一種雷射焊接設備及雷射焊接方法與流程

2023-11-29 21:53:16

本發明實施例屬於技術領域，尤其涉及一種雷射焊接設備及雷射焊接方法。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發展，各種工業產品層出不窮，雷射焊接設備在工業產品焊接等方便麵應用廣泛。

然而，現有的雷射焊接設備需要依靠人工校準焊接頭的位置，自動化程度低、焊接精度低，無法對動力電池等對焊接精度要求較高的產品進行快速準確的焊接，從而嚴重降低了雷射焊接的焊接效率且增加了人工成本。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種雷射焊接設備及雷射焊接方法，通過視覺檢測系統獲取工件的圖像數據，以對工件上的焊縫進行準確定位，並通過控制系統控制焊接頭快速移動到焊縫位置，對工件進行快速準確的雷射掃描焊接，可以大大提高雷射焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

本發明實施例一方面提供一種雷射焊接設備，其包括焊接設備主體、焊接臺、支架、動態聚焦振鏡焊接系統、視覺檢測系統、工件定位機構、焊接頭調節驅動機構和控制系統；

所述焊接臺設置在所述焊接設備主體的一側，所述動態聚焦振鏡焊接系統通過所述支架支撐固定在所述焊接設備主體的上方，所述動態聚焦振鏡焊接系統上位於所述焊接臺正上方的一端設置有焊接頭，所述視覺檢測系統與所述焊接頭機械連接，所述工件定位機構設置在所述焊接臺上，所述焊接頭調節驅動機構與所述焊接頭機械連接，所述控制系統設置在所述焊接設備主體的一側並分別與所述動態聚焦振鏡焊接系統、所述視覺檢測系統、所述工件定位機構和所述焊接頭調節驅動機構電性連接；

所述工件定位機構用於對放置在所述焊接臺上的工件的位置進行調整，並在將所述工件固定在所述視覺檢測系統的檢測範圍內時，觸發所述視覺檢測系統啟動；

所述視覺檢測系統用於在啟動後實時獲取所述工件的圖像數據；

所述控制系統用於對所述工件的圖像數據進行處理分析得到所述工件上的焊縫的位置信息；

所述焊接頭調節驅動機構用於根據所述位置信息驅動所述焊接頭運動到所述焊縫的上方，並對所述焊接頭的位置進行微調，使所述焊接頭正對所述焊縫；

所述動態聚焦振鏡焊接系統用於在所述焊接頭正對所述焊縫時，以預設掃描頻率發射預設頻率和預設脈寬的雷射脈衝對所述焊縫進行雷射掃描焊接，並在雷射掃描焊接過程中對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦；

所述控制系統還用於對所述動態聚焦振鏡焊接系統、所述視覺檢測系統、所述工件定位機構和所述焊接頭調節驅動機構的工作狀態進行綜合控制。

優選的，所述視覺檢測系統還用於在雷射焊接過程中，實時獲取所述工件上完成雷射掃描焊接部分的掃描圖形中焊接點的畸變量；

所述控制系統還用於對所述畸變量進行分析處理得到所述掃描圖像中每一個預設失真範圍的二維平面函數，從而得到每一個預設失真範圍的畸變量，並根據所述每一個預設失真範圍的畸變量控制所述動態聚焦振鏡焊接系統對所述焊接頭的焊接位置進行校正。

優選的，所述視覺檢測系統包括第一攝像單元、第二攝像單元和機械運動單元；

所述機械運動單元分別與所述第一攝像單元、所述第二攝像單元和所述控制模塊連接，用於驅動所述第一攝像單元和所述第二攝像單元運動至指定的初始位置，以標定所述第一攝像單元和所述第二攝像單元的初始位置；

所述第一攝像單元用於獲取所述工件上的第一標記點的圖像數據；

所述第二攝像單元用於獲取所述工件上的第二標記點的圖像數據，所述第一標記點和所述第二標記點分別位於所述待加工工件上的兩個對角點；

所述控制模塊還用於根據所述第一攝像單元的初始位置和當前位置、所述第二攝像單元的初始位置和當前位置、所述第一標記點的圖像數據、所述第二標記點的圖像數據以及所述工件的圖像數據，分析處理得到所述第一標記點和第二標記點在所述工件上的位置。

優選的，所述雷射焊接設備還包括冷卻系統，所述冷卻系統設置在所述焊接設備主體上靠近所述動態聚焦振鏡焊接系統的一側，與所述動態聚焦振鏡焊接系統的雷射器機械連接並與所述控制系統電性連接。

優選的，所述冷卻系統為外循環雷射水冷機組，包括水箱、熱交換器、過濾器、磁性泵、水溫保護器和流量保護器；

所述熱交換器設置在所述動態聚焦振鏡焊接系統的雷射器一側，其進水口和出水口均與所述水箱連接，用於帶走所述雷射器散發的熱量；

所述過濾器設置在所述熱交換器的進水口，用於過濾流入所述熱交換器的冷卻水中的雜物；

所述磁性泵通過水循環管路連接在所述水箱和所述熱交換器之間，用於抽取並排出所述水循環管路中的水，以實現水循環；

所述水溫保護器設置在所述熱交換器的進水口，用於在檢測到流入所述熱交換器的冷卻水的溫度大於預設溫度時發出超溫警報；

所述流量保護器設置在所述熱交換器的進水口，用於在檢測到流入所述熱交換器的冷卻水的流量小於預設流量時發出欠流警報。

優選的，所述動態聚焦振鏡焊接系統包括雷射器和振鏡掃描系統；

所述雷射器包括通過光纖依次同軸連接設置的導光系統、擴束鏡、半反射鏡、雷射諧振腔體、全反射鏡和雷射校正機構，所述雷射器用於以預設掃描頻率發射預設頻率和預設脈寬的雷射脈衝對所述焊縫進行雷射掃描焊接；

所述振鏡掃描系統包括高精度電機、電機驅動板、反射鏡、f-θ透鏡和直流供給電源，所述振鏡掃描系統用於將所述雷射器發射的雷射脈衝聚焦於所述焊縫，並在雷射掃描焊接過程中對所述雷射器發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦。

優選的，所述焊接頭調節驅動機構包括焊接頭調節機構和焊接頭驅動機構；

所述焊接頭調節機構與所述焊接頭機械連接並與所述控制系統電性連接，用於對所述焊接頭的位置進行垂直於所述焊接臺平面的垂直方向調節和平行於所述焊接臺平面的水平方向調節；

所述焊接頭驅動機構與所述焊接頭機械連接並與所述控制系統電性連接，用於根據所述工件上的焊縫的位置信息驅動所述焊接頭運動到正對所述焊縫的位置。

優選的，所述控制系統包括控制主機和顯示單元；

所述控制主機與所述顯示單元電性連接，用於對所述圖像數據進行處理分析，並對所述動態聚焦振鏡焊接系統、所述視覺檢測系統、所述工件定位機構和所述焊接頭調節驅動機構的工作狀態進行綜合控制；

所述顯示單元用於顯示所述控制主機的處理分析結果並輸入對所述動態聚焦振鏡焊接系統、所述視覺檢測系統、所述工件定位機構或所述焊接頭調節驅動機構的工作狀態進行綜合控制的控制指令。

本發明實施例另一方面還提供一種雷射焊接方法，其基於上述的雷射焊接設備實現，所述雷射焊接方法包括：

控制工件定位機構調整放置在焊接臺上的工件的位置，使所述工件固定在視覺檢測系統的檢測範圍內；

觸發所述視覺檢測系統啟動，以實時獲取所述工件的圖像數據；

對所述工件的圖像數據進行處理分析得到所述工件上的焊縫的位置信息；

控制焊接頭調節驅動機構根據所述位置信息驅動所述焊接頭運動到所述焊縫的上方，並對所述焊接頭的位置進行微調，使所述焊接頭正對所述焊縫；

控制動態聚焦振鏡焊接系統以預設掃描頻率發射預設頻率和預設脈寬的雷射脈衝對所述焊縫進行雷射掃描焊接，並在雷射掃描焊接過程中對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦。

優選的，所述雷射焊接方法還包括：

在雷射焊接過程中，通過所述視覺檢測系統實時獲取所述工件上完成雷射掃描焊接部分的掃描圖形中焊接點的畸變量；

對所述畸變量進行分析處理得到所述掃描圖像中每一個預設失真範圍的二維平面函數，從而得到每一個預設失真範圍的畸變量；

根據所述每一個預設失真範圍的畸變量控制所述動態聚焦振鏡焊接系統對所述焊接頭的焊接位置進行校正。

本發明實施例通過視覺檢測系統獲取工件的圖像數據，以對工件上的焊縫進行準確定位，並通過控制系統控制焊接頭快速移動到焊縫位置，使動態聚焦振鏡焊接系統發射雷射脈衝對工件進行快速準確的雷射掃描焊接，同時在雷射掃描焊接過程中，通過動態聚焦振鏡焊接系統對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦，可以大大提高雷射焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1和2是本發明的一個實施例提供的雷射焊接設備的機械結構示意圖；

圖3是本發明的一個實施例提供的動態聚焦振鏡焊接系統的機械結構示意圖；

圖4是本發明的一個實施例提供的雷射焊接設備的結構框圖；

圖5是本發明的一個實施例提供的雷射焊接設備的結構框圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「包括」以及它們任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。例如包含一系列步驟或單元的過程、方法或系統、產品或設備沒有限定於已列出的步驟或單元，而是可選地還包括沒有列出的步驟或單元，或可選地還包括對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。此外，術語「第一」、「第二」和「第三」等是用於區別不同對象，而非用於描述特定順序。

如圖1和2所示，本發明實施例提供一種雷射焊接設備100，其包括焊接設備主體101、焊接臺102、支架103、動態聚焦振鏡焊接系統10、視覺檢測系統20、工件定位機構30、焊接頭調節驅動機構40和控制系統50。

在本實施例中，焊接設備主體是用於將焊接臺、動態聚焦振鏡焊接系統、視覺檢測系統、工件定位機構、焊接頭調節驅動機構和控制系統通過機械連接方式固定在一起的由金屬材質或複合材料製成的殼體，其可以根據實際需要製造成任意的符合雷射焊接要求的形狀構造，本實施例中，不對焊接設備主體的形狀和結構作特別限定。

如圖1和2所示，焊接臺102設置在焊接設備主體101的一側，用於承載需要被焊接的工件。

在具體應用中，焊接臺的尺寸大小可根據需要被焊接的工件的尺寸進行合理設置。本實施例所提供的雷射焊接設備由於其焊接精度高速度快，主要用於對動力電池極耳等對焊接精度要求較高的工件進行焊接。在一個具體實例中，焊接臺的尺寸具體可以設置為長1.4米(m)、寬1米(m)、高0.8米(m)。

動態聚焦振鏡焊接系統10通過支架103支撐固定在焊接設備主體101的上方，用於以預設掃描頻率發射預設頻率和預設脈寬的雷射脈衝對工件上的焊縫進行雷射掃描焊接，並在雷射掃描焊接過程中對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦。

在具體應用中，預設掃描頻率、預設頻率和預設脈寬可以根據焊接精度和焊接速度要求進行設置。在一個具體實例，對動力電池極耳進行焊接時，預設掃描頻率可以為200個每小時，即每小時可以完成200個動力電池極耳的焊接，對應的，焊接速度為1～20點每秒，即每秒可以完成對動力電池極耳上1～20個焊點的焊接。

在具體應用中，動態聚焦振鏡焊接系統具體可為常用的雷射振鏡系統，通常包括雷射器、振鏡、擴束鏡、x-y光學掃描頭、光學反射鏡片、雷射光路系統等。本實施例中不對動態聚焦振鏡焊接系統的具體結構作特別限定。

如圖3所示，在本發明的一個實施例中，動態聚焦振鏡焊接系統10包括雷射器11、振鏡掃描系統12和焊接頭13，其中，雷射器11具體包括通過光纖111依次同軸連接設置的導光系統112、擴束鏡113、半反射鏡114、雷射諧振腔體115、全反射鏡116和雷射校正機構117。

在本發明的一個實施例中，振鏡掃描系統具體可以由高精度電機、電機驅動板、反射鏡、f-θ透鏡及直流供給電源組成。其中f-θ透鏡的焦距f＝100mm(或160mm)，工作幅面為110mm×110mm。

在具體應用中，支架的結構可以根據實際需要設置成任意形狀構造，只要能夠起到將動態聚焦振鏡焊接系統支撐固定在焊接設備主體的上方，且保證動態聚焦振鏡焊接系統的焊接頭與放置在焊接臺上之間間隔一定的有效距離便於發射雷射脈衝即可。本實施例中，支架103由六根圓柱形支撐住構成。

如圖1和2所示，焊接頭104設置在動態聚焦振鏡焊接系統10上位於焊接臺102正上方的一端。

在具體應用中，焊接頭的焊接芯梁可以採用矩形芯梁，矩形芯梁其上設置有銅襯墊並在銅襯墊上加工成型槽，可以保證在工件焊接過程中，對焊縫的雙面成型和散熱，雷射脈衝與工件接觸面採用平面形式，保證雷射脈衝與工件焊縫的良好接觸。

如圖1和2所示，視覺檢測系統20與焊接頭104機械連接，用於在啟動後實時獲取工件的圖像數據。

在具體應用中，視覺檢測系統包括至少一個攝像單元用於獲取工件的圖像數據，攝像單元具體可以是ccd攝像機，其必然還包括相應的圖像傳感器、模數轉換器、圖像採集卡等。

在本發明的一個實施例中，視覺檢測系統包括第一攝像單元、第二攝像單元和機械運動單元，其中，機械運動單元分別與第一攝像單元、第二攝像單元和控制模塊連接，用於驅動第一攝像單元和第二攝像單元運動至指定的初始位置，以標定第一攝像單元和第二攝像單元的初始位置；第一攝像單元用於獲取工件上的第一標記點的圖像數據；第二攝像單元用於獲取工件上的第二標記點的圖像數據，第一標記點和第二標記點分別位於待加工工件上的兩個對角點；控制模塊用於根據第一攝像單元的初始位置和當前位置、第二攝像單元的初始位置和當前位置、第一標記點的圖像數據、第二標記點的圖像數據以及工件的圖像數據，分析處理得到第一標記點和第二標記點在工件上的位置。

如圖2所示，工件定位機構30設置在焊接臺102上，用於對放置在焊接臺102上的工件的位置進行調整，以將工件扶正固定在視覺檢測系統20的檢測範圍內，並在工件被扶正固定在視覺檢測系統20的檢測範圍內時，觸發視覺檢測系統20啟動。

在具體應用中，工件定位機構可以採用一邊固定，另一邊氣動壓緊的方式將工件扶正固定，以方便工件上的焊縫對準視覺檢測系統的檢測範圍內，從而獲取工件的圖像數據。

如圖2所示，焊接頭調節驅動機構40與焊接頭104機械連接，用於驅動焊接頭104運動到焊縫的上方，並對焊接頭104的位置進行微調，使焊接頭104正對工件的焊縫。

在本發明的一個實施例中，焊接頭調節驅動機構包括焊接頭調節機構和焊接頭驅動機構。其中，焊接頭調節機構與焊接頭機械連接並與控制系統電性連接，用於對焊接頭的位置進行垂直於焊接臺平面的垂直方向調節和平行於焊接臺平面的水平方向調節；焊接頭驅動機構與焊接頭機械連接並與控制系統電性連接，用於根據工件上的焊縫的位置信息驅動焊接頭運動到正對焊縫的位置。

在具體應用中，垂直方向調節主要是調節鎢極端頭與工件之間的間距，即設定焊接電弧的長度，確立焊接電弧的電壓；水方向調節主要是調節鎢極尖端使其與焊縫對正。為便於工件的裝卸，焊接頭調節機構可以設計為氣動進槍裝置，在焊接時，焊接頭自動下降到焊接位置，焊接完畢後，焊接頭自動回歸到原始位置。焊接頭驅動機構包括交流變頻驅動電機，用於在焊接過程中，驅動焊接頭快速準確的運動到焊縫位置，其可實現對焊接頭移動速度的無級調速，可空程快速回車。

如圖4所示，控制系統50分別與動態聚焦振鏡焊接系統10、視覺檢測系統20、工件定位機構30和焊接頭調節驅動機構40電性連接，用於對工件的圖像數據進行處理分析得到工件上的焊縫的位置信息，還用於對動態聚焦振鏡焊接系統10、視覺檢測系統20、工件定位機構30和焊接頭調節驅動機構40的工作狀態進行綜合控制。

在具體應用中，控制系統50具體可以選用pc機或plc工控機，也可以通過通用集成電路，例如cpu(centralprocessingunit，中央處理器)，或通過asic(applicationspecificintegratedcircuit，專用集成電路)來實現，其內部寫入相應的算法程序，可以對圖像數據分析、處理和識別得到工件的位置信息，從而實現對工件的定位。

在本發明的一個實施例中，視覺檢測系統還用於在雷射焊接過程中，實時獲取工件上完成雷射掃描焊接部分的掃描圖形中焊接點的畸變量；

控制系統還用於對畸變量進行分析處理得到掃描圖像中每一個預設失真範圍的二維平面函數，從而得到每一個預設失真範圍的畸變量，並根據每一個預設失真範圍的畸變量控制動態聚焦振鏡焊接系統對焊接頭的焊接位置進行校正。

如圖2所示，在本發明的一個實施例中，控制系統50包括控制主機51和顯示單元52；其中，控制主機51與顯示單元52電性連接，用於對圖像數據進行處理分析，並對動態聚焦振鏡焊接系統、視覺檢測系統、工件定位機構和焊接頭調節驅動機構的工作狀態進行綜合控制；顯示單元52用於顯示控制主機51的處理分析結果並輸入對動態聚焦振鏡焊接系統、視覺檢測系統、工件定位機構或焊接頭調節驅動機構的工作狀態進行綜合控制的控制指令。

在具體應用中，顯示單元具體可以為觸控顯示屏，控制系統也可以相應配置鍵盤、滑鼠、控制按鈕等控制指令輸入設備。

在具體應用中，雷射加工系統必然還可以包括用於在各模塊之間傳輸數據的數據線以及對應設置在各模塊上的數據接口，也可以採用無線傳輸方式傳輸數據，本實施例中不對數據傳輸方式作特別限定。

本發明實施例通過視覺檢測系統獲取工件的圖像數據，以對工件上的焊縫進行準確定位，並通過控制系統控制焊接頭快速移動到焊縫位置，使動態聚焦振鏡焊接系統發射雷射脈衝對工件進行快速準確的雷射掃描焊接，同時在雷射掃描焊接過程中，通過動態聚焦振鏡焊接系統對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦，可以大大提高雷射焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

如圖5所示，在本發明的一個實施例中，雷射焊接設備100還包括冷卻系統60，冷卻系統60設置在焊接設備主體101上靠近動態聚焦振鏡焊接系統10的一側，與動態聚焦振鏡焊接系統10的雷射器機械連接並與控制系統50電性連接。

在本發明的一個實施例中，冷卻系統具體可以為外循環雷射水冷機組，其包括水箱、熱交換器、過濾器、磁性泵、水溫保護器和流量保護器。

熱交換器設置在動態聚焦振鏡焊接系統的雷射器一側，其進水口和出水口均與水箱連接，用於帶走雷射器散發的熱量。

過濾器設置在熱交換器的進水口，用於過濾流入熱交換器的冷卻水中的雜物。

磁性泵通過水循環管路連接在水箱和熱交換器之間，用於抽取並排出水循環管路中的水，以實現水循環。

水溫保護器設置在熱交換器的進水口，用於在檢測到流入熱交換器的冷卻水的溫度大於預設溫度時發出超溫警報。

流量保護器設置在熱交換器的進水口，用於在檢測到流入熱交換器的冷卻水的流量小於預設流量時發出欠流警報。

在具體應用中，水溫保護器和流量保護器均可以包括語音報警單元，語音報警單元具體可以是蜂鳴器或由語音晶片和喇叭組成的語音播報裝置。水溫保護器和流量保護器還可以分別與控制系統電性連接，以發送數據報警信號的形式向控制系統發出警報，以使控制系統的顯示單元可以顯示相應的報警信息。

本發明實施例通過設置具有超溫報警和欠流報警功能的水冷系統，能夠保證雷射焊接設備在長時間工作的情況下依然可以正常運行，減少設備故障的發生，提高焊接效率。

本發明的一個實施例還提供一種雷射焊接方法，其基於上述的雷射焊接設備100實現，所述雷射焊接方法包括：

控制工件定位機構調整放置在焊接臺上的工件的位置，使所述工件固定在視覺檢測系統的檢測範圍內；

觸發所述視覺檢測系統啟動，以實時獲取所述工件的圖像數據；

對所述工件的圖像數據進行處理分析得到所述工件上的焊縫的位置信息；

控制焊接頭調節驅動機構根據所述位置信息驅動所述焊接頭運動到所述焊縫的上方，並對所述焊接頭的位置進行微調，使所述焊接頭正對所述焊縫；

控制動態聚焦振鏡焊接系統以預設掃描頻率發射預設頻率和預設脈寬的雷射脈衝對所述焊縫進行雷射掃描焊接，並在雷射掃描焊接過程中對其發射的雷射脈衝的離焦誤差進行動態補償，以實現雷射脈衝的動態聚焦。

在本發明的一個實施例中，所述雷射焊接方法還包括：

在雷射焊接過程中，通過所述視覺檢測系統實時獲取所述工件上完成雷射掃描焊接部分的掃描圖形中焊接點的畸變量；

對所述畸變量進行分析處理得到所述掃描圖像中每一個預設失真範圍的二維平面函數，從而得到每一個預設失真範圍的畸變量；

根據所述每一個預設失真範圍的畸變量控制所述動態聚焦振鏡焊接系統對所述焊接頭的焊接位置進行校正。

在具體應用中，上述雷射焊接方法可以由控制系統50來執行，上述方法步驟具體可以是控制系統50中的軟體程序。

本發明實施例方法中的步驟可以根據實際需要進行順序調整、合併和刪減。

本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程序可存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體(read-onlymemory，rom)或隨機存儲記憶體(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。