CN112496540A - 一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，包括激光钎焊机构和激光熔焊机构。激光熔焊机构包括连接板、光束转折模块、准直单元、变焦聚焦单元和相机；通过在连接板内部设置光束转折模块，光束转折模块中的激光由位于连接板一侧的准直单元输入，激光经光束转折模块折射后垂直向下，且经过变焦聚焦单元后到达待焊接材料表面进行激光熔焊；激光熔焊机构中相机的镜头正对光束转折模块设置，用于获取工件表面上的激光束位置图像；激光钎焊机构包括伸缩臂及焊枪，伸缩臂在伺服电机控制下实现焊枪在三维空间坐标轴的Z、Y方向动作。本发明所述装置一体化具备了激光熔焊和激光钎焊两种焊接工艺，实用性更强。

Description

一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置
技术领域
本发明属于自动化激光焊接技术，具体涉及一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置。
背景技术
目前，较多学者已经设计并实现了带有焊缝跟踪的激光加工工具，为了服务于白车身较多连接处革新的激光焊接工艺；同时根据不同部位对工艺的不同需求，激光钎焊，激光熔焊以及激光填丝熔焊等都成为不可缺少的焊接工艺。
激光焊接技术在汽车白车身生产中发挥着重要作用，但是由于车身板件形成时会存在一定的问题，主要表现为激光焊接对工件的焊接装配精度要求高，搭桥能力弱；工件加工误差、装夹后存在位置误差；在焊接过程中由于工件受热变形等都会使焊缝轨迹发生一定程度的误差。另外，又因为激光光斑的尺寸数值较小，所以导致示教编程获得的机器人焊接轨迹偏离实际的焊缝轨迹，从而影响焊接质量。
现有的技术包括如机械式激光焊接自动跟踪系统(CN105149770A)、一种激光焊接焊缝跟踪实现装置及其控制方法(CN101961819A)和一种激光焊缝机焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法(CN103753015A)等所述得内容。
对此，在自动化过程激光焊接中，通过融合焊缝自动跟踪技术的控制方式，从而实现高程度的自动化焊接。
发明内容
发明目的：针对现有激光焊接装置焊接机构复杂，焊接精度差的问题，本发明提供一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置。
技术方案：一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，所述装置包括激光熔焊机构和激光钎焊机构；所述激光熔焊机构包括连接板、光束转折模块、准直单元、变焦聚焦单元和相机；所述连接板内部设置光束转折模块，光束转折模块中的激光由位于连接板一侧的准直单元输入，激光经光束转折模块折射后垂直向下，且经过变焦聚焦单元后到达待焊接材料表面进行激光熔焊；所述相机的镜头正对光束转折模块设置，相机用于获取工件表面上的激光束位置图像；所述的激光钎焊机构包括伸缩臂及焊枪，伸缩臂在伺服电机控制下实现焊枪在三维空间坐标轴的Z、Y方向动作。
进一步的，所述的变焦聚焦单元下方设有保护镜片单元。
进一步的，所述装置在保护镜片单元的下方设有焊接喷嘴，所述的焊接喷嘴用于旋转气流防止激光熔焊过程中的灰尘及烟雾污染镜片。
进一步的，所述的焊接喷嘴为内部设有旋转式螺纹的圆锥台结构。
更进一步的，所述装置在焊接喷嘴的下方设有气刀，所述的气刀支架与激光头背板固定连接。焊接喷嘴与气刀不管钎焊还有熔焊都会使用到。
进一步的，所述的激光熔焊机构还设有光学焊缝跟踪模块，所述光学焊缝跟踪模块产生用于引导工件上的待焊位置的激光。
进一步的，所述的连接板外侧还连接有保护气管，所述保护气管用以供应压缩空气，外接气源以输入。
进一步的，所述的激光钎焊机构中的伸缩臂包括TA臂和TA臂连接支架，所述的TA臂连接支架固定在装置的机架上，TA臂内置用于控制焊枪上的焊缝跟踪单元的编码器。
更进一步的，所述的焊枪包括焊丝调节模块和焊缝跟踪单元，所述焊缝跟踪单元控制焊丝找到焊缝的位置，然后由编码器读取位置的偏差，发给激光头背板上的伺服电机，进而调节激光光束的位置，实现焊丝与光束匹配；所述焊丝调节模块用于向焊缝处提供焊丝。
有益效果：与现有的汽车AB柱激光焊接装置相比，本发明所述装置实现了激光钎焊机构和激光熔焊机构在同一个焊接装置上的一体化设置，实现了基于柔性化智能模块及多工艺的激光焊接工具设计。另一方面，该装置中激光钎焊机构和激光熔焊机构分别设置了焊接跟踪单元和光学焊缝跟踪模块，实现光学焊缝跟踪(实现360°跟踪，精度±0.05mm)与自适应机械焊缝跟踪；其次，可以通过智能模块TA臂实现熔焊/钎焊不同工艺的切换，同时满足汽车白车身车顶、AB柱车身结构焊接设计的角焊缝等不同形式搭接方式焊接。本发明在激光深熔焊的工作状态下，通过伺服电机控制TA臂单元，将焊丝调节模块及焊缝跟踪单元在三维空间内同时向Z、Y向收起，避免焊丝嘴影响深熔焊焊接；在激光深熔焊的时候，可以使用光学焊缝跟踪，提高了焊接装置的实用性和便捷度。
附图说明
图1是本发明所述焊接装置的结构示意图；
图2是本发明所述的激光熔焊机构中的激光折射示意图；
图3是本发明所述激光钎焊机构的焊枪及伸缩臂结构示意图；
图4是本发明所述的焊接装置中的光学焊缝跟踪模块。
具体实施方式
为详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的表述。
在工业制造中，激光焊接已经成为目前焊接需求的首选技术，其焊接精度高，且几乎不产生焊渣等特点能满足大部分工业生产制造需求。对于激光焊接，包括了激光钎焊和激光熔焊，在汽车等领域上也会经常进行切换选择，现有的焊接装置因为只能单独执行其中的某一项操作，所以存在应用上便捷程度不够，自动化程度不够等问题。
本发明所提供的是一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，包括激光钎焊机构和激光熔焊机构。激光熔焊机构包括连接板、光束转折模块、准直单元、变焦聚焦单元、和相机；通过在连接板内部设置光束转折模块，光束转折模块中的激光由位于连接板一侧的准直单元输入，激光经光束转折模块折射后垂直向下，且经过变焦聚焦单元后到达待焊接材料表面进行激光熔焊；激光熔焊中相机的镜头正对光束转折模块设置，相机用于获取工件表面上的激光束位置图像；激光钎焊机构包括伸缩臂及焊枪，伸缩臂在伺服电机控制下实现焊枪在三维空间坐标轴的Z、Y方向动作。
以下具体阐述本发明所述装置的结构及在汽车白车身上焊接的过程操作。
一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，该装置包括激光熔焊机构和激光钎焊机构两种焊接机构，所述装置实现了在同一装置中激光钎焊和激光熔焊的自由切换。对于现有的焊接装置进行改进，包括在激光钎焊装置中设置焊缝跟踪单元，以及对于TA臂模块的智能控制，且在激光熔焊装置中改变激光的传输及设置光学焊缝跟踪模块以实现高精度的焊接操作。
如图1所示，图1所展示的是本发明所述焊接装置的本体结构。
具体的说，该焊接装置在应用于汽车白车身的焊接时候，可以通过焊接机器人来控制器操作，比如将图1所示的本体结构中连接板1或装置的机架安装在机械手臂上进行空间的移动和操作，包括通过准直单元3来实现本发明所述装置到激光源的连接设置，且通过其准直单元的机架等进行该装置的安装和机械控制臂的安装等。焊接时，若采用激光熔焊的时候，则通过装置的移动，控制激光熔焊机构中激光的传输，相机5的焊接图像采集并进行数据分析，包括在控制器下的光控制，激光经过准直单元3输入，然后准直单元3将激光传输至光束转折模块2中，激光束经过光束转折模块2转折后垂直向下传输，然后经过变焦聚焦单元4后到达待焊接材料；相机5的镜头正对光束转折模块2设置，相机5为工业相机，如此的设置会使得相机5是可以借用光束转折模块2中的光通道来获取到工件上焊缝图像信息，捕捉落在工件表面上由的激光束的位置。在激光熔焊的工艺过程中，借助摄像机对待焊焊缝进行寻找与跟踪，以每秒100帧的速度进行图像拍摄并实时进行图像分析。相机5采集到的焊缝及激光束位置信息传输至图像处理单元，即该装置的后台控制系统予以分析和利用，并且生成多元化的控制命令以便完成更好精度的焊接操作。
对于激光熔焊机构的激光束传输过程，如图2所示。激光束101由光源控制设备输出，光源控制设备实际装置中设有激光源及光纤耦合单元。然后激光束101经过准直单元3进入到光束折转模块2。光束转折模块2进行激光束101的垂直转折，然后激光束101则垂直向下进去到检测聚焦模块4中，检测聚焦模块4主要包括了自动变焦聚焦模块401和保护镜片模块402。保护镜片模块402在设有镜片污染监测传感器等控制器，进行温度及散射光的检测。
本发明所述装置激光熔焊机构中的激光束在出射端还设有焊接喷嘴9和气刀10，防止装置中镜片的污染。气刀10又称为Grossjet模块，气刀10的支架与激光头背板连接，在焊接过程中如果产生大量的烟雾及飞溅时横挡吹气模块可以有效的避免与延长保护镜片及镜组整体的寿命。
对于气刀10的使用，在焊接工艺上，激光复合焊由于添加了焊丝，所以在实际焊接过程中，由于激光熔化焊丝而产生的飞溅可能较大，如果工艺参数不合适，产生的飞溅、烟尘可能非常大，如果对激光加工头的保护不当，产生的焊渣飞溅可能窜入激光头，导致激光加工头损坏。因此，对激光复合焊来讲，采用合适的保护措施防止飞溅窜入激光加工头非常重要。常见的方法就是采用压缩空气形成气帘或者气刀，在飞溅溅射到激光加工头之前，通过很强的气流将飞溅阻挡或者吹离激光加工头区。本发明所提供的气刀10也包括环形设置或条形设置，还包括抽屉式的设计结构等其他以挡板开孔的设计结构。
保护气管11设置在光束转折模块2外侧的连接板1上，在使用的时候通过另一端连接压缩空气，然后进行气流冲洗。根据工艺要求，可在激光加工工具中集成保护气体模块，针对焊接材料选用特定保护气体，改善焊接质量。
保护镜片单元13可以为抽屉式的设计，也可以替换为现有技术的多种设结构均可。如图1和图2所示。易于安装在激光头上，设计结合散射光传感器及温度传感器，通过两种方式对保护镜片检测(一般使用的保护镜片的检测设备只有温度传感器，但是温度传感器并不能检测到当前的真实状态，需要时间的积累，所以该产品的保护镜片的检测是附加了一个散射光传感器同时监测，结合光电传感器能够在特定环境下对保护镜片进行状态反应，经过前期测试，对产品的使用进行状态报警参数的确定及设置：4V：警告，6V：警报，10：停止)。
为了防止激光熔焊过程中的灰尘及烟雾污染保护镜片，本发明所述装置设置了焊接喷嘴9。该焊接喷嘴9设有旋转气流，其结构如设置为内部设有旋转式螺纹的圆锥台结构。
下面具体表述激光钎焊机构的机械构造。
在图1所示的装置中，激光钎焊机构包括了伸缩臂7及焊枪8。激光钎焊机构可以是通过图1所示连接结构6安装设置在本体上，将激光熔焊机构和激光钎焊机构的架构实现一体化设计。连接结构6可以是机械式拼装组合而成，具有可旋转等移动功能，还可以根据实际的焊接需要配置相应的液压驱动杆及控制电气设备。在连接结构6主要与激光钎焊机构的伸缩臂7连接。伸缩臂7主要包括了TA连接臂及TA臂。TA连接臂主要是构成了激光钎焊的本体。TA臂搭载TA模块，即激光钎焊模块。TA臂内置编码器，一般连接的是焊丝调节模块，由焊丝调节模块下面安装的焊丝引导焊缝跟踪的时候，由内置的编码器读取待焊接位置的偏差，传输给伺服电机，由伺服电机控制激光束，使激光束与焊丝末端永远处于正确的相互状态以及正确焊接位置。本发明中焊丝调节模块及现有钎焊装置已经配置的焊缝跟踪单元不做赘述，主要集成在伸缩臂7及附属上焊枪8上进行设置。
TA臂模块通过伺服电机控制，使TA臂随板件上下摆动，并对板件施加一个相对的压力；另外，在焊接过程中，因为焊丝受热变软，所以在焊丝作为机械式跟踪介质的时候，控制压力是比较重要的因素，否则会影响焊缝跟踪的精度，导致焊接位置不是正确导向的焊缝位置。伸缩臂7下方连接焊丝调节模块，在调试之前，可以从X和Z方向调节焊丝末端与光斑的位置。在焊接过程中，通过TA臂内置的编码器读取正确的焊缝位置，通过激光工具上内置的驱动装置(伺服电机)读取由编码器转化的电信号，从而控制激光镜组，使激光光斑用于处于焊丝末端及正确的焊缝位置上。
图3所示的是激光钎焊机构中伸缩臂7和焊枪8的一种实施结构。
在激光钎焊的工作状态下，使用机械式焊缝跟踪，同时安装有同轴保护气单元，避免用材钛合金，铝合金等在焊接过程中发生氧化现象。此机械式焊缝跟踪单元为了适应材料本征较软的铝合金作为焊缝跟踪介质的焊接，设计了TA臂结构，同时配置有伺服电机，可以平衡自身的的重力，减少对焊丝的压力，其次，通过电机控制，使TA臂随板件上下浮动，并对板件施加一个相对的压力；另外，在焊接过程中，因为焊丝受热变软，所以在焊丝作为机械式跟踪介质的时候，控制压力是比较重要的因素，否则会影响焊缝跟踪的精度，导致焊接位置不是正确导向的焊缝位置。
本发明所述的焊接装置还设有光学焊缝跟踪模块12，其结构如图4所示。光学焊缝跟模块12用于激光熔焊过程中产生激光引导焊缝位置。激光熔焊时的光学焊缝跟踪原理：通过二极管激光射出横向激光束，落在工件的上板及下板上，激光加工工具同轴设置有相机，通过相机捕捉到二极管激光束位置，焊缝跟踪软件分析二极管激光束的两个断点，由这两个断点连成直线，即为焊缝的位置，根据焊缝的位置，焊缝驱动装置(伺服电机)将激光焦点及时移到焊缝上，形成焊缝跟踪。在进行激光深熔焊时，避免光学焊缝跟踪在工作时受到干涉。激光钎焊机构中的伸缩臂7通过其内设置的伺服电机控制将焊枪8在三维空间内同时向Z、Y方向收起。
本发明所述的焊接装置还可以在本体结构的机架上设置压轮14，压轮14与Grossjet固定，随行压轮系统可以代替传统工装夹具在焊接过程中对板件进行施压，使板件间隙更加稳定，从而改善焊接质量。
本发明在现有的激光焊机装置的使用上，尤其是对于汽车AB柱的焊接，实现精准的对接和高质量焊接。为了获得智能化激光加工工具，柔性化的焊接工作站，同时较好的降低生产成本，本发明所述焊接装置具有有激光钎焊的机械式焊缝跟踪；并且可切换为激光熔焊，其具有光学焊缝跟踪功能。

Claims (9)

1.一种具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述装置包括激光熔焊机构和激光钎焊机构；所述激光熔焊机构包括连接板(1)、光束转折模块(2)、准直单元(3)、变焦聚焦单元(4)和相机(5)；所述连接板(1)内部设置光束转折模块(2)，光束转折模块(2)中的激光由位于连接板(1)一侧的准直单元(3)输入，激光经光束转折模块(2)折射后垂直向下，且经过变焦聚焦单元(4)后到达待焊接材料表面进行激光熔焊；所述相机(5)的镜头正对光束转折模块(2)设置，相机(5)用于获取工件表面上的激光束位置图像；所述的激光钎焊机构包括伸缩臂(7)及焊枪(8)，伸缩臂(7)在伺服电机控制下实现焊枪(8)在三维空间坐标轴的Z、Y方向动作。
2.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的变焦聚焦单元(4)下方设有保护镜片单元(13)。
3.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述激光熔焊机构在保护镜片单元(13)的下方设有焊接喷嘴(9)，所述的焊接喷嘴(9)用于旋转气流防止激光焊接过程中的灰尘及烟雾污染镜片。
4.根据权利要求3所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的焊接喷嘴(9)为内部设有旋转式螺纹的圆锥台结构。
5.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述装置在焊接喷嘴(9)的下方设有气刀(10)，气刀支架与激光头背板固定连接。
6.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的激光熔焊机构还设有光学焊缝跟踪模块(12)，所述光学焊缝跟踪模块(12)产生用于引导工件上的待焊位置的激光。
7.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的连接板(1)外侧还连接有保护气管，所述保护气管用以供应压缩空气。
8.根据权利要求1所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的激光钎焊机构中的伸缩臂(7)包括TA臂和TA臂连接支架，所述的TA臂连接支架固定在装置的机架上，TA臂内置用于控制焊枪(8)上的焊缝跟踪单元的编码器。
9.根据权利要求8所述的具有自适应焊缝跟踪的激光钎焊和激光熔焊一体装置，其特征在于：所述的焊枪(8)包括焊丝调节模块和焊缝跟踪单元，所述焊缝跟踪单元控制焊丝找到焊缝的位置，然后由编码器读取位置的偏差，发给激光头背板上的伺服电机，进而调节激光光束的位置，实现焊丝与光束匹配；所述焊丝调节模块用于向焊缝处提供焊丝。
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