專利名稱：激光射線焊接頭的制作方法
激光射線焊接頭本發(fā)明涉及用于焊接金屬件的激光射線焊接頭，它具有至少一個(gè) 用于一束焊接射線的射束路徑和用于在第一測(cè)量位置處光學(xué)采集焊縫 位置的裝置，其中用于光學(xué)采集焊縫位置的裝置使得在焊接方向上第 一測(cè)量位置的位置可以位于焊接射線的焊接位置的前方，并且至少根 據(jù)焊縫相對(duì)于一個(gè)參考位置的橫向偏移而產(chǎn)生一個(gè)用于校正焊接射線 的焊接位置的校正信號(hào)，本發(fā)明還涉及這種激光射線焊接頭的相應(yīng)用 途。此外本發(fā)明還涉及用于射線焊接金屬件的方法，其中通過(guò)在焊接 射線的焊接位置前方的第一測(cè)量位置處使用光學(xué)采集裝置確定焊縫位 置，并且根據(jù)焊縫相對(duì)于參考位置的偏移產(chǎn)生一個(gè)校正信號(hào)。當(dāng)應(yīng)用一束焊接射線進(jìn)行金屬構(gòu)件焊接時(shí)通常應(yīng)用自動(dòng)移動(dòng)設(shè) 備，這些設(shè)備保證了在要被焊接的構(gòu)件與焊接射線之間適當(dāng)?shù)南鄬?duì)運(yùn) 動(dòng)，以產(chǎn)生所要的焊縫。為了在深度焊接模式下焊接時(shí)產(chǎn)生為形成一個(gè)"栓孔(key hole )"所需要的能量密度，焊接射線通常被強(qiáng)烈聚焦， 從而自動(dòng)移動(dòng)設(shè)備必須有一個(gè)非常高的定位精度，以保證恒定的焊縫 質(zhì)量。通常要求在垂直于焊縫前進(jìn)方向上的焊接射線的定位精度小于 ±0.15毫米，這里焊縫被設(shè)計(jì)成對(duì)接焊縫或角焊縫。CNC控制的笛卡 爾托架系統(tǒng)能滿足這種定位精度要求，但是需要高的投資費(fèi)用。多軸 機(jī)器人原則上比笛卡爾托架系統(tǒng)在成本上要低廉，但由于由其驅(qū)動(dòng)裝 置的重定向和驅(qū)動(dòng)裝置的非剛性所導(dǎo)致的固有振動(dòng)使得在確定的軸位 置上具有±0.15亳米的最小定位再現(xiàn)精度。因此在焊縫的動(dòng)態(tài)定位情況 下所要求的精度對(duì)于多軸機(jī)器人而言是達(dá)不到的。現(xiàn)有技術(shù)已知了具有用于識(shí)別焊縫位置和用于校正激光焊接頭 的附加裝置的激光射線焊接頭。德國(guó)專利申請(qǐng)DE10335501Al公開了 在一個(gè)位于焊接射線位置前方的行程窗口中求出激光焊接射線頭的實(shí)
際路徑，將其與事先存儲(chǔ)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并對(duì)此過(guò)程進(jìn)行相應(yīng) 的焊接射線位置校正的原理。這種激光射線焊接頭的問(wèn)題在于，由于 復(fù)雜的行程計(jì)算，高的焊接速度將導(dǎo)致路徑偏差。國(guó)際專利申請(qǐng)WO2005/095043A1公開了 一種具有用于確定焊縫 位置的參考位置的裝置的激光射線焊接頭，它們通過(guò)三角測(cè)量法求出 接近實(shí)際焊接位置("栓孔")的焊縫的參考位置的形狀，并且相對(duì) 于規(guī)定的焊縫參考位置對(duì)激光焊接頭連續(xù)定位。由于為了確定焊縫參 考位置要考慮在焊接位置與測(cè)量位置之間的行程，在這種激光射線焊 接頭的情況下用于計(jì)算激光焊接射線頭校正信號(hào)的開銷也相當(dāng)高，因 而只有在不是很高的焊接速度下，特別是在處理路徑半徑的情況下才 能達(dá)到合適的精度。因此本發(fā)明的目的在于給出一種用于射線焊接金屬件的通用類 型的激光射線焊接頭和方法，用它可以實(shí)現(xiàn)很高的動(dòng)態(tài)定位精度，同 時(shí)有很高的焊接速度。此外本發(fā)明建議了這種激光射線焊接頭的具有 優(yōu)點(diǎn)的用途。上述任務(wù)按照本發(fā)明的第一項(xiàng)建議由一種通用類型的激光射線 焊接頭如此完成第一測(cè)量位置在焊接射線前方的距離被選擇為使得 所產(chǎn)生的校正信號(hào)可以直接地、特別是無(wú)需行程計(jì)算就可用于控制用 于校正焊接射線的焊接位置的裝置?，F(xiàn)已出乎意料地表明在第一測(cè)量位置與焊接射線的焊接位置或 焊接射線的"栓孔，，位置間的距離足夠小的情況下可以不考慮測(cè)量位 置和焊接射線的位置之間的行程。這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)于例如由于裝卸系統(tǒng)或 多軸機(jī)器人的定位精度或固有振動(dòng)所導(dǎo)致的焊接位置偏移的特別高速 度的焊接射線位置校正。系統(tǒng)的、由小行程導(dǎo)致的小的剩余偏移誤差 出乎意料地并不會(huì)使焊縫超出位置容差。由于校正信號(hào)的導(dǎo)出在由用 于光學(xué)采集焊縫位置的裝置確定相對(duì)于參考位置的偏移之后立即進(jìn) 行，即使在小的焊接半徑，例如小于60毫米的焊接半徑情況下，也可 以達(dá)到在10米/分鐘范圍內(nèi)的特別高的焊接速度。即使在很高的焊接200780008623. 1說(shuō)明書第3/10頁(yè)速度下也能保持士0.15亳米的所要求的焊接射線定位精度。優(yōu)選的是，第一測(cè)量位置至焊接射線的焊接位置的距離最大為3 毫米，最好最大為2毫米。按照現(xiàn)有技術(shù)，焊縫位置的光學(xué)采集在距 焊接射線的焊接位置的更大距離處進(jìn)行，從而總是必須考慮行程。通 過(guò)如本發(fā)明所迷的第一測(cè)量位置至焊接射線的焊接位置的距離，根據(jù) 本發(fā)明系統(tǒng)誤差可以減小到使得它不再會(huì)超出位置容差的程度。為了改變焊接位置的動(dòng)態(tài)性能，本發(fā)明所述的激光射線焊接頭的 另一個(gè)實(shí)施方式可以如此優(yōu)化在焊接射線的射束路徑中設(shè)置了至少 一個(gè)調(diào)節(jié)元件，用于改變焊線射線位置，此元件可以由校正信號(hào)控制。 與現(xiàn)有技術(shù)已知的方法中激光射線焊接頭連續(xù)地根據(jù)校正信號(hào)移動(dòng)或 被控制不同，在焊接射線的射束路徑中的調(diào)節(jié)元件避免了大尺度運(yùn)動(dòng) 的焊接射線位置校正，因?yàn)橹挥姓{(diào)節(jié)元件需要改變其位置。這樣校正 的速度可再次顯著提高，并且裝卸裝置的固有振動(dòng)可得到校正。特別簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)元件可以如此提供作為調(diào)節(jié)元件設(shè)置至少一個(gè) 可傾斜的鏡面，最好是二色分光鏡。可傾斜鏡面可以作為調(diào)節(jié)元件相 對(duì)于整個(gè)激光射線焊接頭幾乎無(wú)慣性地運(yùn)動(dòng)或者被傾斜，以按照無(wú)行 程計(jì)算的校正信號(hào)校正焊接射線位置。二色分光鏡具有以下優(yōu)點(diǎn)在 一個(gè)特定值以下或以上的波長(zhǎng)被它很好地反射，并且在相應(yīng)其它波長(zhǎng) 范圍內(nèi)它幾乎是透明的。激光焊接頭中焊接射線的射束路徑也可被用 作光學(xué)采集焊縫位置的射束路徑。為此二色分光鏡被選為使得它例如 對(duì)于焊接射線激光器的波長(zhǎng)是高度反射的，并且將其反射回焊接位置 或從焊接位置反射到輸入耦合端或焊接射線源。其它波長(zhǎng)通過(guò)此二色 分光鏡，并可被用來(lái)觀測(cè)焊縫的位置。通過(guò)利用激光焊接射線的射束 路徑同時(shí)可保持本發(fā)明所述激光焊接頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。按照本發(fā)明所述激光射線焊接頭的另一優(yōu)化實(shí)施方式，如此實(shí)現(xiàn) 在確定焊縫位置時(shí)過(guò)程可靠性的優(yōu)化作為用于光學(xué)位置采集的裝置， 設(shè)置了第一圖像處理裝置，特別是第一CMOS攝像機(jī)，并且設(shè)置了用 于在第一測(cè)量位置處投射一個(gè)垂直于焊縫走向的激光行的第一行投影 儀，其中在第 一圖像處理裝置的射束路徑中設(shè)置了與激光行波長(zhǎng)相適
配的濾波元件。被垂直于焊縫投影到要被焊接的金屬件上的激光行顯 然具有不同于焊接射線的波長(zhǎng)。優(yōu)選的是，適配于激光行的濾波元件 有特別陡峭的濾波邊沿，以盡可能抑制由于第 一 圖像處理裝置中除激 光行波長(zhǎng)之外其它波長(zhǎng)的入射產(chǎn)生的所有錯(cuò)誤信號(hào)。優(yōu)選使用的CMOS攝像機(jī)的特征是行選的特別短的反應(yīng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)迅 速的圖像處理和分析。也可應(yīng)用其它的圖像處理裝置，如果它能實(shí)現(xiàn) 所需要的分析速度的話。特別具有優(yōu)點(diǎn)的是設(shè)置具有近紅外區(qū)波長(zhǎng)的激光源，最好是具有 805nm波長(zhǎng)的激光源被用作第一行投影儀的光源，其中在圖像處理裝 置的射束路徑中的光學(xué)濾波元件在805nm處具有最大透射率。例如可 考慮用激光二極管作為行投影儀，其激光射線例如通過(guò)一個(gè)柱面透鏡 進(jìn)入一個(gè)激光行中。此濾波元件最好可被設(shè)計(jì)成有特別陡峭的濾波邊 沿。例如它僅對(duì)805士5nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)是透射的。在近紅外區(qū)焊接射 線發(fā)出的射線強(qiáng)度以及焊縫的熱輻射強(qiáng)度都相當(dāng)小，從而由于焊接過(guò) 程本身以金屬蒸汽發(fā)光形式的射線耦入或焊縫產(chǎn)生的干擾在應(yīng)用相應(yīng) 濾波元件和激光源時(shí)可以很好地被抑制。這樣盡管第一測(cè)量位置與焊 接射線的焊接位置之間的距離很小，由第一圖像處理裝置可以保證在 確定焊縫位置偏移時(shí)的過(guò)程可靠性。如果激光行可以相對(duì)于第 一 圖像處理裝置的觀測(cè)軸以 一個(gè)預(yù)定 的角度被投影到測(cè)量位置上，則可以有利地使用光截面原理，以便除 了橫向偏移外還得到關(guān)于焊縫參考位置的垂直偏移的信息。所得到的 焊縫外形數(shù)據(jù)因而不僅用于激光射線焊接頭的焊接位置的橫向校正， 而且也用于垂直方向上焊接位置的校正。例如為了焊接位置的垂直校 正，如焊接射線的聚焦，還可以在焊接射線的射束路徑中提供附加的 調(diào)節(jié)元件。根據(jù)本發(fā)明的激光射線焊接頭的另一優(yōu)化實(shí)施方式，在第一圖像 處理裝置的射束路徑中提供了其它的光學(xué)元件，特別是光路折疊鏡， 從而使本發(fā)明所述激光射線焊接頭的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)得特別緊湊。采用其它用于光學(xué)采集在焊接方向上跟在焊接射線的焊接位置 后面的第二測(cè)量位置的裝置，可以同時(shí)進(jìn)行對(duì)焊縫質(zhì)量的補(bǔ)充檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明的激光射線焊接頭的另一優(yōu)化實(shí)施方式，光截面原理 可以被用來(lái)確定所產(chǎn)生的焊縫的幾何形狀，其中為了光學(xué)采集第二測(cè) 量位置，設(shè)置了用于在第二測(cè)量位置處垂直于焊縫投影第二激光行的第二行投影儀和第二圖像處理裝置，特別是第二CMOS攝像機(jī)，它用 于觀測(cè)第二測(cè)量位置，并且第二行投影儀的激光行相對(duì)于圖像處理裝 置的觀測(cè)軸以一個(gè)預(yù)定角度被投影到測(cè)量位置上，并且可選地在第二 圖像處理裝置的射束路徑中設(shè)置了適配于第二激光行的濾波元件。但是，如果設(shè)置了以相同的波長(zhǎng)、最好是以805nm的波長(zhǎng)發(fā)出 激光行的第 一和第二行投影儀，則可以不用第二濾波元件和用于第二 圖像處理裝置的附加射束路徑。在此情況下兩個(gè)圖像處理裝置可以利 用相同的射束路徑和相同的濾波元件。如果例如第 一和第二測(cè)量位置 在該射束路徑的一個(gè)圖像平面中的二個(gè)不同地點(diǎn)處形成，則這些圖像 處理裝置可以通過(guò)在射束路徑中該圖像平面的相鄰排列僅分開地拾取 來(lái)自不同測(cè)量位置的測(cè)量信號(hào)。然而也可以只提供一個(gè)圖像處理裝置， 其配置給各測(cè)量位置的各測(cè)量范圍可以分別被讀取或分析。最好在激光射線焊接中設(shè)置光纖輸入口用于焊接射線的耦入，從 而在激光射線焊接頭自身上沒(méi)有激光源，此焊接頭可以更簡(jiǎn)單地被設(shè) 計(jì)。然而也可以在激光射線焊接頭上安裝激光源，例如二極管激光器， 并且不需要焊接射線的光纖輸入口 。按照本發(fā)明的第二項(xiàng)建議，前面所述任務(wù)通過(guò)應(yīng)用#4&本發(fā)明的 激光射線焊接頭和一個(gè)用于焊接金屬件、特別是用于焊接"工程毛坯" 的裝卸系統(tǒng)、特別是折疊臂多軸機(jī)器人來(lái)完成。 一方面通過(guò)應(yīng)用本發(fā) 明所述激光射線焊接頭明顯提高了要被焊接的金屬件焊縫的動(dòng)態(tài)定位 精度，另一方面通過(guò)此應(yīng)用使得應(yīng)用價(jià)格低廉的折疊臂多軸機(jī)器人成 為可能。這在"工程毛坯"的焊接中是特別有利的。"工程毛坯"是 金屬構(gòu)件，它們通過(guò)焊接與其它金屬件或金屬板一起形成負(fù)載兼容的 半成品，其中焊縫的嚴(yán)格定位對(duì)于"工程毛坯，，的承載能力有決定性 影響。盡管焊接半徑局部地小于60毫米，并且要求焊縫定位精度為 ±0.15毫米，按照本發(fā)明應(yīng)用激光射線焊接頭可以以高質(zhì)量完成"工程 毛坯，，的高效且廉價(jià)的生產(chǎn)。按照本發(fā)明的第三項(xiàng)建議，前面所述任務(wù)由一種用于金屬件射線 焊接的通用方法如此完成第一測(cè)量位置距離焊接射線的位置很近， 并且校正信號(hào)直接地、特別是無(wú)需行程計(jì)算就被用于控制校正焊接射 線位置的裝置。如上所述，由于第一測(cè)量位置與焊接射線的焊接位置 之間距離小，出人意料地使得第 一測(cè)量位置至焊接射線位置的行程在 校正計(jì)算中可以不考慮。結(jié)果是獲得了焊縫相對(duì)于一個(gè)參考位置的偏 離的特別簡(jiǎn)單且迅速的計(jì)算。通過(guò)幾乎是瞬時(shí)的("近似實(shí)時(shí)，，)焊 縫位置考察，裝卸系統(tǒng)的固有振動(dòng)和激光射線焊接頭定位的不精確性 在超過(guò)10米/分鐘的高焊接速度下也能被校正。具有優(yōu)點(diǎn)的是，第一測(cè)量位置與焊接射線位置的距離最大為3毫 米，最好最大為2毫米。焊接射線的位置決定了在焊接金屬件時(shí)通常 形成的"栓孔，，的滲透地點(diǎn)。最大3毫米、最好最大為2毫米的行程 出人意料地可以忽略不考慮行程所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，并且快速的、直 接的、特別是無(wú)需行程計(jì)算的焊接射線的焊接位置校正可以被用來(lái)保 證±0.15亳米的焊縫精度。為了能盡可能迅速地校正焊接射線相對(duì)于焊縫的位置，按照本發(fā) 明所述方法的另一實(shí)施例，在激光射線焊接頭的焊接射線的射束路徑 中的至少一個(gè)調(diào)節(jié)元件至少使用校正信號(hào)來(lái)控制。這樣，在改變焊接 射線位置時(shí)引起附加不精確性的運(yùn)動(dòng)慣性可以被最小化。按照本發(fā)明所述方法的一個(gè)特別簡(jiǎn)單的實(shí)施例，作為調(diào)節(jié)元件的 可傾斜的鏡面、特別是一個(gè)二色分光鏡被控制。如前所述，二色分光 鏡一方面對(duì)于某些波長(zhǎng)，例如在焊接射線的波長(zhǎng)范圍內(nèi)完成鏡面的功 能。另 一方面此二色分光鏡對(duì)于例如被用于確定焊縫位置的波長(zhǎng)是基 本上透射的。通過(guò)二色分光鏡的傾斜運(yùn)動(dòng)，焊接射線可以最好垂直于 焊縫地引導(dǎo)到所希望的位置，而不改變光學(xué)采集的射束路徑。同時(shí)二 色分光濾波器可以用來(lái)分開在焊接射線的射束路徑中的過(guò)程光和在第 一觀測(cè)裝置中的過(guò)程光。然而也可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)其它的調(diào)節(jié)元件
或鏡面直接根據(jù)校正信號(hào)垂直于焊縫移動(dòng)激光射線的焦點(diǎn)。按照本發(fā)明所述方法的另一個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式可以獲得特別高的過(guò)程可靠性第一個(gè)行投影儀在第一測(cè)量位置處投影一個(gè)激光 行，并且第一個(gè)圖像處理裝置，特別是第一CMOS攝像機(jī)，光學(xué)分析 第一測(cè)量位置，其中一個(gè)設(shè)置在圖像處理裝置的射束路徑中且適配于 激光行的濾波元件對(duì)來(lái)自第一測(cè)量位置的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行濾波。通過(guò)激 光行與附加濾波元件的結(jié)合，來(lái)自測(cè)量位置的光學(xué)信號(hào)可以很好地適 配于一個(gè)極窄的波長(zhǎng)范圍，即激光行的波長(zhǎng)范圍。這樣使得第一圖像 處理裝置的測(cè)量信號(hào)具有特別好的信噪比。具有優(yōu)點(diǎn)的是，第 一激光行相對(duì)于第 一 圖像處理裝置的觀測(cè)軸以 一個(gè)角度投影到第一測(cè)量位置上并且第一測(cè)量位置的分析由圖像處理 裝置按光截面原理完成。也就是說(shuō)激光行不是同軸地投影到第一測(cè)量 位置上。如前所述，通過(guò)光截面原理并借助于三角測(cè)量法，除了橫向 偏移外，按照一個(gè)外形測(cè)量同時(shí)可確定縱向方向上焊縫位置相對(duì)于參 考位置的偏移，從而焊接射線的焊接位置也能適配于垂直于焊縫方向 上的偏移。此外由此外形圖可以通過(guò)特別簡(jiǎn)單的方式和方法通過(guò)圖4象 處理方法確定確切的焊縫位置并從而簡(jiǎn)單地計(jì)算出相對(duì)于參考位置的 偏移?？傮w上所需的小的計(jì)算開銷進(jìn)一步提高了校正速度。如果行投影儀以近紅外區(qū)的波長(zhǎng)、特別是以805納米的波長(zhǎng)發(fā)出 激光行，確定焊縫位置的過(guò)程可靠性可進(jìn)一步提高，因?yàn)樵诖瞬ㄩL(zhǎng)范 圍內(nèi)借助于一個(gè)邊緣濾波器既不產(chǎn)生焊接射線本身、也不產(chǎn)生由垾縫 發(fā)出的熱輻射或金屬蒸汽發(fā)光所導(dǎo)致的強(qiáng)干擾信號(hào)。這在焊接射線焊 接位置與第一測(cè)量位置之間距離很小的情況下是特別具有優(yōu)點(diǎn)的。最終焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)可如此進(jìn)行在焊接方向上焊接射線的焊接 位置后方的一個(gè)第二測(cè)量位置處進(jìn)行已產(chǎn)生的焊縫的光學(xué)采集。為了光學(xué)釆集已產(chǎn)生的焊縫，最好是一個(gè)第二行投影儀在第二測(cè) 量位置上垂直于焊縫投影一個(gè)激光行，其中激光行相對(duì)于第二圖像處 理裝置的、特別是第二 CMOS攝像機(jī)的觀測(cè)軸以一個(gè)角度在第二測(cè)量 位置處凈皮投影，而且應(yīng)用光截面原理來(lái)分析在第二測(cè)量位置上的測(cè)量
結(jié)果。本發(fā)明所述方法不僅實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特別快速和精確的焊縫位置校 正及焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)，而且使得可以實(shí)現(xiàn)激光射線焊接頭的緊湊結(jié)構(gòu)， 特別是在釆用與第一測(cè)量位置處相同波長(zhǎng)的激光行進(jìn)行第二測(cè)量位置 處的測(cè)量時(shí)。存在多種構(gòu)造和設(shè)計(jì)用于焊接金屬件的本發(fā)明所述激光射線焊接頭和本發(fā)明所述方法。跟在權(quán)利要求1和14后面的權(quán)利要求給出了 這些構(gòu)造和設(shè)計(jì)。下面借助附圖所示本發(fā)明的激光射線焊接頭的一個(gè) 實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明。附圖中圖l簡(jiǎn)要示出根據(jù)本發(fā)明的激光射線焊接頭的一個(gè)示例性實(shí)施例 的射束路徑截面圖；以及圖2示出

圖1的示例性實(shí)施例測(cè)得的系統(tǒng)殘留偏差與第一測(cè)量位 置相對(duì)于焊接位置的距離的關(guān)系。圖1中首先示出根據(jù)本發(fā)明的激光射線焊接頭1的一個(gè)實(shí)施例的 焊接射線射束路徑2。焊接射線2最好通過(guò)一個(gè)光纖輸入口 3耦入到 激光射線焊接頭中。焊接射線2被光學(xué)元件4聚焦到要被焊接的金屬 件5上。在大多數(shù)情況下聚焦的目的是通過(guò)所形成的激光等離子體生 成一個(gè)圖中未示出的"栓孔，，，生成焊縫并從而指示焊接射線2的焊 接位置。待焊接的金屬件5以箭頭6所示方向相對(duì)于激光射線焊接頭 1移動(dòng)。在所示根據(jù)本發(fā)明的激光射線焊接頭1的實(shí)施例中，在焊接 射線2的射束路徑中設(shè)置一個(gè)二色分光鏡7，它作為調(diào)節(jié)元件可以進(jìn) 行傾斜移動(dòng)。二色分光鏡7的傾斜軸例如可以平行于圖面，使得通過(guò) 二色分光鏡7的控制可以垂直于圖面、即垂直于焊接方向6改變焊接 射線的焊接位置8。在焊接方向6向前設(shè)置第一測(cè)量位置9，在其上一 個(gè)行投影儀IO相對(duì)于垂直于焊縫的圖像處理裝置12的觀測(cè)軸以一個(gè) 角度投射一個(gè)激光行11。利用觀測(cè)裝置12,它例如可以由一個(gè)CMOS 攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以按照光截面原理在焊接前觀測(cè)焊縫的外形，因?yàn)槎?色分光鏡7對(duì)于行投影儀所發(fā)出的激光行的波長(zhǎng)是透射的。對(duì)應(yīng)于所
示的射束路徑13，投射在焊縫上的激光行11的圖像由圖像處理裝置 12測(cè)量。由于不僅有二色分光鏡7，而且在圖像處理裝置12的射束路 徑中還設(shè)置了濾波元件14，所有由焊線射線2本身、由金屬濺射、焊 縫的熱輻射或"栓孔"上的金屬蒸氣發(fā)光都被抑制，僅有激光行和從 而所測(cè)焊縫外形被光學(xué)分析。由激光行照射的焊接噴濺(160單位/秒) 導(dǎo)致約2%的測(cè)量點(diǎn)誤差，這些噴濺作為外部干擾可以通過(guò)一個(gè)算法、 例如通過(guò)"是/否"查詢而被"計(jì)算出來(lái)"。通過(guò)應(yīng)用三角測(cè)量法可以按照光截面原理精確且高速地確定第 一測(cè)量位置9處焊縫的位置。由所測(cè)得的實(shí)際焊縫位置相對(duì)于一個(gè)參 考位置的偏移按照本發(fā)明直接地、特別是不考慮測(cè)量位置9至焊接位 置8的行程情況下發(fā)出一個(gè)校正信號(hào)到可傾斜鏡面7用于校正。焊接 射線2的焊接位置8的校正通過(guò)鏡面位置的相應(yīng)改變進(jìn)行?？蓛A斜鏡 面7的動(dòng)態(tài)性能被設(shè)計(jì)為使得在存留的行程時(shí)間內(nèi)焊縫射線2的位置 可被校正。為了使本發(fā)明所述激光射線焊接頭1的結(jié)構(gòu)緊湊，可以設(shè)置附加 的鏡面15。由于多種應(yīng)用的可能性，例如角縫的焊接，激光射線焊接 頭1的尺寸也是有實(shí)際意義的。為了監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的焊縫，在所示實(shí)施例中還設(shè)置了另 一個(gè)行投影 儀16，它也相對(duì)于圖像處理裝置12的觀測(cè)軸以一個(gè)角度垂直于焊縫 方向6在第二測(cè)量位置18處投射一個(gè)激光行17到焊縫上。由于第一 和第二測(cè)量位置可以在射束路徑中很容易地相互分開，最好在圖像處 理裝置12中對(duì)每個(gè)測(cè)量位置設(shè)置一個(gè)CMOS攝像機(jī)或其它的平面光 學(xué)傳感器以進(jìn)行光學(xué)分析，為了簡(jiǎn)化起見在圖1中未示出。通過(guò)對(duì)每個(gè)測(cè)量位置9， 18應(yīng)用兩個(gè)不同的CMOS攝像機(jī)可以 應(yīng)用具有較少像素?cái)?shù)的小型CMOS攝像機(jī)，它們可相互獨(dú)立地讀取。 在相同的測(cè)量精度情況下，焊縫位置校正的動(dòng)態(tài)特性由于用于確定焊 縫相對(duì)于參考值偏移的CMOS攝像機(jī)有較少的測(cè)量時(shí)間或讀取時(shí)間 而得以提高。然而也可以想像，把一個(gè)單個(gè)的CMOS攝像機(jī)劃分為兩 個(gè)不同區(qū)段，它們被分別分析。
由于根據(jù)本發(fā)明不進(jìn)行為校正焊縫位置8的第一測(cè)量位置9的行 程計(jì)算，可以獲得特別高的動(dòng)態(tài)焊縫跟蹤，同時(shí)可達(dá)到大于10米/分 鐘的焊接速度。基于快速校正，本發(fā)明所述激光射線焊接頭1能夠補(bǔ) 償多軸機(jī)器人的固有振動(dòng)和定位不精確性。由于本發(fā)明所述激光射線焊接頭1具有小的計(jì)算開銷，它也可以 配置附加的、功能更強(qiáng)大的行程測(cè)量裝置用于采集焊縫位置(它在圖 l中未示出)，以使焊接位置8的兩級(jí)位置確定成為可能。特別是當(dāng)焊縫半徑小于60毫米時(shí)本發(fā)明所述激光射線焊接頭1 的高焊縫跟蹤精度特別有利?；谟糜诤缚p跟蹤的可靠的測(cè)量方法和 快速校正，通過(guò)采用多軸機(jī)器人l可以采用本發(fā)明的激光射線焊接頭 1來(lái)焊接這種小半徑焊縫。圖2示出忽略和第一測(cè)量位置與實(shí)際焊接位置的距離有關(guān)的行程 所產(chǎn)生的系統(tǒng)殘留偏差的確定。為了測(cè)量圖2所示殘留偏差，例如采用了一個(gè)行投影儀IO，它發(fā) 出具有805納米波長(zhǎng)的激光行11，行尺寸為6x0.05亳米。所安裝的 光學(xué)圖像處理裝置12、即CMOS攝像機(jī)的分辨率在z方向和x方向 為20微米。此外在圖像處理裝置的射束路徑中應(yīng)用了 一個(gè)具有陡峭濾 波邊沿的濾波元件14，它在805土5納米的波長(zhǎng)下具有一個(gè)透射窗口。在2亳米的行程下，即測(cè)量位置9與焊接位置8的距離為2亳米 時(shí)，殘留偏差僅為0.035毫米，從而大大低于所要求的精度極值。在 0.25毫米的行程時(shí)殘留偏差接近分辨率極限，從而它不再能被記錄到。 圖2所示有關(guān)殘留偏差的結(jié)果，即忽略行程時(shí)的系統(tǒng)誤差是在60毫米 半徑的焊縫以超過(guò)10米/分鐘的焊接速度前進(jìn)時(shí)測(cè)得的。由圖可見， 在焊縫以接近直線行進(jìn)時(shí)應(yīng)用本發(fā)明所述方法或應(yīng)用本發(fā)明所迷焊接 頭所達(dá)到的精度可以明顯提高。
權(quán)利要求
1. 一種用于焊接金屬件的激光射線焊接頭(1)，具有至少一個(gè)用于焊接射線(2)的射束路徑和用于在第一測(cè)量位置(9)處光學(xué)采集焊縫位置的裝置，其中用于光學(xué)采集焊縫位置的裝置使得第一測(cè)量位置(9)至少在焊接方向(6)上位于焊接射線(2)的焊接位置(8)前面，并且至少根據(jù)焊縫相對(duì)于參考位置的橫向偏移產(chǎn)生一個(gè)用于校正焊接射線(2)的焊接位置(8)的校正信號(hào)，其特征在于，第一測(cè)量位置(9)在焊接射線(2)的焊接位置(8)前方的距離被選擇為使得所產(chǎn)生的校正信號(hào)直接地、特別是無(wú)需進(jìn)行行程計(jì)算就可應(yīng)用于控制校正焊接射線(2)的焊接位置(8)的裝置(7)。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光射線焊接頭，其特征在于，第一測(cè) 量位置(9)相對(duì)于焊接射線(2)的焊接位置(8)的距離最大為3 毫米，最好最大為2毫米。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的激光射線焊接頭，其特征在于，在 焊接射線(2)的射束路徑中設(shè)置有至少一個(gè)調(diào)節(jié)元件(7),用于改 變焊接射線位置，該調(diào)節(jié)元件可由校正信號(hào)控制。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，設(shè)置至少一個(gè)可傾斜的鏡面(7)、最好是二色分光鏡作為調(diào)節(jié) 元件。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，設(shè)置第一圖像處理裝置(12)、特別是第一CMOS攝像機(jī)作為 用于光學(xué)采集位置的裝置，并且設(shè)置第一行投影儀(10),用于在第 一測(cè)量位置(9)處投影一個(gè)垂直于焊縫前進(jìn)的激光行(11)，其中在 第一圖像處理裝置的射束路徑(13)中設(shè)置適配于激光行波長(zhǎng)的濾波 元件(14)。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，設(shè)置具有在近紅外區(qū)的波長(zhǎng)、最好是具有805納米波長(zhǎng)的激光 源作為用于第一行投影儀(10)的光源，并且在第一圖像處理裝置(12)的射束路徑(13)中的光學(xué)濾波元件(14)對(duì)805納米的波長(zhǎng)有最大 的透射率。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，激光行(11)可相對(duì)于第一圖像處理裝置(12)的觀測(cè)軸(19) 以一個(gè)預(yù)定的角度被投射到第一測(cè)量位置(9)上。
8. 如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，在第一圖像處理裝置(12)的射束路徑(13)中設(shè)置其它光學(xué) 元件，特別是光路折疊鏡(15)。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，在焊接方向上焊接射線(2)的焊接位置后方設(shè)置用于光學(xué)采集 第二測(cè)量位置(18)的其它裝置。
10. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特征 在于，為了光學(xué)采集第二測(cè)量位置(18)，設(shè)置用于在第二測(cè)量位置 處投影一個(gè)第二激光行(17)的第二行投影儀(16)和用于觀測(cè)第二 測(cè)量位置(18)的第二圖像處理裝置，特別是第二CMOS攝像機(jī)，第 二行投影儀(16)的激光行(17)相對(duì)于第二圖像處理裝置的觀測(cè)軸 以 一個(gè)預(yù)定角度被投射到此測(cè)量位置上，并且可選地在第二圖像處理 裝置的射束路徑(12)中設(shè)置另一個(gè)適配于第二激光行的濾波元件。
11. 如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的激光射線坪接頭，其特 征在于，設(shè)置第一和第二行投影儀(10, 15)，它們發(fā)射具有相同波 長(zhǎng)、最好是具有805納米波長(zhǎng)的激光行。
12. 如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的激光射線焊接頭，其特 征在于，在所述激光射線焊接頭(1)中設(shè)置用于耦入焊接射線(2) 的光纖輸入口 (3)。
13. 如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所迷的激光射線焊接頭的應(yīng)用， 其與一個(gè)裝卸系統(tǒng)，特別是一個(gè)折疊臂多軸機(jī)器人一起使用，用于焊 接金屬件，特別是用于焊接"工程毛坯"。
14. 一種用于特別是應(yīng)用如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述激光 射線焊接頭對(duì)金屬件進(jìn)行射線焊接的方法，其中焊縫的位置通過(guò)應(yīng)用光學(xué)釆集裝置在焊接射線的焊接位置前方的第一測(cè)量位置處被確定， 并且根據(jù)焊縫位置相對(duì)于參考位置的偏移產(chǎn)生一個(gè)校正信號(hào)，其特征 在于，第一測(cè)量位置與焊接射線之間的距離小，并且校正信號(hào)直接地、 特別是無(wú)需進(jìn)行行程計(jì)算就被用于控制校正焊接射線焊接位置的裝 置。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，第一測(cè)量位置與 焊接射線位置之間的距離最大為3毫米，最好最大為2毫米。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，在激光射線 焊接頭的焊接射線的射束路徑中至少一個(gè)調(diào)節(jié)元件至少通過(guò)應(yīng)用校正 信號(hào)而被控制。
17. 如權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，可 傾斜的鏡面、特別是二色分光鏡作為調(diào)節(jié)元件被控制。
18. 如權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第 一行投影儀垂直于烊縫在第一測(cè)量位置上投射一個(gè)激光行，并且第一 圖像處理裝置、特別是第一CMOS攝像機(jī)光學(xué)分析第一測(cè)量位置，其 中設(shè)置在圖像處理裝置的射束路徑中且適配于激光行波長(zhǎng)的濾波元件 對(duì)第 一 測(cè)量位置的光學(xué)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波。
19. 如權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，笫 一激光行相對(duì)于第 一 圖像處理裝置的觀測(cè)軸以 一個(gè)角度被投射到第一 測(cè)量位置上，并且第一測(cè)量位置的分析由圖像處理裝置按照光截面原 理進(jìn)行。
20. 如權(quán)利要求14至19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，行 投影儀發(fā)射具有在近紅外區(qū)波長(zhǎng)、特別是具有805納米波長(zhǎng)的激光行。
21. 如權(quán)利要求14至20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在 焊接方向上處于焊接射線的焊接位置后方的第二測(cè)量位置處進(jìn)行對(duì)所 產(chǎn)生焊縫的光學(xué)采集。
22. 如權(quán)利要求14至21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為 了光學(xué)采集所產(chǎn)生的焊縫，第二行投影儀在第二測(cè)量位置上投射一個(gè) 激光行，其中該激光行相對(duì)于第二圖像處理裝置、特別是第二CMOS 攝像機(jī)的觀測(cè)軸以 一 個(gè)角度被投射到第二測(cè)量位置上，并且光截面原 理被用來(lái)對(duì)第二測(cè)量位置進(jìn)行分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于焊接金屬件的激光射線焊接頭，具有至少一個(gè)用于焊接射線的射束路徑和用于在第一測(cè)量位置處光學(xué)采集焊縫位置的裝置，其中用于光學(xué)采集焊縫位置的裝置使得第一測(cè)量位置在焊接方向上位于焊接射線的焊接位置的前方，并且至少根據(jù)焊縫相對(duì)于參考位置的橫向偏移產(chǎn)生一個(gè)用于校正焊接射線的焊接位置的校正信號(hào)，本發(fā)明還涉及激光射線焊接頭的相應(yīng)用途。此外本發(fā)明涉及一種用于焊接金屬件的方法，其中焊縫的位置通過(guò)應(yīng)用光學(xué)采集裝置在焊接射線的焊接位置前方的第一測(cè)量位置處被確定，并且根據(jù)焊縫位置相對(duì)于參考位置的偏移產(chǎn)生一個(gè)校正信號(hào)。提供用于焊接金屬件的激光射線焊接頭和方法從而實(shí)現(xiàn)很高的定位精度并同時(shí)具有高的焊接速度的技術(shù)問(wèn)題如此解決第一測(cè)量位置(9)在焊接射線(2)的焊接位置(8)前方的距離被選擇為使得所產(chǎn)生的校正信號(hào)直接地、特別是無(wú)需進(jìn)行行程計(jì)算就可應(yīng)用于控制校正焊接射線(2)的焊接位置(8)的裝置(7)。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101400474SQ200780008623
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日
發(fā)明者A·舍費(fèi)爾, C·多恩施奈特, E·布盧門薩特, F·拜赫爾, J·普勒哈, L·奧特, M·科赫, S·維施曼 申請(qǐng)人:蒂森克虜伯鋼鐵股份公司