ГОЛОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Российский патент 2010 года по МПК B23K26/04 

Изобретение относится к головке для лазерной сварки металлических частей с, по меньшей мере, одним ходом лучей для сваривающего луча и средствами для оптической регистрации положения сварного шва на первой позиции измерения, причем средства для оптической регистрации положения сварного шва обеспечивают расположение первой позиции измерения, по меньшей мере, в направлении сваривания с опережением положения сварки сваривающего луча и, по меньшей мере, в зависимости от латерального отклонения сварного шва от заданного положения создают корректирующий сигнал для коррекции положения сварки сваривающего луча, а также к соответствующему применению головки для лазерной сварки. Наряду с этим настоящее изобретение относится к способу лучевой сварки, при котором положение сварного шва при применении оптического средства регистрации на первой позиции измерения определяется с опережением места сварки сваривающего луча и в зависимости от отклонения сварного шва относительно заданного положения создается корректирующий сигнал.

При сваривании металлических конструктивных элементов при применении сваривающего луча часто применяются подвижные автоматы, которые при создании сварного шва обеспечивают соответствующее относительное движение между подлежащими свариванию конструктивными деталями и сваривающим лучом. Для получения необходимой концентрации энергии для создания (Key-holes) в режиме глубокой сварки сваривающий луч, как правило, фокусируется очень сильно, так что в отношении подвижных автоматов должна требоваться экстремально высокая точность позиционирования, чтобы обеспечить остающееся одинаковым качество сварного шва. Как правило, точность позиционирования сваривающего луча перпендикулярно ходу сварного шва требуется менее ±0,15 мм, причем сварной шов выполнен в виде бесконечного соединения или углового сварного шва. Существующие системы компьютерного числового программного управления, координатные портальные системы соответствуют требованиям точности позиционирования, однако требуют высоких инвестиционных затрат. Многокоординатные роботы, которые в принципе приемлемы по стоимости в качестве координатных портальных систем, имеют в связи с собственными колебаниями, которые вызываются переориентировкой и эластичностью приводов, в определенных осевых положениях минимальную точность позиционирования от ±0,15 мм. Поэтому требуемая точность при динамическом позиционировании сваривающего луча может не достигаться при применении многокоординатных роботов.

Из уровня техники известны головки для лазерной сварки, которые имеют дополнительные средства для распознавания положения сварного шва и для коррекции положения головки для лазерной сварки. Так из немецкого выложенного описания изобретения к неакцептованной заявке DE 103 35 501 А1 известно определение в опережающем окошке с опережением положения сваривающего луча фактической траектории головки для лазерной сварки, сравнивание с заранее накопленными заданными данными и осуществление с учетом опережения соответствующей коррекции положения сваривающего луча. Проблематичным для этой головки лазерной сварки является то, что высокие скорости сварки при сложном предварительном расчете ведут к отклонениям траектории.

Международная патентная заявка WO 2005/095043 А1 описывает головку для лазерной сварки со средствами для регистрации заданного положения сварного шва, которые триангуляционным способом определяют профиль заданного положения сварного шва вблизи фактического положения сварки ("Key-hole") и постоянно позиционируют головку для лазерной сварки относительно установленного положения сварного шва. В связи с учетом опережения между положением сварки и позицией измерения для регистрации позиции заданного положения сварного шва у этой головки для лазерной сварки сложность расчета корректирующего сигнала для головки лазерной сварки относительно велика, так что при подобающей точности не достигаются достаточные скорости сварки, в частности, в случае обработки радиусов дорожек качения.

Задача настоящего изобретения заключается в создании соответствующего рода головки для лазерной сварки, а также способа лучевой сварки металлических частей, с помощью которой может быть реализована очень высокая динамическая точность позиционирования и одновременно высокая скорость сварки. Далее должно быть предложено предпочтительное применение головки для лазерной сварки.

Поставленная выше задача согласно первой части настоящего изобретения решается с помощью соответствующего рода головки для лазерной сварки благодаря тому, что расстояние первой позиции измерения при опережении положения сварки сваривающего луча выбрано так, что созданный корректирующий сигнал может применяться непосредственно, в частности, без предварительного расчета, для управления средствами для коррекции положения сварки сваривающего луча.

Неожиданно выяснилось, что при незначительном расстоянии между расположением первой позиции измерения и положением сварки сваривающего луча соответственно положением "Key-holes" сваривающего луча можно отказаться от учета опережения между позицией измерения и положением сварки сваривающего луча. Таким образом, достигается особенно высокая скорость в части коррекции положения сварки сваривающего луча в отношении отклонений положения сваривающего луча, например, связанных, например, с точностью позиционирования или собственными колебаниями несущей транспортной системы или многокоординатного робота. Несмотря на систематическую ошибку остаточных отклонений, обусловленную небольшим опережением, она не влияет на положение шва превышением допуска точности позиционирования. Так как передача корректирующего сигнала осуществляется непосредственно после определения отклонения от заданного положения с помощью средств оптической регистрации положения сварного шва, могут достигаться особенно высокие скорости сварки в области 10 м/мин даже при небольших радиусах сварки, например, меньше 60 мм. Однако требуемая высокая точность позиционирования сваривающего луча в пределах ±0,15 мм может обеспечиваться даже при более высоких скоростях сваривания.

Предпочтительным образом, расстояние от первой позиции измерения до положения сварки сваривающего луча составляет максимально 3 мм, предпочтительно максимально 2 мм. Согласно уровню техники оптическая регистрация положения сварного шва осуществляется на большом расстоянии от положения сварки сваривающего луча, так что в этом случае всегда должно учитываться опережение. Благодаря предложенному в соответствии с изобретением расстоянию первой позиции измерения до положения сварки сваривающего луча систематическая ошибка может быть уменьшена настолько, что она больше не будет сказываться на результат в части превышения допуска точности позиционирования.

Динамика в изменении положения сварки согласно следующему варианту выполнения предложенной в соответствии с изобретением головки для сварки лазером улучшается за счет того, что предусмотрен, по меньшей мере, один исполнительный элемент в ходе лучей сваривающего луча для изменения положения сваривающего луча, который может управляться корректирующим сигналом. В отличие от способа, известного из уровня техники, где головка для лазерной сварки постоянно должна перемещаться или управляться в зависимости от корректирующего сигнала, исполнительный элемент в ходе лучей сваривающего луча избегает коррекции положения сваривающего луча за счет перемещения больших масс, так как должно изменяться только положение позиции исполнительного элемента. Благодаря этому может быть еще раз существенно повышена скорость коррекции и внесены поправки на собственные колебания несущей транспортной системы устройства.

В качестве особенно простого исполнительного элемента предусмотрено, по меньшей мере, наклоняемое зеркало, предпочтительно дихроическое зеркало. Наклоняемые зеркала в качестве исполнительных элементов могут двигаться или наклоняться почти без инерции по сравнению со всей головкой для лазерной сварки, чтобы вносить поправки в положение сваривающего луча соответственно без опережения расчетного корректирующего сигнала. Дихроические зеркала обладают преимуществом, заключающемся в том, что они очень хорошо отражают длины волн ниже или выше определенного значения и почти прозрачны для соответственно другого диапазона длин волн. Ход лучей сваривающего луча в головке для лазерной сварки может в этом случае использоваться в качестве хода лучей для оптической регистрации положения сварного шва. Для этого дихроическое зеркало выбирается таким образом, что оно, например, все еще является отражающим для длины волны сваривающего луча лазера и отражает его в направлении места сварки или от места сварки к вводу излучения или источнику сваривающего луча. Другие длины волн проходят беспрепятственно дихроическое зеркало и могут использоваться для наблюдения за положением сварного шва. Одновременно благодаря использованию хода лучей лазерного сваривающего луча может быть выполнена простой конструкция предложенной в соответствии с изобретением головки для лазерной сварки.

Повышение надежности процесса при определении положения сварного шва согласно следующему усовершенствованному варианту осуществления головки для лазерной сварки, предложенной согласно изобретению, достигается вследствие того, что в качестве средств для оптической регистрации положения предусмотрены первые средства обработки изображений, в частности, первая КМОП-камера и первый проектор линии для проекции проходящей латерально относительно сварного шва лазерной линии на первой позиции измерения, причем в ходе лучей первых средств обработки изображения предусмотрен подходящий к длине волны лазерной линии фильтрующий элемент. Лазерная линия, которая проецируется на подлежащие сварке металлические детали латерально к сварному шву, имеет другую длину волны, чем сваривающий луч. Предпочтительно, что подходящий к лазерной линии фильтрующий элемент имеет особенно крутой фронт, чтобы по возможности подавлять все ошибочные сигналы, вызванные попаданием других длин волн вне длины волны лазерной линии в первые средства обработки изображения. Предпочтительно подлежащая применению КМОП-камера при этом отличается благодаря строчному выбору особенно коротким временем реакции, так что осуществляются соответственно быстрая обработка изображения и оценка. Возможно применение другого средства обработки изображения, если обеспечивается требуемая скорость оценки.

Особенно предпочтительно, если в качестве источника света для первого проектора линии предусмотрен источник лазерного излучения с длиной волны вблизи инфракрасной области, предпочтительно с длиной волны 805 нм, причем оптический фильтрующий элемент в ходе лучей первых средств обработки изображения при 805 нм имеет максимальную трансмиссию. В качестве проекторов линии могут рассматриваться, например, лазерные диоды, лазерный луч которых расширяется в лазерную линию, например, с помощью цилиндрической линзы. Фильтрующий элемент может быть рассчитан предпочтительно с особенно крутым фронтом. Например, он может быть прозрачным только для длин волн в диапазоне 805±5 нм. Вблизи инфракрасной области интенсивность излучения, эмитированная сваривающим лучом, и также интенсивность теплового излучения сварного шва относительно мала, так что помехи, обусловленные вводом излучения собственно от процесса сварки в форме свечения металлического пара или от сварного шва, могут особенно хорошо подавляться при применении соответствующих фильтрующих элементов и лазерных источников. Таким образом, несмотря на незначительное расстояние первой позиции измерения от положения сварки сваривающего луча достигается высокая надежность процесса при определении отклонения положения сварного шва с помощью первых средств обработки изображения.

Если лазерная линия может проецироваться на позицию измерения под заданным углом в отношении оси наблюдения первых средств обработки изображения, может применяться предпочтительный принцип профилометрии, чтобы наряду с латеральным смещением получить информацию о вертикальном отклонении заданного положения шва. Полученные значения профиля для сварного шва могут использоваться, таким образом, не только для латеральной коррекции положения сварного шва головки для лазерной сварки, но и для коррекции положения сварки в вертикальном направлении. Например, для вертикальной коррекции положения фокуса сваривающего луча может быть предусмотрен дополнительный исполнительный элемент.

Согласно следующему усовершенствованному варианту выполнения головки для лазерной сварки, предложенной в соответствии с изобретением, в ходе лучей первых средств обработки изображения предусмотрены другие оптические элементы, в частности поворотные зеркала, так что конструкция предложенной согласно изобретению головки для лазерной сварки может быть выполнена особенно компактной.

С помощью средств для оптической регистрации второй позиции измерения в направлении сваривания дополнительно следом за положением сварки сваривающего луча может одновременно осуществляться последующий контроль качества сварного шва.

Согласно следующему усовершенствованному варианту выполнения головки для лазерной сварки, предложенной в соответствии с изобретением, принцип профилометрии может применяться для определения геометрии полученного сварного шва за счет того, что в нем для оптической регистрации второй позиции измерения предусмотрен второй проектор линии для проекции второй лазерной линии на вторую позицию измерения латерально к сварному шву и второе средство обработки изображения, в частности вторая КМОП-камера, для наблюдения на второй позиции измерения и лазерная линия второго проектора линии проецируется на вторую позицию измерения под заданным углом в отношении к оси наблюдения вторых средств обработки изображения и в качестве опции в ходе лучей вторых средств обработки изображения предусмотрен подходящий второй лазерной линии фильтрующий элемент.

Можно отказаться от второго фильтрующего элемента и от дополнительного хода лучей для вторых средств обработки изображения в том случае, когда предусмотрены первый и второй проекторы линий, которые эмитируют лазерную линию с одинаковой длиной волны, предпочтительно с длиной волны 805 нм. В этом случае оба средства обработки изображения могут использовать одинаковый ход лучей и одинаковый фильтрующий элемент. Если, например, первая и вторая позиция измерения отображаются на двух различных местах в плоскости проекции хода лучей, средства обработки изображения только с помощью смежного расположения в плоскости изображения в ходе лучей могут раздельно принимать сигналы измерения различных позиций измерения. Но может быть предусмотрено только одно средство обработки изображения, области измерения которого, приданные отдельным позициям измерения, могут отдельно отбираться или оцениваться.

Предпочтительно, что предусмотрен волоконный ввод в головку для лазерной сварки для ввода сваривающего луча, так что на самой головке для лазерной сварки не расположено каких-либо лазерных источников, и она может быть выполнена проще. Однако закрепить на головке для лазерной сварки лазерные источники, например лазеры на полупроводниковых диодах, возможно без затруднений и в этом случае можно отказаться от волоконного ввода.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения поставленная задача решается посредством головки для лазерной сварки, предложенной в соответствии с изобретением, с несущей транспортной системой, в частности, многокоординатными роботами с изгибающимися рычагами, для сварки металлических частей, в частности, для сварки "Engineered-Blanks". С одной стороны, благодаря применению головки для лазерной сварки, предложенной в соответствии с изобретением, заметно повышается динамическая точность позиционирования сварного шва подлежащих свариванию металлических частей, с другой стороны, становится возможным применение благоприятных в плане стоимости многокоординатных роботов с изгибающимися рычагами. Это, в частности, предпочтительно при сварке металлических частей "Engineered-Blanks". "Engineered-Blanks" представляют собой металлические части, которые при сваривании с другими металлическими частями или листами при изготовлении дают рассчитанные на нагрузки полуфабрикаты, в которых точное позиционирование сварного шва в отношении способности нести нагрузку "Engineered-Blanks" играет решающую роль. Несмотря на то, что радиусы сварки частично меньше 60 мм и требуется точность позиционирования сварного шва ±0,15 мм, предложенное в соответствии с изобретением применение головки для лазерной сварки позволяет доступное и экономичное изготовление "Engineered-Blanks" с высокой точностью.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения поставленная задача решается посредством способа лучевой сварки металлических частей благодаря тому, что расстояние первой позиции измерения от положения сварки сваривающего луча незначительное и корректирующий сигнал применяется непосредственно, в частности без опережающего расчета, для управления средствами коррекции положения сварки сваривающего луча. Как показано выше, благодаря незначительному расстоянию между первой позицией измерения и положением сварки сваривающего луча достигается то, что опережение первой позиции измерения относительно положения сварки сваривающего луча может не учитываться при расчете коррекции. В результате обеспечивается особенно простой и быстрый расчет отклонения сварного шва от заданного положения. Благодаря почти мгновенному ("почти фактическое время") учету положения сварного шва могут быть внесены поправки на собственные колебания несущей и транспортирующей системы, неточности при позиционировании головки для лазерной сварки, даже при высоких скоростях сварки свыше 10 м/мин.

Предпочтительно расстояние первой позиции измерения от положения сварки сваривающего луча составляет максимально 3 мм, предпочтительно максимально 2 мм. Положение сваривающего луча определяет место входа "Key-holes", которое, как правило, образуется при сваривании металлических частей. Несмотря на опережение максимально 3 мм, предпочтительно максимально 2 мм, можно, однако, поразительным образом не принимать во внимание систематическую ошибку, которая образуется, если не учитывать опережение, и применяется быстрая, непосредственная, в частности, свободная от опережающего расчета коррекция положения сварки сваривающего луча, чтобы обеспечить точность сварки ±0,15 мм.

Чтобы обеспечить по возможности быструю коррекцию положения сваривающего луча относительно сварного шва, согласно следующему предпочтительному варианту способа, по меньшей мере, один исполнительный элемент в ходе лучей сваривающего луча головки для лазерной сварки управляется, по меньшей мере, корректирующим сигналом. Благодаря этому минимизируется движение несущих масс, которое при изменении положения сваривающего луча могло бы привести к дополнительной неточности.

Согласно особенно простому варианту выполнения способа, предложенному в соответствии с изобретением, в качестве исполнительного элемента осуществляется управление наклоняемым зеркалом, в частности дихроическим зеркалом. Как отмечалось ранее, дихроическое зеркало, с одной стороны, выполняет функцию зеркала для определенных длин волн, например, в области длины волны сваривающего луча. С другой стороны, дихроическое зеркало может быть в основном прозрачным для длин волн, которые, например, применяются для определения положения сварного шва. С помощью наклона дихроического зеркала сваривающий луч может перемещаться в любое положение, предпочтительно латерально относительно сварного шва, не внося изменений в ход лучей оптической регистрации. Одновременно дихроический фильтр может служить для разделения процесса освещения в ходе лучей сваривающего луча и в этом случае в ходе лучей первых средств наблюдения. Однако возможно также, что с помощью одного или нескольких исполнительных элементов или зеркал точка фокуса лазерного луча перемещается вертикально относительно сварного шва в зависимости от корректирующего сигнала.

Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения предложенного в соответствии с изобретением способа особенно высокая надежность процесса достигается благодаря тому, что первый проектор линии проецирует лазерную линию на первой позиции измерения латерально относительно сварного шва и первые средства обработки изображения, в частности первая КМОП-камера, оптически оценивают первую позицию измерения, причем расположенный в ходе лучей средств обработки изображения и подходящий длине волны лазерной линии фильтрующий элемент фильтрует оптический сигнал от первой позиции измерения. Благодаря комбинации лазерной линии в сочетании с дополнительным фильтрующим элементом оптический сигнал от позиции измерения очень хорошо приспосабливается к экстремально узкому диапазону длин волн, а именно к диапазону длин волн лазерной линии. Таким образом, измерительный сигнал первого средства обработки изображения имеет особенно хорошее отношение сигнал/шумы.

Предпочтительно, что первая линия проецируется на первую позицию измерения под углом к оси наблюдения первого средства обработки изображения и оценка первой позиции измерения осуществляется средством оценки изображения с использованием принципа профилометрии. Таким образом, лазерная линия проецируется на первую позицию измерения не соосно. Как отмечалось, с использованием профилометрии с помощью метода триангуляции наряду с латеральными отклонениями могут осуществляться измерения профиля, т.е. определяться отклонения положения сварного шва от заданного положения в вертикальном направлении, так что положение сварки может приспосабливаться также к отклонениям в вертикальном направлении относительно сварного шва. Кроме того, по профилю особенно простым способом с помощью способа обработки изображения может точно определяться положение сварного шва и благодаря этому просто рассчитываться отклонение от заданного положения. В связи с в целом небольшими затратами на расчеты еще больше повышается скорость коррекции.

Если проектор эмитирует лазерную линию с длиной волны в области, близкой к инфракрасному излучению, в частности с длиной волны 805 нм, надежность процесса при определении положения сварного шва может и еще более повыситься, так как в этом диапазоне длин волн с помощью краевого фильтра не создается ни самого сваривающего луча, ни эмитированного сварным швом теплового излучения или свечения металлических паров, которые не создают сильных помех в средства обработки изображения. Это, в частности, предпочтительно при незначительном расстоянии между положением сварки сваривающего луча и первой позицией измерения.

Контроль качества второго сварного шва может осуществляться, наконец, благодаря тому, что на второй позиции измерения в направлении сваривания следом относительно положения сваривания сваривающего луча осуществляется оптическая регистрация полученного сварного шва.

Предпочтительно для оптической регистрации полученного сварного шва второй проектор линии проецирует лазерную линию латерально относительно сварного шва на второй позиции измерения, причем лазерная линия на второй позиции измерения проецируется под углом к оси наблюдения вторых средств обработки изображения, в частности второй КМОП-камеры, и для оценки измерения на второй позиции измерения применяется принцип профилометрии. Предложенный в соответствии с изобретением способ объединяет не только особенно быструю и точную коррекцию положения сварки с контролем качества сварного шва, но позволяет сделать компактную конструкцию головки для лазерной сварки, в частности, когда измерения на второй позиции измерения осуществляются с помощью лазерной линии одинаковой длины волны, что и на первой позиции измерения.

Теперь появляется большое число возможностей исполнения и усовершенствования предложенной в соответствии с изобретением головки для лазерной сварки, а также предложенного способа сваривания металлических частей. В этой части делается ссылка на пункты, расположенные следом за пунктами 1 и 14 формулы изобретения. Также приводится ссылка на описание примера выполнения предложенной согласно изобретению головки для лазерной сварки в сочетании с чертежами. Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - ход лучей в примере выполнения настоящего изобретения головки для лазерной сварки, схематично;

фиг.2 - диаграмма систематических остаточных отклонений, измеренных в зависимости от расстояния первой позиции измерения до положения сварки.

На фиг.1 схематично изображен ход 2 лучей сваривающего луча, в примере выполнения настоящего изобретения, головки 1 для лазерной сварки. Сваривающий луч 2 предпочтительно через волоконный ввод 3 вводится в головку для лазерной сварки. С помощью оптических элементов 4 сваривающий луч 2 фокусируется на подлежащих сварке металлических частях 5. Фокусировка вызывает в этом случае, по меньшей мере, образование не показанного " Key-holes", образующаяся при этом лазерная плазма создает сварной шов и таким образом указывает на положение сварки сваривающего луча 2.

Подлежащие свариванию металлические части 5 перемещаются относительно головки 1 для лазерной сварки в направлении, указанном стрелкой 6. В изображенном примере осуществления предложенной в соответствии с изобретением головки 1 для лазерной сварки в ходе лучей сваривающего луча 2 предусмотрено дихроическое зеркало 7, которое в качестве исполнительного элемента может выполнять наклонные движения. Ось наклона дихроического зеркала 7 может лежать, например, параллельно плоскости чертежа, так что с помощью управления дихроическим зеркалом положение сварки 8 сваривающего луча 7 может изменяться перпендикулярно к плоскости чертежа, т.е. латерально относительно направления сварки 6. С опережением в направлении сварки 6 предусмотрена первая позиция 9 измерения, на которой проектор 10 линии проецирует лазерную линию 11 под углом к оси наблюдения средств обработки изображения 12 и латерально относительно сварного шва. С помощью средств наблюдения, которые, например, могут быть реализованы в виде КМОП-камеры, с использованием принципа профилометрии может теперь наблюдаться профиль сварного шва перед свариванием, так как дихроическое зеркало 7 проницаемо для длины волны, эмитированной проектором лазерной линии. Соответственно показанному ходу 13 лучей осуществляется измерение изображения проецированной лазерной линии 11 на сварной шов средством 12 обработки изображения. Благодаря тому, что в ходе лучей средства 12 обработки изображения предусмотрено не только дихроическое зеркало 7, но и также дополнительный фильтрующий элемент 14, все помехи, вызванные самим сваривающим лучом 2, брызгами металла, тепловым излучением сварного шва или свечением металлического пара, подавляются над "Key-hole" и осуществляется оптическая оценка только лазерной линии и таким образом измеренного профиля сварного шва. Брызги от сварки, освещенные линиями (160 шт./сек), ведут примерно к 2% ошибке измерения, которая может быть выведена в качестве выпадающего из алгоритма значения, например, через опрос да/нет.

С помощью способа триангуляции с использованием принципа профилометрии на первой позиции 9 измерения может точно и с высокой скоростью определяться положение сварного шва. На основании замеренного отклонения фактического положения сварного шва относительно заданного положения согласно изобретению непосредственно, в частности, без учета опережения позицией 9 измерения положения 8 сварки, для коррекции посылается корректирующий сигнал, например, на наклоняемое зеркало 7. Оно в этом случае осуществляет коррекцию положения 8 сварки сваривающего луча 2 путем соответствующего изменения своего положения. Динамика наклоняемого зеркала 7 при этом рассчитана таким образом, что в положение сварки сваривающего луча 2 могут вноситься поправки внутри остающегося времени опережения.

Может быть предусмотрено дополнительное зеркало 15, чтобы иметь возможность сделать дополнительно более компактную конструкцию предложенной согласно изобретению головки 1 для лазерной сварки. В связи с многогранными возможностями применения, например, в отношении получения угловых сварных швов, размер 1 головки для лазерной сварки точно также может иметь значение.

Для контроля полученного сварного шва в приведенном примере осуществления теперь предусмотрен второй проектор 16 линии, который опять же на второй позиции 18 измерения под углом к оси наблюдения средств 12 обработки изображения проецирует лазерную линию 17 на сварной шов латерально относительно направления 6 сваривания. Так как первая и вторая позиции измерения без труда в ходе лучей могут отделяться друг от друга, предпочтительно в средстве 12 обработки изображения для каждой позиции измерения предусмотрена КМОП-камера или другой более плоскостной оптический датчик для оптической оценки, которые для простоты не показаны на фиг.1.

С помощью применения двух различных КМОП-камер для каждой позиции измерения 9, 18 могут применяться совсем маленькие КМОП-камеры с очень небольшим числом пикселей, которые могут осуществлять отбор независимо друг от друга. В этом случае при одинаковой точности измерения на основе небольшого времени на измерения и отбор КМОП-камерой для определения отклонения сварного шва от заданного положения может повыситься динамика коррекции положения сварки. Возможно, также представить, что отдельная КМОП-камера разделена на два различных сегмента, которые осуществляют оценку раздельно.

Благодаря тому, что согласно изобретению для коррекции положения 8 сварки не осуществляется расчет опережения первой позиции 9, может достигаться особенно высокая динамика слежения за швом, причем одновременно могут достигаться высокие скорости сварки, свыше 10 м/мин. Благодаря быстрой коррекции предложенная согласно изобретению головка 1 для лазерной сварки в состоянии компенсировать собственные колебания многокоординатного робота и неточности позиционирования.

В связи с небольшими затратами на расчеты при предложенной согласно изобретению головке 1 для лазерной сварки также возможно оснастить ее дополнительными, проводящими измерения со значительным опережением средствами для регистрации положения сварного шва, которые не показаны на фиг.1, чтобы сделать возможным двухступенчатое определение положения 8 сварки.

Высокая скорость слежения за сварным швом предложенной в соответствии с изобретением головки 1 для лазерной сварки предпочтительна, в частности, в случае, когда радиусы сварного шва меньше 60 мм. Благодаря надежному способу измерения при слежении за швом и быстрой коррекции подобного рода малые радиусы могут без затруднений свариваться предложенной согласно изобретению головкой 1 для лазерной сварки при применении многокоординатного робота.

Определение ошибки остаточных отклонений, которая образуется из-за пренебрежения опережением в зависимости от расстояния первой позиции измерения от собственно положения сварки, представлено на диаграмме фиг.2.

Для измерения остаточного отклонения на фиг.2, например, был применен проектор 10 линии, который эмитировал лазерную линию 11 с длиной волны 805 нм при размерах линии 6×0,05 мм. Разрешение оптического средства 12 обработки изображения, КМОП-камеры, составляло в направлении z и х 20 µм. Дополнительно в ходе лучей средств обработки изображения был применен имеющий крутой фронт фильтрующий элемент 14 с трансмиссионным окном при длине волны 805±5 нм.

Остаточное отклонение составило при опережении в 2 мм, т.е. при расстоянии позиции измерения от положения 8 сварки 2 мм, лишь 0,035 мм и таким образом заметно ниже требуемого предела точности. В области 0,25 мм опережения остаточное отклонение приближается к границе разрешения, так что оно больше не может регистрироваться. Изображенные на фиг.2 результаты в части остаточного отклонения, т.е. систематической ошибки при пренебрежении опережением, измерялись при осуществлении шва с радиусом 60 мм со скоростью сварки свыше 10 м/мин. Здесь отчетливо видно, что точность при примерно прямом ходе сварного шва при предложенном согласно изобретению способе или при применении предложенной в соответствии с изобретением головки для сварки может быть еще значительно выше.

Изобретение относится к головке для лазерной сварки для сваривания металлических частей с, по меньшей мере, одним ходом лучей для сваривающего луча и средствами для оптической регистрации положения сварного шва на первой позиции измерения. Средства для оптической регистрации положения сварного шва обеспечивают расположение первой измерительной позиции с опережением в направлении сваривания положения сварки сваривающего луча и, по меньшей мере, в зависимости от латерального отклонения сварного шва от заданного положения создают корректирующий сигнал для коррекции положения сварки сваривающего луча. Изобретение также относится к способу для лазерной сварки. Положение сварного шва определяют при применении оптических средств регистрации на первой позиции измерения с опережением положения сварки сваривающего луча. В зависимости от отклонения от положения сварного шва относительно заданного положения создают корректирующий сигнал. Расстояние первой позиции (9) измерения при опережении положения (8) сварки сваривающего луча (2) выбрано так, что созданный корректирующий сигнал может применяться непосредственно, в частности без опережающего расчета, для управления средствами (7) коррекции положения сварки (8) сваривающего луча (2). В результате достигается высокая точность позиционирования и одновременно высокие скорости сварки. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Головка (1) для лазерной сварки для сваривания металлических частей с, по меньшей мере, одним ходом лучей для сваривающего луча (2) и средствами для оптической регистрации положения сварного шва на первой позиции (9) измерения, причем средства для оптической регистрации положения сварного шва обеспечивают расположение первой позиции (9) измерения, по меньшей мере, в направлении (6) сваривания с опережением положения (8) сварки сваривающего луча (2) и, по меньшей мере, в зависимости от латерального отклонения сварного шва от заданного положения создают корректирующий сигнал для коррекции положения (8) сварки сваривающего (2) луча, причем расстояние первой позиции (9) измерения при опережении положения (9) сварки сваривающего луча выбрано так, что созданный корректирующий сигнал может применяться непосредственно без опережающего расчета, для управления средствами (7) коррекции положения (8) сварки сваривающего луча (2), отличающаяся тем, что в ходе лучей сваривающего луча (2) для изменения положения сваривающего луча предусмотрен, по меньшей мере, один исполнительный элемент (7), который выполнен с возможностью управления посредством корректирующего сигнала, причем исполнительный элемент выполнен, по меньшей мере, в виде одного наклоняемого зеркала (7).

2. Головка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние первой позиции (9) измерения до положения (8) сваривающего луча (2) составляет максимально 3 мм, предпочтительно максимально 2 мм.

3. Головка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве средств для оптической регистрации положения предусмотрены первые средства (12) обработки изображения, в частности первая КМОП-камера, и первый проектор (10) линии для проецирования на первой позиции (9) измерения проходящей латерально относительно сварного шва лазерной линии (11), причем в ходе лучей (13) первых средств обработки изображения расположен соответствующий длине волны лазерной линии фильтрующий элемент (14).

4. Головка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника света для первого проектора линии (10) предусмотрен источник лазерного излучения с длиной волны вблизи инфракрасной области, предпочтительно с длиной волны 805 нм, и оптический фильтрующий элемент (14) имеет в ходе лучей (13) первых средств (12) обработки изображения максимальную трансмиссию при длине волны 805 нм.

5. Головка по п.1, отличающаяся тем, что лазерная линия (11) проецируется на первую позицию (9) измерения под заданным углом в отношении к оси наблюдения (19) первых средств (12) обработки изображения.

6. Головка по п.1, отличающаяся тем, что в ходе лучей (13) первых средств (12) обработки изображения предусмотрены другие оптические элементы, в частности поворотное зеркало (15).

7. Головка по п.1, отличающаяся тем, что в направлении сваривания следом за положением сварки сваривающего луча (2) предусмотрены средства для оптической регистрации второй позиции (18) измерения.

8. Головка по п.1, отличающаяся тем, что для оптической регистрации второй позиции (18) измерения предусмотрен второй проектор (16) линии для проецирования второй лазерной линии (17) на второй позиции измерения и второе средство обработки изображения, в частности вторая КМОП-камера для наблюдения на второй позиции (18) измерения, причем лазерная линия второго проектора (16) линии проецируется на позицию измерения под заданным углом в отношении оси наблюдения вторых средств обработки изображения, и в качестве опции в ходе лучей (12) вторых средств обработки изображения установлен фильтрующий элемент, соответствующий второй лазерной линии.

9. Головка по п.1, отличающаяся тем, что содержит первый и второй проекторы (10, 15) линий, которые эмитируют лазерные линии с одинаковой длиной волны, предпочтительно с длиной волны 805 нм.

10. Головка по п.1, отличающаяся тем, что содержит волоконный ввод (3) в головку (1) для лазерной сварки для ввода сваривающего луча (2).

11. Головка по п.1, отличающаяся тем, что наклоняемое зеркало выполнено в виде дихроического зеркала.

12. Применение головки для лазерной сварки по любому из пп.1-11 с несущей транспортной системой, в частности многокоординатным роботом, имеющим изгибающиеся рычаги для сваривания металлических частей.

13. Способ лучевой сварки металлических частей, в частности, с помощью головки для лазерной сварки по любому из пп.1-11, при котором положение сварного шва определяют с помощью оптических средств регистрации на первой позиции измерения с опережением положения сварки сваривающего луча и в зависимости от отклонения положения сварного шва относительно заданного положения создают корректирующий сигнал, причем расстояние первой позиции измерения от положения сваривающего луча незначительное, и корректирующий сигнал применяют непосредственно без опережающего расчета для управления средствами коррекции положения сварки сваривающего луча, при этом, по меньшей мере, одним исполнительным элементом в ходе лучей сваривающего луча головки для лазерной сварки, выполненным в виде наклоняемого зеркала, управляют, по меньшей мере, посредством корректирующего сигнала.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что расстояние первой позиции измерения от положения сваривающего луча составляет максимально 3 мм, предпочтительно максимально 2 мм.

15. Способ по любому из пп.13 или 14, отличающийся тем, что посредством первого проектора линии проецируют лазерную линию латериально относительно сварного шва на первой позиции измерения и посредством первых средств обработки изображения, в частности первой КМОП-камеры, оптически оценивают первую позицию измерения, причем посредством фильтрующего элемента, расположенного в ходе лучей средств обработки изображения, и с соответствующей длиной волны лазерной линии фильтруют оптический измерительный сигнал от первой позиции измерения.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что первую лазерную линию проецируют на первую позицию измерения под углом к оси наблюдения первых средств обработки изображения и осуществляют оценку первой позиции измерения с помощью средств обработки измерений с использованием принципа профилометрии.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что посредством проектора линии эмитируют лазерную линию с длиной волны вблизи инфракрасной области, в частности с длиной волны 805 нм.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что на второй позиции измерения в направлении сваривания следом за положением сварки сваривающего луча осуществляют оптическую регистрацию полученного сварного шва.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что для оптической регистрации полученного сварного шва посредством второго проектора линии проецируют лазерную линию на второй позиции измерения, причем лазерную линию на второй позиции измерения проецируют под углом к оси наблюдения вторых средств обработки изображения, в частности второй КМОП-камеры, и для оценки измерения на второй позиции измерения применяют принцип профилометрии.

20. Способ по п.13, отличающийся тем, что наклоняемое зеркало является дихроическим зеркалом.