DE102013114099A1

DE102013114099A1 - Fernlaserschweißen

Info

Publication number: DE102013114099A1
Application number: DE102013114099.8A
Authority: DE
Inventors: Michael G. Poss; Lance T. Ransom
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-06-26
Also published as: CN103878483A; CN103878483B; US20140175068A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils an ein zweites Teil enthält: Strahlen eines Zeigerlasers, der durch einen Umlenkspiegel umgelenkt wird, zum Bilden eines in Richtung des ersten und des zweiten Teils gerichteten Laserstrahls, um einen Laserstreifen auf den Teilen zu erzeugen; Detektieren des Laserstreifens mit einer Kamera, die koaxial angeordnet ist und entlang einer durch den Laserstrahl definierten Achse ein Bild empfängt; Verarbeiten des Bilds mit einem Kameraprozessor, um einen Ort des Merkmals zu detektieren; automatisches Einstellen eines Laserschweißsystems in der Weise, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird; und Aktivieren eines Schweißlasers, der durch den Umlenkspiegel gelenkt wird, um das erste Teil an das zweite Teil zu schweißen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Laserschweißen und insbesondere auf das automatische Festlegen der Lage von Teilen und Nähten für Laserschweißanwendungen.
Fernlaserschweißen mit Nahtnachführung zum Sicherstellen des richtigen Schweißorts ist im Gebiet bekannt. Vorhandene Fernlasernahtnachführungssensoren sind mit externen Laserliniengenerator-Lichtquellen verfügbar. Einige Laserschweißsysteme können eine Fügestelle bzw. einen Stoß nachführen, den Stoß anfangs aber nicht ermitteln. Üblicherweise stützen sich diese Systeme auf eine Roboterbewegung zum Versetzen der Schweißoptik von einer Schweißstelle zu der nächsten Schweißstelle und sind somit keine scannergestützten Fernlaserschweißsysteme.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils an ein zweites Teil mit einem visuell detektierbaren Merkmal, das das erste Teil von dem zweiten Teil unterscheidet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Strahlen eines Zeigerlasers, der durch einen Umlenkspiegel umgelenkt wird, zum Bilden eines in Richtung des ersten und des zweiten Teils gerichteten Laserstrahls, um einen Laserstreifen auf den Teilen zu erzeugen; Detektieren des Laserstreifens mit einer Kamera, die koaxial angeordnet ist und entlang einer durch den Laserstrahl definierten Achse ein Bild empfängt; Verarbeiten des Bilds mit einem Kameraprozessor, um einen Ort des Merkmals zu detektieren; automatisches Einstellen eines Laserschweißsystems in der Weise, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird; und Aktivieren eines Schweißlasers, der durch den Umlenkspiegel gelenkt wird, um das erste Teil an das zweite Teil zu schweißen.
Ein Vorteil einer Ausführungsform ist, dass durch das genauere Fernfestlegen der Lage der Laserschweißstelle die Fahrzeugmasse und -kosten verringert werden können, da das Fernlaser-Kantenschweißen ermöglicht wird und da die für das Fernlaser-Überlappungsschweißen notwendige Flanschgröße verringert wird. Dieser Schweißprozess ermöglicht die Anpassung an eine Schwankung von Teiledimensionen und Positionierung (Toleranzen) und ermöglicht somit den Fernlaser-Kantenschweißprozess und verbessert die Genauigkeit der Fernlaser-Überlappungsschweißpositionierung. Außerdem kann das Fernlaser-Stirnnahtschweißen die Notwendigkeit von Spezialtechniken für das Zinkausgasen verringern und somit Investitions- und Betriebskosten senken. Darüber hinaus kann dieses Schweißverfahren mit vorhandener Fernlaseroptik verwendet werden und somit die Notwendigkeit einer Spezialoptik beseitigen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Laserschweißsystems und zu schweißender Teile.
2 ist eine schematische Ansicht der zu schweißenden Teile und eines bestrahlten Laserstreifens an den Teilen.
3 ist ein Ablaufplan des Laserschweißprozesses.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1–2 veranschaulichen ein Laserschweißsystem 20, das zum Schweißen eines ersten Teils 22 an ein zweites Teil 24, die an einer Auflagegrundfläche 26 angebracht sind, verwendet wird. Das Laserschweißsystem 20 kann eine Laseroptik 28 und einen Mechanismus 30 zum Positionieren der Teile 22, 24 relativ zu der Laseroptik 28 enthalten. Die Laseroptik 28 enthält einen Umlenkspiegel 32, der ein teilreflektierender Neunzig-Grad-Umlenkspiegel sein kann. Der Umlenkspiegel 32 kann herkömmlich sein, so dass die Einzelheiten davon hier nicht weiter diskutiert werden. Der Umlenkspiegel 32 kann durch die Laseroptik 28 einstellbar sein, um den Laser nach Bedarf umzulenken.
Außerdem kann das Laserschweißsystem 20 eine Kamera 34 und eine Quelle für Laserlicht 36 (auch eine Laserquelle oder ein Lasergenerator genannt) enthalten. Der Lasergenerator 36 kann sowohl als Quelle eines Schweißlasers als auch als Quelle eines Zeigerlasers betrieben werden, wobei beide in den Umlenkspiegel 32 gelenkt und aus der Laseroptik 28 als ein Laserstrahl 38 in Richtung der zu schweißenden Teile 22, 24 umgelenkt werden. Alternativ kann der Zeigerlaser eine zusätzliche Laserlichtquelle sein, die koaxial in den Schweißlaserstrahlweg eingeführt ist.
Die Kamera 34 ist koaxial (entlang der Achse 42) zu dem Laserstrahl 38 an der Laseroptik 28 angebracht und kann den Laserstreifen 40 (in 2 in Strichlinien gezeigt) auf der Oberfläche der Teile 22, 24 detektieren, wenn der Zeigerlaser Laserlicht auf die Teile 22, 24 strahlt. Somit ist die Kamera 34 koaxial zu dem Laserstrahlweg an dem Umlenkspiegel 32 angebracht und erfasst sie über den Umlenkspiegel 32 das Bild.
Die Kamera 34 ist über dem Umlenkspiegel 32 angebracht und nimmt durch ihn ihr Bild auf, so dass das Bild direkt koaxial zu dem Laserstrahlweg 38 ist und somit den Ort des auf den Teilen 22, 24 erzeugten Laserstreifens 40 genau detektiert. Die Kamera 34 ist mit einem Kameraprozessor 44 verbunden. Der Kameraprozessor 44 kann die von der Kamera 34 empfangenen Bilder nehmen und die Bilder, die den Laserstreifen 40 enthalten, analysieren, um zu bestimmen, wo das Merkmal 46 ist, das das erste Teil 22 von dem zweiten Teil 24 unterscheidet. Falls das Merkmal 46 z. B. eine Höhenstufe ist, da das erste Teil 22 über das zweite Teil 24 gelegt ist, weist der Laserstreifen 40 an dem Ort der abgestuften Kante zwischen den Teilen 22, 24 darin einen Versatz 48 auf. Daraufhin kann der Kameraprozessor 44 diese Positionsinformationen an einen Laseroptikcontroller 50 übermitteln. Der Laseroptikcontroller 50 ist mit der Laseroptik 28 verbunden und kann daraufhin die Laseroptik 28 auf der Grundlage der Positionsinformationen in der Weise einstellen, dass sichergestellt wird, dass der durch den Schweißlaser erzeugte Laserstrahl 38 genau auf den zwischen dem ersten und dem zweiten Teil 22, 24 zu bildenden Schweißstoß gelenkt wird.
Wie oben gerade diskutiert wurde, kann das Merkmal (ein Merkmal, das durch die Kamera und den Kameraprozessor visuell erfasst werden kann) die abgestufte Kante sein. Außerdem kann dieses Merkmal z. B. ein Loch, ein Schlitz, ein Radius oder eine Biegung in einem oder in beiden Teilen sein, das bzw. der bzw. die die genaue Detektierung der Position der zwei Teile 22, 24 ermöglicht. Die Kamera 34 kann eine Digitalkamera mit Bildverarbeitung sein, wie sie der Fachmann auf dem Gebiet kennt. Wie der Fachmann auf dem Gebiet weiß, kann der Kameraprozessor 44 aus Kombinationen von Hardware und Software zur Verwendung beim Analysieren digitaler Bilder bestehen.
3 ist ein Ablaufplan eines Prozesses zum Ausrichten des Lasers auf die zu verschweißenden Teile vor dem Verschweißen der Teile miteinander und wird anhand von 1 und 2 diskutiert. Das erste Teil 22 und das zweite Teil 24 werden in den relativen Positionen zum Schweißen an der Auflage 26 befestigt, Block 100. Die Laserquelle 36 aktiviert den Zeigerlaser, der – über den Umlenkspiegel 32 der Laseroptik 28 – Laserlicht auf die Teile 22, 24 projiziert, Block 102.
Das Zeigerlaserlicht 38 strahlt auf die Teile 22, 24, um den Laserstreifen 40 zu erzeugen. Während dieses Zeigerlaserlicht auf die Teile 22, 24 strahlt, wird die Kamera 34 zum Detektieren des Laserstreifens 40 aktiviert, Block 104. Ein Bild von der Kamera 34 wird an den Kameraprozessor 44 gesendet, der das Bild, das den auf die Teile 22, 24 projizierten Laserstreifen 40 aufweist, analysiert, um das Merkmal 46 zu detektieren, das die Position des Stoßes angibt, Block 106. Diese Positionsinformationen werden an den Laseroptikcontroller 50 gesendet, der daraufhin die Laseroptik 28 so einstellt, dass die tatsächliche Position der Teile 22, 24 an der Auflage 26 berücksichtigt wird, Block 108. Zum Beispiel können daraufhin automatisch Laserlichtanweisungen für diese Teileortsinformationen erzeugt werden, damit sie von dem Laserschweißoptikcontroller 50 verwendet werden, um den programmierten Weg während des Laserschweißens zu versetzen. Nun ist das Laserschweißsystem 20 zum Schweißen der Teile 22, 24 bereit. Mit dem Zeigerlaser- und dem Schweißlaserstrahl, die bei den zu der Kamera 34 koaxialen Teilen gelenkt werden, werden die Detektierung des Merkmals und die Genauigkeit des Orts des Schweißlasers relativ zu den Teilen im Raum sichergestellt.
Nun wird der Schweißlaser in der Laserquelle 36 aktiviert, um den tatsächlichen Prozess des Zusammenschweißens der zwei Teile zu beginnen, Block 110. Während das Schweißen stattfindet, wird der Ort des Schweißlasers an den Teilen entlang des Wegs der Schweißung (Naht) bewegt, bis der Schweißstoß fertiggestellt ist.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die wie durch die folgenden Ansprüche definierte Erfindung zu verwirklichen.

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils an ein zweites Teil mit einem visuell detektierbaren Merkmal, das das erste Teil von dem zweiten Teil unterscheidet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Strahlen eines Zeigerlasers, umgelenkt durch einen Umlenkspiegel, zum Bilden eines in Richtung des ersten und des zweiten Teils gerichteten Laserstrahls, um einen Laserstreifen auf den Teilen zu erzeugen; (b) Detektieren des Laserstreifens mit einer Kamera, die koaxial angeordnet ist und entlang einer durch den Laserstrahl definierten Achse ein Bild empfängt; (c) Verarbeiten des Bilds mit einem Kameraprozessor, um einen Ort des Merkmals zu detektieren; (d) automatisches Einstellen eines Laserschweißsystems in der Weise, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird; und (e) nach dem Schritt (d) Aktivieren eines Schweißlasers, der durch den Umlenkspiegel gelenkt wird, um das erste Teil an das zweite Teil zu schweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (d) ferner durch das Einstellen der Position des Umlenkspiegels, um den Laserweg in der Weise einzustellen, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird, definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Merkmal eine abgestufte Kante zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil, wenn das erste Teil auf dem zweiten Teil aufliegt, ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Zeigerlaser und der Schweißlaser durch eine einzelne Lasergeneratorquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Merkmal eine abgestufte Kante zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil, wenn das erste Teil auf dem zweiten Teil aufliegt, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (d) ferner durch die automatische Einstellung definiert ist, die durch einen Laseroptikcontroller, der eine Position des Umlenkspiegels steuert, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zeigerlaser und der Schweißlaser durch eine einzelne Lasergeneratorquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (d) ferner dadurch definiert ist, dass die automatische Einstellung ein Positionierungsmechanismus ist, der eine Position einer Laseroptik, die den Umlenkspiegel enthält, relativ zu der Auflagefläche, die das erste Teil und das zweite Teil stützt, einstellt.
Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Teils an ein zweites Teil mit einem visuell detektierbaren Merkmal, das das erste Teil von dem zweiten Teil unterscheidet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Strahlen eines Zeigerlasers, der durch einen Umlenkspiegel umgelenkt wird, zum Bilden eines Laserstrahls, der in Richtung des ersten und des zweiten Teils gelenkt wird, um einen Laserstreifen auf den Teilen zu erzeugen; (b) Detektieren des Laserstreifens mit einer Kamera, die entlang einer durch den Laserstrahl definierten Achse koaxial angeordnet ist und ein Bild empfängt; (c) Verarbeiten des Bilds mit einem Kameraprozessor zum Detektieren eines Orts des Merkmals; (d) automatisches Einstellen eines Laserschweißsystems in der Weise, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird; und (e) nach dem Schritt (d) Aktivieren eines Schweißlasers, der durch den Umlenkspiegel gelenkt wird, um das erste Teil an das zweite Teil zu schweißen, wobei der Zeigerlaser und der Schweißlaser durch eine einzelne Lasergeneratorquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (d) ferner durch das Einstellen der Position des Umlenkspiegels, um den Laserweg in der Weise einzustellen, dass der Ort des Merkmals berücksichtigt wird, definiert ist.