IT8968018A1 - Sistema e procedimento di controllo per saldatura a laser - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di controllo per saldatura a laser e ai procedimenti d'impiego di tali sistemi.

L'uso dei laser per la saldatura ? ben noto e presenta particolari vantaggi nella fabbricazione automatica di carrozzerie per automobili e simili prodotti. I suoi principali vantaggi sono costituiti dal fatto di non richiedere contatto fisico fra l'apparecchio di saldatura e il pezzo che viene saldato, che il pezzo pu? essere saldato da un lato e che non occorre riempitivo. Tuttavia rimane un problema fondamentale che ? la difficolt? di controllare con precisione la posizione della saldatura quando ? prodotta da un laser.

Nell'industria automobilistica conviene che la fabbricazione sia automatizzata il pi? possibile e ci? richiede quindi un preciso controllo della saldatura. Uno scopo -principale della presente invenzione consiste quindi nel provvedere un sistema a laser d? saldatura (intendendo con tale dizione anche operazioni affini quali la sagomatura, il taglio o l'alligatura, etc...) in cui pu? essere realizzato un controllo fine del funzionamento e rendendo pertanto possibile la fabbricazione automatizzata.

Il brevetto U.S. 3689159 descrive un'apparecchiatura di trattamento a laser in cui un fascio luminoso di controllo a fasci paralleli, che volendo pu? essere generato dal laser, ? diretto da uno specchio nel percorso di un fascio sagomatore a laser in modo che entrambi siano proiettati su una lente focalizzatrice o su un pezzo, e i loro punti di fuoco coincidono. Il fascio di controllo ? modulato da una piastra vibrante e le variazioni dell'uscita della luce modulata riflessa dal pezzo sono usate per rivelare una condizione sfocata e fornire il segnale di correzione. Questo sistema non pu? per? rilevare se il punto luminoso del laser focalizzato ? fuori allineamento rispetto alla posizione che dovrebbe assumere sulla superficie del pezzo, ossia rivela soltanto disallineamenti in direzione verticale ma non laterale.

La domanda PCT US 82/01235 descrive un sistema di saldatura in cui un fascio laser ? diretto in un percorso circolare intorno ad un punto di inseguimento in anticipo rispetto ad una posizione nella quale avviene la saldatura. Ci? consente di controllare la posizione della saldatura, ma non effettua un'operazione di misura della saldatura etessa, ossia se la saldatura avviene effettivamente dove ? richiesto o se funziona correttamente. Inoltre, poich? questo sistema usa un punto di inseguimento in anticipo rispetto al punto di saldatura, si richiedono mezzi atti a far ruotare angolarmente i mezzi di inseguimento rispetto al punto di saldatura perch? un sistema di saldatura automatica possa saldare secondo linee che non siano rette.

Sono stati descritti altri sistemi che Tanno uso della televisione per controllare una scansione di un percorso di saldatura, comunque per la loro stessa natura questi sistemi captano una quantit? notevole di informazione ridondante e pertanto sono di progetto difficile con una velocit? di risposta soddisfacentemente alta. Essi sono pure soggetti ad interferenza proveniente dalla luce emessa dalla saldatura stessa.

La presente invenzione risolve questi problemi e consente un posizionamento sia laterale che verticale del punto luminoso di saldatura laser da controllare. Con punto luminoso di saldatura laser intendiamo un punto luminoso in cui il fascio laser ? concentrato ai fini di effettuare una saldatura o un taglio o una sagomatura di un pezzo, e il termine saldatura a laser ? usato in senso lato comprendendo tutte queste operazioni.

Di conseguenza l 'invenzione provvede un sistema di controllo per saldatura a laser comprendente una sorgente di energia di fascio laser e mezzi atti a dirigere l'energ?a del fascio laser proveniente da detta sorgente su un punto concentrato sul pezzo esposto a detta energia laser, e una sorgente sonda laser che ? destinata a dir?gere sul pezzo la luce proveniente da detta sorgente sonda, e mezzi di rivelazione del fascio laser che sono destinati a captare e controllare la luce riflessa originantes? da detta sorgente sonda laser e riflessa dal pezzo, caratterizzato dal fatto che sono provvisti mezzi atti a dirigere la luce proveniente da detta sorgente sonda in un percorso periferico circondante detto punto concentrato.

A seconda della variabilit? della superficie del pezzo, il percorso periferico ? preferibilmente osservato trasversalmente alla superficie del pezzo, generalmente circolare. Ci? consente l'effettuazione di confronti fra segnali provenienti dalla luce riflessa della sonda tutt'intorno alla posizione di saldatura.

Qualora il sistema fornisca una saldatura concava lungo un percorso predeterminato, il fascio di sonda nel circondare il punto luminoso di saldatura passer? sul percorso della posizione della linea di giunzione da saldare in un punto e approssimativamente a 180? oltre questa posizione passer? sopra un punto nel quale la saldatura ? gi? avvenuta. Quest'ultimo punto fornir? un segnale che pu? essere usato per controllare la saldatura completa, mentre il primo punto fornir? un segnale minimo di riflessione che pu? allora essere usato quale misura del centro della saldatura rispetto a segnali su uno o l'altro lato di questi due primi segnali. Un segnale di temporizzazione di riferimento pu? essere derivato dai mezzi di scansione del fascio sonda che determinano se la posizione del fascio sonda ? sul percorso periferico. Qualsiasi scostamento da un segnale di riferimento pu? essere usato per generare un segnale di correzione al fine di spostare la posizione dalla saldatura. Ci? consente l'effettuazione del controllo laterale.

Preferibilmente i mezzi atti a dirigere la luce proveniente da detta sorgente sonda in un percorso periferico dirigono la luce in modo da descrivere un cono. Avere una forma conica significa che le dimensioni del percorso circolare varieranno in lunghezza in funzione della lunghezza del percorso del raggio. Si pu? cosi ottenere un procedimento per la misura del fuoco del fascio misurando semplicemente il diametro del percorso circolare descritto dal fascio sonda. In alternativa, la focalizzazione pu? essere misurata mediante un sistema rilevatore di fuoco astigmatico, che misura effettivamente la lunghezza del percorso del raggio in modo di per s? noto.

Un procedimento conveniente per creare il fascio conico di sonda consiste nel dirigere il fascio attraverso uno specchio che ruota intorno ad un asse che ? prossimo, ma non esattamente, a 90? rispetto al piano dello specchio.

Sar? ora descritta una forma di attuazione dell'invenzione, a titolo di esempio, con riferimento ai disegni schematici annessi, in cui:

la figura 1 ? una vista schematica complessiva di un sistema secondo l'invenzione;

la figura 2 mostra la disposizione tipica del laser e sonda;

la figura 3 mostra una forma del sistema rivelatore; la figura 4 mostra una seconda forma di sistema rivelatore;

la figura 5 ? una vista in prospettiva di un pezzo con saldatura concava;

la figura 6 ? una vista in pianta della disposizione della figura 5; e

la figura 7 ? una vista in pianta rappresentante un disallineamento.

Con riferimento alla figura 1, il sistema complessivo comprende un laser principale di saldatura e un sistema di guida del fascio che dirige un fascio di energia laser 1 attraverso un sistema focalizzatore 2, tipicamente una lente Zn Se, ad un punto luminoso di saldatura a laser 3 su un pezzo 4.

Per la saldatura di pannelli di carrozzeria pu? essere usato un laser C02, poich? questo pu? fornire una potenza sufficientemente intensa, e questa sar? normalmente guidata da specchi (per esempio entro un robot) in modo che l'energia del fascio esce attraverso un piccolo ugello (non rappresentato in figura 1) situato alcuni millimetri dal pezzo. Un gas di schermatura, per esempio azoto o argon, sar? soffiato nella testa di saldatura in un punto esattamente sotto la lente e questo uscir? poi dall'ugello, con la funzione di impedire che nessun detrito o materiale proveniente dalla saldatura possa ritornare a contaminae le lenti.

Tutto quanto precede ? standard e ben noto ai tecnici del ramo. Quanto segue ? una descrizione del sistema di controllo e costituisce l'ambito che riguarda l'invenzione.

Un laser sonda dirige energia laser attraverso un sistema di scansione di sonda e uno specchio 5 separatore (e combinatore) di fascio in un percorso 6 di fascio essenzialmente conico. Questo percorso di fascio 6 attraversa la lente focalizzatrice 2 e pertanto sar? influenzato dal movimento di questa lente o da variazioni della lunghezza focale dovuti ad effetti ambientali in un grado che pu? facilmente essere messo in relazione con l'effetto sul fascio laser di saldatura principale 1.

Il funzionamento generale del sistema consiste nel fatto che un sensore principale di saldatura accetta una proporzione del fascio laser principale 1 attraverso il separatore di fascio 5, e ci? fornisce una misura complessiva di come il fascio di saldatura 1 sia diretto rispetto alla lente focalizzatrice 2. Questa informazione ? applicata al sistema principale di controllo.

Segnali sono pure ottenuti dall'esame della luce riflessa all'indietro dal fascio 6 dopo riflessione sul pezzo 4. Questa luce ? riapplicata lungo il percorso 6 nel sistema di scansione di sonda dove l'analisi deriva un segnale di controllo che ? alimentato attraverso il percorso 8 nel sistema principale di controllo.

Il sistema principale di controllo elabora tutta l'informazione derivata e alimenta i segnali di controllo fine al controllo del fuoco per la regolazione della lente 2 attraverso il percorso 9 e una informazione fine di inseguimento al sistema di guida del fascio attraverso il percorso 10. Inoltre, il sistema di controllo principale pu? applicare segnali grossolani di controllo al sistema di guida del fascio attraverso il percorso 7 al fine di posizionare il punto luminoso di saldatura 3 rispetto al pezzo 4 in .modo rapido ma grossolano. Ci? potrebbe essere necessario, per esempio, all'inizio di ciascuna saldatura e pure durante la saldatura questi segnali di controllo grossolano saranno utilizzati insieme ai segnali di controllo fine precedentemente descritti per effettuare movimenti maggiori che si trovano al di fuori gamma del sistema di controllo del fuoco.

Con riferimento ora alla figura 2, questa rappresenta in maggior dettaglio il sistema del fascio sonda.

Il laser a fascio sonda dirige energia ad uno specchio girevole 11. Lo specchio ruota intorno ad un asse 12 che ? quasi,ma non esattamente,perpendicolare allo specchio,per esempio a 88? e ci? da luogo alla produzione di un fascio conico. L'angolo effettivo pu? essere selezionato in pratica dipendentemente dalla configurazione del sistema, ma quanto pi? l'angolo ? prossimo a 90?, tanto meno profondo sar? l'angolo del fascio conico cosi prodotto.

Il fascio passa attraverso la lente focalizzatrice 2 e di qui attraverso l'apertura dell'uscita dell'ugello 13 per focalizzarsi sul pezzo 4 e descrivere un percorso periferico circondante il punto luminoso di saldatura a laser concentrato 3.

La dimensione di apertura dell'ugello ? convenientemente di 8 mm ed ? distanziata di 3 a 4 mm del pezzo. Pertanto, il cerchio proiettato dal fascio sonda ha convenientemente un diametro di circa 6 a 8 mm in modo da fornire prestazioni ottime senza schermatura o interferenza da parte dell'ugello. L'angolo dello specchio rotante ? scelto in modo da ottenere questo risultato.

Le figure 3 e 4 mostrano due differenti configurazioni di sistemi che raccolgono la radiazione del fascio riflesso.

Nel primo caso, come rappresentato in figura 3, un separatore di fascio 14 ? disposto nel percorso del raggio di ritorno prima del punto in cui ? situato lo specchio rotante 11.

La radiazione di ritorno ? poi diretta su un rivelatore sensibile alla posizione (PSD). Con lo specchio in questa posizione, il rivelatore vedr? un'immagine del cerchio trascritta dal fascio. L'immagine del centro del cerchio pu? essere bloccata in modo da impedire alla radiazione proveniente dal punto luminoso di saldatura di raggiungere direttamente il rivelatore.

Il PSD ? un dispositivo che presenta un'elevata area fotosensibile, in modo che il fascio sia captato in ogni istante. Il fuoco pu? essere misurato mediante misura del diametro del cerchio di luce riflesso, ossia il diametro del cerchio varia con l'altezza del cono e pertanto con la lunghezza del fascio. Ci? ? ottenuto rilevando la media pesata dall'intensit? di luce mentre questa compie un cerchio completo, mentre l'inseguimento dell'informazione ? ottenuto osservando l'intensit? di luce in differenti momenti sul percorso intorno al cerchio.

Nel sistema alternativo rappresentato in figura 4, uno specchio separatore di fascio 15 ? posto dopo che il percorso riflesso ? passato dietro lo specchio rotante 11. Ci? riporta la luce riflessa ad un unico punto (anzich? ad un cerchio) e cosi la sua intensit? variabile pu? essere controllata in modo pi? critico. Un ulteriore vantaggio ? costituito dal fatto che si pu? pi? facilmente impedire ad una radiazione estranea, per esempio proveniente dalla saldatura stessa, di essere captata dal rivelatore, permettendo cosi di ottenere una risposta pi? chiara.

In questo secondo esempio, il fuoco ? misurato mediante l'uso di un sistema rivelatore di fuoco astigmatico (AFDS) di tipo ben noto nel ramo (per esempio per misurare il fuoco di un fotorivelatore a laser in un riproduttore per compact disc).

In entrambi gli esempi di cui sopra illustrati nelle figure 3 e 4, si pu? impedire alla luce estranea di raggiungere il sistema ottico usando un filtro ottico a banda stretta la cui lunghezza d'onda di trasmissione ? adattata alla lunghezza d'onda del laser sonda. Inoltre il fascio laser Bonda pu? essere modulato in ampiezza e si pu? usare un sistema rivelatore ad amplificatore lock-in per ricettare ulteriormente i segnali estranei, particolarmente quelli derivanti da radiazione emessa dal punto luminoso di saldatura che normalmente avr? un forte contenuto di bassa frequenza. Costituisce un aspetto caratteristico dell'invenzione il fatto che tale tecnica pu? essere attuata in modo facile.

Sar? ora descritta, con riferimento alle figure 5, 6 e 7 relative ad uno specifico esempio di una saldatura concava, la realizzazione di una saldatura e come sia possibile rivelare il posizionamento laterale della medesi-

ma.

Con riferimento alla figura 5, a due lamiere metalliche 16 e 17 deve essere applicata una saldatura concava 18 in corrispondenza della linea concava fra le due lamiere.

Il punto luminoso di saldatura, quando correttamente posizionato, si trover? in un punto centrale 18 fra le due lamiere, e col progredire della saldatura mediante movimento relativo fra il pezzo (le due lamiere) e l'apparecchio di saldatura, si otterr? lungo la parte concava un percorso 19 di materiale saldato. Il fascio sonda 20 descrive un percorso periferico circondante il punto centrale del punto luminoso attivo 18 e riflette all'indietro la sua radiazione dipendentemente dalla superficie su cui sta passando in qualsiasi istante di tempo. La riflessione avr? un valore minimo quando passer? per la parte concava nello stato non saldato, a, e un valore massimo quando raggiunger? il metallo piano come nella posizione b e d,come rappresentato nella figura.

La figura 6 illustra lo stesso esempio in pianta, e si possono vedere le quattro condizioni che sono:

a, riflessione minima

b, riflessione massima

c, un minimo e una certa riflessione dalla saldatura stessa

d, riflessione massima.

Nello stato in cui la saldatura ? correttamente disposta al centro della parte concava, queste quattro condizioni si verificheranno quali uscite in una relazione simmetrica temporizzata mentre il cerchio viene esplorato.

Se per? la saldatura ? disposta ad un punto lontano del centro del cerchio, le quattro condizioni non saranno pi? simmetriche nella temporizzazione e pertanto pu? essere generato un segnale di correzione per mettere le cose a posto. La figura 7 mostra in modo esagerato la condizione in cui la linea di saldatura fallisce il desiderato percorso concavo, e la temporizzazione delle quattro condizioni cambia.

Inoltre, se ? usata la configurazione AFDS di figura 4, il segnale derivato da questa cambier? pure mentre il fascio sonda passa sui punti a e c in figura 6. Questa informazione pu? essere usata in luogo dei o insieme ai segnali derivati dai cambiamenti di riflessione sopra descritti.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. - Sistema di controllo per saldatura a laser comprendente una sorgente di energia di fascio laser (1) e mezzi (2) atti a dirigere l'energia del fascio laser proveniente da detta sorgente su un punto (3) concentrato sul pezzo (4) esposto a detta energia laser, e una sorgente sonda laser che ? destinata a dirigere sul pezzo (4) la luce proveniente da detta sorgente sonda e mezzi di rivelazione del fascio laser (5, 14; 15) destinati a captare e controllare la luce riflessa originantesi da detta sorgente sonda laser e riflessa dal pezzo (4), caratterizzato dal fatto che sono provvisti mezzi (11) atti a dirigere la luce proveniente da detta sorgente sonda in un percorso periferico circondante detto punto concentrato (3). 2. - Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto percorso periferico ? circolare. 3. - Sistema secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui la sorgente sonda laser dirige luce in un percorso che trascrive la superficie di un cono (6). 4. - Sistema secondo la rivendicazione 3, comprendente uno specchio rotante (11) destinato a ruotare intorno ad un asse che forma un angolo prossimo a 90? rispetto alla sua superficie per creare un percorso conico di luce (6). 5. - Sistema secondo la rivendicazione 3, comprendente mezzi destinati a misurare il diametro del cerchio descritto da detto fascio sonda al fine di determinare il fuoco. 6. - Procedimento di controllo della formazione di una saldatura concava mediante il sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto punto concentrato (3) ? fatto percorrere un pezzo lungo una linea concava da saldare, detto fascio di luce sonda di energia laser circonda detto punto concentrato (3) e la luce che ha origine da detto fascio sonda ? riflessa dal pezzo ? usata per controllare la posizione del punto concentrato di saldatura rispetto alla posizione richiesta della saldatura.