CN114871571B - 一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，属于蓝光半导体激光技术领域。包括蓝光光束准直***、蓝光主副光束分束***、聚焦***、副光束准直光束线形转化***、线性蓝光扫描寻位光路、CCD相机；蓝光光束经蓝光光束准直***扩束准直后入射至蓝光主副光束分束***，对蓝光光束进行分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束；聚焦***用于将主光束在指定焊接位置汇聚，进行焊接；副光束准直光束线形转化***用于将副光束转化为线形激光；线性蓝光扫描寻位光路用于根据被CCD相机接收线形激光的反射光，进行图像处理得到实际焊接的焊点位置。本发明将激光焊接与激光焊缝检测两种功能集中到一个焊接设备上，不需手眼标定。

Description

一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置
技术领域
本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置。
背景技术
近年来，对具有高导热性和导电性的铜材料进行激光加工的需求量很大，然而，铜材料对于红外波段的激光吸收率只有10％甚至更小，另一方面，随着波长不断减小至500nm以下，铜材料对光的吸收率急剧增加，这就使得利用蓝光进行高反材料的焊接能够取得更好的加工效果。蓝光半导体激光器在汽车动力电池、航空航天和电气等高精细度要求的领域中，蓝光半导体激光焊接具有强有力的优势。
激光焊接一般会与关节机器人绑定，相对于人工焊接而言，焊接机器人能够大幅度减少焊接人力生产成本，提高焊接工作的自动智能化操作程度，焊接机器人可以在一定的工作空间中自动完成很多种焊接动作，因此可以任意的自动调节每个焊接者的姿态。在机器人焊接的过程中，由于工件变形、焊缝本身不规范以及工件摆放有偏差等问题，时常导致焊缝轨迹与机器人预设轨迹不符的情况。为了改变焊接编程教育被称为盲目焊接的时代，现有的激光焊接机器人体系中，大都会通过附加视觉传感器，通过三角测量原理，从而推得焊缝的真实位置，进而对机器人的轨迹进行实时调整。
激光视觉的工作原理是基于激光三角测距原理，这是一种传统的比较成熟的方法。线激光在整个***中是作为外加主动光源使用，当倾斜照射到工件焊缝表面，会产生一个激光斑点，激光斑点图像通过反射后进入摄像机，在摄像机的光敏探测器上成像为一个像点。在***中，焊枪和激光视觉传感器通过固定支架刚性固定，被检测工件的焊缝表面当发生上下或左右移动时，像点的位置也会相应发生变化，所以可以根据像点的位置变化关系来计算焊枪发生的高度和水平方向的位置。
目前，激光焊接机器人设备中，激光焊接头和激光传感器大都为两个独立的个体，在实际的生产应用过程中，用户在将激光传感器安装到激光焊接头上后，需要通过手眼标定等方式，实现传感器扫描位置到焊缝实际位置的转化。如果用户在进行设备维护时，将激光焊接头从机器人上拆下，会导致传感器与激光焊接头之间发生位置偏移，用户需要重新进行手眼标定来确保设备运行时扫描的精确度。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，将蓝光焊接所需要的激光焊接头和线扫描传感器融为一体，旨在解决在实际生产焊接过程中需要频繁进行手眼标定以保证设备精确度的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，包括沿光路放置的蓝光光束准直***、蓝光主副光束分束***、聚焦***、副光束准直光束线形转化***、线性蓝光扫描寻位光路、用于观测的CCD相机。蓝光半导体激光器输出的蓝光光束经所述蓝光光束准直***扩束准直后入射至所述蓝光主副光束分束***，所述蓝光主副光束分束***用于对蓝光光束进行分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束；
所述聚焦***用于将主光束在指定焊接位置汇聚，进行焊接；
所述副光束准直光束线形转化***用于将副光束转化为线形激光，在焊接过程中，线形激光位于焊接位置的正前方，且反射后能被CCD相机接收；
所述线性蓝光扫描寻位光路用于根据被CCD相机接收线形激光的反射光，进行图像处理得到实际焊接的焊点位置。
优选地，光束准直***包含了两个沿光路放置凸透镜组成的开普勒望远镜结构，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距。蓝光半导体激光器，耦合光纤输出到光束准直***，通过两个凸透镜组成的望远镜***对其进行扩束准直。
优选地，蓝光主副光束分束***包含了一个全反射镜和一个分光镜，其中分光镜优选为透过率为0.1％的反射镜，实现对蓝光准直光束的分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束。准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的分光镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦***，0.1％的蓝光透射后，先通过一块反射镜调整光束方向，再进入副光束准直光束线性转化***。
优选地，激光准直光束主光束经过聚焦***，主光束入射到聚焦镜后在指定焊接位置汇聚。
优选地，副光束准直光束线性转化***包含了沿光路放置的用于蓝光收束的第三凸透镜、第四凸透镜和两个用于光束整形的柱面镜，副光束先通过两个凸透镜所组成收束***，缩小光束半径后，再依次入射到两个柱面镜上，最后转化为线形激光输出。在焊接过程中，线形激光正好位于焊接位置的正前方，且反射后正好能被与聚焦镜等高位置处的CCD相机接收。
优选地，线性蓝光扫描寻位光路包含两个用于反射线激光的平面反射镜，CCD相机位于聚焦透镜处，准直激光经过准直光束线形转化装置后入射到第一平面反射镜和第二平面反射镜上，通过两次反射后线形光束照射到Cu材料拼接焊缝上，并使其正好位于焊接的前进方向上的，根据三角测量原理，经过Cu材料反射的反射光会入射到CCD相机上，再经由图像处理得到实际焊接的焊点位置。
作为本发明的进一步优选，各个光学透镜的中轴线都与光束中轴线重合。
作为本发明的进一步优选，光束准直***中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜，两块凸透镜平行放置，且间隔距离大于两块凸透镜的焦距之和，由光纤端面输出的蓝光具有一定的光束发散角，光束经过第一凸透镜后汇聚于第二凸透镜的焦点位置，该点到第二凸透镜的距离正好等于第二凸透镜的焦距，蓝光光束在经过第二凸透镜后，就能够得到发散角极小的平行蓝光光束输出。
作为本发明的进一步优选，所有光学透镜均镀有对蓝光增透的膜层，以降低由透镜表面反射或散射引起的功率损耗，分光镜出光面上镀有一层特殊介质，使得蓝光光束中99.9％的能量被反射进入激光准直光束聚焦***，剩余0.1％的能量穿过分光镜。其余反射镜均镀有增强蓝光反射的膜层，以减少功率损耗；
作为本发明的进一步优选，副光束准直光束线性转化***中，第三凸透镜的焦距大于第四凸透镜，两块凸透镜平行放置，且间隔距离正好等于两块凸透镜的焦距之和，光束经过第三凸透镜后汇聚于第三凸透镜的焦点位置，由于该点到第四凸透镜的距离正好等于第四凸透镜的焦距，蓝光光束在经过第四凸透镜后，能够得到光斑尺寸较小的平行蓝光光束输出。
作为本发明的进一步优选，焊接机器人在进行工具TCP设定时，需要以主光束聚焦的聚焦透镜汇聚后的主光束交点作为工具点，聚焦透镜的焦距选取时，在主光束垂直Cu材料焊缝平面的情况下，应该使得主光束交点与经过第二平面反射镜反射到Cu材料焊缝上的线形扫描光斑处于同一平面上。
作为本发明的进一步优选，主光束聚焦的聚焦透镜和用于接收线形反射光的CCD相机应该放置与同一高度，且CCC相机的接受面于光束平行，能够最大幅度的减小焊接时产生的飞溅以及干扰光对位置跟踪的影响。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置将激光焊接与激光焊缝检测两种功能集中到一个焊接设备上，通过固定各组镜片的相对位置可以得到扫描点位和实际焊接焦点处的位置传输矩阵关系，用户在进行设备调试时只需要进行一次手眼标定。
2、本发明通过将蓝光半导体激光器输出的激光光束进行准直后，通过一个透过率为0.1％的反射镜对光束进行分光，其中99.9％的光束能量在反射后通过一个聚焦镜聚焦后作为焊接Cu材料的焊接光，0.1％的光束能量透过反射镜后，整形成线形光斑用于实际焊缝位置的检测。
3、对于Cu材料的焊接，当蓝光的焊接功率增加时，焊接位置处的飞溅和干扰光带来的影响会变大，但由于分光镜镜的光束透过率为0.1％，当蓝光的输出功率增大时，用于扫描的副光束能量也会增加，使得CCD相机接收到的光束主要来源还是线形扫描光斑的反射。
附图说明
图1是本发明具体实施例的蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置原理图。
图2是本发明具体实施例的光束准直***图。
图3是本发明具体实施例的蓝光主副光束分束原理图。
图4是本发明具体实施例的蓝光主副光束位置关系图。
图5是本发明具体实施例的副光束准直光束线性转化装置图。
图6是本发明具体实施例的线性蓝光扫描寻位光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，本发明提供了一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，包括沿光路放置的蓝光准直扩束***、蓝光分束***、准直光束整型***、线性蓝光扫描寻位光路、准直光束汇聚***、用于观测的CCD相机。
本发明提供了一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，包括沿光路放置的蓝光光束准直***、蓝光主副光束分束***、聚焦***、副光束准直光束线形转化***、线性蓝光扫描寻位光路、用于观测的CCD相机。蓝光半导体激光器输出的蓝光光束经所述蓝光光束准直***扩束准直后入射至所述蓝光主副光束分束***，所述蓝光主副光束分束***用于对蓝光光束进行分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束；
所述聚焦***用于将主光束在指定焊接位置汇聚，进行焊接；
所述副光束准直光束线形转化***用于将副光束转化为线形激光，在焊接过程中，线形激光位于焊接位置的正前方，且反射后能被CCD相机接收；
所述线性蓝光扫描寻位光路用于根据被CCD相机接收线形激光的反射光，进行图像处理得到实际焊接的焊点位置。
具体地，光束准直***包含了两个沿光路放置凸透镜组成的开普勒望远镜结构，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距。蓝光半导体激光器，耦合光纤输出到光束准直***，通过两个凸透镜组成的望远镜***对其进行扩束准直。
具体地，蓝光主副光束分束***包含了一个全反射镜和一个透过率为0.1％的分光镜，实现对蓝光准直光束的分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束。准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的分光镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦***，0.1％的蓝光透射后，先通过一块反射镜调整光束方向，再进入副光束准直光束线性转化***。
具体地，激光准直光束主光束经过聚焦***，主光束入射到聚焦镜后在指定焊接位置汇聚。
具体地，副光束准直光束线性转化***包含了沿光路放置的用于蓝光收束的第三凸透镜、第四凸透镜和两个用于光束整形的柱面镜，副光束先通过两个凸透镜所组成收束***，缩小光束半径后，再依次入射到两个柱面镜上，最后转化为线形激光输出。在焊接过程中，线形激光正好位于焊接位置的正前方，且反射后正好能被与聚焦镜等高位置处的CCD相机接收。
具体地，线性蓝光扫描寻位光路包含两个用于反射线激光的平面反射镜，CCD相机位于聚焦透镜处，准直激光经过准直光束线形转化装置后入射到第一平面反射镜和第二平面反射镜上，通过两次反射后线形光束照射到Cu材料拼接焊缝上，并使其正好位于焊接的前进方向上的，根据三角测量原理，经过Cu材料反射的反射光会入射到CCD相机上，再经由图像处理得到实际焊接的焊点位置。
具体地，各个光学透镜的中轴线都与光束中轴线重合。
具体地，光束准直***中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜，两块凸透镜平行放置，且间隔距离大于两块凸透镜的焦距之和，由光纤端面输出的蓝光具有一定的光束发散角，光束经过第一凸透镜后汇聚于第二凸透镜的焦点位置，该点到第二凸透镜的距离正好等于第二凸透镜的焦距，蓝光光束在经过第二凸透镜后，就能够得到发散角极小的平行蓝光光束输出。
具体地，所有光学透镜均镀有对蓝光增透的膜层，以降低由透镜表面反射或散射引起的功率损耗，分光镜出光面上镀有一层特殊介质，使得蓝光光束中99.9％的能量被反射进入激光准直光束聚焦***，剩余0.1％的能量穿过分光镜。其余反射镜均镀有增强蓝光反射的膜层，以减少功率损耗；
具体地，副光束准直光束线性转化***中，第三凸透镜的焦距大于第四凸透镜，两块凸透镜平行放置，且间隔距离正好等于两块凸透镜的焦距之和，光束经过第三凸透镜后汇聚于第三凸透镜的焦点位置，由于该点到第四凸透镜的距离正好等于第四凸透镜的焦距，蓝光光束在经过第四凸透镜后，能够得到光斑尺寸较小的平行蓝光光束输出。
具体地，焊接机器人在进行工具TCP设定时，需要以主光束聚焦的聚焦透镜汇聚后的主光束交点作为工具点，聚焦透镜的焦距选取时，在主光束垂直Cu材料焊缝平面的情况下，应该使得主光束交点与经过第二平面反射镜反射到Cu材料焊缝上的线形扫描光斑处于同一平面上。
具体地，主光束聚焦的聚焦透镜和用于接收线形反射光的CCD相机应该放置与同一高度，且CCD相机的接受面于光束平行，能够最大幅度的减小焊接时产生的飞溅以及干扰光对位置跟踪的影响。
下面结合可选实施例进行详述：
本实施例中，如图1所示，蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置的应用场景为Cu材料拼接焊缝的焊缝检测扫描焊接，蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置被封装在一个焊接装置5中，焊接装置5被固定在工业六轴机器人2的法兰盘4上。先对工业六轴机器人2的进行焊接轨迹设定，运动开始后，工业六轴机器人2发送信号给蓝光半导体激光器1，蓝光半导体激光器1产生蓝光光束，通过光纤6传输到焊接装置5内，经过蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置后，使通过凸透镜21聚焦后的主光束交点22沿着拼接焊的Cu材料拼接焊缝3水平向右运动，同时副光束整形形成的线形扫描光斑18位于机器人的前进方向上，通过CCD相机19采集的反射光信息，经过图像处理***20处理后，将实际焊缝的坐标信息发送给工业六轴机器人2。
本实施例中，如图2所示，光束准直***由两个凸透镜7、8组成，凸透镜7的焦距为f1，凸透镜8的焦距为f2，两块凸透镜平行放置，间距略大于f1+f2。由蓝光激光器产生的蓝光经过光纤输出时，具有一定的蓝光发散角，经过凸透镜7的会聚作用后在凸透镜8的焦点处会聚，再经过凸透镜8，得到准直的蓝色激光输出。
本实施例中，如图3所示，经过凸透镜8的准直光束经过一个反射镜9后实现光束的传播方向的改变，入射到渡有特殊材料的反射镜10上，反射镜10对蓝光的反射率为99.9％，蓝光在反射镜10处进行分束，分解成含有99.9％能量的反射光(主光束)与含有0.1％能量的透射光(副光束)，由反射镜10透射的含有0.1％能量的蓝光准直光束，经过反射镜11反射后，入射到准直光束线性转化***中。
本实施例中，如图4所示，凸透镜21的放置位置与CCD相机19处于同一高度且经过凸透镜21聚焦后的主光束交点22刚好会聚于Cu材料拼接焊缝3上，且在位置上满足与线形扫描光斑18共面且在焊接方向上处于线形扫描光斑18的后方。
本实施例中，如图5所示。副光束准直光束线性转化***由两个凸透镜12，13和两个柱面镜14，15组成。凸透镜12和凸透镜13的焦距分别为f3和f4，且f3大于f4，两块凸透镜平行放置，且间隔距离正好等于两块凸透镜的焦距之和，平行光束经过凸透镜12后汇聚于凸透镜12的焦点位置，由于该点到凸透镜13的距离正好等于凸透镜13的焦距，蓝光光束在经过凸透镜13后，能够得到光斑尺寸较小的平行蓝光光束输出。经过收束后的蓝光平行光，在接触到柱面镜14的第一面后会在透镜内快速聚焦，造成光束的发散角非常大，造成在像平面会有线形的效果，再经过柱面镜15对发散的光束进行进一步的整形，最终得到适用于激光扫描的线形激光。
本实施例中，如图6所示，线性蓝光扫描寻位***由两个成一定角度的反射镜16、17组成，通过柱面镜15后的线形蓝光连续经过反射镜16和反射镜17的反射后，斜入射到Cu板上，且线形扫描光斑18与Cu材料拼接焊缝3在水平面内成垂直关系，经过Cu材料表面反射后被CCD相机19接收，三角测量原理中，点光斑成像在CCD线阵上，且成像位置与光斑的深度位置有唯一的对应关系，测出CCD线阵上所成实像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光斑此刻的深度坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数，由于扫描时所用的光斑为线光斑，可以对焊缝垂直方向若干采样点的测量，得到被测表面形貌的一组数据。由于焊缝位置蓝光会透过焊缝，无法正常反射回CCD相机19，扫描得到的图像经过处理后会有一个明显的断点。由于线形扫描光束和焊接焦点的相对位置是一定的，因此它们之间的位置传输矩阵亦是固定的，通过CCD相机19读取图像得到焊缝在传感器坐标系下的位置后，通过图像处理***20，根据已知的位置传输矩阵计算得到该处焊缝在机器人坐标系下的位置，并传输给工业六轴机器人2。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种蓝光激光焊接机器人的一体式主副分束装置，其特征在于，包括沿光路放置的蓝光光束准直***、蓝光主副光束分束***、聚焦***、副光束准直光束线形转化***、线性蓝光扫描寻位光路、用于观测的CCD相机；蓝光半导体激光器输出的蓝光光束经所述蓝光光束准直***扩束准直后入射至所述蓝光主副光束分束***，所述蓝光主副光束分束***用于对蓝光光束进行分解，形成用于蓝光焊接的主光束和用于蓝光扫描的副光束；
所述聚焦***用于将主光束在指定焊接位置汇聚，进行焊接；
所述副光束准直光束线形转化***用于将副光束转化为线形激光，在焊接过程中，线形激光位于焊接位置的正前方，且反射后能被CCD相机接收；
所述线性蓝光扫描寻位光路用于根据被CCD相机接收线形激光的反射光，进行图像处理得到实际焊接的焊点位置；所述线性蓝光扫描寻位光路包括用于反射线形激光的第一平面反射镜和第二平面反射镜，线形激光通过两次反射后照射到拼接焊缝上，形成线形扫描光斑，经材料反射后的反射光会入射到CCD相机，经过图像处理得到实际焊接的焊点位置。
2.根据权利要求1所述的一体式主副分束装置，其特征在于，所述蓝光光束准直***包括沿光路放置的第一凸透镜和第二凸透镜，组成开普勒望远镜结构，对蓝光光束进行扩束准直。
3.根据权利要求2所述的一体式主副分束装置，其特征在于，所述蓝光主副光束分束***包括一个全反射镜和一个分光镜，准直后的蓝光光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到分光镜，反射光为主光束，透射光为副光束。
4.根据权利要求1或3所述的一体式主副分束装置，其特征在于，所述副光束准直光束线性转化***包括沿光路放置的用于蓝光收束的第三凸透镜和第四凸透镜、以及用于光束整形的第一柱面镜和第二柱面镜，副光束依次通过第三凸透镜和第四凸透镜缩小光束半径后，再依次入射到第一柱面镜和第二柱面镜，转化为线形激光输出。
5.根据权利要求1所述的一体式主副分束装置，其特征在于，所述聚焦***为聚焦透镜，所述聚焦透镜汇聚后的主光束交点为工具点，所述主光束交点与线形扫描光斑处于同一平面。
6.根据权利要求2所述的一体式主副分束装置，其特征在于，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，且间隔距离大于两块凸透镜的焦距之和。
7.根据权利要求4所述的一体式主副分束装置，其特征在于，第三凸透镜的焦距大于第四凸透镜的焦距，且间隔距离等于两块凸透镜的焦距之和。
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