CN109175689B - 一种基于视觉检测的自适应角焊系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于视觉检测的自适应角焊系统，用于焊接上层板、与上层板搭接的下层板，其包括激光自适应焊接镜组、组装于所述激光自适应焊接镜组上方的视觉检测系统、连接于所述视觉检测系统的评估与控制系统及与所述评估与控制系统相连接的激光源，同时设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应焊接轨迹对所述上层板、下层板进行焊接，并实时监测工件上层板、下层板之间间隙高度，获得反馈实时调整自适应激光焊接的工艺参数，以实现具备间隙检测、焊缝跟踪与恰当间隙桥接能力的快速焊接。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种基于视觉检测的自适应角焊系统及工作方法。
背景技术
激光焊接因其快速、非接触、焊缝及热影响区较窄的优点，在工业领域包括汽车车身制造中获得广泛应用，但是由于焊接热循环的存在以及激光焊接急冷的特点，对焊缝的力学性能产生不利的影响。
与传统的激光焊接工艺相比，远程激光焊无疑更具效率，大幅改善了工件可达性，优化了焊接路径，减少了加工周期时间，然而，恰是由于与被加工工件的距离间隔较远，产生光斑定位精度问题以及运动精度问题，导致远程激光焊几乎只限于搭接接头直坡口的焊接。
自适应激光焊接则可以提高激光焊接的间隙适应性，激光光束束流的搅拌作用可以减少气孔，改善组织。另外，在焊接位置复杂、焊点较多的位置采用自适应焊接技术，可以提高焊接柔性，简化工艺流程，保证焊点质量的同时提高焊接效率。对于焊点多、焊缝形式不一致的零件，与传统点焊相比，采用自适应激光焊接，一般可以缩短60-80％的加工时间，加工区域一般也可大幅减少。
实际生产中，根据加工和装配要求可使用多种焊接接头型式，其中，角接焊的角焊缝可减少搭接边的宽度，有利于进行外观质量监测。然而，对角接接头型式采用激光焊接时，竖直位移即高度间隙一直存在，一般精度的夹具难以有效地消除这种上、下层板间隙。同时，可能存在的工件加工误差也会导致激光光斑实际定位不准，从而影响焊缝质量。将激光自适应焊接技术与焊缝跟踪技术相结合，可自动检测出工件的加工误差，并且进行有效地进行补偿，并且自适应焊接可有效地增强焊缝的桥接能力；而焊缝跟踪技术可使得激光光束更为精确地定位于待焊的工件接头区域。
在汽车车身制造中，在采用激光进行零间隙镀锌钢板焊接时，会在连接区域产生锌蒸气，导致焊缝出现大量气孔，将恶化焊缝的焊接质量与力学性能。同时，如果角焊接头区域上、下层板的间隙较大时，普通的激光焊接方式也难以熔化足够的上层板材料以桥接该间隙。
鉴于此，本发明提供一种基于视觉检测的自适应角焊系统及工作方法，以克服上述部分问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种既消除焊接缺陷、也增强焊接接头的桥接能力的基于视觉检测的自适应角焊系统及工作方法。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：一种基于视觉检测的自适应角焊系统，用于焊接上层板、与上层板搭接的下层板，其包括激光自适应焊接镜组、组装于所述激光自适应焊接镜组上方的视觉检测系统、连接于所述视觉检测系统的评估与控制系统及与所述评估与控制系统相连接的激光源。
所述视觉检测系统包括固定于所述激光自适应焊接镜组上方的工业相机及固定于所述激光自适应焊接镜组一侧的激光投射装置。
所述视觉检测系统包括用于探测搭接接头相对于激光头的位置的第一检测系统与用于对所述上层板、下层板之间的间隙高度hs的第二检测系统。
所述评估与控制系统包括与所述视觉检测系统相连的第一接口、连接于所述激光自适应焊接镜组的第二接口及连接于所述激光源的第三接口。
一种基于视觉检测的自适应激光角焊的工作方法，设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应焊接轨迹对所述上层板、下层板进行焊接；通过所述第二检测系统对所述上层板、下层板之间的间隙高度hs进行动态监测；通过评估与控制系统设定一个初步光束波动频率f、光束进给运动速度v与激光功率P，再根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值C，改变初步光束波动频率f大小，确保叠搭长度OLL与光束焦点直径df的比值大于或等于0.5。
所述波动频率f的模型公式如下：f＝α·hs τ+C，叠搭长度OLL的模型公式如下：OLL＝df-1/(f/v·2)；其中α为x轴振镜的转角，τ为x轴振镜调节参数，v为光束进给运动速度，C为系统误差补偿值。
根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值D，改变激光功率P，确保上层板母材熔化量不低于预设值。
所述激光功率P的模型公式如下：P＝β·hs ε+D，其中β为y轴振镜的转角，ε为y轴振镜调节参数，D为系统误差补偿值。
所述C的范围为50Hz～2400Hz，所述D的范围为1kW～4kW。
所述正弦自适应焊接轨迹为圆形自适应焊接轨迹为
与现有技术相比，本发明一种基于视觉检测的自适应角焊系统及工作方法的有益效果：在自适应焊接过程中，视觉检测系统用于实时监测上层板、下层板之间间隙高度hs，实现间隙实时监测；设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应焊接轨迹对所述上层板、下层板进行焊接，根据焊接几何参数建立模型，根据几何模型自适应动态调节激光功率P、波动频率f，使得具有足够的能量熔化一定量的上层板材料，形成稳定的熔池流动，以最终获得完全的间隙填充、平滑的焊趾、优良的焊缝表面质量，实现具备间隙检测、焊缝跟踪与恰当间隙桥接能力的快速焊接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种基于视觉检测的自适应角焊系统；
图2为图1中的焊接工件得放大图；
图3是本发明正弦自适应焊接轨迹示意图；
图4是本发明圆形自适应的焊接轨迹示意图；
图5是本发明自适应角焊系统的激光光束焦点示意图；
图6是本发明角焊缝自适应焊接几何参数示意图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明的一种基于视觉检测的自适应角焊系统，包括激光自适应焊接镜组1、组装于激光自适应焊接镜组1上方的视觉检测系统2、连接于视觉检测系统2的评估与控制系统3及与评估与控制系统3相连接的激光源4。激光自适应焊接镜组1下方为焊接工件5，焊接工件5包括上层板51、与上层板51搭接的下层板52。参见图2，上层板51、下层板52搭接处形成搭接接头53和待焊接的焊缝54。
参见图1、图2，激光自适应焊接镜组1本质上是远程激光扫描焊接镜组，其激光光束的运动以及由此产生的激光焦点的运动，由单独的执行机构驱动达成，激光自适应焊接镜组1一侧设有激光光纤接口11。
参见图1、图2，视觉检测系统2包括固定于激光自适应焊接镜组1上方的工业相机21及固定于激光自适应焊接镜组1另一侧的激光投射装置22。其中，激光投射装置22用于激光投射，激光条纹反射，工业相机21用于生成图像。工业相机21包括第一检测系统、第二检测系统。第一检测系统用于探测搭接接53相对于激光头的位置；第二检测系统用于对上层板51、下层板52之间的间隙大小进行定量检测，即第一检测系统探测相对位置，第二探测系统确定间隙高度，两者集成在一个视觉检测系统2内。视觉检测系统2根据三角测量的数据，自动进行激光光束定位，确定焊接起始点；并实时检测上层板51、下层板52之间的间隙和光束的倾角。
参见图1、图2，评估与控制系统3是工控机或者高度集成的嵌入式系统，具有与视觉检测系统2相连接的第一接口31，完成对传感器所获的测量数据进行自动处理与评估。评估与控制系统3包括连接于激光自适应焊接镜组1以及进给运动执行器的第二接口32，通过该第二接口32，进行激光焊接工艺参数的控制，如激光焦点的波动、运动速度，均为可控。评估与控制系统3通过第三接口33连接于激光源4，对激光源4发射的激光光束进行激光功率控制。
该系统主要针对两层材料相似板件的连接，如铝合金和高强度钢材料，或者其他种类的金属材料，通过沿搭接部分进行连续激光自适应焊接，对上层板51、下层板52之间的间隙进行充分填充。采用激光进行焊接过程中，激光光束投射至工件上层板51、下层板52连接处，此连接处形成熔池，沿焊接路径熔池尺寸发生变化，其匙孔效应是高度动态化的，将影响工件大规模制造所必须的质量一致性。更为严重的是，在利用激光光束进行焊接时，焊接过程中引入的热量将导致上层板51、下层板52产生热变形，从而使得上层板51、下层板52间隙变大且难以补偿。上述诸多因素导致上层板51、下层板52之间动态变化的间隙始终存在，这种间隙必须在焊接过程中进行检测并迅速获得补偿，以满足焊缝质量要求，如焊缝表面、承载能力、封闭性等。
针对间隙的填充办法，除了传统的填丝方法，对于上层板51、下层板52角焊接头的焊接过程，本发明采用一种基于视觉检测的自适应角焊接的工作方法：首先，设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应焊接轨迹对所述上层板、下层板进行焊接；通过所述第二检测系统对所述上层板、下层板之间的间隙高度hs进行动态监测；通过评估与控制系统设定一个初步光束波动频率f、光束进给运动速度v与激光功率P，再根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值C，改变初步光束波动频率f大小，确保叠搭长度OLL与光束焦点直径df的比值大于或等于0.5。然后，根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值D，改变激光功率P，确保上层板母材熔化量不低于预设值。
为详细说明上述方法，本实施方式如下：
设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应的焊接轨迹对上层板51、下层板52进行焊接，且正弦自适应焊接轨迹、圆形自适应的焊接轨迹分别如下：
①
②
图3为本发明采用的正弦自适应焊接轨迹示意图，图4为本发明采用的圆形自适应的焊接轨迹示意图，其中，横向坐标为x轴，纵向坐标为y轴，ax、ay分别为在x，y轴方向波动的幅度，f为波动的频率，v为光束焦点进给速度。
通过第二检测系统对上层板51、下层板52之间的间隙高度hs进行动态监测，并通过评估与控制系统3设定一个初步光束波动频率f、光束进给运动速度v与激光功率P。
根据间隙高度hs变化建立波动频率f的模型公式如下：f＝α·hs τ+C，其中α为x轴振镜的转角，τ为x轴振镜调节参数，C为系统误差补偿值，C的范围为50Hz～2400Hz，且α、τ均为定值。参见图5，其中，箭头指示沿焊缝54及进给运动方向，df为光束焦点直径，根据光束焦点直径df、波动频率f建立叠搭长度OLL的模型公式如下：OLL＝df－1/(f/v·2)；其中v为光束进给运动速度。焊接起初，光束初始定位于上层板51的边缘，至多50％的光束作用于下层板52，最少50％光束作用将上层板51母材熔化流下及流入间隙以完成充分填充。试验表明，叠搭长度OLL与光束焦点直径df的比值大于或等于0.5时焊接过程稳定。因此，根据间隙高度hs变化，调整系统误差补偿值C，改变初步光束波动频率f大小，确保叠搭长度OLL与光束焦点直径df的比值大于或等于0.5。
根据间隙高度hs的变化，建立激光功率P的模型公式如下：P＝β·hs ε+D，提供一个系统误差补偿值D，且D的范围为1kW～4kW，改变激光功率P，确保上层板母材熔化量不低于预设值。其中β为y轴振镜的转角，ε为y轴振镜调节参数，且β、ε为定值。参加图6，du和dL分别为上下层板厚度，d为上层板熔化长度，e为下层板上焊缝连接宽度，eT为焊缝厚度，焊接过程中需确保最大幅值为上层板51厚du与间隙高度hs之和，即ay|max＝dU+hS。
在自适应焊接过程中，依据视觉检测系统2实时测量的上层板51、下层板52之间的间隙高度，自适应动态调节激光功率P、波动频率f、波动幅度ay和进给运动速度v，使得具有足够的能量输入熔化一定量的上层板51材料，形成稳定的熔池流动，以最终获得完全的间隙填充、平滑的焊趾、优良的焊缝表面质量。
当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
Claims (1)
1.一种基于视觉检测的自适应角焊系统工作方法，设置正弦自适应焊接轨迹或圆形自适应焊接轨迹对上层板、下层板进行焊接，上层板与下层板搭接；
所述角焊系统包括激光自适应焊接镜组、组装于所述激光自适应焊接镜组上方的视觉检测系统、连接于所述视觉检测系统的评估与控制系统及与所述评估与控制系统相连接的激光源，所述视觉检测系统包括固定于所述激光自适应焊接镜组上方的工业相机及固定于所述激光自适应焊接镜组一侧的激光投射装置，所述视觉检测系统包括用于探测搭接接头相对于所述激光自适应焊接镜组的位置的第一检测系统与用于对所述上层板、下层板之间的间隙高度hs的第二检测系统；所述评估与控制系统包括与所述视觉检测系统相连接的第一接口、连接于所述激光自适应焊接镜组的第二接口及连接于所述激光源的第三接口；其特征在于：
通过所述第二检测系统对所述上层板、下层板之间的间隙高度hs进行动态监测；通过评估与控制系统设定一个初步光束波动频率f、光束进给运动速度v与激光功率P，再根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值C，改变初步光束波动频率f大小，确保叠搭长度OLL与光束焦点直径df的比值大于或等于0.5；
根据间隙高度hs变化建立所述初步光束波动频率f的模型公式如下：f＝α·hs τ+C，根据光束焦点直径df、波动频率f建立叠搭长度OLL的模型公式如下：OLL＝df-1/(f/v·2)；其中α为x轴振镜的转角，τ为x轴振镜调节参数，v为光束进给运动速度，C为系统误差补偿值，所述系统误差补偿值C的范围为50Hz～2400Hz；
然后根据间隙高度hs的变化提供一个系统误差补偿值D，所述系统误差补偿值D的范围为1kW～4kW，以改变激光功率P，确保上层板母材熔化量不低于预设值；
根据间隙高度hs变化建立所述激光功率P的模型公式如下：P＝β·hs ε+D，其中β为y轴振镜的转角，ε为y轴振镜调节参数，D为系统误差补偿值；
所述正弦自适应焊接轨迹为，圆形自适应焊接轨迹为；ax、ay分别为在x，y轴方向波动的幅度，
在自适应焊接过程中，依据所述视觉检测系统实时测量的上层板、下层板之间的所述间隙高度，自适应动态调节激光功率P、初步光束波动频率f、波动幅度ay和光束进给运动速度v，使得具有足够的能量输入熔化一定量的上层板材料，形成稳定的熔池流动，以最终获得完全的间隙填充、平滑的焊趾、优良的焊缝表面质量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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