率值不能焊接，所以使被指令的移动速度变更率提高至50％。另外，上述指令从控制装置4向机器人控制器2传送。 

在此，将不能焊接的激光输出功率值预先作为界限值设定。而且，控制装置4在如上述那样对应焊接点速度使激光输出功率值降低了的情况下，激光输出功率值小于该界限值时，为了使移动速度变更率成为可使激光输出功率值大于该界限值的移动速度变更率，改变移动速度变更率、并向机器人控制器2下达指令。 

由此，不使激光输出功率值降低所需以上，就可确保与实际 运行时相同的焊接状态。 

以上，说明了适用本发明的实施方式，但本发明并不限于这些实施方式。 

例如，可以在进行整个进行移动速度变更动作的动作路径范围内算出移动速度变更时由激光扫描用反射镜113转动引起的焦点位置的移动速度。或者，也能以移动速度变更使机器人动作的过程中，一边根据此时机器人的速度实时计算移动速度变更时由激光扫描用反射镜113转动引起的焦点位置的移动速度、一边使机器人动作。 

另外，虽然在用于说明本实施方式的附图中将动作路径表示成直线，但是当然并不限定这样的直线动作路径，在圆弧形等各种各样的形状的动作路径中也可以适用本发明。 

另外，作为反射装置，也可以使用棱镜代替反射镜来改变激光束的照射方向。 

产业可利用性

本发明可以用于激光焊接、激光加工。

Claims (8)

1.一种激光焊接装置，该激光焊接装置通过照射激光进行焊接，其中，

该激光焊接装置具有激光振荡器、激光照射装置、移动装置和控制装置；上述激光振荡器产生激光；上述激光照射装置具有能转动的反射装置，该反射装置用于改变从上述激光振荡器导出的激光的照射方向；上述移动装置使上述激光照射装置移动；

试运行时，在上述移动装置的动作速度被改变了的情况下，上述控制装置控制上述反射装置，使得由上述激光照射装置的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由上述反射装置的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度成为预先确定的速度。

2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中，

上述反射装置为反射镜。

3.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其中，

而且，在上述合成速度小于等于规定的下限速度时，上述控制装置改变上述激光振荡器的激光输出功率值。

4.根据权利要求3所述的激光焊接装置，其中，

上述合成速度越低，越降低上述激光振荡器的激光输出功率值。

5.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其中，

而且，在上述激光输出功率值随着上述激光输出功率值的改变而小于等于规定的下限值的情况下，上述控制装置提高上述移动装置的动作速度。

6.一种激光焊接方法，其特征在于，

该激光焊接方法使用如下的激光焊接装置，该激光焊接装置具有激光振荡器、激光照射部件和移动部件；上述激光振荡器产生激光；上述激光照射部件具有能转动的反射镜，该反射镜用于改变从上述激光振荡器导出的上述激光的照射方向；上述移动部件使上述激光照射部件移动；

试运行时，在上述移动部件的动作速度改变了的情况下，控制由上述反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度，使得改变后的由上述激光照射部件的移动引起的激光束的焦点位置移动速度、与由上述反射镜的转动引起的激光束的焦点位置移动速度的合成速度成为预先确定的速度。

7.根据权利要求6所述的激光焊接方法，其特征在于，

而且，在上述合成速度小于等于规定的下限速度的情况下，改变上述激光振荡器的激光输出功率值。

8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，

而且，在上述激光输出功率值随着上述激光输出功率值的改变而小于等于规定的下限值的情况下，提高上述移动部件的动作速度。

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