CN115889978B - 一种激光焊接3d螺旋式光斑控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法及装置，通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

Description

一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法及装置

技术领域

本发明涉及激光焊接精密控制装置技术领域，更具体地说，本发明涉及一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法及装置。

背景技术

激光摆动焊接激光束在摆动模块作用下实现高频周期性运动；在现在的激光摆动摆动焊接方案中，分为单摆和双摆两种类型，单摆一般为一字型，双摆为二维平面圆形、8字形以及其他各种形状，这些技术在解决焊接缝宽以及焊接工艺技术方面仅较适合薄板材的激光焊接；但是当板材厚度较厚时，则平面摆动焊接方式存在较大缺陷，激光存在焦距问题，一旦离焦，激光能量锐减，造成金属表面焊接成型但是底部没有被融化焊接；具体问题还包括：如何使动镜片组做稳定摆动、如何获取预选择位置与焦点的对应关系、如何对激光射线进行精准摆动调节及精确改变激光射线照射角度、如何形成焦点烧熔一致光斑进行精密焊接等具体问题尚待解决；因此，有必要提出一种触摸屏全智能控制装置及其控制方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明；本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，包括：

S100：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

S200：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

S300：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

S400：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

优选的，S100包括：

S101：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

S102：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

S103：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

优选的，S200包括：

S201：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

S202：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

S203：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

优选的，S300包括：

S301：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

S302：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

S303：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。

优选的，S400包括：

S401：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

S402：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

S403：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，包括：

摆动镜片组模块：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

激光束入射设置模块：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

双向摆动调节模块：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

Z轴动态焦距焊接模块：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

优选的，所述摆动镜片组模块包括：

镜片组位置幅度分析单元：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

摆动轴设置定位单元：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

镜片组摆动驱动单元：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

优选的，所述激光束入射设置模块包括：

激光射线点控制单元：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

初始射线点对位单元：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

射线照射调节单元：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

优选的，所述双向摆动调节模块包括：

镜片组摆动位置采集单元：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

射线照射角度调节单元：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

摆动调节振镜头输入单元：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。

优选的，所述Z轴动态焦距焊接模块包括：

Z轴焦距动态调节单元：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

Z轴光斑一致矫正单元：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

3D螺旋式焊接单元：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法及装置，通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接；本发明完全兼容现有的平面单摆和双摆焊接方式；摆动类型由二维转换为三维；采用圆形、8字型等螺旋以及可调光斑直径控制；增加一个Z轴光斑高速控制；镜片组通过X轴双向高速摆动轴同时做高速摆动；填丝方向以及填丝量控制；本发明对于厚板的激光填丝焊接，能够大幅改善现有技术焊接的堆积、空隙、断点及一致性差的问题，使焊缝空间中的焊接点保持均匀、连续及一致性，具有显著的焊接效果提升；解决厚板激光焊接的均匀性和一致性问题；显著降低厚板焊接的工艺难度，大幅提高激光焊接的应用范围。

本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法及装置，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法步骤图。

图2为本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置结构图。

图3为本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法Z轴焦点一个实施例图。

图4为本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法焊接平面效果图。

图5为本发明所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法焊接立面焊缝效果图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施；如图1-图5所示，本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，包括：

S100：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

S200：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

S300：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

S400：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

上述技术方案的工作原理及效果为：本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，包括：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接；本发明完全兼容现有的平面单摆和双摆焊接方式；摆动类型由二维转换为三维；采用圆形、8字型等螺旋以及可调光斑直径控制；增加一个Z轴光斑高速控制；镜片组通过X轴双向高速摆动轴同时做高速摆动；填丝方向以及填丝量控制；激光摆动焊接在激光枪头位置安装一个摆动模块，通过摆动模块对枪头施加周期性摆动激励，使激光束呈现同样周期性运动轨迹；随着与待焊产品的相对运动，会在焊接方向上形成一条周期性变化的焊接轨迹，焊接轨迹包括：圆形焊接轨迹、8字型焊接轨迹及一字型焊接轨迹；在激光摆动焊接过程，激光束在摆动模块作用下实现高频周期性运动，一方面会使焊缝反复重熔，增大熔池面积，可以对成形缺陷起到改善作用；同时增大激光束的作用面积，提高匙孔稳定性，有利于减少焊缝成形缺陷的产生；本发明对于厚板的激光填丝焊接，能够大幅改善现有技术焊接的堆积、空隙、断点及一致性差的问题，使焊缝空间中的焊接点保持均匀、连续及一致性，具有显著的焊接效果提升；解决厚板激光焊接的均匀性和一致性问题；显著降低厚板焊接的工艺难度，大幅提高激光焊接的应用范围。

在一个实施例中，S100包括：

S101：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

S102：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

S103：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

上述技术方案的工作原理及效果为：激光射线具有直线传播路径；以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组；在激光摆动焊接过程，激光束在摆动模块作用下实现高频周期性运动，一方面会使焊缝反复重熔，增大熔池面积，可以对成形缺陷起到改善作用；

摆动驱动机构设置有第一惯性补偿纠偏模块及第二惯性补偿纠偏模块；第一惯性补偿纠偏模块位于摆动轴X轴双向摆动的第一摆动顶点端；第一惯性补偿纠偏模块包括：第一惯性阻尼器与第一纠偏控制单元；第一惯性阻尼器一端连接第一纠偏控制单元，另一端为与摆动轴外径吻合的第一C形口，在初始状态时，第一C形口位置处于第一摆动顶点端且经过第一纠偏控制单元纠偏后位置，获取第一补偿纠偏位置；通过第一C形口承接摆动轴摆动惯性，并通过第一惯性阻尼器物理阻尼补偿后，传递到第一纠偏控制单元，形成第二补偿纠偏位置；第二惯性补偿纠偏模块包括：第二惯性阻尼器与第二纠偏控制单元；第二惯性阻尼器一端连接第二纠偏控制单元，另一端为与摆动轴外径吻合的第二C形口，在初始状态时，第二C形口位置处于第二摆动顶点端且经过第二纠偏控制单元纠偏后位置，获取第三补偿纠偏位置；通过第二C形口承接摆动轴摆动惯性，并通过第二惯性阻尼器物理阻尼补偿后，传递到第二纠偏控制单元，形成第四补偿纠偏位置；能够获取精确镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端通过防震垫片连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；能够使镜片组进行摆动，显著降低摆动过程中的惯性误差及震动，使镜片组摆动更平稳精准。

在一个实施例中，S200包括：

S201：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

S202：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

S203：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

上述技术方案的工作原理及效果为：激光同位置同方向反射线与原入射线具有相同路径；通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；能够使X轴双向摆动镜片组对Z轴焦点位置的对应更加准确清晰。

在一个实施例中，S300包括：

S301：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

S302：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

S303：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。计算X轴双向摆动镜片组摆动产生的焦点移动距离值：

；

其中，DWXZu表示镜片组摆动产生的焦点移动距离值，N表示镜片组摆动过程中X轴向移动距离范围内的全部摆动位置数量，Xi表示镜片组摆动X轴向摆动位置的第i个X轴坐标值，Xi+1表示镜片组摆动X轴向摆动位置的第i+1个X轴坐标值，La表示二维振镜头的第一振镜头与焦点距离，Lb表示二维振镜头的第二振镜头与焦点距离；通过计算X轴双向摆动镜片组摆动产生的焦点移动距离值，使X轴双向摆动调节对Z轴焦点的调节更加精准。

在一个实施例中，S400包括：

S401：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

S402：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

S403：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

上述技术方案的工作原理及效果为：利用X轴双向摆动调节二维振镜头的激光如射角度，经过激光射线反射折射，使Z焦距动态变化；通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接；能够大幅改善现有技术焊接的堆积、空隙、断点及一致性差的问题，使焊缝空间中的焊接点保持均匀、连续及一致性，具有显著的焊接效果提升。

三维实时叠加校正包括：创建3D光斑三维矫正空间阵，设置3D光斑三维矫正空间阵调用函数；创建3D光斑三维矫正空间阵包括：X轴Y轴设置64x64平面校正阵列；Z轴设置垂向矫正数列；垂向矫正数列的一个垂向矫正数组对应一个平面校正阵列；通过垂向矫正数列与平面校正阵列，构成3D光斑三维矫正阵体；3D光斑立体矫正包括：X轴光斑矫正、Y轴光斑矫正及Z轴光斑矫正；激光振镜控制器组包括：第一激光振镜控制器及第二激光振镜控制器；第一激光振镜控制器通过矫正表调用函数，查找非线性校正表进行X轴Y轴平面校正；同时，第二激光振镜控制器通过数组调用函数，查找垂向矫正数组进行垂向校正；垂向矫正在平面校正基础上，叠加一个垂向矫正量；在振镜输出中，激光振镜控制器组在每个刷新周期内对输出的位置点实时三维叠加非线性校正，进行三维实时叠加校正；通过三维实时叠加校正，可以解决激光焦点在空间中的定位精准度问题；本方案还可以解决厚板激光焊接的均匀性和一致性问题；显著降低厚板焊接的工艺难度，大幅提高激光焊接的应用范围。

本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，包括：

摆动镜片组模块：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

激光束入射设置模块：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

双向摆动调节模块：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

Z轴动态焦距焊接模块：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

上述技术方案的工作原理及效果为：本发明提供了一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，包括：摆动镜片组模块：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；激光束入射设置模块：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；双向摆动调节模块：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；Z轴动态焦距焊接模块：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接；本发明完全兼容现有的平面单摆和双摆焊接方式；摆动类型由二维转换为三维；采用圆形、8字型等螺旋以及可调光斑直径控制；增加一个Z轴光斑高速控制；镜片组通过X轴双向高速摆动轴同时做高速摆动；填丝方向以及填丝量控制；激光摆动焊接在激光枪头位置安装一个摆动模块，通过摆动模块对枪头施加周期性摆动激励，使激光束呈现同样周期性运动轨迹；随着与待焊产品的相对运动，会在焊接方向上形成一条周期性变化的焊接轨迹，焊接轨迹包括：圆形焊接轨迹、8字型焊接轨迹及一字型焊接轨迹；在激光摆动焊接过程，激光束在摆动模块作用下实现高频周期性运动，一方面会使焊缝反复重熔，增大熔池面积，可以对成形缺陷起到改善作用；同时增大激光束的作用面积，提高匙孔稳定性，有利于减少焊缝成形缺陷的产生；本发明对于厚板的激光填丝焊接，能够大幅改善现有技术焊接的堆积、空隙、断点及一致性差的问题，使焊缝空间中的焊接点保持均匀、连续及一致性，具有显著的焊接效果提升；解决厚板激光焊接的均匀性和一致性问题；显著降低厚板焊接的工艺难度，大幅提高激光焊接的应用范围。

在一个实施例中，所述摆动镜片组模块包括：

镜片组位置幅度分析单元：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

摆动轴设置定位单元：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

镜片组摆动驱动单元：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

上述技术方案的工作原理及效果为：激光射线具有直线传播路径；所述摆动镜片组模块包括：镜片组位置幅度分析单元：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；摆动轴设置定位单元：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；镜片组摆动驱动单元：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组；在激光摆动焊接过程，激光束在摆动模块作用下实现高频周期性运动，一方面会使焊缝反复重熔，增大熔池面积，可以对成形缺陷起到改善作用；

摆动驱动机构设置有第一惯性补偿纠偏模块及第二惯性补偿纠偏模块；第一惯性补偿纠偏模块位于摆动轴X轴双向摆动的第一摆动顶点端；第一惯性补偿纠偏模块包括：第一惯性阻尼器与第一纠偏控制单元；第一惯性阻尼器一端连接第一纠偏控制单元，另一端为与摆动轴外径吻合的第一C形口，在初始状态时，第一C形口位置处于第一摆动顶点端且经过第一纠偏控制单元纠偏后位置，获取第一补偿纠偏位置；通过第一C形口承接摆动轴摆动惯性，并通过第一惯性阻尼器物理阻尼补偿后，传递到第一纠偏控制单元，形成第二补偿纠偏位置；第二惯性补偿纠偏模块包括：第二惯性阻尼器与第二纠偏控制单元；第二惯性阻尼器一端连接第二纠偏控制单元，另一端为与摆动轴外径吻合的第二C形口，在初始状态时，第二C形口位置处于第二摆动顶点端且经过第二纠偏控制单元纠偏后位置，获取第三补偿纠偏位置；通过第二C形口承接摆动轴摆动惯性，并通过第二惯性阻尼器物理阻尼补偿后，传递到第二纠偏控制单元，形成第四补偿纠偏位置；摆动轴上端通过防震垫片连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；能够使镜片组进行摆动，显著降低摆动过程中的惯性误差及震动，使镜片组摆动更平稳精准。

在一个实施例中，所述激光束入射设置模块包括：

激光射线点控制单元：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

初始射线点对位单元：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

射线照射调节单元：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

上述技术方案的工作原理及效果为：激光同位置同方向反射线与原入射线具有相同路径；所述激光束入射设置模块包括：激光射线点控制单元：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；初始射线点对位单元：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；射线照射调节单元：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；能够使X轴双向摆动镜片组对Z轴焦点位置的对应更加准确清晰。

在一个实施例中，所述双向摆动调节模块包括：

镜片组摆动位置采集单元：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

射线照射角度调节单元：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

摆动调节振镜头输入单元：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。

上述技术方案的工作原理及效果为：X轴双向摆动镜片组摆动过程中，除摆动轴中心外，在X轴双向摆动镜片组处于不同摆动位置时光程不同，改变激光射线照射角度；所述双向摆动调节模块包括：镜片组摆动位置采集单元：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；射线照射角度调节单元：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；摆动调节振镜头输入单元：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

计算X轴双向摆动镜片组摆动产生的焦点移动距离值：

；

其中，DWXZu表示镜片组摆动产生的焦点移动距离值，N表示镜片组摆动过程中X轴向移动距离范围内的全部摆动位置数量，Xi表示镜片组摆动X轴向摆动位置的第i个X轴坐标值，Xi+1表示镜片组摆动X轴向摆动位置的第i+1个X轴坐标值，La表示二维振镜头的第一振镜头与焦点距离，Lb表示二维振镜头的第二振镜头与焦点距离；通过计算X轴双向摆动镜片组摆动产生的焦点移动距离值，使X轴双向摆动调节对Z轴焦点的调节更加精准。

在一个实施例中，所述Z轴动态焦距焊接模块包括：

Z轴焦距动态调节单元：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

Z轴光斑一致矫正单元：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

3D螺旋式焊接单元：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

上述技术方案的工作原理及效果为：所述Z轴动态焦距焊接模块包括：Z轴焦距动态调节单元：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；Z轴光斑一致矫正单元：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；3D螺旋式焊接单元：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接；能够大幅改善现有技术焊接的堆积、空隙、断点及一致性差的问题，使焊缝空间中的焊接点保持均匀、连续及一致性，具有显著的焊接效果提升；

三维实时叠加校正包括：创建3D光斑三维矫正空间阵，设置3D光斑三维矫正空间阵调用函数；创建3D光斑三维矫正空间阵包括：X轴Y轴设置64x64平面校正阵列；Z轴设置垂向矫正数列；垂向矫正数列的一个垂向矫正数组对应一个平面校正阵列；通过垂向矫正数列与平面校正阵列，构成3D光斑三维矫正阵体；3D光斑立体矫正包括：X轴光斑矫正、Y轴光斑矫正及Z轴光斑矫正；激光振镜控制器组包括：第一激光振镜控制器及第二激光振镜控制器；第一激光振镜控制器通过矫正表调用函数，查找非线性校正表进行X轴Y轴平面校正；同时，第二激光振镜控制器通过数组调用函数，查找垂向矫正数组进行垂向校正；垂向矫正在平面校正基础上，叠加一个垂向矫正量；在振镜输出中，激光振镜控制器组在每个刷新周期内对输出的位置点实时三维叠加非线性校正，进行三维实时叠加校正；通过三维实时叠加校正，可以解决激光焦点在空间中的定位精准度问题；本方案还可以解决厚板激光焊接的均匀性和一致性问题；显著降低厚板焊接的工艺难度，大幅提高激光焊接的应用范围。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，其特征在于，包括：

S100：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

S200：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

S300：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

S400：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

2.如权利要求1所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，其特征在于，S100包括：

S101：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

S102：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

S103：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

3.如权利要求1所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，其特征在于，S200包括：

S201：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

S202：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

S203：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

4.如权利要求1所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，其特征在于，S300包括：

S301：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

S302：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

S303：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。

5.如权利要求1所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制方法，其特征在于，S400包括：

S401：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

S402：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

S403：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

6.一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，其特征在于，包括：

摆动镜片组模块：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动，形成X轴双向摆动镜片组；

激光束入射设置模块：通过激光器发射原发激光射线，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组中入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系；

双向摆动调节模块：通过X轴双向摆动镜片组，对原发激光射线进行X轴双向摆动调节，改变原发激光射线照射角度，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头；

Z轴动态焦距焊接模块：通过二维振镜头将X轴双向摆动调节激光射线反射折射转换成Z轴向动态调节焦距，形成Z轴向焦点烧熔光斑，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

7.如权利要求6所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，其特征在于，所述摆动镜片组模块包括：

镜片组位置幅度分析单元：以原发激光射线经二维振镜头初始位置反射中心点为参考坐标原点，以原发激光射线角度初始虚拟穿过参考坐标原点的中心轴为X轴，以沿水平方向与X轴垂直轴为Y轴，以垂直水平面方向为Z轴，建立参考坐标系；通过激光光路角度检测，获取激光器发射原发激光射线角度，设置镜片组初始位置及X轴同步双向摆动幅度；

摆动轴设置定位单元：根据镜片组设置位置及X轴同步双向摆动幅度，设置X轴双向摆动的摆动轴；

镜片组摆动驱动单元：通过沿X轴双向摆动的摆动轴，带动镜片组做X轴同步双向摆动；摆动轴上端连接镜片组底部边缘，摆动轴下端连接摆动驱动机构；镜片组、摆动轴及摆动驱动机构，形成X轴双向摆动镜片组。

8.如权利要求6所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，其特征在于，所述激光束入射设置模块包括：

激光射线点控制单元：通过激光器发射原发激光射线，照射X轴双向摆动镜片组初始位置，获取预入射激光射线点位置；

初始射线点对位单元：根据预入射激光射线点位置，将原发激光射线照射到X轴双向摆动镜片组的入射镜片，形成第一激光射线点；

射线照射调节单元：通过X轴双向摆动镜片组进行初始摆动，原发激光射线照射到入射镜片光程改变，根据激光射线照射角度，激光射线照射到入射镜片的位置变化，形成第二激光射线点；原发激光射线通过第一激光射线点和第二激光射线点，经过镜片组折射形成第一折射激光射线和第二折射激光射线，第一折射激光射线和第二折射激光射线经过二维振镜头反射后，分别在光路Z轴方向形成第一Z轴焦点和第二Z轴焦点；检测Z轴焦点位置并反馈设置入射镜片的预选择位置，获取预选择位置与Z轴焦点的位置焦点对应关系。

9.如权利要求6所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，其特征在于，所述双向摆动调节模块包括：

镜片组摆动位置采集单元：通过X轴双向摆动镜片组，进行X轴双向摆动，获取镜片组第一摆动位置及镜片组第二摆动位置；

射线照射角度调节单元：根据镜片组第一摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第一位置照射角度，根据镜片组第二摆动位置，激光射线与X轴双向摆动镜片组形成第二位置照射角度；

摆动调节振镜头输入单元：通过第一位置照射角度及第二位置照射角度，原发激光射线照射角度改变，获取X轴双向摆动调节激光射线，并照射到二维振镜头。

10.如权利要求6所述的一种激光焊接3D螺旋式光斑控制装置，其特征在于，所述Z轴动态焦距焊接模块包括：

Z轴焦距动态调节单元：通过二维振镜头的第一振镜头，将X轴双向摆动调节激光射线反射折射到第二振镜头上，通过第二振镜头转换成Z轴方向激光射线，Z轴方向激光射线焦点通过X轴双向摆动调节动态变化，形成Z轴向动态调节焦距；

Z轴光斑一致矫正单元：根据Z轴向动态调节焦距，动态调节Z轴向焦点光斑与Z轴向设置焊接点位置保持一致，形成Z轴向焦点烧熔光斑；通过激光振镜控制器组对激光射线数据点进行三维实时叠加校正；

3D螺旋式焊接单元：Z轴向焦点烧熔光斑在焊接过程中形成Z轴向光斑运动，同时叠加X轴向光斑运动及Y轴向光斑运动，进行3D螺旋式光斑焊接。

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