CN105026094B - 用于检测焊枪电极的质量的光学装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于检测焊枪电极的质量的光学装置。一种光学传感器装置包括壳体(10)，该壳体具有一对开口(11、11a)，这对开口与一对第一座部(14)和第二座部(15)连通，这对座部用于容纳一对电极(E1、E2)中相应的一个。第一组灯具(16、17)在这对座部(14、15)之间的中间几何平面(p1)内发射第一光束(L1)和第二光束(L2)。介于两个座部(14、15)之间的两个倾斜反射元件(25、26)在与几何平面(p1)垂直的两个相反方向上朝着第一座部和第二座部反射第一光束(L1)和第二光束(L2)。其他灯具(47、32)在几何平面(p1)的相反侧上发射第三光束(L3)和第四光束(L4)，以照亮第一座部和第二座部(14、15)。摄像头(31、131、33、44)捕捉由两个倾斜反射元件(25、26)反射的图像(I1、I2)以及第三光束和第四光束(L3、L4)的沿着第三光速和第四光束的路径位于第一座部和第二座部(14、15)下游的至少一部分。

Description

用于检测焊枪电极的质量的光学装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测点焊电极的状态的光学传感器装置。
背景技术
众所周知，在点焊设备中，焊枪的电极随着使用而磨损、变形并且受到金属残余物和氧化物沉积的污染。因此，必须常常纠正电极，以重新获得干净且合适的表面。众所周知，需要去除形成在电极表面上的一定厚度的污染物。污染物沉积的厚度影响电极的总体导电性和导热性。此外，电极的形状和尺寸对于焊接的所谓“透镜”的尺寸具有决定性影响。如果电极端太宽，则在待焊接在一起的两个金属片的表面之间的界面处不能实现充分熔接。
通常，在电极超过某个尺寸时，操作人员通过增大穿过电极的电流的强度来补偿。增大的电流造成多个不利的因素。首先，电流增大造成冷却液过热以及焊接的电极端随后放大。过热造成电极硬度减小及其机械特征退化。与此同时，发生“迅速增长”的现象，即，电极的直径增大，并且与此同时，污染物的沉积也增多。
在本技术领域中，需要对沉积在电极上的材料的去除进行优化。迄今为止，根据与修整阶段的持续时间以及焊枪关闭其在修整单元上的电极的夹紧力有关的标准化参数，定期执行修整工艺。在时间和力方面，标准的参数表示在大部分情况下合适的折中方案。然而，在没有了解应去除的电极的表面层的精确厚度的情况下进行材料的去除。
另外，迄今为止，通过无差别的方式对阳极和阴极进行修整。由于在阴极上发生污染物的较大沉积，所以为了优化电极持续时间和操作，与阳极相比，应更大的程度地从阴极中去除沉积物。
发明内容
因此，本发明的一个主要目标在于知晓待去除的表面层的厚度，以便通过优化的方式执行修整，即，使用预定的压力(例如，150daN)调节修整时间(例如，3毫秒)，从而仅去除氧化物沉积，并且保留依然不受污染的电极的材料。
修整优化延长了电极的使用寿命。因此，这涉及减少停止生产线以便更换磨损的电极所需要的闲置时间。生产线的停止涉及经济损失，如果实际上不需要重新调整或更换电极，则有时甚至可以不需要停止生产线。
还需要保持焊接参数恒定，尤其是保持所应用的电流的强度以及焊枪的关闭和焊接时间恒定，使得这些参数始终正确并且符合优化的标准。首先，应避免电流强度或者电流应用的持续时间的不适当的变化造成缺陷焊接的风险。因此，本发明的另一个目标在于防止或者减少维修的需要，以便设定正确的焊接参数(电流、时间)。
人工操作量的减少也是有利的，这是因为其降低了发生事故的风险。因此，本发明的另一目标在于提高在焊接线路上工作的人员的安全性。
本发明的另一目标在于减少焊接线路的功耗并且减少CO2排放。
本发明的另一个目标在于保证焊接质量。目前，现代焊接系统的质量控制仅能够保证产生符合某些参数(电流强度、关闭焊枪的时间、和力或压力)的焊接。但不能检测由正常磨损和污染造成的电极状态的变化。电极状态是影响焊接质量的一个主要因素，因此，必须频繁地执行焊接的破坏性试验。本发明能够监控和修复电极形状以及表面状态，能够允许机动车辆的制造商保证可以影响焊接质量的所有主要工艺参数。这在焊接工艺的可靠性上提供了更大的置信度，并且能够减少破坏性试验的频率。
本发明的另一目标在于提供一种有用的工具以保证根据某些焊接参数(所应用的电流的强度、电流的应用时间、由焊枪应用的夹紧力或压力)并且使用具有最佳几何图形的电极来应用焊点。由于保证了焊接，所以质量认证可以减少应用于规定的焊接组件中的焊点总数。目前，电动车辆的生产需要5000到6000个焊点。由于不保证焊点，所以出于安全原因，需要相当高百分比的额外焊点。
本发明的再另一目标在于减少焊点的数量以及所需要的时间和成本。
本发明的另一个目标在于允许根据电极的退化的水平来选择最合适的修整工具，即，或多或少有侵略性的工具。
根据本发明，通过下文描述的传感器装置实现了上述和其他目标及优点，这将在后文中更好理解。总之，传感器装置基于光学反射系统，该系统照亮了电极的尖端面，并且测量了尖端面的反射率以及面积/形状。通过这种方式，评估作为确定焊接的质量的两个关键因素的尖端面直径和材料状态。传感器装置通过CPU生成质量电极的数量测度，优选地为百分比形式的在完全干净且所需要的尖端面直径与深色的或磨损的或过量直径(这是不能满足焊接质量要求的状态)之间的比例。这个信息可能中继给控制系统并且由控制系统使用，以用于控制尖端调整计划。相同的信息还可以用于评估研磨工具的退化或磨损速率。可以根据退化状态来选择一种合适类型的工具。可以相应地选择一种或多或少有侵略性的工具(铣刀)。传感器装置可以方便地位于修整器单元附近。传感器装置紧接在修整之后或者甚至在修整之前评估电极尖端修整的质量。
附图说明
从本发明的一些优选的非限制的实施方式的下文详细描述中，使得本发明的特征和优点显而易见，附图中：
图1是示意性示出光学传感器装置的壳体的立体图；
图2是图1的壳体的立体图，其中，为了说明的目的而去除了一些部件；
图3是传感器装置的一些内部部件的立体图，尤其示出了具有光学元件的支撑板，该光学元件用于发光并获得一对电极的正面的图像；
图4是示意性示出传感器装置的其他内部部件的立体图，尤其示出了具有光学元件的支撑板，该光学元件用于发光并获得一个电极的侧视图；
图5是示意性示出一对光束的光路的平面图，其照亮一对电极的正面或尖端；
图6是沿着图5的线VI-VI截取的示意性竖直截面图，其示出了光路的竖直部分以用于照亮电极的正面；
图7是示出电极的正面的图像的光路的示意图；
图8是沿着图7的线VIII-VIII截取的示意性截面图，其示出了由电极的正面的图像遵循的光路的竖直部分；
图9是照亮一个电极的侧面的光束的路径的示意性平面图；
图10是由摄像头拍摄的电极的正面或尖端的图片；
图11是由摄像头拍摄的示出电极的侧视图的图片；
图12是根据本发明的一个替换的实施方式的能够获得一对电极的正面的图像的光学系统的示意性平面图；
图13是示出用于拍摄电极的正面或尖端的图像的工作原理的立体图；
图14是示出用于拍摄电极的侧面的图像的工作原理的立体图；以及
图15是示出用于拍摄电极的正面和尖端的图像的工作原理的立体图。
具体实施方式
首先，参照图1和图2，标号10总体上表示根据本发明的一个实施方式的光学传感器装置的壳体。光学传感器装置被设计为检测由焊枪携带的一对点焊电极的图像。焊枪是众所周知的，因此不进行描述或说明。
壳体10具有一对开口11、11a，在这个实例中，这一对开口形成在壳体的两个不同侧面上。由焊枪(未示出)携带的两个电极E1、E2通过开口11而被引入到装置中。在图1和图2中可见仅一个开口11；相似的开口11a形成在壳体的与侧面12相反的侧面。
为了防止光、灰尘以及其他杂质进入壳体10内，开口11、11a装有刷条13。在图2中，仅为了说明的目的而去除了刷条13。
彼此间隔开的一对座部或测量位置14、15设置在壳体的开口11、11a内。每个座部14、15被配置为接收由焊枪携带的一对电极E1、E2中的相应一个。一旦对接在测量位置上，就通过以下方式照亮电极，以捕捉其正面和侧面的图像。
在图3和图5的实例中，使用一对光源16、17(优选地LED光源)以及多个反射表面来照亮电极的尖端或正面。
LED光源16和17投射出光束L1和L2，该光束照亮具有某个波长的两个光学扩散器29和30。波长取决于电极与焊接的金属片之间的材料组合，以实现在电极上的污染物的最佳对比度。由于光学扩散器能够将LED的局部不均匀的光束轮廓强度成形为近乎完美的扩散(均匀分布的)光束轮廓强度，所以光学扩散器优选地为乳色玻璃(opal glass，玻璃瓷)。这对于实现用于测量的电极正面的均匀照明是必要的。
现在扩散光束L1和L2定向在两个座部或测量位置14、15之间的中间平面p1中。光束L1和L2从一组前镜反射至光学元件，如图5和图6中所示。在这个实例中，镜子18和19是三角形前镜，并且镜子20到23是扁平的前镜。
这两个光束L1和L2集中于两个相应倾斜地反射的光学元件上。这些元件介于容纳电极E1、E2的两个座部14、15之间(图6)。根据一个优选的实施方式，光学元件是具有反射涂覆斜边的胶合的直角棱镜，该反射涂覆斜边在相对于中间几何平面p1倾斜的几何平面中延伸。由于这种设置，光学元件朝着电极E1、E2的正面或尖端在相反的方向与几何平面p1垂直地反射光束L1和L2。
这两个倾斜反射元件25、26在第一和第二座部的两个相反方向上反射第一光束L1和第二光束L2，其中，这些光束击中电极E1、E2的正面或尖端。
电极E1、E2对接在光学窗口27和28上，其确定座部或测量位置的位置和部分形式并且保护光学系统。方便地，光学窗口27和28是由壳体10维持的蓝宝石窗口。这些窗口向电极提供精确定位的支撑点和邻接。蓝宝石窗口是优选的，这是因为蓝宝石窗口抗划伤并且具有足够的机械强度，以抵抗焊枪的全闭合力(大约3.5kN，每个窗口1.75kN)。
在电极的正面上入射的光束L1和L2产生相应的图像I1、I2，该图像遵循在镜子之间的反向路径，如在图7中示意性所述。这些图像由图像记录装置捕捉，在这个实施方式中，该图像记录装置为具有物镜31a的摄像头31。如在图10中示意性所示，正面图像I1、I2提供了关于电极尖端及其直径的磨损和清洁状态的信息。使用电极的图像的与返回摄像头31和摄像头物镜31a的光路大体上相同的光路，来照亮电极的正面，如图3、图5以及图7中所示。
根据一个特别紧凑的实施方式，光束L1、L2和光源16、17对称地设置在摄像头31所定位和定向的对称面p2的相反侧面上。通过这种方式布置几组反射表面，进一步优化了可用空间，以根据封闭的折线(在这个实例中，根据矩形，图5和图7)产生两个光强路径(luminous path，发光路径)，因此，到达两个倾斜反射元件25、26，这两个倾斜反射元件在电极的每个正面上使这两个光束转向。
在图3中示出的光学元件(光源16、17、反射表面以及摄像头31)可以安装在包围中间几何平面p1的中间支撑架40上。根据一个有利的实施方式，支撑架40形成多个座部和凹槽，以用于将所述元件安装在预定的位置。
虽然在图3中所示的实施方式提供了适于捕捉两个电极的正面的图像的单个摄像头31，但根据其他实施方式，可以使用两个单独的摄像头，每个摄像头均用于捕捉一个电极正面的图像。
在图12的平面图中示意性地示出了提供两个不同的摄像头31、131的一个示例性可替换的实施方式。根据图12，为了照亮电极的正面，两个光源16、17在位于电极座部或测量位置14、15之间的几何平面上投射相应的一对光束L1和L2。在这个实例中，两个倾斜反射元件25、26位于这两个光源16和17之间的中间位置。在与对称面p2大体上垂直的方向上，从这些光源中发射的光束L1、L2朝着彼此对准和引导。在每个光源16、17与倾斜反射元件25、26之间插入有相应的部分透明的反射元件18a、19a。这使直接来自光源16、17的相应光束L1、L2朝着相应的倾斜反射元件25、26过滤，并且使来自相同倾斜反射元件25、26的在平面p1中偏离的相应电极E1、E2的正面图像I1、I2朝着相应的摄像头31、131反射。摄像头的位置以及光束和电极图像的偏转和反射角不应被理解为具有限制性。
图4和图9示出了适于生成和捕捉一个电极(在这个实例中，为下电极E2)的侧面图像的两个组件中的一个。
第三光源32用于发射第三光束L3，以照亮容纳在下座部15中的电极E2的侧面。第三光束的中央部分由电极E2遮蔽，而这个光束的周缘部分I3由图像记录装置33(在这个实施方式中，为具有物镜33a的摄像头)捕捉。第三光束的超过电极E2的这个周缘部分生成表示电极的轮廓的尺寸和形状(并且因此表示其磨损状态)的图像(图11)。
在图4和图9所示的实施方式中，为了优化壳体内的可用空间，第三光束L3遵循由反射表面34偏离的成角度的或非直线路径。第三光束L3与光学扩散器35(在这个实施方式中，乳色玻璃)以及两个蓝宝石窗口36和37相交。这些都安装在电极E2的任一侧上，以保护光学系统。
图4和图9所示的元件32-37可以安装在下支撑架41上，该下支撑架优选地具有多个座部和凹槽，以用于将这些元件精确地装配在预定的位置中。支撑架41可以固定在壳体10内的中间框架40之下。
根据一个优选的实施方式，与在图4和图9中示出的组件相同的第二组件被设计为生成和捕捉上电极E1的侧图像。第二组件(在图14中可见)包括第四光源43，该第四光源发射第四光束L4以照亮电极E1的位于上座部14中的侧面。第四光束的中央部分由电极E1遮蔽，而围绕且超过电极E1穿过的这个光束的周缘部分I4从图像记录装置44(例如，摄像头或摄影机)中作为图像来捕捉。
与在图4中所示的组件类似并且根据大体上相同的平面设置，第四光束L4可以遵循由反射表面45偏离的非直线路径。沿着第四光束L4的路径，可以装配有直接位于第四光源43下游的乳色玻璃44以及分别直接位于电极E2上游和下游的两个蓝宝石玻璃47、48。
根据一个实施方式，元件43-48可以安装在支撑架底部(未示出)上、与上支撑架41类似并且具有多个座部和凹槽，以用于将元件43-48精确地装配在预定的位置中。下支撑架可以固定在壳体10内的中间框架40的顶部上。
根据另一实施方式，所有光束(即，用于提供正面的图像的两个光束以及用于提供电极的轮廓的信息和图像的两个光束)可以源自单个光源，而非源自单独的分开的光源。
同样，通过合适地重新设置反射表面，能够将所有图像引导至单个图像记录装置中(例如，单个摄像头或摄影机)，该单个图像记录装置能够将框架或窗口中的图像记录为单个总体图像的一部分。
传感器装置还可以包括气动回路(未示出)，以将与电极接触的那些表面保持永久干净。
传感器装置可以包括CPU 24(图4)，通过外部元件来保护该CPU不受污染(灰尘、热量)。
应理解的是，传感器装置允许同时检测一对焊接电极的总体图像。
侧视图(图11)的图像提供了关于尖端形状和剩余高度的信息，以用于决定改变或修整电极。侧面图片还提供了关于电极壁厚的信息。前视图(图10)提供了关于由焊接工艺造成的在电极的接触表面上的杂质和磨损等级的信息。
根据一个实施方式，光源可以产生红色扩散光(～650nm)，其在用于钢板焊接的铜电极上提供了最佳对比度。由于通常的净化，所以具有锡(来自钢板锡涂层)，锡与铜(青铜)以及来自钢板上剩余的油的积碳(黑灰)一起形成金属间相(intermetallic phase)。这些净化主要吸收了红色波长，而铜反射了该波长，因此，在这两者之间获得良好的对比度。还可以具有单独可控的蓝色照明(～470nm)，其一体形成在相同的光源中(例如，在相同的板上具有2个蓝色LED和2个红色LED)。蓝色光用于铜电极，铜电极用于焊接铝片。在这种情况下，铝还在电极的表面上形成金属间相。这些净化还具有高反射率，与在红色波长中的铜一样。因此，使用在铝上比在铜上更好地反射的蓝光波长。这个蓝光主要在铜上被吸收，但是由铝反射。结果，铝净化的图片示出了灰尘的明亮区域和铜的暗区域。
虽然已经证明LED是最便宜且最合适的光源，但还可以使用其他离散波长光源。例如，虽然激光更昂贵并且需要特殊的设置以用于使光束成形为相对较宽区域而照明，但离散波长的激光可以用作可能的光源。
公开了本发明的多个实施方式和方面。应理解的是，每个实施方式可以与任何其他方面/实施方式相结合。而且，本发明不限于所描述的实施方式，而是可以在所附权利要求及其法律等同物的范围内变化。

Claims (12)

1.一种用于检测由焊枪携带的一对点焊电极(E1、E2)的图像的光学传感器装置，所述光学传感器装置包括：
-壳体(10)，所述壳体具有至少一对开口(11、11a)；
-至少第一座部(14)和第二座部(15)，所述第一座部和所述第二座部在所述壳体内彼此间隔开，所述第一座部和所述第二座部中的每个座部均与所述至少一对开口(11、11a)中相应的一个连通，所述第一座部(14)和所述第二座部(15)中的每个座部均适于容纳由所述焊枪携带的一个点焊电极；
-第一照明装置，所述第一照明装置适于在所述第一座部(14)与所述第二座部(15)之间的中间几何平面(p1)内发射第一光束(L1)和第二光束(L2)；
-两个倾斜反射元件(25、26)，所述两个倾斜反射元件介于所述第一座部(14)与所述第二座部(15)之间，所述两个倾斜反射元件适于在与所述中间几何平面(p1)垂直的两个相反方向上朝着所述第一座部和所述第二座部反射所述第一光束(L1)和所述第二光束(L2)；
-第二照明装置，所述第二照明装置适于在所述中间几何平面(p1)的相反侧上发射第三光束(L3)和第四光束(L4)，以照亮所述第一座部(14)和所述第二座部(15)；
-图像记录装置(31、131、33、44)，所述图像记录装置适于捕捉由所述两个倾斜反射元件(25、26)反射的图像(I1、I2)以及所述第三光束(L3)和所述第四光束(L4)的沿着所述第三光束和所述第四光束的路径位于所述第一座部(14)和所述第二座部(15)下游的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其中，所述照明装置包括离散波长光源。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述照明装置包括作为光源的LED。
4.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述照明装置包括发射波长大约为650nm的红色扩散光的光源。
5.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述图像记录装置包括具有物镜的摄像头。
6.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述两个倾斜反射元件(25、26)包括具有反射涂覆斜边的胶合的直角棱镜，所述反射涂覆斜边在相对于所述中间几何平面(p1)倾斜的几何平面内延伸。
7.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述第一座部(14)和所述第二座部(15)中的每个座部均设置有固定的光学窗口(27、28)，所述光学窗口向每个点焊电极(E1、E2)提供邻接表面。
8.根据权利要求7所述的光学传感器装置，其中，所述光学窗口(27、28)包括蓝宝石窗口。
9.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，所述至少一对开口(11、11a)中的每个开口均具有刷条(13)，以用于防止光和灰尘进入所述壳体(10)。
10.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，
所述第一照明装置包括两个光源(16、17)，所述两个光源设置在对称面(p2)的相反侧上，以用于将所述第一光束(L1)和所述第二光束(L2)投射到两组镜子(18、20、21；以及19、22、23)上，所述两组镜子布置成在所述两个倾斜反射元件(25、26)上反射所述第一光束和所述第二光束，并且
所述图像记录装置包括单个图像记录装置(31)，所述单个图像记录装置在所述对称面中朝着所述两组镜子定向，以便捕捉由所述两个倾斜反射元件(25、26)和所述两组镜子反射回的图像(I1、I2)。
11.根据权利要求10所述的光学传感器装置，其中，所述两组镜子(18、20、21；以及19、22、23)布置成根据封闭的折线确定两个光强路径，从所述两个光源(16、17)中投射的所述第一光束(L1)和所述第二光束(L2)通过所述两个光强路径到达所述两个倾斜反射元件(25、26)，所述两个倾斜反射元件在所述点焊电极(E1、E2)的每个正面上使所述第一光束(L1)和所述第二光束(L2)转向。
12.根据权利要求1或2所述的光学传感器装置，其中，
所述第一照明装置包括两个光源(16、17)，并且所述两个倾斜反射元件(25、26)设置在所述两个光源(16、17)之间的中间位置，从所述两个光源(16、17)发射的所述第一光束(L1)和所述第二光束(L2)通过所述两个倾斜反射元件朝着彼此对准并引导，并且其中，
在所述两个光源(16、17)中的每个光源与所述两个倾斜反射元件(25、26)之间插入有相应的部分透明的反射元件(18a、19a)，所述相应的部分透明的反射元件使直接来自所述两个光源(16、17)的相应光束(L1、L2)朝着相应的倾斜反射元件(25、26)过滤，并且使来自同一倾斜反射元件(25、26)的相应点焊电极(E1、E2) 的正面图像(I1、I2)朝着两个图像记录装置(31、131)中相应的一个图像记录装置反射。
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