CN1788914A - 激光焊接系统和激光焊接控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊接系统，安装在机器人手臂上的激光加工头以恒定速度沿从一个焊点到下一个焊点的方向移动，同时为了保持激光束聚焦在该焊点上，反射镜连续地转动直至在该焊点的焊接完成，并且当在该焊点的焊接完成时，反射镜迅速地转动，以使激光束的焦点移到下一个焊点上。

Description

激光焊接系统和激光焊接控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接系统及其控制方法。

背景技术

近年来，在使用机器人焊接的领域中已经开始采用激光焊接技术。在日本专利No.3229834中公开了一种使用机器人的激光焊接技术。在所公开的技术中，可转动的反射镜被安装在机器人手臂上，以便利用反射镜引导激光束，并且通过可转动的反射镜引导所需的激光束连续地焊接多个焊点。通过反射镜使激光束方向偏转的最显著的优点是，随着相对轻且动作快的反射镜的转动，可从一个焊点变化到另一个焊点。使用这种反射镜的激光焊接提供了比传统的点焊工艺更高的工作效率，在该传统的点焊工艺中不得不将沉重的焊枪来回移动。

然而，传统的激光焊接仅适用于有限的范围，其中，可以通过反射镜使激光束摆动，以通过反射镜的动作改变焊点。因此，如果需要连续地焊接多个焊点，并且如果下一个焊点的位置超出了通过摆动激光束所能覆盖的范围，或者如果需要改变激光射出方向，那么，在任何情况下必须移动机器人手臂。

因此，当焊点散布在大范围内时，移动机器人手臂的频率趋向增加。所以，在这种情况下，使用反射镜和激光束完成所有焊点的焊接所需的总时间与使用安装在机器人上的传统焊枪的点焊所需的时间差别不大，从而工作效率的提高几乎可以被忽略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够充分改善激光焊接工艺的激光焊接控制装置及其控制方法。

为了达到上述目的，根据本发明的激光焊接系统配备有：机器人；激光加工头，其安装在所述机器人上，该激光加工头的激光束射出方向可自由地改变；以及机器人控制器，其用于控制所述机器人的姿态，以沿规定方向以规定速度使所述激光加工头移动，在所述激光加工头的所述移动过程中，所述机器人控制器控制所述激光加工头，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成第一焊点的焊接之后，当所述激光加工头到达将要开始焊接第二焊点的位置时，所述机器人控制器控制所述激光加工头的激光束指向，以使所述激光束指向第二焊点。

根据本发明用于达到上述目的的激光焊接控制方法能够：通过控制安装有可自由地改变激光束射出方向的激光加工头的机器人，使激光加工头沿规定方向以规定速度移动；在所述激光加工头的所述移动过程中，控制来自所述激光加工头的所述激光束射出方向，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成第一焊点的焊接之后，当所述激光加工头到达将要开始焊接第二焊点的位置时，改变所述激光束射出方向，使所述激光束指向第二焊点。

此外，为了达到上述目的，根据本发明的激光焊接系统配备有：机器人；激光束射出装置，其安装在机器人上，该激光束射出装置的激光束射出方向可自由地改变；以及机器人控制器，其用于控制所述机器人的姿态，以沿规定方向以规定速度使所述激光束射出装置移动，在所述激光束射出装置的所述移动过程中，所述机器人控制器控制所述激光束射出装置，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成第一焊点的焊接之后，当所述激光束射出装置到达将要开始焊接第二焊点的位置时，所述机器人控制器控制所述激光束射出装置的激光束指向，以使所述激光束指向第二焊点。

附图说明

图1是用于说明本发明所应用的激光焊接系统的示意性透视图。

图2是用于说明激光加工头的示意性透视图。

图3是示出如何将激光加工头安装在机器人上的实例图。

图4是示出如何将激光加工头安装在机器人上的另一实例图。

图5是用于说明所述激光焊接系统如何构成的方框图。

图6是用于说明激光加工头及其沿激光射出方向移动的说明图。

图7是用于示出在遥控焊接中的控制顺序流程图。

图8是用于说明根据现有技术方法的遥控焊接动作说明图。

图9(a)和9(b)是用于在根据该实施例的焊接操作和根据现有技术方法的焊接操作之间比较整个焊接工艺所需时间的说明图。

具体实施方式

下面将参考附图说明本发明的实施例。

图1是用于说明适用于本发明的激光焊接系统的示意性透视图，图2是用于说明激光加工头的示意性透视图。

遥控焊接与传统的点焊加工的不同之处在于，焊接工具不与工件直接接触，而通过激光束从远处焊接工件。

图1示出的激光焊接系统是用于这种遥控焊接工艺的系统。

激光焊接系统由机器人1、激光加工头3、用作激光束源的激光振荡器5以及光导纤维电缆6组成，该激光加工头3被安装在机器人1的手臂2前端且射出激光束100，该光导纤维电缆6将激光束从激光振荡器5引导至激光加工头3。

机器人1可以是通用的多轴机器人。机器人1使手臂2前端，即激光加工头3移动，使激光加工头3的姿态与由示教作业提供的操作路径一致。

如图2所示，激光加工头3最终沿朝向目标的方向射出通过光导纤维电缆6引来的激光束100。因此，激光加工头3配备有用作激光束射出装置的反射镜11和调节激光束100的焦点位置的透镜组12。

反射镜11可以绕与Z轴垂直相交的X轴和Y轴转动，Z轴是垂直于反射镜镜面的轴，以使能通过这种转动使激光束100的射出方向任意地摆动。因此，电动机和齿轮机构(未示出)被设置在用于转动反射镜11的激光加工头3中。电动机的动作由将稍后说明的加工头控制器控制。类似地，为该透镜组12设置有电动机，以通过加工头控制器调节焦点位置。

激光振荡器5是YAG激光振荡器。YAG激光器用于通过光导纤维电缆6引导激光束。除此之外，二氧化碳气体激光器可以被用于遥控焊接工艺。如果使用二氧化碳气体激光器，激光束不得不通过反射镜和棱镜而不是通过光导纤维电缆6从激光振荡器5引导至激光加工头3。本发明可以应用任何类型的激光束，只要它们能被用于遥控焊接作业。所以，光导纤维电缆或者反射镜都可以用于引导路径，以适合所用的激光束类型。

图3和图4是用于示出如何将激光加工头3安装在机器人1上的实例图。

通过首先如图3所示将激光加工头3与在机器人手臂前端的腕部21略微偏置连接，然后将光导纤维电缆6直接引到激光加工头3，可以把激光加工头3安装在机器人手臂上。如图4所示，也可通过使激光加工头3的一部分嵌入机器人手臂前端的腕部21内并使光导纤维电缆6穿过机器人1的手臂2来安装激光加工头3。由于可使激光加工头3的形状在图4所示的安装形态中更加紧凑，故激光加工头3可以在复杂且有限的空间内作业，从而使应用范围变大。此外，由于光导纤维电缆6穿过手臂2，在这种形态中使包括手臂组件的全部系统进一步紧凑。因而，由于使激光加工头3的安装更加紧凑，故有利于扩展遥控焊接在各种类型的焊接工艺(尤其是车体焊接工艺)中的应用，并且可以减少在被限定区域内手动操作的需要。因此，本系统可以通过简单地使安装激光加工头3的形态更加紧凑来提高工作效率。

可以根据机器人1的形状和类型以及激光加工头的形状任意地选择安装形态。换句话说，本发明可适用于在这里作为实例示出的实例之外的那些安装形态。

图5是用于说明如何构成激光焊接系统的方框图。

该控制系统由用于对激光振荡器5进行激光输出接通/断开控制的激光控制器51、用于控制机器人1动作的机器人控制器52、以及用于控制激光加工头3上的反射镜11和透镜组12的加工头控制器53等组成。

激光控制器51控制激光输出的接通/断开以及激光输出强度等。激光控制器51根据来自机器人控制器52的控制信号接通/断开激光输出。

在该实施例中，机器人控制器52发出将稍后说明的机器人1动作的控制信号、反射镜11和透镜组12的操作的控制信号和激光输出接通/断开的控制信号。因此，机器人控制器52是本发明的控制装置。在机器人1的动作示教过程中，训练机器人1和反射镜11的动作。因此，机器人控制器52不但使机器人移动，而且基于通过示教输入的数据(示教数据)发出各种控制信号。

加工头控制器53基于来自机器人控制器52的控制信号控制设置在激光加工头3内的反射镜11和镜头组12的动作。

现在，将说明使用这样构成的激光焊接系统的焊接方法。

图6是用于说明激光加工头3及其在遥控焊接中沿激光射出方向移动的说明图。为了使之容易理解，在该说明书中将采用非常简单的基本形式作为实例。

假定在本实施例中如图6所示具有多个焊点201到206，同时激光束100聚焦在焊点(例如，201)上，激光加工头3保持以规定速度朝下一个焊点(例如，202)移动。在此期间，在激光加工头3保持移动的同时，反射镜11保持转动，以保持聚焦在正在被焊接的焊点(例如，201)上的激光束100，直至完成特定焊点(例如，201)的焊接。

激光加工头3的移动是通过改变机器人姿态，即机器人手臂2的动作来实现的。机器人1的动作由机器人控制器52控制，激光加工头3以恒定速度从当前焊点向下一个焊点移动。因此，激光加工头3以恒定速度在该说明图中从位置“a”移动到“j”。

以恒定速度移动激光加工头3的目的在于，使由机器人手臂的动作所产生的机器人手臂的振动最小，从而激光束100以不受该振动影响的方式尽可能接近地聚焦在目标(焊点)上。因为在完成一个焊点和改变激光束方向到下一个焊点之间的非焊接时间实质上非常有限(将稍后说明)，从而从开始到结束的整个焊接可以恒定速度在一个平稳操作中完成，所以从位置“a”到“j”移动的速度保持为恒定。然而，如果非焊接时间增加，可以改变激光加工头3的移动速度。

在此期间，在对一个焊点进行焊接的同时，反射镜11被转动，转动方式为激光聚焦位置沿与激光加工头3的移动方向相反的方向以与激光加工头3的移动速度大致相等的行进速度移动。在焊接期间，此时反射镜11的转动速度被称为规定速度。这使得激光聚焦位置以与激光加工头3的速度大致相等的速度但沿相反方向移动，从而当正在焊接焊点时，激光束聚焦在相同的焊点上。速度大致相等的原因在于，激光束照射位置(焦点)必须根据该焊点的熔滴成形距离(熔滴尺寸)在一个焊点内移动。换句话说，根据熔滴形成距离，激光聚焦位置的移动速度必须稍微慢于激光加工头3的移动速度，从而沿激光加工头3的移动方向形成熔滴。

激光加工头3的进行速度必须快于焊接速度。这使得当完成一个焊点(例如，201)的焊接时，激光束可到达下一个焊点(例如，202)。

激光焊接速度通常为1-5m/min。相反，尽管激光加工头3的移动速度随着机器人而变化，激光加工头3的移动速度(换句话说，机器人手臂的移动速度)的最大值是10-20m/min，而通过反射镜11的激光聚焦位置的移动速度在离反射镜11一米远的位置处可高达100m/min。因此，可容易使激光加工头3的移动速度快于焊接速度。

为了从这些速度中选择实际的移动速度，优选将每个速度选定为，使激光加工头3的移动速度保持尽可能地低，从而可将激光加工头3的振动保持为最小。

通过反射镜11的转动来实现从一个焊点(例如，201)到下一个焊点(例如，202)的激光聚焦位置的移动。优选的是，尽可能快地完成反射镜11的转动。在此转动期间，不必停止激光输出。这是由于，无论该不想被焊接的部分是否位于激光聚焦位置之内或者之外，即使不想被焊接的部分在激光束从一个焊点移动到另一个焊点的过程中被激光束照射，而这在极短的时间内发生，因为激光聚焦位置的移动速度远远快于焊接速度，从而这些不想被焊接的部分决不会受到激光束100照射的影响。如果需要的话，也可在焊点之间移动过程中，通过将断开信号发送至激光控制器51而停止激光输出。

如上所示，本系统通过由机器人1和反射镜11的方向控制激光加工头3的移动，使设置在机器人手臂前端的激光加工头3的位置沿顺序焊接的方向移动。换句话说，在开始焊接焊点(例如，202)时，激光加工头3位于焊点(例如，202)的前方(例如，位置“b”)，并且当完成焊点(例如，202)的焊接时，位于越过该焊点(例如，202)处(例如，位置“d”)。

图7是用于示出在该遥控焊接中控制顺序的流程图。

首先，机器人控制器52根据预先输入的示教数据将激光加工头3带到第一个焊接开始位置，同时使激光加工头3开始以恒定速度移动，并且向激光控制器51发出指令，以接通激光输出(S1)。还向加工头控制器53发出指令，以用于焊接的规定速度使反射镜11转动(S2)。

接着，机器人控制器52根据示教数据判断激光加工头3是否已经到达了下一个焊点的焊接开始位置(S3)。在这样的情况下，下一个焊点的焊接开始位置也是前一个焊点的焊接完成位置。

在该阶段，如果激光加工头3已经到达下一个焊点的焊接开始位置，机器人控制器52命令加工头控制器53沿朝下一个焊点的方向快速转动反射镜11(S4)。从而，加工头控制器53使反射镜11沿下一个焊点的方向高速转动，并且使激光束沿下一个焊点的方向射出。随后，重复该操作，直至完成最后一个焊点的焊接。

另一方面，如果步骤S3中激光加工头3没有到达下一个焊点的焊接开始位置，机器人控制器52进一步判断所有焊点的焊接是否已完成(S5)。该判断将判断根据示教数据的最后焊点的焊接是否完成。如果判断为最后焊点的焊接仍未完成，这意味着在当前进行的焊接作业仍未完成，从而机器人控制器52返回步骤S3，以继续步骤S3的处理。这使得在当前进行的焊接作业继续。

另一方面，如果在步骤S5中完成了最后焊点的焊接，机器人控制器52根据示教数据向激光控制器51发出指令，以断开激光输出，使激光加工头3回到其待用位置(或者作业完成位置等)(S6)，并且结束整个工作。

使用图6所示的实例更详细地说明上述操作，首先，机器人控制器52将激光加工头3带到焊点201的焊接开始位置“a”，在使激光加工头3以恒定速度移动的同时，使激光加工头3开始射出激光输出，并且使反射镜11以规定速度转动，从而激光束将照射焊点201。

接着，当该激光加工头已经到达开始焊接焊点202的位置“b”(在该点完成焊点201的焊接)时，机器人控制器52使反射镜11以所示教的最大速度转动，以使激光束指向焊点202。机器人控制器52使该系统在该点继续焊接焊点202。随后，机器人控制器52重复这些过程，直至随着焊点206的焊接完成，所有焊接完成，并且当完成焊点206的焊接时，停止激光输出，从而完成整个焊接作业。

顺便提及，如上所示，在焊接多个焊点时，存在从反射镜11到焊点的距离超过焦点深度的情形。如果万一反射镜11与焊点之间的距离超过焦点深度，可以通过调节透镜组12来调节焦点位置。可以基于焊点和激光加工头3的位置(它们的相对距离)，在用于机器人1操作的示教过程中预先进行镜头组12的这种调节。在配置有自动调焦功能的激光加工头3的情况下，不需要通过镜头组12的调节，而通过自动调焦功能处理该任务。

这里，让我们比较根据上述实施例的遥控焊接和由保持激光加工头3静止进行的遥控焊接。

图8是用于说明未完全利用激光加工头3的遥控焊接工艺的说明图。

在通过保持激光加工头3静止进行的遥控焊接作业中，当激光加工头3到达位置“A”时，激光加工头3停止，并且从此进行焊点301、302、以及303的焊接，这些焊点位于通过运用反射镜11，即通过连续地转动反射镜11，由激光束能够照射的范围之内。在完成焊点303的焊接之后，该系统暂时停止射出激光束，使激光加工头3从位置A移到位置B，并且当激光加工头3到达位置B时使该激光加工头3停止。然后，该系统通过保持激光加工头3停止在位置B，并且转动反射镜11连续地进行焊点304、305、和306的焊接。

图9是用于在如图6所示的根据上述实施例的焊接操作和如图8所示的通过保持激光加工头3停止的遥控焊接之间比较整个焊接作业所需时间的说明图。在图9中，(a)代表根据本实施例的方法，而(b)代表通过保持激光加工头3停止的遥控焊接。这里所示的时间段仅为了图示的目的，并不反映实际的时间段。

如这里所示，在保持激光加工头3停止进行遥控焊接的情况下，需要一定的改变焊点时间(参见该图中“加工头改变焊点时间”)，以暂时停止焊接工艺和移动激光加工头3。相反地，在本实施例的情况下，不需要这种焊点改变时间。因此，由于不需要焊点改变时间，在本实施例中的总焊接时间被缩短。

因此，具有的焊点越多，获得的该时间节省效果越显著。例如，在典型的汽车车身装配线中具有几百个焊点，因此，即使是这些焊点的一部分而非全部通过由本发明提出的方法焊接，也可以预期有大的节省时间效果。

从如上说明可以看出，由于在焊接期间，当安装在机器人手臂上的激光加工头3保持沿朝向下一个焊点的方向移动时，在本系统中不需要用于停止焊接工艺和移动机器人手臂以改变焊点的时间。因此，由于不需要如上所述的时间，本系统可以缩短总的焊接时间。焊点越多，获得的节省时间效果越显著。例如，在一个典型车身装配线中具有几百个焊点，从而，即使是这些焊点的一部分而非全部通过由本发明提出的该方法焊接，也可以期望有大的节省时间效果。

此外，在本系统中机器人手臂至少在焊接工艺期间以恒定速度移动。因此，激光束聚焦位置不会由于机器人手臂的振动而偏离焊点，该机器人手臂在本系统中在焊接工艺期间处于移动状态。

此外，本系统能够确保使激光加工头3移动到可靠范围内，在该范围内，通过使激光加工头3的移动速度充分大于焊接速度，使激光加工头3能够在反射镜11的转动下焊接下一个焊点。通过这样做，本系统可以几乎完全地消除在多个焊点的连续焊接期间的非焊接时间。本系统可以通过在开始焊接特定焊点时使激光加工头3的位置在该目标焊点的前方，并且在焊接结束时使激光加工头3的位置越过该目标焊点，使下一个焊点更可靠地在通过转动反射镜11所覆盖的范围之内。

由此，本实施例可以几乎完全消除非焊接时间，从而通过几乎全部消除非焊接时间，有利于在包括仍相当昂贵的激光振荡器5的激光焊接系统中投资成本的收回。

此外，在具有向多个激光加工头3提供激光束的单个激光振荡器5的系统中，常常浪费激光能量，这是因为，即使其中一个激光加工头3处于改变焊接位置的非焊接期间，也需要保持提供激光束，并使激光束无用地导向激光吸收材料，但是本实施例几乎全部消除了非焊接时间，从而也可以消除由于激光能量的浪费性吸收所导致的电力浪费。

上面所说明的实施例不构成对本发明的限制。例如，尽管在上述实施例中通过转动反射镜11控制激光射出方向，也可以构造成，保持反射镜11固定而使激光加工头3本身转动，从而使激光射出方向随激光加工头3而改变。

同样，尽管在上述实施例中反射镜11被指定为最终的激光束射出装置，也可以构造成从激光加工头的内部直接使光导纤维电缆6导向焊点，并且改变光导纤维电缆6远端的角度。在此情况下，可以仅改变光导纤维电缆6远端的角度来改变其方向，也可以构造成通过使激光加工头3整体转动来改变角度。

尽管上面说明的本实施例被假定为多个焊点沿直线布置(图6)的基本形式，本申请可以应用于除了这种直线布置的任何其它移动路径。

而且，本发明不限于上述实施例。

本申请基于2004年12月15日提交的日本专利申请No.2004-364079，其内容通过引用包含于此。

Claims (15)

1.一种激光焊接系统，其包括：

机器人；

激光加工头，其安装在所述机器人上，该激光加工头的激光束射出方向可自由地改变；以及

机器人控制器，其用于控制所述机器人的姿态，以沿规定方向以规定速度使所述激光加工头移动，

在所述激光加工头的所述移动过程中，所述机器人控制器控制所述激光加工头，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成所述第一焊点的焊接之后，当所述激光加工头到达将要开始焊接第二焊点的位置时，所述机器人控制器控制所述激光加工头的激光束指向，使所述激光束指向所述第二焊点。

2.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，当至少一个焊点正在被焊接时，所述规定速度保持恒定。

3.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述规定速度比用于焊接焊点的焊接速度快。

4.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述规定方向是从所述第一焊点到所述第二焊点的方向。

5.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述机器人控制器相对于所述规定方向使所述激光加工头的位置在开始所述焊接时处于焊点的前方，而在完成所述焊接时越过已完成所述焊接的所述焊点。

6.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，

所述激光加工头包括可自由转动的反射镜；以及

所述激光束射出方向通过转动所述反射镜进行控制。

7.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，

所述激光加工头包括固定的反射镜；以及

所述激光束的射出方向通过改变所述激光加工头本身的方向进行控制。

8.一种用于激光焊接的控制方法，其包括：

通过控制安装有可自由地改变激光束射出方向的所述激光加工头的机器人，使激光加工头沿规定方向以规定速度移动；

在所述激光加工头的所述移动过程中，控制来自所述激光加工头的所述激光束的射出方向，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成所述第一焊点的焊接之后，当所述激光加工头到达将要开始焊接第二焊点的位置时，改变所述激光束射出方向，以使所述激光束沿着朝向所述第二焊点的方向射出。

9.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，当至少一个焊点正在被焊接时，所述规定速度保持恒定。

10.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，所述规定速度比用于焊接焊点的焊接速度快。

11.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，所述规定方向是从所述第一焊点到所述第二焊点的方向。

12.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，所述激光加工头相对于所述规定方向使所述激光加工头的位置在开始所述焊接时处于焊点的前方，而在完成所述焊接时越过已完成所述焊接的所述焊点。

13.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，通过改变安装在所述激光加工头上的反射镜的方向，改变来自所述激光加工头的激光束射出方向。

14.根据权利要求8所述的用于激光焊接的控制方法，其特征在于，通过改变所述激光加工头本身的方向，改变来自所述激光加工头的激光束射出方向。

15.一种激光焊接系统，其包括：

机器人；

激光束射出装置，其安装在所述机器人上，所述激光束射出装置的激光束射出方向可自由地改变；以及

机器人控制器，其用于控制所述机器人的姿态，以沿规定方向以规定速度使所述激光束射出装置移动，

在所述激光束射出装置的所述移动过程中，所述机器人控制器控制所述激光束射出装置，以在焊接第一焊点的同时使所述激光束指向所述第一焊点；在完成所述第一焊点的所述焊接之后，当所述激光束射出装置到达将要开始焊接第二焊点的位置时，所述机器人控制器控制所述激光束射出装置的激光束指向，以使所述激光束指向所述第二焊点。

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