機(jī)器人式激光焊接步進(jìn)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及能夠被操作以接合兩個或多個疊置的金屬工件的激光焊接系統(tǒng)領(lǐng)域。特別地，本公開涉及構(gòu)造具有I級數(shù)kW的激光器并且能夠抵抗較高的機(jī)械負(fù)荷的具有輕型的、緊湊結(jié)構(gòu)的激光焊接步進(jìn)器。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接通常作為組裝方法使用，用于將多個金屬工件或板狀材料接合到一起形成一個組件。傳統(tǒng)的焊接方法是方便可用的并且包括例如弧焊和電阻點(diǎn)焊。完全在最近，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)激光焊接方法比傳統(tǒng)焊接方法至少在一些方面是有利的。例如，激光束的精確聚焦和高能集聚在更少的熱量引入工件周圍部分的情況下提供了更快速的焊接。但是，如下討論的，機(jī)器人式的激光焊接機(jī)的設(shè)計具有一些結(jié)構(gòu)上的挑戰(zhàn)。
[0003]這些挑戰(zhàn)中的一個涉及保護(hù)位于激光頭的聚焦光學(xué)器件免受焊接殘?jiān)突覊m的影響，該焊接殘?jiān)突覊m易于撞擊密封殘?jiān)M(jìn)入激光頭的入口的玻璃窗。玻璃窗的完整性可能被殘?jiān)鼡p壞并且其更換會導(dǎo)致自動組裝線頻繁的停機(jī)。通常，空氣噴射以與光導(dǎo)的縱向軸線成一角度地被引入光導(dǎo)中，特征通常被稱為交叉式噴射技術(shù)。在較高的空氣壓力下，交叉式噴射導(dǎo)致空氣導(dǎo)向件內(nèi)的渦流。該渦流在導(dǎo)向件的中心區(qū)域處于比外圍區(qū)域的壓力更低的壓力的情況下在導(dǎo)向件內(nèi)產(chǎn)生壓力梯度。已經(jīng)注意到，壓力梯度對激光束的質(zhì)量有不利的影響并且使得殘?jiān)刂行膮^(qū)域朝向保護(hù)窗流動。此外，交叉式噴射還導(dǎo)致不舒服的高度噪聲。
[0004]因此，存在對空氣供給組件的新設(shè)計的需求，該空氣供給組件在執(zhí)行其直接的光學(xué)器件保護(hù)功能的同時不影響激光束的質(zhì)量。
[0005]另一個挑戰(zhàn)與特別地根據(jù)高能聚集的焊縫質(zhì)量相關(guān)。當(dāng)激光束的能量稍微高于需要的能量時，激光束可能熔化全部的重疊件，從而形成了貫通的開口而不是接合這些件。相反地，低能量的激光束可能不足以接合這些件。盡管存在各種技術(shù)用于控制激光源的輸出能量，但是已知的技術(shù)都不能確定焊縫的質(zhì)量并且實(shí)時地響應(yīng)確定的焊縫質(zhì)量來改變輸出能量。然而，焊接質(zhì)量如果不是任何焊接過程最重要的參數(shù)，也是最重要的參數(shù)之一。
[0006]因此，存在對構(gòu)造有用于基于焊接質(zhì)量自動調(diào)整激光輸出的系統(tǒng)的光學(xué)激光器焊接系統(tǒng)的需求。
[0007]另一個挑戰(zhàn)來自于待焊接工件的復(fù)雜的幾何形狀。通常，待接合工件不是理想定位的，并且當(dāng)機(jī)器人移動至預(yù)定位置時，必須操作機(jī)器人以校正工件與機(jī)器人之間的位置。
[0008]因此，存在對于如下機(jī)器人式焊接系統(tǒng)的需求，該機(jī)器人式焊接系統(tǒng)設(shè)置有一機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被構(gòu)造為在不對機(jī)器人進(jìn)行不期望的操作的情況下補(bǔ)償待焊接工件的期望位置與實(shí)際位置之間的差異。
[0009]又一挑戰(zhàn)還來自于待焊接工件的復(fù)雜幾何形狀，其通常需要相同的機(jī)械臂的直徑相對的垂直位置。明顯地，由于整個焊接裝置的重力，所以使該臂朝向工件移動的致動器施加分別與臂位移的向下和向上方向分別對應(yīng)的不同的力矩?？刂票壑聞恿Φ囊阎椒òㄊ謩虞斎胫甘颈鄣钠谕恢玫臄?shù)據(jù)。手動操作可能是不精確的并且耗時的。
[0010]因此，存在對移動臂的步驟的自動化的另一需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本文公開的手動容易操作的焊接步進(jìn)器解決了全部上述需求。本公開的焊接系統(tǒng)可拆卸地安裝至能夠被操作以將系統(tǒng)傳輸至焊接執(zhí)行所期望的位置的機(jī)器人。
[0012]根據(jù)本公開的一個方面，解決了交叉式噴射的問題，使加壓空氣流進(jìn)入平行于其縱向軸線的光導(dǎo)向通道中。在下文中被稱為“上方噴射”的所述傳輸技術(shù)幾乎消除了中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間的壓力梯度。結(jié)果，流向光學(xué)頭的保護(hù)窗的小顆?；驓?jiān)豢諝饬饔行У仳?qū)趕返回，其增加了保護(hù)窗的壽命并且不會影響光束質(zhì)量。此外，通過使用所公開的上方噴射構(gòu)造顯著地降低了與交叉式噴射結(jié)構(gòu)相關(guān)的高度噪聲。
[0013]根據(jù)另一方面，除上方噴射之外，去除相對大的焊接殘?jiān)⑶移叫杏谏戏絿娚淞鲃拥牧硪豢諝饬鳈M穿隧道。在隧道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的泵引導(dǎo)大量的周圍空氣以較低的速度平行于上方噴射地進(jìn)入隧道的上游端。由于從隧道中排空兩個氣流的出口接近焊接區(qū)域定位，所以氣流可以使不同大小的焊接殘?jiān)ㄟ^出口。
[0014]另一方面涉及焊接步進(jìn)器的操作。當(dāng)激光束功率太高時待焊接的疊置的金屬工件可能被燒穿，相反地，當(dāng)激光束功率過低時工件可能具有較差的接合。在太高的激光束功率的情況下，較大量的激光輻射橫穿燒穿工件形成的相對大的通道。當(dāng)功率較低時，相對少量的激光輻射會找到通過工件的路徑。
[0015]由此可見，本公開教導(dǎo)了并置在焊接區(qū)域的后面的光檢測器。利用反饋回路，檢測的激光輻射被處理并且被與參考值比較。然后，控制信號發(fā)送至激光系統(tǒng)的功率源中，以改變輸出功率并且提供具有期望質(zhì)量的焊縫。
[0016]待焊接的工件通常稍微移位，以使得當(dāng)機(jī)器人被引導(dǎo)至期望的位置并且接合工件時，不會達(dá)到使用它所述工件不會相互壓靠的期望的壓力。為了補(bǔ)償工件相對于機(jī)器人位置的定位誤差，已知的現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)操作機(jī)器人以調(diào)整其相對于工件的當(dāng)前位置的位置。所述調(diào)整是耗時的并且影響加工效率。
[0017]本公開的焊接系統(tǒng)具有不同的方法來產(chǎn)生期望的位置。在具有兩個抓取臂的焊接系統(tǒng)的構(gòu)造中，兩個抓取臂都能夠被可控制地移動，以使得當(dāng)工件低于期望的高度時，在電動操作臂被引導(dǎo)至該高度之前氣動操作臂抬升工件至期望的高度。相反地，當(dāng)工件稍微處于期望的高度上方時，電動致動臂將工件帶至其中所述臂分別施加相反導(dǎo)向的力以使用期望的壓力使工件朝向彼此壓緊的期望的高度。
[0018]氣動操作臂是帶有預(yù)壓力的。因此，其移動需要根據(jù)該臂是向上移動還是向下移動而施加給該臂的不同的力。當(dāng)重力與施加給臂的力的方向相同時，產(chǎn)生稍微超過預(yù)壓力的相對小的力。否則，產(chǎn)生的力明顯大于預(yù)壓力。由此可見，本公開的系統(tǒng)設(shè)置有位置檢測單元，該位置檢測單元能夠被操作以產(chǎn)生發(fā)送至氣動泵的控制信號，該氣動泵基于檢測的焊接系統(tǒng)的位置產(chǎn)生期望的力。
【附圖說明】
[0019]通過下面結(jié)合附圖的具體說明，所公開的裝置的上述特征以及其它特征將變得更加顯而易見，其中:
[0020]圖1是本公開的激光焊接系統(tǒng)的軸側(cè)投影圖；
[0021]圖2A-2C是電動操作臂的各自的剖視、側(cè)仰視以及俯視圖；
[0022]圖3A-3C和4A-4C圖示了本公開的焊接系統(tǒng)的操作原理；
[0023]圖5是能夠被操作以調(diào)整待焊接工件相對于機(jī)器人位置的位置的氣動機(jī)構(gòu)的視圖；
[0024]圖6是圖示焊縫質(zhì)量控制系統(tǒng)的操作的流程圖；
[0025]圖7是本公開的焊接機(jī)的氣動操作臂的視圖；
[0026]圖8是具有圖示在焊接位置中的抓取臂的本公開的焊接系統(tǒng)的軸側(cè)投影圖；
[0027]圖9是圖示電動操作臂的操作的本公開的焊接系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0028]圖10是本公開的步進(jìn)器的示意側(cè)視圖；
[0029]圖11是壓力端工件的正交視圖；
[0030]圖12是本公開的焊接系統(tǒng)的操作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]將參照在附圖中圖示的本公開的多個實(shí)施例詳細(xì)地作出說明。只要可能，使用在附圖和說明書中的相同或類似的附圖標(biāo)記指代相同或類似的工件或步驟。僅出于方便和清楚的目的，相對于繪圖板平面使用方向(上/下等)或運(yùn)動學(xué)(向前/向后等)術(shù)語。這些和類似的方向術(shù)語不應(yīng)理解為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。附圖是簡化的形式并且不是按精確比例繪制的。
[0032]圖1圖示了配置有連接步進(jìn)器10與機(jī)器人的安裝件18的緊湊型激光焊接步進(jìn)器10。在安裝狀態(tài)中，機(jī)器人可以使步進(jìn)器10圍繞旋轉(zhuǎn)軸線A-A旋轉(zhuǎn)并且使步進(jìn)器沿縱向軸線B-B直線地移動，如下文詳細(xì)地描述。兩個抓取臂一一電動操作臂14和氣動操作臂16一一限定抓取單元，該抓取單元能夠使用例如大約3kN的達(dá)到kN級別的合適的力將待焊接的金屬工件朝向彼此擠壓。臂可拆卸地安裝至支撐組件12。諸如高能光纖激光器的激光源被構(gòu)造為發(fā)射高達(dá)例如大約4000W的數(shù)千瓦級別的單?；蚨嗄＜す馐Ｈ欢?，如下所述，步進(jìn)器構(gòu)造有環(huán)境安全機(jī)構(gòu)，該環(huán)境安全機(jī)構(gòu)在焊接正在實(shí)施時防止激光輻射發(fā)散到外面，其將所公開的步進(jìn)器分類為I級激光器系統(tǒng)。總體上，但分別組裝有兩個臂14和16時步進(jìn)器10重約45kg，并且小于當(dāng)其僅具有一個電動致動臂14操作時的重量。僅具有一個電動致動臂14的操作可能在待焊接的工件安裝至固定支架時發(fā)生。
[0033]臂14和16分別在原位置與焊接位置之間運(yùn)