專利名稱：用于機器人輔助遠(yuǎn)程激光焊接的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于機器人輔助激光焊接的方法和裝置，即用于焊接金屬板結(jié)構(gòu)、例如構(gòu)成汽車車身或框架的組件或子組件的結(jié)構(gòu)或與汽車領(lǐng)域無關(guān)的結(jié)構(gòu)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
很久以前本申請人曾提出用于對汽車結(jié)構(gòu)進行激光焊接的裝置(例如參見涉及到所謂“激光門”系統(tǒng)的歐洲專利No.EP 0440001B1和No.EP 0440002B1)。然而，激光焊接在這種應(yīng)用中的使用并沒有在其于90年代初期第一次提出之后得到有效的發(fā)展。這主要是由于針對激光焊接裝置的第一實施例所做的實驗表明，存在著若干與這種技術(shù)相關(guān)的問題。
第一項相關(guān)問題是由設(shè)有鍍鋅外防護層的金屬板在汽車領(lǐng)域中的廣泛使用所帶來的結(jié)果。所述層在激光焊接期間會導(dǎo)致鋅蒸氣的產(chǎn)生，這通常會危害優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。
在本申請人的歐洲專利申請No.EP 1238748A1和No.EP 1236535A1中已經(jīng)說明并詳細(xì)公開了這些問題，其涉及可以簡單且有效的方式克服前述技術(shù)障礙的裝置，保證了焊接工藝期間所產(chǎn)生的鋅蒸氣的排出。在本申請人的意大利專利申請TO2002A000760中也已經(jīng)提出了另一種解決鋅蒸氣問題的方法。
然而在證實、研究并完全解決前述技術(shù)問題之前已經(jīng)過去了一段時間，這至少部分地解釋了激光焊接在汽車領(lǐng)域的使用仍然長時間處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)的原因。
在用于裝配汽車結(jié)構(gòu)的激光焊接應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)考慮的另一相關(guān)問題與在短制造時間內(nèi)達(dá)到高裝配質(zhì)量的需求有關(guān)。用于汽車車身或其子組件的裝配站通常包括多個定位和聯(lián)鎖系統(tǒng)，用于保證結(jié)構(gòu)的金屬板零件在焊接期間的正確位置。顯然，對于可以設(shè)置用于所述目的的聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)量來說存在一個最小閾值，低于此值就不便于保證結(jié)構(gòu)的幾何形狀，從而導(dǎo)致低質(zhì)量的裝配工作。這會導(dǎo)致焊接臺相對“擁擠”，聯(lián)鎖系統(tǒng)充斥了控制裝置，這些控制裝置用于將聯(lián)鎖系統(tǒng)從打開的靜止?fàn)顟B(tài)切換到閉合的工作狀態(tài)或相反。更重要的是，在柔性焊接臺即需要對幾種類型或型號或型式的待焊接結(jié)構(gòu)進行操作的焊接臺的情況下，焊接臺還裝備了用于若干聯(lián)鎖系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向和控制裝置，其可根據(jù)每次進入到焊接臺中的車身或子組件的類型而被快速更換。結(jié)果，焊接臺及其部件的體系結(jié)構(gòu)的相對復(fù)雜性明顯地使用于將焊接裝置(在傳統(tǒng)情況下為電焊槍，在激光焊接中為激光頭)送到待焊接結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的附近的操作機器人的工作復(fù)雜化。
在電焊槍的傳統(tǒng)技術(shù)和激光焊接的情況下，為了執(zhí)行分配給它們的焊接操作，機器人應(yīng)當(dāng)連續(xù)地到達(dá)待焊接結(jié)構(gòu)的一系列區(qū)域。因此，在待焊接結(jié)構(gòu)已到達(dá)焊接臺之后，它應(yīng)當(dāng)停留在所述焊接臺中達(dá)至少一段足以使每個機器人執(zhí)行完分配給其的所有操作的時間。很明顯，通過增加機器人的數(shù)量可減少花在焊接臺中的時間，然而由于經(jīng)濟方面的原因，以及在超過給定數(shù)量的機器人時各機器人就會阻礙相鄰一個或多個機器人的操作的事實，這種可能性在此同樣具有一定的閾值。
另一方面，每個機器人用于執(zhí)行分配給其的所有焊接操作的時間不僅由各種操作所需的時間總和組成，而且還由每次用于到達(dá)待焊接區(qū)域的時間組成，尤其在機器人必須沿著相對彎曲的路徑前進，從而躲避任何由待焊接結(jié)構(gòu)的部件以及接合于其上的各種聯(lián)鎖系統(tǒng)所產(chǎn)生的阻礙時，這種時間可能會非常長。
另一方面，應(yīng)當(dāng)考慮到，在使用激光來焊接汽車結(jié)構(gòu)的初期，可用的激光發(fā)生器比當(dāng)今可用的那些激光發(fā)生器的效率更低，并且功率更小。對于第一代激光發(fā)生器來說，無論如何都需要保證機器人所攜帶的激光頭相對于待焊接結(jié)構(gòu)處于比較接近的位置，因此，從這一點出發(fā)，激光的使用相對于傳統(tǒng)的電點焊來說并不是特別有優(yōu)勢。相反，利用當(dāng)前可用的激光系統(tǒng)，大有希望的新解決方案打開了通向顯著降低制造成本的途徑。
成為所述進步的基礎(chǔ)并屬于本申請所做的第一實驗的目的的思想在于，利用機器人來操縱激光頭，在離待焊接結(jié)構(gòu)為給定距離的位置處握持激光頭，并且設(shè)置了可定位激光束的聚焦方向的裝置，從而使激光束沿著待焊接結(jié)構(gòu)在不與機器人移動激光頭的方向和速度直接相關(guān)的方向和速度下移動。很明顯，這不僅可用于在機器人所攜帶的激光頭的移動期間為了獲得焊縫而使激光束在給定區(qū)域內(nèi)相對于待焊接結(jié)構(gòu)移動，而且還可特別地用于快速且有效地對待焊接結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域進行焊接。
歐洲專利申請No.EP 1228835A1(用于遠(yuǎn)程激光焊接的系統(tǒng)和方法)的申請人已經(jīng)提出了與此相關(guān)的解決方案，該申請人是本專利申請的共有者。然而，所述已知的系統(tǒng)適用于“笛卡兒坐標(biāo)”機器人，而不適用于“人形”機器人，并且它是“附加”而非集成到機器人中。
同一申請人的上述意大利專利申請TO2003A001017的目的是提出一種類似的解決方案，然而它通過“集成”到機器人結(jié)構(gòu)中的裝置來實現(xiàn)，該申請于2003年12月18日提出，但在提交本申請時仍未公開。然而，如上述歐洲專利申請EP 1228835A1中所公開的那樣，所述解決方案是非常復(fù)雜的，尤其涉及到用于使激光束聚焦并定向的裝置及其控制部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實現(xiàn)可以簡單且有效的方式運用上述基本思想的用于激光焊接的方法和裝置，其特征尤其在于極其簡單的體系結(jié)構(gòu)和操作。
根據(jù)本發(fā)明，所述目的可通過一種用于對金屬板零件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進行激光焊接的方法來實現(xiàn)，其包括設(shè)置多軸的操作機器人，其包括多個可控制機器人的零件圍繞所述軸的運動的電動機，以及可對電動機編程的可編程電子控制單元，以便使機器人的終端零件在給定的三維空間體積內(nèi)移動到任何位置、任何方位和任何軌跡上；在操作機器人的所述終端零件上安裝可使來自激光源的激光束聚焦的附屬裝置，所述裝置設(shè)計成通過使聚焦激光束圍繞一個擺動軸擺動來定向激光束；控制操作機器人，以使該附屬裝置沿著靠近但不鄰接待焊接結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的給定軌跡移動；當(dāng)附屬裝置沿著給定軌跡移動時，通過附屬裝置來改變聚焦射束的方向，從而使聚焦激光束所照射的待焊接結(jié)構(gòu)的區(qū)域以不與附屬裝置的移動軌跡和速度直接相關(guān)的軌跡和/或速度進行移動。所述目的還可通過一種用于對金屬板零件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進行激光焊接的裝置來實現(xiàn)，其包括多軸的操作機器人，其包括多個可控制機器人的零件圍繞所述軸的運動的電動機，以及用于控制電動機的可編程電子控制單元，從而使機器人的終端零件在給定的三維空間體積內(nèi)移動到任何位置、任何方位以及任何軌跡上；安裝在操作機器人的所述終端零件上的用于使來自激光源的激光束聚焦的附屬裝置，該裝置設(shè)計成通過使聚焦激光束圍繞一個擺動軸擺動來定向該激光束，附屬裝置還包括用于控制擺動的機構(gòu)，其由電子控制裝置來控制；對控制單元進行編程，以使附屬裝置沿著靠近但不鄰接待焊接結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的給定軌跡移動；用于定向聚焦激光束的方向的機器人控制單元和電子控制裝置被編程為使得，在附屬裝置被機器人沿著所述給定軌跡移動時可以改變聚焦激光束的指向，從而使聚焦激光束所照射的待焊接結(jié)構(gòu)的區(qū)域以不與附屬裝置的移動軌跡和速度直接相關(guān)的軌跡和/或速度進行移動。
本發(fā)明的其它有利特征包括附屬裝置包括剛性地連接在機器人腕部上的底座部分，以及以可圍繞擺動軸擺動的方式安裝在底座部分上的框架，并提供了電動機來控制擺動；擺動框架支撐了用于激光束的聚焦頭；附屬裝置包括與底座部分剛性相連的聚焦頭，以及可在聚焦頭中擺動從而使聚焦激光束擺動的光學(xué)裝置；通過光纖束來將激光束從激光源引導(dǎo)至附屬裝置中；光纖束整個地布置在機器人結(jié)構(gòu)之外；光纖束至少部分地布置在機器人結(jié)構(gòu)內(nèi)。
將聚焦頭保持成距待焊接工件為一段距離的可能性實現(xiàn)了在焊接期間對機器人所攜帶的激光頭軌跡的極大簡化。在焊接工序期間，激光頭“飄蕩在”待焊接工件之上的一定距離處，同時將聚焦的激光束定向成使其可在工件的各個區(qū)域中實現(xiàn)焊接線。
通?？墒咕劢诡^相對于待焊接結(jié)構(gòu)在比激光束應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生焊縫的速度更大的速度下移動。這意味著在焊接每條焊縫時，可以改變聚焦方向，這樣，當(dāng)焊接頭已經(jīng)移出到產(chǎn)生所述焊縫的區(qū)域之外時，仍可在行進中將激光束引導(dǎo)至焊縫上。這樣在完成焊縫時，激光頭已經(jīng)運動得較遠(yuǎn)了，因此，通過突然地改變激光束的指向，使激光束直接進入到將開始新焊縫的區(qū)域，就可以開始新焊縫的焊接。
另外，根據(jù)本發(fā)明，所述結(jié)果可通過具有極其簡單的體系結(jié)構(gòu)的裝置來獲得，它是一種安裝到多軸式人形機器人的腕部上并具有簡單結(jié)構(gòu)的附件，這是因為它具有一根用于使激光束的聚焦方向擺動的軸。通過設(shè)置可相對于底架擺動的聚焦頭支撐結(jié)構(gòu)，或者設(shè)置用于使聚焦射束擺動的光學(xué)裝置(例如振動反射鏡)，便可實現(xiàn)所述結(jié)果。


從僅以非限制性示例的方式提供的參照附圖所作的描述中，可以清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，在圖中-圖1是設(shè)有根據(jù)本發(fā)明裝置的操作機器人的透視圖，
-圖2是顯示了在焊接工藝期間由根據(jù)本發(fā)明的裝置所保持的各個位置的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，采用標(biāo)號1來整體上表示任何已知類型的操作機器人。本申請人已經(jīng)制造并銷售“人形”類型的機器人有很長一段時間了，其使用了可按照相應(yīng)系列軸(通常為六個)而相互間可旋轉(zhuǎn)地安裝或鉸接的一系列零件。各所述軸與電控制的電動機相關(guān)。電動機由與機器人相連的控制單元2來控制。該單元2可控制電動機，使得鉸接式機器人結(jié)構(gòu)能三維地移動，從而將機器人的終端或“腕部”帶到具有給定形狀和尺寸的空間體積中的任意點處。
在本發(fā)明中，在機器人的腕部上安裝了附屬裝置3，該裝置包括聚焦頭4，用于使來自激光源(圖中未示出)并經(jīng)由光纖束5引導(dǎo)到裝置3的激光束聚焦到焊點或區(qū)域W上。在圖1中，光纖束5布置在機器人結(jié)構(gòu)之外。然而，如同屬于本申請人的上述專利申請中所設(shè)想并建議的那樣，可將光纖束設(shè)置成至少部分地處于機器人結(jié)構(gòu)之內(nèi)。
參見圖1，裝置3具有簡單的結(jié)構(gòu)，其包括設(shè)計用于剛性地連接在機器人腕部上的底座部分6和包含有聚焦頭4的部分7，該部分7安裝在部分6上并可圍繞一軸8擺動。底座6還設(shè)有用于控制框架7的擺動的任何已知類型的電動機，框架7圍繞著軸8攜帶了聚焦頭4。所述電動機由單獨的可與機器人控制單元2進行通信的控制單元來控制，或者也可通過集成到機器人控制單元2中的電子裝置來控制，從而根據(jù)下述要求來保證裝置的控制。
在圖1中，標(biāo)號9整體上表示待焊接結(jié)構(gòu)，例如一對壓制金屬板，其被設(shè)計成可通過施加一系列的焊縫來將它們沿著周邊相互連接起來。這種應(yīng)用的一個示例是汽車門結(jié)構(gòu)的焊接。然而，本發(fā)明也可用于汽車領(lǐng)域之外。
圖2顯示了在實現(xiàn)多條焊縫10的焊接工藝期間裝置3所保持的各種位置，這些焊縫排列成行并間隔開給定的縱向距離。
在這一工藝期間，控制機器人1使其沿著軌跡L并以通常比應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生每條焊縫10的速度更大的速度V來移動裝置3。當(dāng)機器人沿著直線軌跡L以速度V移動裝置3時，控制裝置改變聚焦射束F的方向，從而使射束F所照射的區(qū)域W沿著結(jié)構(gòu)9以與應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生焊縫的速度相對應(yīng)的速度VW移動。這意味著在裝置3沿著軌跡L移動(朝向圖2中的右側(cè))的過程中，聚焦射束F的方向會順時針(仍參見圖2)擺動，這樣，當(dāng)裝置3從圖2中的位置A移動到位置B時，聚焦射束F產(chǎn)生焊縫10AB。
一旦已經(jīng)完成了焊縫10AB，就將聚焦射束F突然地擺動到使其處于新焊縫10CD的起始端，同時裝置3已經(jīng)達(dá)到了位置C。所述突然擺動導(dǎo)致射束F所照射的工件區(qū)域以非常高的速度VV從焊縫10AB的終止端移動到焊縫10CD的起始端。再次利用機器人1來完成焊縫10CD，機器人1以比工件的受照射區(qū)域沿著所述工件移動的速度更大的速度V來移動裝置3，從而產(chǎn)生焊縫10CD。當(dāng)裝置3到達(dá)位置D時，聚焦射束F已經(jīng)到達(dá)焊縫10CD的終止端，并已準(zhǔn)備好可以突然擺動到焊縫10EG的起始位置，其對應(yīng)于裝置3的位置E。此時便如上所述地完成了新的焊縫10EG。當(dāng)聚焦射束F接近射束10EG的終止端時，裝置3位于位置G處，而聚焦射束再次從其在位置B處所具有的方向順時針旋轉(zhuǎn)到其在位置G處所保持的方向上。
如圖所示，由于機器人可以是任何類型，并且其采用了具有一條控制軸8的非常簡單的聚焦和指向裝置，因此上述方法和裝置運用了遠(yuǎn)程激光焊接的基本原理，并且極大地簡化了其實施結(jié)構(gòu)。
很明顯，裝置3可以包含能使攜帶了聚焦頭4的結(jié)構(gòu)繞軸8擺動的裝置，或者是光學(xué)裝置如振動反射鏡，其可在相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)不擺動的情況下使聚焦射束F的指向擺動。
很明顯，雖然本發(fā)明的基本思想是相同的，然而在不脫離本發(fā)明框架的前提下，可以相對于僅借助示例來介紹和顯示的那些內(nèi)容來對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和實施例進行廣泛的修改。
具體地說，雖然附圖所示的示例包括具有一條擺動軸8的用于聚焦射束F的定向裝置，然而本發(fā)明還包括除了所述擺動軸之外還有一條或多條附加軸的裝置的情況。
權(quán)利要求
1.一種用于對金屬板零件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進行激光焊接的方法，包括-設(shè)置多軸的操作機器人(1)，其包括多個可控制機器人的零件圍繞所述軸的運動的電動機，以及可對所述電動機編程的可編程電子控制單元(2)，以便使機器人的終端零件在給定的三維空間體積內(nèi)移動到任何位置、任何方位以及任何軌跡上，-在操作機器人(1)的所述終端零件上安裝可使來自激光源的激光束聚焦的附屬裝置(3)，所述裝置設(shè)計成通過使聚焦激光束(F)圍繞一個擺動軸(8)擺動來定向所述激光束(F)，-控制所述操作機器人(1)，以使所述附屬裝置(3)沿著靠近但不鄰接待焊接結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的給定軌跡(L)移動，-當(dāng)所述附屬裝置(3)沿著所述給定軌跡(L)移動時，通過所述附屬裝置(3)來改變聚焦射束(F)的方向，從而使聚焦激光束(B)所照射的待焊接結(jié)構(gòu)的區(qū)域(W)以不與所述附屬裝置(3)的移動軌跡和速度直接相關(guān)的軌跡和/或速度進行移動。
2.一種用于對金屬板零件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進行激光焊接的裝置，包括-多軸的操作機器人(1)，其包括多個可控制機器人的零件圍繞所述軸的運動的電動機，以及用于控制所述電動機的可編程電子控制單元(2)，從而使機器人(1)的終端零件在給定的三維空間體積內(nèi)移動到任何位置、任何方位以及任何軌跡上，-安裝在操作機器人(1)的所述終端零件上的用于使來自激光源的激光束聚焦的附屬裝置(3)，所述裝置設(shè)計成通過使聚焦激光束(F)圍繞一個擺動軸(8)擺動來定向所述激光束(F)，所述附屬裝置(3)還包括用于控制所述擺動的機構(gòu)，其由電子控制裝置來控制，-其中對所述控制單元進行編程，以使所述附屬裝置(3)沿著靠近但不鄰接待焊接結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的給定軌跡移動，-用于定向聚焦激光束(F)的方向的所述機器人控制單元和所述電子控制裝置被編程為使得，在所述附屬裝置(3)被機器人沿著所述給定軌跡移動時可以改變所述聚焦激光束(F)的指向，從而使聚焦激光束(B)所照射的待焊接結(jié)構(gòu)的區(qū)域(W)以不與所述附屬裝置(3)的移動軌跡和速度直接相關(guān)的軌跡和/或速度進行移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述附屬裝置(3)包括剛性地連接在機器人腕部上的底座部分(6)，以及以可圍繞所述一個擺動軸(8)擺動的方式安裝在所述底座部分(6)上的框架(7)，并提供了電動機來控制所述擺動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述擺動框架(7)支撐了用于激光束的聚焦頭(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括與所述底座部分(3)剛性相連的聚焦頭，以及可在所述聚焦頭中擺動從而使聚焦激光束(F)擺動的光學(xué)裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，通過光纖束(5)來將激光束從激光源引導(dǎo)至所述附屬裝置(3)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光纖束(5)整個地布置在所述機器人結(jié)構(gòu)之外。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述光纖束(5)至少部分地布置在所述機器人結(jié)構(gòu)內(nèi)。
全文摘要
一種用于對金屬板結(jié)構(gòu)進行遠(yuǎn)程激光焊接的裝置，包括人形機器人，在其腕部上安裝了附屬裝置(3)，其攜帶有可使來自激光源的激光束聚焦的聚焦頭，以及使聚焦激光束(F)的指向圍繞一個擺動軸(8)擺動的裝置。在焊接期間，機器人使附屬裝置(3)沿著給定的軌跡并在給定的速度下移動，而聚焦射束(F)的指向擺動成使得激光束所照射的結(jié)構(gòu)區(qū)域(W)以不與機器人所攜帶的附屬裝置(3)的移動軌跡和速度直接相關(guān)的速度和/或軌跡移動。
文檔編號B23K26/20GK1701901SQ20051007606
公開日2005年11月30日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者R·門寧 申請人:康茂股份公司