CN103962720B - 双光束激光焊接的同步控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种双光束激光焊接的同步控制方法及装置，其中，该方法包括以下步骤：在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。本发明实施例实现了实时根据所述位置误差的情况来调整两台机器人的位置，使得两束激光可以精确重合，从而提高了双光束激光焊接的质量。

Description

双光束激光焊接的同步控制方法及装置

技术领域

本发明涉及双光束激光焊接技术领域，特别涉及一种双光束激光焊接的同步控制方法及装置。

背景技术

双光束激光焊接是近几年发展起来的一项新型焊接工艺，典型的双光束激光焊接系统一般由两台机器人和两台光纤激光器组成，如图1所示，光纤激光器具有能量转换效率高、体积小等特点，同时激光束通过光纤传导，不需要外部镜片，极大简化了光路设计与使用维护的难度，是目前工业领域主流的应用。KUKA机器人具有精度高、速度快、开放性好等特点，广泛应用于各种工业焊接领域，KUKA机器人与光纤激光器结合使用，可以最大限度的发挥各自的优势，从而很方便的构成一套焊接系统。

在双光束激光焊接过程中，由两台机器人各带一只焊接头，两台机器人独立工作，同时按照事先规划好的轨迹各自沿“T”型接头的一边运动，通过人为控制保证两台机器人起停点的一致。由于采用两束激光在两边同时进行“T”型接头焊接，使接头两边的热变形相互抵消，有效控制了焊接过程中的变形，改善了零件的性能，使得双光束激光焊接在航空等领域得到广泛的应用。

然而，从机械结构上讲机器人是一种串联结构，所以机器人是一种很好的定位装置，即机器人能够达到很高的定位精度，但插补精度较低，同时由于两台机器人是独立编程的，在程序运行中缺少参照标准，也导致两个运动程序间的误差，这两个主要因素造成在双光束激光焊接过程中，两束激光不能精确重合的问题，进而由于“T”型接头两边受热不均匀带来热变形等问题，使得降低了双光束激光焊接的质量，从而失去双光束激光焊接的意义。

发明内容

本发明实施例提供了一种双光束激光焊接的同步控制方法及装置，解决了现有技术中双光束激光焊接质量低的技术问题。

本发明实施例提供了一种双光束激光焊接的同步控制方法，该方法包括：在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值；分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，包括：确定所述红外图像中温度值高于预设温度阈值的区域为激光的熔池中心区；确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差。

在一个实施例中，分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，包括：分析所述红外图像的温度场，确定两束激光的位置误差。

在一个实施例中，在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，包括：利用采集所述红外图像的设备所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离；根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

在一个实施例中，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置，包括：发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，调整所述两台机器人的位置。

在一个实施例中，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置，包括：通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置。

本发明实施例还提供了一种双光束激光焊接的同步控制装置，该装置包括：获取模块，用于在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；确定模块，用于分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；调整模块，用于在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值；所述确定模块，包括：熔池中心区确定单元，用于确定所述红外图像中温度值高于预设温度阈值的区域为激光的熔池中心区；确定单元，用于确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差。

在一个实施例中，所述确定模块用于分析所述红外图像的温度场，确定两束激光的位置误差。

在一个实施例中，所述调整模块，包括：距离计算单元，用于利用采集所述红外图像的设备所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离；调整单元，用于根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

在一个实施例中，所述调整模块用于发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，调整所述两台机器人的位置。

在一个实施例中，所述调整模块用于通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置。

在本发明实施例中，在双光束激光焊接过程中，实时获取两束激光焊接熔池的红外图像，并通过分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，实现了实时根据所述位置误差的情况来调整两台机器人的位置，使得两束激光可以精确重合，避免了由于“T”型接头两边受热不均匀带来热变形等问题，从而提高了双光束激光焊接的质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术中的一种双光束激光焊接系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种双光束激光焊接的同步控制方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的一种双光束激光焊接的同步控制系统的结构框图；

图4是本发明实施例提供的一种双光束激光焊接的同步控制装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提供了一种双光束激光焊接的同步控制方法，如图2所示，该方法包括：

步骤201：在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；

步骤202：分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；

步骤203：在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

由图2所示的流程可知，在本发明实施例中，在双光束激光焊接过程中，实时获取两束激光焊接熔池的红外图像，并通过分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，实现了实时根据所述位置误差的情况来调整两台机器人的位置，使得两束激光可以精确重合，避免了由于“T”型接头两边受热不均匀带来热变形等问题，从而提高了双光束激光焊接的质量。

具体实施时，双光束激光焊接本身是一种热过程，在焊接过程中形成的熔池是一个热力场，可以通过红外检测的方式获得熔池的热成像，即红外图像，具体的，可以采用红外相机来采集红外图像。

具体实施时，为了精确地确定两束激光的位置误差，分析红外图像，确定两束激光的位置误差的过程可以通过以下步骤来实现，在双光束激光焊接过程中，每束激光形成一个焊接熔池，在红外图像里焊接熔池的温度变化是呈梯度的，焊接熔池中央的温度是最高的，可以通过分析红外图像的温度场来确定两束激光的位置误差，该分析过程可以通过PC(PersonalComputer，个人计算机))机上的软件进行分析，从而判断确定两束激光的位置误差。具体的，可以设定一个预设温度阈值(在具体实施过程中，因为熔池中的金属为液态，所以熔池内部的温度应该在金属的熔点以上，例如针对熔点1668的TC4合金材料，预设温度阈值应设定在1668以上)，温度高于该预设温度阈值的区域都确定为激光的熔池中心区，在红外图像中，确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差，如果预设温度阈值选择合适，当两束激光重合较好时红外相机获得的红外图像中只有一个熔池中心区，如果红外相机获得的红外图像中出现了两个熔池中心区，说明两束激光没有重合，两个熔池中心区相距越远说明两束激光位置的误差越大，而两个熔池中心区之间的距离就是两束激光间的位置误差。

具体实施时，为了有效、实时地调整两台机器人的位置来保证两束激光重合，例如，可以设定预设距离阈值(该预设距离阈值的设定与激光焊接的熔池大小有关，设定预设温度阈值后，熔池大小可以通过红外相机测出，预设距离阈值一般定为熔池半径的一半，例如针对TC4合金材料，如果熔池半径是4mm(毫米)，预设距离阈值可以定为2mm)，当所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，当所述位置误差小于等于预设距离阈值认为是两束激光精确地重合。

具体实施时，为了精确地调整两台机器人的位置，在本实施例中，采集红外图像的设备为红外相机，可以对采集红外图像的红外相机进行标定，确定红外相机所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系之间的数学对应关系，不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，不同基准间的转换方法有很多，例如，本申请以布尔沙模型为例，又称为七参数转换法。设红外相机所在坐标系A与机器人所在坐标系B间有七个转换参数：3个平移参数(Δx、Δy、Δz、)、3个旋转参数(εx、εy、εz、)和1个尺度参数κ。则红外相机所在坐标系A转换到机器人所在坐标系B可采用下面的公式：

${\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}_B=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\\ \mathrm{\Δ}z\end{array}\right)+(1+k){\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}_A+\left(\begin{array}{ccc}0& \mathrm{\ϵ}z& -\mathrm{\ϵ}x\\ -\mathrm{\ϵ}z& 0& \mathrm{\ϵ}y\\ \mathrm{\ϵ}y& -\mathrm{\ϵ}x& 0\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}_A$

其中， ${\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}_A$ 是红外相机在坐标系A中的坐标， ${\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)}_B$ 是机器人在坐标系B中的坐标。然后，利用采集所述红外图像的设备(即红外相机)所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离，即两束激光的实际距离，进而根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，简单、方便地实现两束激光的精确重合。

具体实施时，为了实现调整两台机器人的位置，在本实施例中，通过焊接试验可以发现，由于两台机器人分别在“T”型接头的两侧沿拼缝轨迹运动，所以两束激光的误差主要是沿“T”型接头拼缝轨迹的前后分布。即可以通过调整KUKA机器人的运动速度来减小两束激光的位置误差，即可以发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，来调整所述两台机器人的位置。

具体实施时，KUKA机器人的控制系统是基于PC的架构，是一种开放的架构，可以通过以太网实时活动KUKA机器人的各种状态数据，也可以对机器人的状态进行调整。即可以通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置，也可以对KUKA机器人进行姿态微调，以保证两束激光的重合。

上述双光束激光焊接的同步控制方法可以基于以下的双光束激光焊接的同步控制系统来实现，如图3所示，红外相机实时采集两束激光焊接熔池的红外图像，通过采集卡将红外相机采集到的红外图像导入工控机，使得工控机获取两束激光焊接熔池的红外图像，工控机分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，并在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，通过交换机利用以太网发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种双光束激光焊接的同步控制装置，如下面的实施例所述。由于双光束激光焊接的同步控制装置解决问题的原理与双光束激光焊接的同步控制方法相似，因此双光束激光焊接的同步控制装置的实施可以参见双光束激光焊接的同步控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图4是本发明实施例的双光束激光焊接的同步控制装置的一种结构框图，如图4所示，包括：获取模块401、确定模块402以及调整模块403，下面对该结构进行说明。

获取模块401，用于在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；确定模块402，与获取模块401连接，用于分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；调整模块403，与确定模块402连接，用于在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

上述双光束激光焊接的同步控制装置的功能可以由工控机来实现。

在一个实施例中，所述确定模块402用于分析所述红外图像的温度场，确定两束激光的位置误差。

在一个实施例中，所述确定模块402，包括：熔池中心区确定单元，用于确定所述红外图像中温度值高于预设温度阈值的区域为激光的熔池中心区；距离确定单元，与熔池中心区确定单元连接，用于确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差。

在一个实施例中，所述调整模块403，包括：距离计算单元，用于利用采集所述红外图像的设备所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离；调整单元，与距离计算单元连接，用于根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

在一个实施例中，所述调整模块403用于发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，调整所述两台机器人的位置

在一个实施例中，所述调整模块403用于通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置。

在本发明实施例中，在双光束激光焊接过程中，实时获取两束激光焊接熔池的红外图像，并通过分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，实现了实时根据所述位置误差的情况来调整两台机器人的位置，使得两束激光可以精确重合，避免了由于“T”型接头两边受热不均匀带来热变形等问题，从而提高了双光束激光焊接的质量。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双光束激光焊接的同步控制方法，其特征在于，包括：

在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；

分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；

在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值；

分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差，包括：

确定所述红外图像中温度值高于预设温度阈值的区域为激光的熔池中心区；

确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差。

2.如权利要求1所述双光束激光焊接的同步控制方法，其特征在于，在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值，包括：

利用采集所述红外图像的设备所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离；

根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

3.如权利要求1至2中任一项所述双光束激光焊接的同步控制方法，其特征在于，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置，包括：

发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，调整所述两台机器人的位置。

4.如权利要求1至2中任一项所述双光束激光焊接的同步控制方法，其特征在于，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置，包括：

通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置。

5.一种双光束激光焊接的同步控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于在双光束激光焊接过程中，获取两束激光焊接熔池的红外图像；

确定模块，用于分析所述红外图像，确定两束激光的位置误差；

调整模块，用于在所述位置误差超过预设距离阈值的情况下，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值；

所述确定模块，包括：

熔池中心区确定单元，用于确定所述红外图像中温度值高于预设温度阈值的区域为激光的熔池中心区；

确定单元，用于确定两个熔池中心区之间的相对距离为两束激光的位置误差。

6.如权利要求5所述双光束激光焊接的同步控制装置，其特征在于，所述调整模块，包括：

距离计算单元，用于利用采集所述红外图像的设备所在坐标系与所述两台机器人所在坐标系的对应关系，根据所述位置误差计算所述两台机器人之间的距离；

调整单元，用于根据所述两台机器人之间的距离，发送用于调整机器人位置的指令给双光束激光焊接系统中两台机器人，调整所述两台机器人的位置直至所述位置误差小于等于预设距离阈值。

7.如权利要求5至6中任一项所述双光束激光焊接的同步控制装置，其特征在于，所述调整模块用于发送速度控制指令给所述两台机器人，通过所述速度控制指令控制所述两台机器人的速度，调整所述两台机器人的位置。

8.如权利要求5至6中任一项所述双光束激光焊接的同步控制装置，其特征在于，所述调整模块用于通过以太网向所述两台机器人发送用于调整机器人位置的指令，调整所述两台机器人的位置。