CN114951992A - 一种极耳激光焊接机激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极耳激光焊接机激光测距装置，包括三轴运动平台、振镜焊接机构、激光位移传感器、模组定位机构、焊接压头下压气缸、焊接压头；三轴运动平台，包括X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴运动平台，其中X轴运动平台是平行于操作人员表面的伺服机构；Y轴运动平台位于模组上料平台表面，主要功能是将模组输送到设备内部和配合其它轴进行极耳焊接点的定位；Z轴运动平台固定在X轴上，垂直于设备工作台面，用于调整振镜焊接机构距离焊接表面的高度。本发明通过激光位移传感器测距，检测出单个模组极耳焊接面高度与标定的焊接高度进行比对，并根据结果实时调整实际的Z轴焊接高度，有效避免焊接面高度不一致导致的激光焊接实际高度差异。

Description

一种极耳激光焊接机激光测距装置

技术领域

本发明属于新能源电池行业激光焊接领域，特别涉及一种极耳激光焊接机激光测距装置。

背景技术

随着锂离子电池行业的快速发展，动力锂离子电池在汽车上的使用越来越多，技术也更加成熟，电动汽车给传统汽车行业带来革命性的变化，发展新能源汽车成为一种必然趋势，而动力锂电池作为新能源汽车的供能装置，其性能及安全度就显得很重要。

在模组装配过程中，软包电芯的正、负极耳与汇流排的链接需用激光焊接实现连接。目前车间现场极耳焊接工序频繁出现极耳与汇流排焊接不良(虚焊、焊穿)。虚焊、焊穿直接导致模组报废，造成成本增加；而且未被检出的不良品倘若流入客户端引起客诉，将给公司将带来不可估量的损失。

虚焊主要指激光焊接过程中，振镜焊接高度不当或材料压紧状况不佳导致的焊接材料间接触面积不足或焊点不牢的焊接不良现象。焊接过程中，振镜焊接高度不当会使得激光到达焊接材料表面的激光能量密度过高或过低，导致两种焊接材料间的焊点强度下降，影响其产品使用寿命或在应用端的可靠性。在极耳激光焊接工艺中，导致此不良现象发生的主要原因是模组电芯或模组高度一致性较差，未根据焊前对电芯极柱测高值和工艺验证焊接高度管控进行实际焊接高度调整而导致。

为了解决上述问题，特此提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种极耳激光焊接机激光测距装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种极耳激光焊接机激光测距装置，包括三轴运动平台、振镜焊接机构、激光位移传感器、模组定位机构、焊接压头下压气缸、焊接压头。

优选的，三轴运动平台，包括X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴运动平台，其中X轴运动平台是平行于操作人员表面的伺服机构；Y轴运动平台位于模组上料平台表面，主要功能是将模组输送到设备内部和配合其它轴进行极耳焊接点的定位；Z轴运动平台固定在X轴上，垂直于设备工作台面，用于调整振镜焊接机构距离焊接表面的高度。

进一步的，振镜焊接机构，振镜焊接机构包括激光发射器，通过激光发射器发射出来的激光经过振镜处理，再通过Z轴伺服进行高度调整，使激光束在焊接面上交汇于一点，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

优选的，所述激光位移传感器固定在Z轴定位板上，发出的光束通过压头定位板上的小孔，照射在极耳下面的汇流排上，再接收反射回来的光线，经过数据计算后，将得出来的距离数据显示在激光位移传感器的数显界面上，之后再由PLC控制系统进行数据抓取和计算。

优选的，所述焊接压头下压气缸，主要用于控制焊接压头的升降，焊接压头下压气缸底部定位块有4个弹簧，通过高度的调整来控制弹簧受力大小，以此来控制焊接压头压紧焊接表面的压力大小。

进一步的，所述模组定位机构用于将振镜焊接机构定位到相应的模组的焊接点的上方。

优选的，激光位移传感器固定在Z轴定位板上，发出的光束通过压头定位板上的小孔，照射在极耳下面的汇流排上，再接收反射回来的光线，经过数据计算后，将得出来的距离数据显示在激光位移传感器的数显界面上，之后再由PLC控制系统进行数据抓取和计算。

优选的，激光位移传感器确定补偿值的具体方法，激光位移传感器与振镜1固定在一起，确定振镜1到焊接面2的焊接高度为H，此时保持Z轴不变，平移激光位移传感器至焊接面，测距值为h1；在实际焊接过程中，焊前先移动激光位移传感器至电芯焊接位正上方，光斑落到焊接区域内进行测距，结果为h2，根据测距结果计算出差值：△h＝h2-h1，△h即为补偿值；首先判断△h是否在设定补偿值的范围内；补偿值在设定范围内的，系统将补偿结果给到PLC控制器，通过PLC控制系统将补偿指令发送给Z轴伺服电机进行补偿调整。

进一步的，极耳激光焊接机激光测距装置的工作方法包括如下步骤：

1)利用合格模组进行标定，在保证工艺要求离焦量的前提下经验证得出振镜焊接位置Z轴高度为Z0，此时平移激光位移传感器至光斑落在焊盘区域内，激光位移传感器显示值为h0；

2)将模组放入夹具，防护门下降，夹具通过侧推气缸和正推气缸对模组进行定位，移载机构将模组送至焊接位；

3)三轴激光位移传感器运动到第一个焊接点正上方进行测距，记录当前激光位移传感器输出高度h1，通过PLC控制系统计算，用高度基准值h0减去测高输出值h1，得出测高补偿值△h＝h0–h1；

4)当前模组在该焊接点的焊接高度Z1与标定的焊接高度Z0的高度差为：

△Z＝Z0-Z1＝△h＝h0-h1；

5)通过X、Y、Z轴配合运动，使激光焊接振镜中心对准第一个焊接点；通过PLC控制系统计算，Z1轴实际值＝Z0轴标定值-△Z1。

有益技术效果：

本发明通过焊前激光位移传感器测距，检测出单个模组极耳焊接面高度与标定的焊接高度进行比对，并根据结果实时调整实际的Z轴焊接高度，有效避免模组电芯间或模组间焊接面高度不一致导致的激光焊接实际高度差异，减少了产品焊接不良报废，提高了产品在应用端的可靠性。

附图说明

图1为本发明极耳激光焊接机激光测距装置结构示意图。

图2为本发明极耳激光焊接机激光测距装置局部结构示意图。

图3为本发明激光位移传感器工作原理图。

图4为本发明振镜和焊接面结构示意图。

图5为本发明工作台结构示意图。

图6为本发明极耳激光焊接机激光测距装置工作原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-6，一种极耳激光焊接机激光测距装置包括三轴运动平台、振镜焊接机构、激光位移传感器3、模组定位机构、焊接压头下压气缸、焊接压头。应用于模组侧板焊接、端板焊接、Busbar焊接、电芯极耳焊接。

三轴运动平台1，包括X轴运动平台6、Y轴运动平台9以及Z轴运动平台7，其中X轴运动平台是平行于操作人员表面的伺服机构；Y轴运动平台位于模组上料平台表面，主要功能是将模组输送到设备内部和配合其它轴进行极耳焊接点的定位；Z轴运动平台固定在X轴上，垂直于设备工作台面，用于调整振镜焊接机构距离焊接表面的高度。

振镜焊接机构，振镜焊接机构包括激光发射器，通过激光发射器发射出来的激光8经过振镜18处理，再通过Z轴伺服进行高度调整，使激光束在焊接面上交汇于一点，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

激光位移传感器固定在Z轴定位板上，发出的光束通过压头定位板上的小孔，照射在极耳下面的汇流排上，再接收反射回来的光线，经过数据计算后，将得出来的距离数据显示在激光位移传感器的数显界面上，之后再由PLC控制系统进行数据抓取和计算。

激光位移传感器确定补偿值的具体方法，激光位移传感器与振镜19固定在一起，确定振镜19到焊接面2的焊接高度为H(确保离焦量在工艺要求范围内)，此时保持Z轴不变，平移激光位移传感器至焊接面，测距值为h1；在实际焊接过程中，焊前先移动激光位移传感器至电芯焊接位正上方，光斑落到焊接区域内进行测距，结果为h2，根据测距结果计算出差值：△h＝h2-h1，△h即为补偿值(△h＞0，振镜Z轴下降；△h＜0，振镜Z轴上升)。系统首先判断△h是否在设定补偿值的范围内(超出设定Z轴补偿范围的，将报警终止提示，终止焊接)；补偿值在设定范围内的，系统将补偿结果给到PLC控制器，通过PLC控制系统将补偿指令发送给Z轴伺服电机进行补偿调整。

激光位移传感器3是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光位移传感器是新型测量仪表，能够精确测量被测物体的位置、位移等变化。

焊接压头下压气缸12，主要用于控制焊接压头的升降。焊接压头下压气缸底部定位块有4个弹簧，通过高度的调整来控制弹簧受力大小，以此来控制焊接压头压紧焊接表面的压力大小。如果压力过小，极耳焊接面与汇流排焊接面没有完全贴合，会导致焊接时虚焊、表面焊穿等问题；如果压力过大，会将模组压变形，导致模组损坏或者气缸导杆受反作用力过大，导致疲劳损坏等问题。

焊接压头主要作用在于压紧极耳焊接表面，其中间有一条椭圆形孔洞，通过振镜发射出来的激光束在此椭圆底面交汇于一点，形成激光焊接点。焊接压头下方设置有压紧铜嘴4。

激光位移传感器3和焊接压头下压气缸12安装于固定钣金11上。

极耳激光焊接机激光测距装置还包括工作台5、光纤支架13、三色灯14、观察窗15、防护挡板16以及操作屏17。

激光位移传感器3、焊接压头下压气缸12、振镜18、三轴运动平台1、夹具10固定于工作台5上。防护挡板16位于工作台5的上方，防护挡板16的一侧设置有观察窗15，防护挡板16的上方设置有光纤支架13、三色灯14，防护挡板16的一侧设置有操作屏17。

极耳激光焊接机激光测距装置工作步骤包括S1：焊接压头下压；S2：测量下降高度；S3:数据处理；S4：测距补偿值；S5：通过补偿值对Z值进行调整；S6：振镜到焊接表面的距离等于焦距；S7：出光焊接。

模组定位机构用于将振镜焊接机构定位到相应的模组的焊接点的上方。

极耳激光焊接机激光测距装置具体的工作方法为：

1)利用合格模组进行标定，在保证工艺要求离焦量的前提下经验证得出振镜焊接位置Z轴高度为Z0，此时平移激光位移传感器至光斑落在焊盘区域内，激光位移传感器显示值为h0(此时可将激光位移传感器置零)；

2)将模组放入夹具，防护门下降，夹具10通过侧推气缸和正推气缸对模组进行定位，移载机构将模组送至焊接位；

3)三轴激光位移传感器运动到第一个焊接点正上方进行测距，记录当前激光位移传感器输出高度h1，通过PLC控制系统计算，用高度基准值h0减去测高输出值h1，得出测高补偿值△h＝h0–h1。

4)当前模组在该焊接点的焊接高度(Z1)与标定的焊接高度(Z0)的高度差为:

△Z＝Z0-Z1＝△h＝h0-h1。

5)通过X、Y、Z轴配合运动，使激光焊接振镜中心对准第一个焊接点。通过PLC控制系统计算，此时Z1轴实际值＝Z0轴标定值(标准模组焊接高度)-△Z1。

依此类推其它焊接点，就可以保证每个模组的每个焊接点都与标准模组的焊接高度一致，以此保证产品焊接工艺要求，从而保障产品质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：包括三轴运动平台、振镜焊接机构、激光位移传感器、模组定位机构、焊接压头下压气缸、焊接压头。

2.根据权利要求1所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述三轴运动平台，包括X轴运动平台、Y轴运动平台以及Z轴运动平台，其中X轴运动平台是平行于操作人员表面的伺服机构；Y轴运动平台位于模组上料平台表面，主要功能是将模组输送到设备内部和配合其它轴进行极耳焊接点的定位；Z轴运动平台固定在X轴上，垂直于设备工作台面，用于调整振镜焊接机构距离焊接表面的高度。

3.根据权利要求1所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述振镜焊接机构，振镜焊接机构包括激光发射器，通过激光发射器发射出来的激光经过振镜处理，再通过Z轴伺服进行高度调整，使激光束在焊接面上交汇于一点，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

4.根据权利要求1所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述激光位移传感器固定在Z轴定位板上，发出的光束通过压头定位板上的小孔，照射在极耳下面的汇流排上，再接收反射回来的光线，经过数据计算后，将得出来的距离数据显示在激光位移传感器的数显界面上，之后再由PLC控制系统进行数据抓取和计算。

5.根据权利要求3所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述焊接压头下压气缸，主要用于控制焊接压头的升降，焊接压头下压气缸底部定位块有4个弹簧，通过高度的调整来控制弹簧受力大小，以此来控制焊接压头压紧焊接表面的压力大小。

6.根据权利要求1所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述模组定位机构用于将振镜焊接机构定位到相应的模组的焊接点的上方。

7.根据权利要求1所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述激光位移传感器固定在Z轴定位板上，发出的光束通过压头定位板上的小孔，照射在极耳下面的汇流排上，再接收反射回来的光线，经过数据计算后，将得出来的距离数据显示在激光位移传感器的数显界面上，之后再由PLC控制系统进行数据抓取和计算。

8.根据权利要求7所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：所述激光位移传感器确定补偿值的具体方法，激光位移传感器与振镜1固定在一起，确定振镜1到焊接面2的焊接高度为H，此时保持Z轴不变，平移激光位移传感器至焊接面，测距值为h1；在实际焊接过程中，焊前先移动激光位移传感器至电芯焊接位正上方，光斑落到焊接区域内进行测距，结果为h2，根据测距结果计算出差值：△h＝h2-h1，△h即为补偿值；首先判断△h是否在设定补偿值的范围内；补偿值在设定范围内的，系统将补偿结果给到PLC控制器，通过PLC控制系统将补偿指令发送给Z轴伺服电机进行补偿调整。

9.根据权利要求8所述极耳激光焊接机激光测距装置，其特征在于：极耳激光焊接机激光测距装置的工作方法包括如下步骤：

1)利用合格模组进行标定，在保证工艺要求离焦量的前提下经验证得出振镜焊接位置Z轴高度为Z0，此时平移激光位移传感器至光斑落在焊盘区域内，激光位移传感器显示值为h0；

2)将模组放入夹具，防护门下降，夹具通过侧推气缸和正推气缸对模组进行定位，移载机构将模组送至焊接位；

3)三轴激光位移传感器运动到第一个焊接点正上方进行测距，记录当前激光位移传感器输出高度h1，通过PLC控制系统计算，用高度基准值h0减去测高输出值h1，得出测高补偿值△h＝h0–h1；

4)当前模组在该焊接点的焊接高度Z1与标定的焊接高度Z0的高度差为：

△Z＝Z0-Z1＝△h＝h0-h1；

5)通过X、Y、Z轴配合运动，使激光焊接振镜中心对准第一个焊接点；通过PLC控制系统计算，Z1轴实际值＝Z0轴标定值-△Z1。

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