CN106914701B - 一种机器人激光焊接方法及*** - Google Patents

一种机器人激光焊接方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人激光焊接方法及***，方法包括：将激光发生器发出的激光束通过光纤传输至安装于机械臂上的焊接头的空腔内并从焊接头的下端出***出，通过连接着预设好轨迹程序的舵机控制器的机械臂带动焊接头移动来对下端出口下方的工件进行焊接，通过焊接头内倾斜设置的允许激光发生器发出的激光束通过但反射其他波长的带通滤光片将下端出口下方的景象反射到设置在焊接头外的采集摄像机处，并显示于与其信号连接的显示器上，在焊接头焊接之前，根据采集摄像机采集的图像对机械臂的轨迹程序进行校准；具有可便捷地对机械臂的轨迹程序进行校准、焊接精度高、焊接效果好以及焊接效率高的优点。

Description

一种机器人激光焊接方法及***
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，它涉及一种机器人激光焊接方法及***。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
在公开号为CN101032786的中国专利中公开了减小焊接产生的烟的影响的激光焊接设备及方法。空气喷嘴安装在激光加工头。将来自空气喷嘴的空气的喷射方向设定成使空气横穿从激光加工头照射的激光束流动，同时气流避免与工件上的激光照射点直接接触。该专利中的激光加工头安装于机器人臂上，通过机器人臂的移动实现了激光焊接的自动化。但是针对于不同的待焊接工件和焊接环境因素，对于机器人臂预设好的焊接运行轨迹与实际应该焊接的轨迹存在一定的误差，导致焊接的精度较差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种机器人激光焊接方法，通过采集摄像机采集焊接区域的图像，根据所述图像可以便捷地对机械臂运动轨迹进行校准，从而大大提高了机械臂的焊接精度。
为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：
一种机器人激光焊接方法，所述方法包括：将激光发生器发出的激光束通过光纤传输至安装于机械臂上的焊接头的空腔内并从焊接头的下端出***出，通过连接着预设好轨迹程序的舵机控制器的机械臂带动焊接头移动来对所述下端出口下方的工件进行焊接，通过所述焊接头内倾斜设置的允许所述激光发生器发出的激光束通过但反射其他波长的带通滤光片将所述下端出口下方的景象反射到设置在所述焊接头外的采集摄像机处，并显示于与其信号连接的显示器上，在所述焊接头焊接之前，根据所述采集摄像机采集的图像对所述机械臂的轨迹程序进行校准；
在所述焊接头进行焊接之前，通过定位激光器在所述工件的焊接处照射激光点，所述定位激光器发出的激光的波长与所述激光发生器发出的激光的波长不相同，所述采集摄像机采集到包含所述定位激光器照射的激光点的图像并将所述图像传送给所述舵机控制器,所述舵机控制器根据所述图像中所述激光点的所在位置对所述轨迹程序进行校准。
通过采用上述技术方案，通过光纤将激光发生器发出的激光引导到焊接头中，使机械臂在设定好轨迹程序后可以带着焊接头对下方的工件进行自动化焊接，通过焊接头内的带通滤光片将下方焊接区域的图像反射到焊接头外的采集摄像机处，并显示于与其信号连接的显示器上，在所述焊接头焊接之前，对照着采集摄像机采集的图像，可以便捷地对机械臂的轨迹程序进行校准，从而提高了机械臂的焊接精度。
通过定位激光器在工件的待焊接处照射激光点，舵机控制器根据采集摄像机传输来的图像中定位激光器照射的激光点的位置进行分析，以作为焊接头焊接的起始参考点，从而达到对机械臂的轨迹程序进行校准。
进一步的，所述舵机控制器根据像素分布和亮度信息将所述图像转变成数字化信号，并分析出所述激光点在所述图像中的参考起焊坐标，再从测量所述机械臂上舵机的转轴所处角度的位置反馈电位计读取到反馈的位置电压信号，并根据所述位置电压信号生成一实际起焊点坐标，将所述参考起焊坐标与实际起焊点坐标进行比较后，计算出轨迹误差，所述舵机控制器再将原有的所述轨迹程序中用来控制机械臂移动轨迹的轨迹位置参数加上所述轨迹误差。
通过采用上述技术方案，根据转化为数字化信号的像素分布和亮度信息的图像分析出激光点所在参考起焊坐标，将其与反馈电位计反馈的位置电压信号进行比较后，计算出轨迹误差，将原有的所述轨迹程序中用来控制机械臂移动轨迹的轨迹位置参数加上轨迹误差，即可实现对机械臂的轨迹程序进行准确而快速的校准。
针对现有技术存在的不足，本发明的目的二在于提供一种机器人激光焊接***，通过采集摄像机采集焊接区域的图像，根据所述图像可以便捷地对机械臂运动轨迹进行校准，从而大大提高了机械臂的焊接精度。
一种机器人激光焊接***，所述***包括：激光发生器，用于产生激光束；光纤，所述光纤的端部对准着所述激光发生器发出的激光所在的光路，用于传输所述激光发生器发出的激光；机械臂，包括底座、下关节臂、上关节臂、舵机和舵机控制器，所述上关节臂的端部固定有内部设置有圆柱状空腔的焊接头，所述光纤另一端的端部同轴安装于所述空腔的上端入口，所述空腔的下端设置有与所述上端入口同轴的下端出口，所述空腔内倾斜设置有位于所述下端出口上方的带通滤光片，所述焊接头的侧壁设置有图像采集光路正对着所述带通滤光片下表面的采集摄像机，所述采集摄像机信号连接有显示器；
所述焊接头下设置有工作平台，所述工作平台上设置有金属波纹管，所述金属波纹管的端部安装有定位激光器，所述定位激光器发出的激光的波长与所述激光发生器发出的激光的波长不相同，所述采集摄像机还信号连接于所述舵机控制器，所述舵机处设置有与所述舵机控制器信号连接的位置反馈电位计。
通过采用上述技术方案，通过光纤将激光发生器发出的激光引导到焊接头中，使机械臂在设定好轨迹程序后可以带着焊接头对下方的工件进行自动化焊接，通过焊接头内的带通滤光片将下方焊接区域的图像反射到焊接头外的采集摄像机处，并显示于与其信号连接的显示器上，在所述焊接头焊接之前，对照着采集摄像机采集的图像，可以便捷地对机械臂的轨迹程序进行校准，从而提高了机械臂的焊接精度。
通过定位激光器在工件的待焊接处照射激光点，舵机控制器根据采集摄像机传输来的图像中定位激光器照射的激光点的位置进行分析，以作为焊接头焊接的起始参考点，将其与反馈电位计反馈的位置电压信号进行比较后，计算出轨迹误差，将原有的所述轨迹程序中用来控制机械臂移动轨迹的轨迹位置参数加上轨迹误差，即可实现对机械臂的轨迹程序进行准确而快速的校准；其中，将定位激光器安装在金属波纹管的端部，由于波纹管是柔性的,可以方便的弯曲、拉长、压缩，从而使定位激光器可以便捷地移动以达到对工件待焊接位置便捷的准确定位。
进一步的，所述激光发生器发出的激光束的光路上设置有将所述激光束准直并聚焦到光纤内的耦合透镜。
通过采用上述技术方案，激光发生器发出的激光束经过耦合透镜的汇聚可以减小发散性，由于所述激光发生器发出的激光束能量较高，通过将其通过耦合透镜耦合后可以减少激光束对光纤的灼烧，从而提高了光纤的使用寿命。
进一步的，所述空腔内的带通滤光片上方设置有凸透镜。
通过采用上述技术方案，激光发生器发出的激光束在传播过程后会逐渐发散，通过凸透镜的汇聚使焊接头下方的工件得到更好的焊接效果。
进一步的，所述焊接头的下端螺纹连接有倒漏斗状的吹气头，所述吹气头的下端设置有与所述下端出口同轴的出气口，所述吹气头的侧壁上设置有连通着其内部的进气管。
通过采用上述技术方案，激光可以从出气***出从而对下方的工件进行焊接，同时从进气管可以向吹气头内输入保护气体，保护气体从出气口喷出，从而在焊接工件时，可以提高焊缝质量，减少焊缝加热作用带宽度，避免材质氧化，相较现有技术中的侧吹的保护气体，可以对工件的焊接部位达到更好更均匀的保护效果。
进一步的，所述采集摄像机的镜头前方设置有过滤所述激光发生器发出的对应波长的激光的滤光片。
通过采用上述技术方案，防止激光发生器发出的激光束从工件表面反射回来影响采集摄像机的拍摄，通过滤光片过滤掉激光发生器发出的激光，使采集摄像机拍摄到更加清晰的画面，从而使舵机控制器可以更加准确地分辨出定位激光器发出的激光照射出的激光点，使机械臂的轨迹程序的校准更加准确。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）焊接头内设置有带通滤光片将下方焊接区域的图像反射到焊接头外的采集摄像机处，并显示于与其信号连接的显示器上，可以便捷地对机械臂的轨迹程序进行校准，从而提高了机械臂的焊接精度；
（2）先通过定位激光器在所述工件的焊接处照射激光点，在其辅助下，舵机控制器在参考采集摄像机拍的图像和位置反馈电位计反馈的位置电压信号下，可以实现对机械臂的轨迹程序进行准确而快速的自动校准；
（3）将定位激光器安装在金属波纹管的端部，使定位激光器可以便捷地移动以达到对工件待焊接位置便捷的准确定位；
（4）激光发生器发出的激光束的光路上设置有将所述激光束准直并聚焦到光纤内的耦合透镜，空腔内的带通滤光片上方设置有凸透镜，减小了激光束的发散程度，提高了焊接效果；
（5）通过设置进气管和吹气头，可以对工件的焊接部位达到更好更均匀的保护效果。
附图说明
图1为实施例一中机器人激光焊接方法的流程示意图；
图2为本发明的机器人激光焊接***中激光发生器与耦合透镜的安装结构示意图；
图3为本发明的机器人激光焊接***的结构示意图，示出了机械臂、焊接头以及工作平台的结构；
图4为图3中A部的放大图；
图5为图3中B部的放大图；
图6为本发明的机器人激光焊接***中焊接头的内部结构示意图。
附图标记：1、定位激光器；2、焊接头；3、激光发生器；4、带通滤光片；5、采集摄像机；6、舵机控制器；7、机械臂；8、舵机；9、光纤；10、下端出口；12、显示器；13、底座；14、下关节臂；15、上关节臂；16、上端入口；17、全反镜片；18、工作平台；19、金属波纹管； 21、耦合透镜；22、凸透镜；23、吹气头；24、出气口；25、进气管；26、滤光片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本文中所揭示的方面而描述的方法或算法的步骤及/或动作可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以两者的组合来实施。软件模块可驻留于RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体可耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息及向存储媒体写入信息。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。另外，在一些方面中，处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。另外，ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件而驻留于用户终端中。另外，在一些方面中，方法或算法的步骤及/或动作可作为代码及/或指令中的一者或其任何组合或集合而驻留于机器可读媒体及/或计算机可读媒体上，机器可读媒体及/或计算机可读媒体可并入计算机程序产品中。
实施例一，如图1所示，一种机器人激光焊接方法，方法包括：
S1：如图5所示，通过定位激光器1在工件的焊接处照射激光点；
S2：如图3、图4和图6所示，通过焊接头2内倾斜设置的允许激光发生器3发出的激光束通过但反射其他波长的带通滤光片4将下端出口10下方的景象反射到设置在焊接头2外的采集摄像机5处，采集摄像机5采集到包含定位激光器1照射的激光点的图像并将图像传送给与其信号连接的舵机控制器6；
S3：舵机控制器6根据像素分布和亮度信息将图像转变成数字化信号，并分析出激光点在图像中的参考起焊坐标，以作为焊接头2焊接的起始参考点；
S4：从测量所述机械臂7上舵机8的转轴所处角度的位置反馈电位计（附图中未示出）读取到反馈的位置电压信号，并根据所述位置电压信号生成一实际起焊点坐标，实际起焊点坐标即焊接头2实际正对着的空间坐标；
S5：通过舵机控制器6将所述参考起焊坐标与实际起焊点坐标进行比较后，计算出轨迹误差；
S6：舵机控制器6再将原有的轨迹程序中用来控制机械臂7移动轨迹的轨迹位置参数加上轨迹误差，以完成对原有的轨迹程序的校准；
S7：如图3和图6所示，将激光发生器3发出的激光束通过光纤9传输至安装于机械臂7上的焊接头2的空腔内并从焊接头2的下端出口10射出；
S8：通过设置好轨迹程序的舵机控制器6控制机械臂7带动焊接头2移动来对下端出口10下方的工件按预定轨迹进行焊接；
S9：通过带通滤光片4将下端出口10下方的景象反射到设置在焊接头2外的采集摄像机5处，并显示于与其信号连接的显示器12上。
通过显示器12操作人员可以便捷而清楚地看到工件的待焊接处的情况。
实施例二，如图2、图3和图6所示，一种机器人激光焊接***，***包括：激光发生器3，用于产生激光束；光纤9，光纤9的端部对准着激光发生器3发出的激光所在的光路，用于传输激光发生器3发出的激光；机械臂7，包括底座13、下关节臂14、上关节臂15、三个舵机8和舵机控制器6。上关节臂15的端部固定有内部设置有圆柱状空腔的焊接头2，光纤9另一端的端部同轴安装于空腔的上端入口16，空腔的下端设置有与上端入口16同轴的下端出口10，空腔内倾斜设置有位于下端出口10上方的带通滤光片4，焊接头2的侧壁设置有图像采集光路正对着带通滤光片4下表面的采集摄像机5。采集摄像机5的图像采集光路上需要弯折的地方通过全反镜片17进行反射并改变方向。三个舵机8分别位于底座13的底部、底座13与下关节臂14的连接处、下关节臂14与上关节臂15的连接处，分别用于底座13的自转、调整底座13与下关节臂14的夹角、调整下关节臂14与上关节臂15的夹角，从总体来看从而通过控制三个舵机8的转轴角度即可实现对焊接头2的空间位置的改变。
舵机控制器6内设置有脉冲编码器，脉冲编码器根据设定好的轨迹程序输出与三个舵机8的转轴的旋转量相应的脉冲信号，以此来控制三个舵机8的转轴的转动角度。以实现根据轨迹程序对机械臂7的空间移动轨迹的控制。
通过光纤9将激光发生器3发出的激光引导到焊接头2中，使机械臂7在设定好轨迹程序后可以带着焊接头2对下方的工件进行自动化焊接，通过焊接头2内的带通滤光片4将下方焊接区域的图像反射到焊接头2外的采集摄像机5处，并显示于与其信号连接的显示器12上，在焊接头2焊接之前，对照着采集摄像机5采集的图像，可以便捷地对机械臂7的轨迹程序进行校准，从而提高了机械臂7的焊接精度。
如图3和图5所示，焊接头2下方设置有工作平台18，工作平台18上安装有金属波纹管19，金属波纹管19的端部安装有定位激光器1，定位激光器1发出的激光的波长与激光发生器3发出的激光的波长不相同，采集摄像机5还信号连接于舵机控制器6，舵机8处设置有与舵机控制器6信号连接的位置反馈电位计。
通过定位激光器1在工件的待焊接处照射激光点，舵机控制器6根据采集摄像机5传输来的图像中定位激光器1照射的激光点的位置进行分析，以作为焊接头2焊接的起始参考点，将其与反馈电位计反馈的位置电压信号进行比较后，计算出轨迹误差，将原有的轨迹程序中用来控制机械臂7移动轨迹的轨迹位置参数加上轨迹误差，即可实现对机械臂7的轨迹程序进行准确而快速的校准；其中，将定位激光器1安装在金属波纹管19的端部，由于波纹管是柔性的,可以方便的弯曲、拉长、压缩，从而使定位激光器1可以便捷地移动以达到对工件待焊接位置便捷的准确定位。
如图2所示，激光发生器3发出的激光束的光路上设置有将激光束准直并聚焦到光纤9内的耦合透镜21。激光发生器3发出的激光束经过耦合透镜21的汇聚、减小发散性。
如图4和图6所示，空腔内的带通滤光片4上方安装有凸透镜22。激光发生器3发出的激光束在传播过程后会逐渐发散，通过凸透镜22的汇聚使焊接头2下方的工件得到更好的焊接效果。
焊接头2的下端螺纹连接有倒漏斗状的吹气头23，吹气头23的下端设置有与下端出口10同轴的出气口24，吹气头23的侧壁上设置有连通着其内部的进气管25。激光可以从出气口24射出从而对下方的工件进行焊接；同时，当对工件进行焊接时，从进气管25向吹气头23内输入保护气体，保护气体从出气口24喷出，从而在焊接工件时，可以提高焊缝质量，减少焊缝加热作用带宽度，避免材质氧化。保护气体可以是单元气体，也有二元，三元混合气。单元气体有氩气，二氧化碳，二元混合气有氩和氧，氩和二氧化碳，氩和氦混合气。三元混合气有氦，氩，二氧化碳混合气。应用中视焊材不同选择不同配比的焊接混合气。
如图3、图4和图6所示，采集摄像机5的镜头前方设置有过滤激光发生器3发出的对应波长的激光的滤光片26。而滤光片26可以防止激光发生器3发出的激光束从工件表面反射回来影响采集摄像机5的拍摄，通过滤光片26过滤掉激光发生器3发出的激光，使采集摄像机5拍摄到更加清晰的画面，从而使舵机控制器6可以更加准确地分辨出定位激光器1发出的激光照射出的激光点，使机械臂7的轨迹程序的校准更加准确。另外由于采集摄像机5采集的图像显示于与其信号连接的显示器12上，通过滤光片26过滤掉激光发生器3发出的激光后，操作人员可以更加清晰地看清到工件焊接部位的焊接情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种机器人激光焊接方法，其特征在于，所述方法包括：
将激光发生器(3)发出的激光束通过光纤(9)传输至安装于机械臂(7)上的焊接头(2)的空腔内并从焊接头(2)的下端出口(10)射出，通过连接着预设好轨迹程序的舵机控制器(6)的机械臂(7)带动焊接头(2)移动来对所述下端出口(10)下方的工件进行焊接，通过所述焊接头(2)内倾斜设置的允许所述激光发生器(3)发出的激光束通过但反射其他波长的带通滤光片(4)将所述下端出口(10)下方的景象反射到设置在所述焊接头(2)外的采集摄像机(5)处，并显示于与其信号连接的显示器(12)上，在所述焊接头(2)焊接之前，根据所述采集摄像机(5)采集的图像对所述机械臂(7)的轨迹程序进行校准；焊接头(2)下设置有工作平台(18)，工作平台(18)上设置有可弯曲、拉长、压缩的金属波纹管(19)，所述金属波纹管(19)的端部安装有定位激光器(1)；弯曲或拉长或压缩金属波纹管(19)可使定位激光器（1）便捷地移动到工件待焊接位置，进而引导焊接头(2)准确定位焊接；
在所述焊接头(2)进行焊接之前，通过定位激光器(1)在所述工件的焊接处照射激光点，所述定位激光器(1)发出的激光的波长与所述激光发生器(3)发出的激光的波长不相同，所述采集摄像机(5)采集到包含所述定位激光器(1)照射的激光点的图像并将所述图像传送给所述舵机控制器(6),所述舵机控制器(6)根据所述图像中所述激光点的所在位置对所述轨迹程序进行校准。
2.根据权利要求1所述的一种机器人激光焊接方法，其特征在于，所述舵机控制器(6)根据像素分布和亮度信息将所述图像转变成数字化信号，并分析出所述激光点在所述图像中的参考起焊坐标，再从测量所述机械臂(7)上舵机(8)的转轴所处角度的位置反馈电位计读取到反馈的位置电压信号，并根据所述位置电压信号生成一实际起焊点坐标，将所述参考起焊坐标与实际起焊点坐标进行比较后，计算出轨迹误差，所述舵机控制器(6)再将原有的所述轨迹程序中用来控制机械臂(7)移动轨迹的轨迹位置参数加上所述轨迹误差。
3.一种机器人激光焊接***，其特征在于，所述***包括：
激光发生器(3)，用于产生激光束；
光纤(9)，所述光纤(9)的端部对准着所述激光发生器(3)发出的激光所在的光路，用于传输所述激光发生器(3)发出的激光；
机械臂(7)，包括底座(13)、下关节臂(14)、上关节臂(15)、舵机(8)和舵机控制器(6)，所述上关节臂(15)的端部固定有内部设置有圆柱状空腔的焊接头(2)，所述光纤(9)另一端的端部同轴安装于所述空腔的上端入口(16)，所述空腔的下端设置有与所述上端入口(16)同轴的下端出口(10)，所述空腔内倾斜设置有位于所述下端出口(10)上方的带通滤光片(4)，所述焊接头(2)的侧壁设置有图像采集光路正对着所述带通滤光片(4)下表面的采集摄像机(5)，所述采集摄像机(5)信号连接有显示器(12)；
所述焊接头(2)下设置有工作平台(18)，所述工作平台(18)上设置有可弯曲、拉长、压缩的金属波纹管(19)，所述金属波纹管(19)的端部安装有定位激光器(1)；弯曲或拉长或压缩金属波纹管(19)可使定位激光器（1）便捷地移动到工件待焊接位置，进而引导焊接头(2)准确定位焊接；所述定位激光器(1)发出的激光的波长与所述激光发生器(3)发出的激光的波长不相同，所述采集摄像机(5)还信号连接于所述舵机控制器(6)，所述舵机(8)处设置有与所述舵机控制器(6)信号连接的位置反馈电位计。
4.根据权利要求3所述的一种机器人激光焊接***，其特征在于，所述激光发生器(3)发出的激光束的光路上设置有将所述激光束准直并聚焦到光纤(9)内的耦合透镜(21)。
5.根据权利要求3所述的一种机器人激光焊接***，其特征在于，所述空腔内的带通滤光片(4)上方设置有凸透镜(22)。
6.根据权利要求3所述的一种机器人激光焊接***，其特征在于，所述焊接头(2)的下端螺纹连接有倒漏斗状的吹气头(23)，所述吹气头(23)的下端设置有与所述下端出口(10)同轴的出气口(24)，所述吹气头(23)的侧壁上设置有连通着其内部的进气管(25)。
7.根据权利要求3所述的一种机器人激光焊接***，其特征在于，所述采集摄像机(5)的镜头前方设置有过滤所述激光发生器(3)发出的对应波长的激光的滤光片(26)。
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