CN117644306B - 一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法，属于激光加工技术领域。所述焦点检测装置包括连接支架和检测组件；连接支架用于与机器人的输出端可拆卸连接；检测组件包括二维滑动平台、光束位置分析仪、测量球、激光跟踪仪和数据处理模块，二维滑动平台位于连接支架上，二维滑动平台的顶面上具有定位点，光束位置分析仪和测量球均可拆卸地安装在定位点上，且光束位置分析仪和测量球均位于激光模块激光束焦点平面上，激光跟踪仪用于采集测量球的几何中心的实际运动轨迹。本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，可以精准测量出加工过程中机器人自身导致的焦点误差。

Description

一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法。

背景技术

随着自动化制造的发展，激光焊接已逐渐替代传统焊接进行生产作业，其作业精度要求高。目前，机器人激光远程焊接设备采用机器人带动激光模块（包括激光器和扫描振镜）一起进行工件加工，其中，采用激光模块把激光光束聚焦到工件上，轻便和高速动态的扫描振镜准确地在焊缝之间跳转，可以将更多的时间用于焊接和更少的时间来对下一个焊缝进行定位，该焊接方式因远距离和高速的特点，对其焦点的精度要求极高。

然而，现有的焦点检测装置仅只能在加工前检测其焦点精度，无法识别出加工过程中机器人自身导致的焦点误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法，其目的在于可以精准测量出加工过程中机器人自身导致的焦点误差。

第一方面，本发明提供了一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，所述焦点检测装置包括连接支架和检测组件；

所述连接支架用于与机器人的输出端可拆卸连接；

所述检测组件包括二维滑动平台、光束位置分析仪、测量球、激光跟踪仪和数据处理模块，所述二维滑动平台位于所述连接支架上，所述二维滑动平台的顶面上具有定位点，所述二维滑动平台用于驱动所述定位点沿第一方向和第二方向滑动，所述光束位置分析仪和所述测量球均可拆卸地安装在所述定位点上，且所述光束位置分析仪和所述测量球均位于激光模块激光束焦点平面上，所述激光跟踪仪用于采集所述测量球的几何中心的实际运动轨迹，所述数据处理模块用于获取所述机器人的控制轨迹和所述机器人与所述激光模块激光束焦点之间的位置数据，确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比所述实际运动轨迹和所述理论运动轨迹。

可选地，所述二维滑动平台包括滑块和支撑块，所述支撑块位于所述连接支架上，所述滑块可滑动地布置在所述支撑块上，所述滑块的滑动方向包括第一方向和第二方向，所述定位点位于所述滑块的顶面上。

可选地，所述二维滑动平台还包括两个调节模块，以驱动所述滑块沿第一方向或者第二方向滑动，各所述调节模块包括旋转式螺杆、旋转式螺杆支撑座和挡块，各所述旋转式螺杆支撑座位于所述支撑块上，各所述挡块位于所述滑块上，各所述旋转式螺杆插装在相对应的所述旋转式螺杆支撑座中，且各所述旋转式螺杆的一端与相对应的所述挡块相抵。

可选地，所述焦点检测装置还包括锁定件，所述锁定件用于将所述滑块锁定在所述支撑块上。

可选地，所述连接支架包括连接架和底板，所述连接架用于与机器人的输出端可拆卸连接，所述底板与所述连接架的底部固定连接，且所述底板位于所述激光模块下方，所述二维滑动平台位于所述底板上。

可选地，所述定位点上可拆卸地安装有连接块，所述光束位置分析仪可拆卸地插装在所述连接块上。

可选地，所述定位点上可拆卸地插装有磁铁，所述测量球被吸附在所述磁铁上。

可选地，所述底板可滑动地布置在所述连接架上，且所述底板的滑动方向沿第三方向延伸。

可选地，所述连接支架上具有第一刻度尺和第二刻度尺，所述第一刻度尺沿第一方向延伸，所述第二刻度尺沿第二方向延伸。

第二方面，本发明提供了一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测方法，所述焦点检测方法基于第一方面所述的焦点检测装置，所述焦点检测方法包括：

将所述连接支架固定在所述机器人的输出端上；

在所述二维滑动平台的所述定位点上放置所述光束位置分析仪，并通过所述二维滑动平台调节所述光束位置分析仪的位置，使得所述光束位置分析仪的中心与激光模块的激光束焦点重合；

拆卸下所述光束位置分析仪，并在所述定位点上安装所述测量球；

通过所述机器人带动所述激光模块和所述连接支架进行焊接路径的移动，以模拟远程激光加工，并通过所述激光跟踪仪采集所述测量球的几何中心的实际运动轨迹；

利用所述数据处理模块确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比所述实际运动轨迹和所述理论运动轨迹，从而确定出加工过程中所述机器人自身导致的焦点误差。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果如下：

对于本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，在对机器人激光远程焊接设备的焦点进行检测时，首先，将连接支架固定在机器人的输出端上，此时激光模块和本焦点检测装置均固定在机器人的输出端上，两者可以视为形成一个整体。然后，在二维滑动平台的定位点上放置光束位置分析仪，并通过二维滑动平台调节光束位置分析仪的位置，使得光束位置分析仪的中心与激光模块的激光束焦点重合，从而精准找到激光模块的激光束焦点，此时该激光束焦点的位置即为机器人控制下的激光束焦点移动的起始位置。

接着，拆卸下光束位置分析仪，并在定位点上安装测量球，从而保证在切换过程中保证焦点位置与测量球的几何中心重合。并且，通过机器人带动激光模块和连接支架进行焊接路径的移动，以模拟远程激光加工，并通过激光跟踪仪采集测量球的几何中心的实际运动轨迹。此时由于激光模块与焦点检测装置连接形成一个整体，通过机器人带动激光模块进行焊接路径的移动，从而通过该焦点检测装置上的测量球和激光跟踪仪即可采集出激光束焦点的实际运动轨迹。最后，利用数据处理模块确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比实际运动轨迹和理论运动轨迹，从而通过机器人带动激光束焦点移动的理论运动轨迹与激光跟踪仪实际测量的激光束焦点的实际运动轨迹即可确定出机器人内部由于运动过程中形成的焦点误差（例如：抖动、振动等），进而精准确定出加工过程中机器人自身导致的焦点误差。

也就是说，本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，可以精准测量出加工过程中机器人自身导致的焦点误差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置的使用示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置的第一状态示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置的第二状态示意图；

图4是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测方法的流程图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1、连接支架；11、连接架；12、底板；2、检测组件；21、二维滑动平台；211、滑块；212、支撑块；213、调节模块；2131、旋转式螺杆；2132、旋转式螺杆支撑座；2133、挡块；22、光束位置分析仪；23、测量球；24、连接块；25、磁铁；100、机器人；200、激光模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

图1是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置的使用示意图，如图1所示，焦点检测装置包括连接支架1和检测组件2。

连接支架1用于与机器人100的输出端可拆卸连接。

检测组件2包括二维滑动平台21、光束位置分析仪22、测量球23、激光跟踪仪和数据处理模块（图未示），二维滑动平台21位于连接支架1上，二维滑动平台21的顶面上具有定位点，二维滑动平台21用于驱动定位点沿第一方向（X方向）和第二方向（Y方向）滑动，光束位置分析仪22和测量球23均可拆卸地安装在定位点上，且光束位置分析仪22和测量球23均位于激光模块200激光束焦点平面上，激光跟踪仪用于采集测量球23的几何中心的实际运动轨迹，数据处理模块用于获取机器人100的控制轨迹和机器人100与激光模块200激光束焦点之间的位置数据，确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比实际运动轨迹和理论运动轨迹。

对于本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，在对机器人激光远程焊接设备的焦点进行检测时，首先，将连接支架1固定在机器人100的输出端上，此时激光模块200和本焦点检测装置均固定在机器人100的输出端上，两者可以视为形成一个整体。然后，在二维滑动平台21的定位点上放置光束位置分析仪22（见图2），并通过二维滑动平台21调节光束位置分析仪22的位置，使得光束位置分析仪22的中心与激光模块200的激光束焦点重合，从而精准找到激光模块200的激光束焦点，此时该激光束焦点的位置即为机器人100控制下的激光束焦点移动的起始位置。

接着，拆卸下光束位置分析仪22，并在定位点上安装测量球23，从而保证在切换过程中保证焦点位置与测量球23的几何中心重合（见图3）。并且，通过机器人100带动激光模块200和连接支架1进行焊接路径的移动，以模拟远程激光加工，并通过激光跟踪仪采集测量球23的几何中心的实际运动轨迹。此时由于激光模块200与焦点检测装置连接形成一个整体，通过机器人100带动激光模块200进行焊接路径的移动，从而通过该焦点检测装置上的测量球23和激光跟踪仪即可采集出激光束焦点的实际运动轨迹。最后，利用数据处理模块确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比实际运动轨迹和理论运动轨迹，从而通过机器人100带动激光束焦点移动的理论运动轨迹与激光跟踪仪实际测量的激光束焦点的实际运动轨迹即可确定出机器人100内部由于运动过程中形成的焦点误差（例如：抖动、振动等），进而精准确定出加工过程中机器人100自身导致的焦点误差。

也就是说，本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，可以精准测量出加工过程中机器人100自身导致的焦点误差。

容易理解的是，通过精准测量出加工过程中机器人100自身导致的焦点误差后（此时焦点误差较小），可以指导后续的激光远程焊接，避免出现损坏工件的问题。另外，当该焦点误差过大时，还可以对实际焊接路径补偿来提高焊接的效果。

需要说明的是，机器人激光远程焊接设备中，机器人100的输出端（即为连接法兰）与激光模块200连接，此时法兰的中心即可视为机器人100驱动的中心。因此，通过机器人100内部已经设定的运动轨迹，及法兰中心与激光束焦点的相对位置数据，即可确定出机器人100控制下激光束焦点的理论运动轨迹。

示例性地，连接支架1上具有第一刻度尺和第二刻度尺，第一刻度尺沿第一方向延伸，第二刻度尺沿第二方向延伸，从而通过第一刻度尺和第二刻度尺可以精准调节定位点的位置，提高找到激光模块200的激光束焦点的效率。

在本实施例中，连接支架1包括连接架11和底板12，连接架11用于与机器人100的输出端可拆卸连接，底板12与连接架11的底部固定连接，且底板12位于激光模块200下方，二维滑动平台21位于底板12上。

在上述实施方式中，连接架11起到竖向连接机器人100的作用，而底板12则实现对二维滑动平台21的水平支撑。

示例性地，定位点上可拆卸地安装有连接块24，光束位置分析仪22可拆卸地插装在连接块24上，从而通过连接块24实现光束位置分析仪22在定位点上可靠安装。并且，定位点上可拆卸安装有连接块定位座，连接块24固定在连接块定位座中。

另外，定位点上可拆卸地插装有磁铁25，测量球23被吸附在磁铁25上，从而通过磁铁25实现测量球23在定位点上可靠安装。并且，定位点上可拆卸安装有磁吸定位座，磁铁25插装在磁吸定位座中。

示例性地，连接块24和磁铁25均可以通过法兰固定在二维滑动平台21上。

进一步地，底板12可滑动地布置在连接架11上，且底板12的滑动方向沿第三方向延伸，从而通过滑动底板12来调节底板12在第三方向（Z方向）上的高度，从而适应不同激光模块200（不同激光模块200的焦点平面高度不同），增大本装置的适用范围。

再次参见图2和图3，二维滑动平台21包括滑块211和支撑块212，支撑块212位于连接支架1上，滑块211可滑动地布置在支撑块212上，滑块211的滑动方向包括第一方向和第二方向，定位点位于滑块211的顶面上。

在上述实施方式中，支撑块212可以实现滑块211在连接支架1上的支撑，而滑块211可以带动定位点在平面内自由移动，从而带动光束位置分析仪22移动，进而精准找到加工前激光束焦点的位置。

进一步地，二维滑动平台21还包括两个调节模块213，以驱动滑块211沿第一方向或者第二方向滑动，各调节模块213包括旋转式螺杆2131、旋转式螺杆支撑座2132和挡块2133，各旋转式螺杆支撑座2132位于支撑块212上，各挡块2133位于滑块211上，各旋转式螺杆2131插装在相对应的旋转式螺杆支撑座2132中，且各旋转式螺杆2131的一端与相对应的挡块2133相抵。

示例性地，通过旋拧旋转式螺杆2131，该旋转式螺杆2131则会在旋转式螺杆支撑座2132上沿第一方向或者第二方向移动，从而推顶挡块2133沿第一方向或者第二滑动，进而可以调节光束位置分析仪22在焦点平面上的位置。另外，通过旋转式螺杆2131调节滑块211的位置调节精度高，便于控制。

在本实施例中，二维滑动平台21的调节精度为±0.01mm，保证定位点的调节精度。

另外，焦点检测装置还包括锁定件，锁定件用于将滑块211锁定在支撑块212上，从而避免在进行焊接路径的移动时，滑块211相对连接支架1意外滑动而影响激光跟踪仪的测量。

示例性地，锁定件可以为螺栓或者夹具等，本发明对此不作限制。

图4是本发明实施例提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测方法的流程图，如图4所示，该焦点检测方法基于上述的焦点检测装置，该焦点检测方法包括：

S101、将连接支架1固定在机器人100的输出端上。

S102、在二维滑动平台21的定位点上放置光束位置分析仪22，并通过二维滑动平台21调节光束位置分析仪22的位置，使得光束位置分析仪22的中心与激光模块200的激光束焦点重合。

S103、拆卸下光束位置分析仪22，并在定位点上安装测量球23。

S104、通过机器人100带动激光模块200和连接支架1进行焊接路径的移动，以模拟远程激光加工，并通过激光跟踪仪采集测量球23的几何中心的实际运动轨迹。

S105、利用数据处理模块确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比实际运动轨迹和理论运动轨迹，从而确定出加工过程中机器人100自身导致的焦点误差。

本发明提供的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置及方法，具有如下技术效果：

1.提高了焦点测量的精准度。该焦点检测装置通过光束位置分析仪22和二维滑动平台21找到焦点的准确位置并通过替换成测量球23后，其几何中心与焦点重合，使用高精度激光跟踪仪测量运动过程中焦点的轨迹，对比实际运动轨迹和理论运动轨迹，可以分析出该机器人激光远程焊接设备焦点的位置精度。

2.提高了焦点测量的速度。该焦点检测装置整体通过连接支架1进行连接，可以快速安装使用，减少了安装和拆卸的时间。使用二维滑动平台21可以快速的找到焦点，替换为测量球23时，只需要保持测量球23的接收口在激光跟踪仪的工作范围内即可，激光跟踪仪的响应速度快、精度高。该焦点检测装置安装和使用的整个过程时间较短。

3.提高了焊接的安全性。该焦点检测装置可以测量出机器人激光远程焊接设备的焦点精度并对焦点轨迹进行预测，避免焊接时损坏工件。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述焦点检测装置包括连接支架（1）和检测组件（2）；

所述连接支架（1）用于与机器人（100）的输出端可拆卸连接；

所述检测组件（2）包括二维滑动平台（21）、光束位置分析仪（22）、测量球（23）、激光跟踪仪和数据处理模块，所述二维滑动平台（21）位于所述连接支架（1）上，所述二维滑动平台（21）的顶面上具有定位点，所述二维滑动平台（21）用于驱动所述定位点沿第一方向和第二方向滑动，所述光束位置分析仪（22）和所述测量球（23）均可拆卸地安装在所述定位点上，且所述光束位置分析仪（22）和所述测量球（23）均位于激光模块（200）激光束焦点平面上，所述激光跟踪仪用于采集所述测量球（23）的几何中心的实际运动轨迹，所述数据处理模块用于获取所述机器人（100）的控制轨迹和所述机器人（100）与所述激光模块（200）激光束焦点之间的位置数据，确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比所述实际运动轨迹和所述理论运动轨迹；

焦点检测方法基于所述的焦点检测装置，所述焦点检测方法包括：

将所述连接支架（1）固定在所述机器人（100）的输出端上；

在所述二维滑动平台（21）的所述定位点上放置所述光束位置分析仪（22），并通过所述二维滑动平台（21）调节所述光束位置分析仪（22）的位置，使得所述光束位置分析仪（22）的中心与激光模块（200）的激光束焦点重合；

拆卸下所述光束位置分析仪（22），并在所述定位点上安装所述测量球（23）；

通过所述机器人（100）带动所述激光模块（200）和所述连接支架（1）进行焊接路径的移动，以模拟远程激光加工，并通过所述激光跟踪仪采集所述测量球（23）的几何中心的实际运动轨迹；

利用所述数据处理模块确定出激光束焦点的理论运动轨迹，并对比所述实际运动轨迹和所述理论运动轨迹，从而确定出加工过程中所述机器人（100）自身导致的焦点误差。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述二维滑动平台（21）包括滑块（211）和支撑块（212），所述支撑块（212）位于所述连接支架（1）上，所述滑块（211）可滑动地布置在所述支撑块（212）上，所述滑块（211）的滑动方向包括第一方向和第二方向，所述定位点位于所述滑块（211）的顶面上。

3.根据权利要求2所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述二维滑动平台（21）还包括两个调节模块（213），以驱动所述滑块（211）沿第一方向或者第二方向滑动，各所述调节模块（213）包括旋转式螺杆（2131）、旋转式螺杆支撑座（2132）和挡块（2133），各所述旋转式螺杆支撑座（2132）位于所述支撑块（212）上，各所述挡块（2133）位于所述滑块（211）上，各所述旋转式螺杆（2131）插装在相对应的所述旋转式螺杆支撑座（2132）中，且各所述旋转式螺杆（2131）的一端与相对应的所述挡块（2133）相抵。

4.根据权利要求2所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述焦点检测装置还包括锁定件，所述锁定件用于将所述滑块（211）锁定在所述支撑块（212）上。

5.根据权利要求1所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述连接支架（1）包括连接架（11）和底板（12），所述连接架（11）用于与机器人（100）的输出端可拆卸连接，所述底板（12）与所述连接架（11）的底部固定连接，且所述底板（12）位于所述激光模块（200）下方，所述二维滑动平台（21）位于所述底板（12）上。

6.根据权利要求5所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述定位点上可拆卸地安装有连接块（24），所述光束位置分析仪（22）可拆卸地插装在所述连接块（24）上。

7.根据权利要求5所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述定位点上可拆卸地插装有磁铁（25），所述测量球（23）被吸附在所述磁铁（25）上。

8.根据权利要求5所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述底板（12）可滑动地布置在所述连接架（11）上，且所述底板（12）的滑动方向沿第三方向延伸。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种用于机器人激光远程焊接设备的焦点检测装置，其特征在于，所述连接支架（1）上具有第一刻度尺和第二刻度尺，所述第一刻度尺沿第一方向延伸，所述第二刻度尺沿第二方向延伸。