CN111843217A - 可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及方法，该装置包括角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置和激光焊接装置，角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置和激光焊接装置依次设置在悬挂导轨上。本装置的使用方法步骤为首先角度测量和清洗工作，其次清洗检测工作，最后焊接工作。本发明通过改变激光头与待清洗表面间的角度，可适应平面、斜面和复杂形状表面的加工，能提高清洗和焊接的效率，同时获得高质量的焊缝。

Description

可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及使用方法

技术领域

本发明涉及激光焊接系统，具体是一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及使用方法。

背景技术

随着大功率激光器的出现，激光焊接技术在汽车、船舶、航空航天、钢铁、电子机械、零件表面修复等技术生产领域得到了日益广泛的应用。国内外专家学者都对这一新型技术有着浓厚的兴趣，并孜孜不倦的研究着。与传统焊接相比激光焊接具有高精度、速度快、变形小、可焊接难熔材料等优点。而焊接前要去掉表面的油渍、金属氧化物及漆层，来提高表面对激光的吸收率，保证焊接时可以形成良好的焊缝质量，目前焊接前表面的处理主要采用的是传统清洗工艺，对污染物的清洗不够干净且不环保，焊接时得到的焊缝质量不佳。

激光清洗技术作为近年来迅速发展的一种高效、绿色清洗技术，其工作原理是利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物发生瞬间蒸发、相爆炸、热膨胀剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物，从而达到洁净的工艺过程。与机械打磨清洗、高压水射流清洗、化学清洗、喷砂清洗等传统清洗工艺相比，具有精准度高、低损伤、非接触、零排放和无污染的优点。

激光清洗和激光焊接作为目前激光加工的主流技术，有着各自独特的优点，两者结合也是目前众多学者的研究重点。将激光清洗技术应用到焊接前表面预处理，探究激光清洗后的表面应用激光焊接技术能否得到高质量的焊缝，对现代工业生产有着重要的影响。但目前激光清洗与焊接装置的结合存在一定的技术壁垒，不能适应平面、斜面和复杂形状表面的加工，清洗和焊接的效率低，焊缝质量低。

发明内容

发明目的：

本发明提供了一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及使用方法，通过改变激光头与待清洗表面间的角度，可适应平面、斜面和复杂形状表面的加工，能提高清洗和焊接的效率，同时获得高质量的焊缝。

技术方案：

一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，该装置包括角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置和激光焊接装置，角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置和激光焊接装置依次设置在悬挂导轨上；

角度测量装置包括角度测量仪、角度数据分析系统和机器视觉识别设备，角度测量仪和机器视觉识别设备均与角度数据分析系统数据线连接，角度数据分析系统与激光清洗装置的清洗角度自动调节系统数据线连接；

激光清洗装置由清洗控制器、清洗角度自动调节系统和清洗激光头组成，清洗控制器和清洗激光头线缆连接；清洗激光头与清洗角度自动调节系统通过球形铰链连接；

清洗检测装置由高速摄像机和图像分析系统组成，高速摄像机通过传输数据线与图像分析系统连接；

激光焊接装置由焊接控制器，焊接角度自动调节系统和焊接激光头组成，焊接控制器与焊接激光头线缆连接，焊接激光头与焊接角度自动调节系统通过球形铰链连接，焊接角度自动调节系统与角度测量装置的角度数据分析系统数据线连接；

清洗激光头包括激光发生器和清洗光斑成型系统，激光发生器和清洗光斑成型系统连接，激光发生器与清洗控制器线缆连接。

焊接激光头包括激光发生器和焊接光斑成型系统，激光发生器和焊接光斑成型系统连接，激光发生器与焊接控制器线缆连接。

清洗光斑成型系统内设置有扫描振镜和聚焦透镜；焊接光斑成型系统内设有聚焦透镜。

一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置的使用方法，

步骤如下：

步骤一：角度测量和清洗工作，角度检测装置的清洗角度测量仪和机器视觉识别设备获得工件表面轮廓信息，根据工件表面轮廓信息清洗激光头转动相应角度，开启清洗控制器对待加工工件表面污染物进行清洗工作至清洗完毕，激光清洗装置复位；

步骤二：清洗检测工作，清洗检测装置通过对步骤一中清洗后的待加工表面的轮廓提取，通过图像分析判断图像是否间断或存在斑点，判断清洗表面是否符合清洗要求；

步骤三：焊接工作，激光焊接装置对步骤二中清洗后的工件进行焊接工作。

当测量斜面角度时，步骤一测量角度α为：

α＝90°-β

其中，

A-竖直激光束长度，B-倾斜激光束长度，θ-A与B的夹角，β-竖直光束与斜面的夹角。

当测量曲面角度时，步骤一测量角度α为：

α＝270°-ψ-γ-β

其中，

式中，A-竖直激光束长度，B-倾斜激光束长度，θ-A与B的夹角，β-竖直光束与斜面的夹角；

式中，Ψ-切线段与B的夹角，s-光束辐射弧长，γ-过弧两端点线与B的夹角。

有益效果：

本发明通过激光清洗与激光焊接的结合，采用可自动变换激光入射角度的激光头，可以根据待处理表面的结构变化实时做出反应，使激光光束始终与过清洗点的切线垂直，保证清洗表面能量分布的均匀性，同时配备激光检测系统，检测表面的清洗状况，从而实现复杂结构表面的自动化清洗与焊接，大大提高焊接效率，得到优良的焊缝质量，有利于促进激光加工技术的发展。

附图说明

图1为可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置整体示意图；

图2为角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置和激光焊接装置结构示意图；

图3为球形铰链结构示意图；

图4为工件表面为斜面时，角度关系示意图；

图5为工件表面为曲面时，角度关系示意图；

图6为焊缝比对效果图。

图中标注：

A、角度测量装置，B、激光清洗装置，C、清洗检测装置，D、激光焊接装置，1、角度测量仪，2、角度数据分析系统，3、机器视觉识别设备，4、角度数据分析系统，5、清洗角度自动调节系统，6、清洗信号传输线缆，7、清洗激光头，8、激光发生器，9、光束传输线缆，10、清洗光斑成型系统，11、高速摄像机，12、图像分析系统，13、焊接控制器，14、焊接角度自动调节系统，15、焊接信号传输线缆，16、焊接激光头，17、激光发生器，18、焊接光斑成型系统，19、光束传输线缆，20、悬挂导轨，21、壳体，22、球头，23、球，24、传动轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图更好的说明本发明。

本发明提出一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置及其使用方法，该装置中悬挂导轨用于运送角度测量装置、激光清洗装置、清洗检测装置、激光焊接装置到达工作区。清洗装置和焊接装置内设有控制器、角度自动调节系统、信号传输线缆、激光头。角度测量装置通过角度测量仪和机器视觉识别设备测量斜面或者曲面待清洗物的加工表面轮廓，获得表面轮廓信息反馈给角度数据分析系统，角度数据分析系统通过传输数据线把角度数据传递给角度自动调节系统，角度自动调节系统位于激光头上方，通过球形铰链连接带动激光头实时转动相应角度；激光发生器发出光束经光束传输线缆到达光斑成型系统，形成聚焦光斑作用于加工表面。清洗检测装置通过高速摄像机扫描被污染(待清洗)的表面，将采集到的图像信息通过传输数据线传递给图像分析系统。该发明可适应加工平面、带有角度的斜面和复杂形状表面，通过焊接前清洗得到光洁的待焊接的表面，检测设备保证清洗的效果，从而提高焊接质量。

如图1-2所示，一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，该装置包括角度测量装置A，激光清洗装置B，清洗检测装置C，激光焊接装置D，角度测量装置A，激光清洗装置B，清洗检测装置C和激光焊接装置D依次设置在悬挂导轨20上。

角度测量装置A包括角度测量仪1、角度数据分析系统2和机器视觉识别设备3角度测量仪1和机器视觉识别设备3均与角度数据分析系统4数据线连接，角度测量仪1和机器视觉识别设备3位于角度数据分析系统2下方，角度数据分析系统2与清洗角度自动调节系统5数据线连接。

激光清洗装置B由清洗控制器4、清洗角度自动调节系统5和清洗激光头7组成，清洗控制器4和清洗激光头7通过清洗信号传输线缆6线缆连接；清洗激光头7与清洗角度自动调节系统5通过球形铰链连接，角度自动调节系统5位于清洗激光头7上方，用于带动激光头转动完成清洗工作，球形铰链便于实现清洗激光头7任意角度的转动，清洗激光头7发出的光束就会与待焊接表面的切线始终垂直，进行清洗工作。清洗角度自动调节系统5与清角度测量装置A之间用传输数据线连接；球铰链通过球头与清洗激光头7连接，清洗角度自动调节系统5通过执行构件传动轴与球形铰链内部球连接，执行构件传动轴另一端连接驱动装置，驱动装置由控制系统控制。

悬挂导轨20为ZT-HD型导轨。

清洗检测装置C由高速摄像机11和图像分析系统12组成，高速摄像机11通过传输数据线与图像分析系统12连接；清洗检测装置C用于检测表面的清洗效果。

激光焊接装置D由焊接控制器13，焊接角度自动调节系统14和焊接激光头16组成，焊接控制器13与焊接激光头16通过焊接信号传输线缆15线缆连接，焊接激光头16与焊接角度自动调节系统14通过球形铰链连接，焊接角度自动调节系统14位于焊接激光头16的上方带动焊接激光头转动完成焊接工作。焊接角度自动调节系统14与角度测量装置A通过传输数据线连接。

清洗激光头7包括激光发生器8和清洗光斑成型系统10，激光发生器8和清洗光斑成型系统10通过光束传输线缆9连接，激光发生器8与清洗控制器4通过清洗信号传输线缆6连接。清洗控制器4用于控制激光参数。

焊接激光头16包括激光发生器17和焊接光斑成型系统18，激光发生器17和焊接光斑成型系统18通过光束传输线缆19连接。光束传输线缆19将光束传输给焊接光斑成型系统18。激光发生器17与焊接控制器13线缆连接。

如图3所示，球形铰链包括壳体21、球头22、球23，球头22与球23为一体结构，球23卡接在壳体21内。在激光清洗装置B中，球头与清洗激光头7的激光发生器8连接，壳体21固定设置在清洗角度自动调节系统5上，清洗角度自动调节系统5内的驱动装置通过传动轴24与球23固定连接，从而驱动清洗激光头7转动相应角度。激光焊接装置D中，球头与焊接激光头16的激光发生器17连接，壳体21固定设置在焊接角度自动调节系统14上，焊接角度自动调节系统14内的驱动装置通过传动轴24与球23固定连接，从而驱动焊接激光头16转动相应角度。

清洗光斑成型系统10内设置有扫描振镜和聚焦透镜，光束经扫描振镜可实现对工件的二维扫描，使激光聚焦点可以按照所需的要求运动；焊接光斑成型系统18内设有聚焦透镜，激光束经聚焦透镜后会在加工表面形成聚焦光斑。

一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置使用方法，具体方法如下：

步骤一：角度测量与清洗工作，角度测量装置A的角度测量仪1和机器视觉识别设备3获得工件表面状况信息(平面、斜面、曲面)，根据工件表面轮廓信息清洗激光头7转动相应角度，当工件表面轮廓切线斜率为正时，激光头逆时针旋转，当工件表面轮廓切线斜率为负时，激光头顺时针旋转，开启清洗控制器4对待加工工件表面污染物进行清洗工作至清洗完毕，激光清洗装置A复位；

具体为，机器视觉识别设备3扫描工件表面结构，获得表面结构信息(平面、斜面、曲面)传递给角度数据分析系统2，角度测量仪1发出测量光束，光束扫描待加工工件表面，获得工件表面轮廓信息的光波信息，返回给角度测量仪1内部的传感器，传感器把数据信号传递给角度数据分析系统2，角度数据分析系统将表面结构信息与测量数据分析结合，通过传输数据线把加工表面角度数据传输给清洗角度自动调节系统5，清洗角度自动调节系统5内的控制系统接收角度数据后，控制驱动装置带动传动轴转动逆时针或顺时针，传动轴的转动方向直接影响激光头的转向，激光头的转向与传动轴的转向一致，传动轴通过球铰链带动清洗激光头7转动相应角度α，当工件表面轮廓切线斜率为正时，驱动装置带动传动轴逆时针转动，使激光头逆时针旋转相应角度，当工件表面轮廓切线斜率为负时，激光头顺时针旋转相应角度，打开清洗控制器4，信号经清洗信号传输线缆6到达清洗激光头内的激光发生器8，激光发生器发出光源，光源经光束传输系统9把光束打到光斑成型系统内的扫描振镜上，扫描振镜把光束反射到聚焦透镜形成聚焦光斑作用到加工表面；进行待加工工件表面污染物的清洗工作。清洗工作完成后，清洗装置复位。

现有的激光清洗焊接装置多数是针对性的清洗焊接平面，可以保证清洗焊接的质量，而对斜面和曲面的清洗焊接存在难度，不能保证好的效果，本申请采用角度测量装置获取工件表面轮廓信息并将获取的数据传输给与激光头连接的角度自动调节系统，解决了目前激光头无法实时根据工件结构自动变换角度的问题，从而实现激光清洗焊接斜面、曲面等复杂表面，同时设置清洗检测系统，以此保证焊缝的质量。

角度测量仪1包括两个微小激光测距仪，一个发出竖直光束，另一个倾斜放置，使其发出倾斜光束，两个微小激光测距仪重叠在一起保证这两条光束形成夹角θ(小角度定值)，用于测得工件表面角度数据。机器视觉识别设备获得工件表面状况信息(平面、斜面、曲面)与角度测量仪所得数据相结合，以确定选取匹配的实时角度公式。实时角度公式分为斜面角度测量公式和曲面角度测量公式。当测量斜面角度时，采用斜面角度测量公式；当测量曲面角度时，采用曲面角度测量公式

如图4所示，斜面角度测量公式为：

A-竖直激光束到达工件表面的长度，B-倾斜激光束到达工件表面的长度，θ-A与B的夹角，β-竖直光束与斜面的夹角。

当β等于90度时，得出α为0或180度，此时工件表面为平面。则测量角度α为：α＝90°-β。当测得的β＝90°时，此时α等于0°或180°，判断出被检测面为平面。

如图5所示，当测量曲面角度时，即竖直光束照射点处切线与地平面的夹角，由于是实时测量，要求光束辐射范围相对较小，因此令在辐射范围内切线段Ψ的长度等于此时所照射的弧长，曲面角度测量公式为：

S-光束辐射弧长，γ-过弧两端点线与B的夹角，Ψ-切线段与B的夹角。

则测量角度α为：α＝270°-ψ-γ-β。当工件表面轮廓切线斜率为正时，所测角度α为正，清洗激光头7逆时针旋转角度α；当工件表面轮廓切线斜率为负时，所测角度α为负，清洗激光头7顺时针旋转角度α。工件表面轮廓切线斜率为正或为负时，其角度计算原理相同。

步骤二：清洗检测工作，清洗检测装置C通过对步骤一中清洗后的待加工表面的轮廓提取，检验轮廓区域是否间断或存在斑点，检测是否符合清洗要求；

具体为，清洗检测装置C经悬挂导轨20到达工作区，高速摄像机11对清洗表面检测，图像分析系统12对所得表面图像进行图像处理，运用现有中值滤波技术对图像进行平滑处理，减少噪声的影响，再运用Otsu算法对图像进行阈值分割得到最优阈值(图像前景和背景差异最大时的灰度，既可以保留图像信息又能去除其他干扰)，获得所需二值化图像，提取二值化轮廓曲线，得到轮廓提取后的图像，图像分析系统通过分析轮廓提取后的图像是否间断或存在斑点，判断清洗表面是否符合清洗要求，当图像存在斑点或间断表明污染物没有清洗干净，需要再次清洗，直至符合清洗要求，当图像没有斑点或间断表明工件已清洗干净。

步骤三：焊接工作，激光焊接装置D对步骤二中清洗后的工件进行焊接工作。

具体为，激光焊接装置D经悬挂导轨20到达工作区，打开焊接控制器13，焊接角度测量系统14内的角度测量仪和机器视觉识别设备测得加工工件表面轮廓信息，并由角度数据分析系统得到角度数据通过传输数据线传输给焊接角度自动调节系统15，带动焊接激光头17实时做出反应，进行待加工工件表面的焊接工作。焊接工作完成后，焊接装置复位。

如图6所示，图6a为未进行激光清洗得到的焊缝，该焊缝表面发黑，存有明显的夹渣，图6b为采用本装置和方法得到的焊缝，该焊缝表面平滑均匀，无气孔，没有明显焊渣缺陷。

本专利能够清洗、焊接平面结构，还能对斜面和曲面结构进行清洗焊接，是一种可适应不同结构的综合性装置。且清洗和焊接之间设有检测装置，这有利于保证焊缝形成的质量。

Claims (7)

1.一种可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，其特征在于：该装置包括角度测量装置(A)、激光清洗装置(B)、清洗检测装置(C)和激光焊接装置(D)，角度测量装置(A)、激光清洗装置(B)、清洗检测装置(C)和激光焊接装置(D)依次设置在悬挂导轨(20)上；

角度测量装置(A)包括角度测量仪(1)、角度数据分析系统(2)和机器视觉识别设备(3)，角度测量仪(1)和机器视觉识别设备(3)均与角度数据分析系统(2)数据线连接，角度数据分析系统(2)与激光清洗装置(B)的清洗角度自动调节系统(5)数据线连接；

激光清洗装置(B)由清洗控制器(4)、清洗角度自动调节系统(5)和清洗激光头(7)组成，清洗控制器(4)和清洗激光头(7)线缆连接；清洗激光头(7)与清洗角度自动调节系统(5)通过球形铰链连接；

清洗检测装置(C)由高速摄像机(11)和图像分析系统(12)组成，高速摄像机(11)通过传输数据线与图像分析系统(12)连接；

激光焊接装置(D)由焊接控制器(13)，焊接角度自动调节系统(14)和焊接激光头(16)组成，焊接控制器(13)与焊接激光头(16)线缆连接，焊接激光头(16)与焊接角度自动调节系统(14)通过球形铰链连接，焊接角度自动调节系统(14)与角度测量装置(A)的角度数据分析系统(2)数据线连接。

2.根据权利要求1所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，其特征在于：清洗激光头(7)包括激光发生器(8)和清洗光斑成型系统(10)，激光发生器(8)和清洗光斑成型系统(10)连接，激光发生器(8)与清洗控制器(4)线缆连接。

3.根据权利要求1所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，其特征在于：焊接激光头(16)包括激光发生器(17)和焊接光斑成型系统(18)，激光发生器(17)和焊接光斑成型系统(18)连接，激光发生器(17)与焊接控制器(13)线缆连接。

4.根据权利要求2或3所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置，其特征在于：清洗光斑成型系统(10)内设置有扫描振镜和聚焦透镜；焊接光斑成型系统(18)内设有聚焦透镜。

5.一种如权利要求1所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置的使用方法，其特征在于：

步骤如下：

步骤一：角度测量和清洗工作，角度检测装置(A)的清洗角度测量仪(1)和机器视觉识别设备(3)获得工件表面轮廓信息，根据工件表面轮廓信息清洗激光头(7)转动相应角度，开启清洗控制器(1)对待加工工件表面污染物进行清洗工作至清洗完毕，激光清洗装置(B)复位；

步骤二：清洗检测工作，清洗检测装置(C)通过对步骤一中清洗后的待加工表面的轮廓提取，通过图像分析判断图像是否间断或存在斑点，判断清洗表面是否符合清洗要求；

步骤三：焊接工作，激光焊接装置(D)对步骤二中清洗后的工件进行焊接工作。

6.根据权利要求5所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置的使用方法，其特征在于：当测量斜面角度时，步骤一测量角度α为：

α＝90°-β

其中，

A-竖直激光束长度，B-倾斜激光束长度，θ-A与B的夹角，β-竖直光束与斜面的夹角。

7.根据权利要求5所述的可自适应加工表面的激光清洗与焊接装置的使用方法，其特征在于：当测量曲面角度时，步骤一测量角度α为：

α＝270°-ψ-γ-β

其中，

式中，A-竖直激光束长度，B-倾斜激光束长度，θ-A与B的夹角，β-竖直光束与斜面的夹角；

式中，Ψ-切线段与B的夹角，s-光束辐射弧长，γ-过弧两端点线与B的夹角。

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