專利名稱：激光焊接裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光焊接裝置和方法。
背景技術(shù)：
近年來，激光焊接越來越多地應(yīng)用于機(jī)器人焊接。日本專利No.3229834示出了一種激光焊接技術(shù)，在該激光焊接技術(shù)中，保持安裝在機(jī)器人手臂頂端上的激光焊接設(shè)備固定，并且轉(zhuǎn)動激光焊接設(shè)備內(nèi)部的反射鏡，以使激光束分配到多個(gè)焊點(diǎn)中的每個(gè)上。
在ARGES GmbH于2003年6月出版的第0002243-01期“FIBER ELEPHANT”數(shù)據(jù)表中，示出了根據(jù)從激光焊接設(shè)備到多個(gè)焊點(diǎn)的不同距離調(diào)節(jié)激光束焦距的激光焊接技術(shù)。如果用這種激光焊接技術(shù)調(diào)節(jié)焦距，激光束在焦點(diǎn)處的光點(diǎn)尺寸隨著焦距改變而改變。結(jié)果，所聚焦光能的量或密度隨著焦距而改變。因此，可能需要分別調(diào)節(jié)用于每個(gè)焊點(diǎn)的激光照射時(shí)間段。
已公開的日本專利申請No.2004-050246示出了在焊點(diǎn)處的激光光點(diǎn)尺寸在焊點(diǎn)之間基本上保持恒定，以消除由激光焦距改變而引起的激光焦點(diǎn)尺寸不同的激光焊接技術(shù)。該激光焊接技術(shù)以使用除焦點(diǎn)之外的點(diǎn)將焊點(diǎn)處的激光光點(diǎn)尺寸在焊點(diǎn)之間保持恒定的方式與到每個(gè)焊點(diǎn)的距離無關(guān)地改變激光束焦距。

發(fā)明內(nèi)容
在上述使用除激光束焦點(diǎn)之外的點(diǎn)的技術(shù)中，不可能充分使用在焦點(diǎn)處獲得的激光束的最大能量密度。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于調(diào)節(jié)激光束的焦點(diǎn)和激光束在焦點(diǎn)處的光點(diǎn)尺寸的激光焊接裝置和方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，激光焊接裝置包括激光焊接單元，該激光焊接單元包括激光聚焦部，其被布置成聚焦激光束；焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部，其被布置成調(diào)節(jié)激光束的焦距，以將激光束聚焦在所需焦點(diǎn)，并被布置成將激光束的激光焦點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)為所需的。該激光焊接單元可進(jìn)一步包括激光分配部，其被布置成調(diào)節(jié)從激光聚焦部射出的激光束的相對移動方向。該激光焊接裝置可進(jìn)一步包括致動器，其被構(gòu)造成使所述激光焊接單元移動；控制單元，其被連接用于與所述激光焊接單元和所述致動器進(jìn)行信號通訊，并被構(gòu)造成執(zhí)行下列各項(xiàng)使所述激光焊接單元沿預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將所述激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)所述焦距，以將所述激光束聚焦在所述第一焊點(diǎn)；保持所述激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；在完成用于所述第一焊點(diǎn)的焊接之后，將所述激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種控制所述激光焊接裝置的激光焊接方法，其包括使所述激光焊接單元沿預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將所述激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)所述焦距以將所述激光束聚焦在所述第一焊點(diǎn)；保持所述激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；在完成用于所述第一焊點(diǎn)的焊接之后，將所述激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，激光焊接裝置包括激光聚焦部件，用于聚焦激光束；焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部件，用于調(diào)節(jié)所述激光束的焦距，以將所述激光束聚焦在所需的焦點(diǎn)，并被布置成將所述激光束的激光焦點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)為所需的。


圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的激光焊接裝置的示意性透視圖。
圖2A至2C是示出在圖1的激光焊接裝置中調(diào)節(jié)激光束焦點(diǎn)和激光束焦點(diǎn)尺寸的原理圖。
圖3是根據(jù)第二實(shí)施例的激光焊接裝置的示意性透視圖。
圖4是圖3的激光焊接裝置的激光加工頭的示意性透視圖。
圖5是示出在圖3的激光焊接裝置中激光加工頭被安裝到機(jī)器人上的示例的圖。
圖6是在圖3的激光焊接裝置中激光加工頭安裝到機(jī)器人上的另一示例圖。
圖7是示出圖3的激光焊接裝置的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖8是示出在圖3的激光加工裝置中激光加工頭的移動和激光束移動方向的變化圖。
圖9是示出將由圖3的激光焊接裝置執(zhí)行的激光焊接控制程序的流程圖。
圖10示出了由參考激光焊接技術(shù)執(zhí)行的激光焊接操作。
圖11A和11B是示出第二實(shí)施例與參考例之間的整個(gè)焊接操作時(shí)間段的比較圖。
圖12是示出凸透鏡中折射和焦距之間的總體關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1至2C，圖中示出了根據(jù)第一實(shí)施例的激光焊接裝置。圖1是第一實(shí)施例的激光焊接裝置的示意性透視圖。如圖1所示，第一實(shí)施例的激光焊接裝置包括作為激光焊接單元的激光加工頭3。激光加工頭3包括透鏡組12、反射鏡11以及容納透鏡組12和反射鏡11的箱體30。透鏡組12是光學(xué)部件，用于使激光束以任意焦距聚焦和任意調(diào)節(jié)激光束在焦點(diǎn)處的光點(diǎn)尺寸或光點(diǎn)直徑。反射鏡11是激光分配部件，用于在預(yù)定區(qū)域內(nèi)任意地改變來自透鏡組12的激光束的移動方向。箱體30與光導(dǎo)纖維電纜6相連。光導(dǎo)纖維電纜6用于將激光束從激光振蕩器引導(dǎo)到激光加工頭3，具體為引導(dǎo)到透鏡組12。
透鏡組12包括用于將激光束聚焦在焦點(diǎn)的第一透鏡31；用于將激光束發(fā)散到第一透鏡31的第二透鏡32；用于將激光束引導(dǎo)到第二透鏡32、防止來自光導(dǎo)纖維電纜6的激光束發(fā)散的第三透鏡33。這些透鏡31-33由透鏡筒35支撐，該透鏡筒35用作透鏡位置改變部件，用于改變透鏡31-33之間的距離。透鏡筒35包括在其內(nèi)周壁上的螺旋槽41-43，這些螺旋槽各自與形成在透鏡31-33的每一個(gè)中的突起36接合。透鏡31-33每個(gè)都被布置成分別隨著透鏡筒35的轉(zhuǎn)動根據(jù)槽41-43的移動沿透鏡筒35的縱向移動。槽41-43的形狀被形成為透鏡31-33之間的距離改變導(dǎo)致對激光束的焦距和焦點(diǎn)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，槽41-43被形成為透鏡31-33可縱向移動以改變激光焦距，從而在整個(gè)約500mm的縱向范圍上改變組合焦點(diǎn)的位置，并且將激光焦點(diǎn)尺寸保持為基本恒定。
盡管由于激光焊接裝置的機(jī)械精度或者透鏡的光學(xué)精度，激光焦點(diǎn)直徑可不完全恒定，考慮到激光焊接所需的精度，優(yōu)選為激光焦點(diǎn)尺寸的變化小于5％。因此，雖然將考慮焊接材料的質(zhì)量、厚度、板的數(shù)量、所需的焊接能量等，但可連續(xù)地進(jìn)行用于多個(gè)焊點(diǎn)的焊接操作，而不需改變其他焊接條件，例如用于激光照射的時(shí)間段，這些多個(gè)焊點(diǎn)具有到激光焊接裝置不同的距離。在本實(shí)施例中，在焦點(diǎn)在約500mm的范圍內(nèi)變化的情況下，激光焦點(diǎn)尺寸的變化被設(shè)計(jì)為小于5％。
在箱體30內(nèi)設(shè)置用于使透鏡筒35繞其縱軸線轉(zhuǎn)動的電動機(jī)45和輥46。電動機(jī)45用于轉(zhuǎn)動輥46。輥46被布置成與透鏡筒35的外周壁接觸，并且使透鏡筒35隨著它的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。如前所述，透鏡筒35的轉(zhuǎn)動改變了透鏡31-33中每一個(gè)的位置。轉(zhuǎn)動制動器47被固定地保持在箱體30中，并沿透鏡筒35的縱軸線延伸。轉(zhuǎn)動制動器47被布置成限制透鏡31-33繞透鏡筒35的縱軸線轉(zhuǎn)動，而允許透鏡31-33的縱向移動。
以下說明了即使當(dāng)焦距根據(jù)三個(gè)透鏡之間的距離的變化而變化時(shí)用于任意調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)尺寸的原理。圖2A-2C是示出調(diào)節(jié)在第一實(shí)施例的激光焊接裝置中的激光束焦點(diǎn)和激光束的焦點(diǎn)尺寸的原理圖。
第一透鏡31用作將激光束聚焦在焦點(diǎn)。因此，第一透鏡31基于凸透鏡形成。在這種凸透鏡中，焦距根據(jù)入射激光束的發(fā)散角而改變。激光束的發(fā)散角用θ表示，并被定義為從圖2A中由F′表示的虛焦點(diǎn)發(fā)出的激光束的角度，該激光束由如下所述的第二透鏡32發(fā)散。第一透鏡31的焦距f隨著發(fā)散角θ的減小即隨著激光束接近平行光束而減小。另一方面，焦距f隨著發(fā)散角θ增大即隨著激光束愈加發(fā)散到第一透鏡31而增大。圖12是示出凸透鏡中折射和焦距之間的大體關(guān)系的圖。如圖12所示，凸透鏡31a的折射率相對于入射激光束的發(fā)散角恒定。在這樣的情況(發(fā)散角θ1＜發(fā)散角θ2)下，以發(fā)散角θ2入射的激光束被聚焦在比以發(fā)散角θ1入射的激光束遠(yuǎn)的點(diǎn)。在圖12中，基于發(fā)散角θ1的激光束的焦點(diǎn)用G1表示，基于發(fā)散角θ2的激光束的焦點(diǎn)用G2表示。
通常，凸透鏡的焦點(diǎn)具有根據(jù)透鏡的衍射極限所確定的一定尺寸，該焦點(diǎn)是光束在通過該透鏡之后最狹窄的點(diǎn)。激光焦點(diǎn)尺寸d由以下等式表示。
d＝(4/п)·(λ·f/D) ...(1)其中，λ是激光束的波長，D是激光束的寬度。顯然，當(dāng)入射到第一透鏡31的激光束的光束寬度D保持恒定時(shí)，激光焦點(diǎn)尺寸d隨著焦距f的變化而變化。然而，除改變焦距f之外，還可通過改變光束寬度D來任意地改變激光焦點(diǎn)尺寸d。即通過改變?nèi)肷涞酵雇哥R的激光束的光束寬度D來改變激光焦點(diǎn)尺寸。
在本實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)入射到第一透鏡31的激光束的發(fā)散角θ和光束寬度D，任意地調(diào)節(jié)焦距f和與焦距無關(guān)地任意地調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)尺寸d。為了調(diào)節(jié)入射到第一透鏡31的激光束的發(fā)散角θ和光束寬度D，設(shè)置了第二透鏡32和第三透鏡33。第二透鏡32用于發(fā)散入射激光束，因此基于凹透鏡形成。凹透鏡發(fā)散入射激光束。通過改變第二透鏡32和第一透鏡31之間的距離來調(diào)節(jié)射入第一透鏡31的激光束的光束寬度D。另一方面，通過改變虛焦點(diǎn)F′的位置來改變發(fā)散角θ。通過調(diào)節(jié)第三透鏡33和第二透鏡32之間的距離來改變虛焦點(diǎn)F′的位置。第三透鏡33將激光束引導(dǎo)至第二透鏡32，從而防止了來自光導(dǎo)纖維電纜6的激光束發(fā)散。通過改變第三透鏡33和第二透鏡32之間的距離以及改變第三透鏡33的位置來改變第三透鏡33的焦點(diǎn)。這導(dǎo)致虛焦點(diǎn)F′的位置變化。如果在上述構(gòu)造中沒有第三透鏡33的情況下，可能出現(xiàn)，當(dāng)激光束由光導(dǎo)纖維電纜6引導(dǎo)并作為發(fā)散光束從光導(dǎo)纖維電纜6的頂端直接發(fā)射到第二透鏡32時(shí)，激光束的發(fā)散程度太高。另外，在沒有第三透鏡33的情況下，不可能改變射入第二透鏡32的激光束的虛焦點(diǎn)F′的位置。
以下參考圖2A至2C詳細(xì)說明透鏡的運(yùn)動。這里，通過改變激光焦距，在整個(gè)約500mm的范圍內(nèi)改變激光焦點(diǎn)位置。圖2A示出了焦距f為最短設(shè)定時(shí)的情況。圖2B示出了以下的情況，即，焦距f為比圖2A中長的f1，并且激光焦點(diǎn)尺寸d與圖2A中的相同。在圖2B的情況下，相對于圖2A的情況，增大射入第一透鏡31的激光束的發(fā)散角θ，以增大激光焦距。另一方面，增大射入第一透鏡31的激光束的光束寬度D，以消除如上述等式(1)所示的根據(jù)焦距增大而導(dǎo)致的激光焦點(diǎn)尺寸d的增大，從而激光焦點(diǎn)尺寸d與圖2A中的相同。因此，相對于圖2A的情況，在第三透鏡33和光導(dǎo)纖維電纜6的激光射出點(diǎn)的間隔被增大的同時(shí)，第一透鏡31和第二透鏡32之間的間隔以及第二透鏡32和第三透鏡33之間的間隔均被增大。圖2C示出了以下情況，即，焦距f進(jìn)一步增大為f2，并且激光焦點(diǎn)尺寸d與圖2A中的相同。在圖2C的情況下，相對于圖2B的情況，增大射入第一透鏡31的激光束的發(fā)散角θ，以增大激光焦距。另一方面，增大射入第一透鏡31的激光束的光束寬度D，以消除由于焦距增大而導(dǎo)致的激光焦點(diǎn)尺寸d的增大，從而激光焦點(diǎn)尺寸d與圖2A和圖2B中的相同。因此，在第三透鏡33和光導(dǎo)纖維電纜6的激光射出點(diǎn)之間的間隔被進(jìn)一步增大的同時(shí)，第一透鏡31和第二透鏡32之間的間隔以及第二透鏡32和第三透鏡33之間的間隔都被進(jìn)一步增大。如圖2A所示，激光束的光點(diǎn)尺寸在組合焦點(diǎn)P處最小，而在焦點(diǎn)以外的點(diǎn)P1和P2處激光束的光點(diǎn)尺寸大于激光焦點(diǎn)尺寸d。因此，激光束的能量被最多地聚集到焦點(diǎn)P處的最小區(qū)域。
如上所述，即使當(dāng)焦距變化時(shí)，本實(shí)施例的激光焊接裝置有效地任意控制激光焦點(diǎn)尺寸。特別地，在其中激光焦點(diǎn)尺寸保持恒定的激光焊接裝置對于提高激光能量的效率以及在無需調(diào)節(jié)用于每個(gè)焊點(diǎn)的焊接時(shí)間的情況下進(jìn)行焊接都是有效的。
在上述第一實(shí)施例中，透鏡組12用作被布置成聚焦激光束的激光聚焦部。透鏡筒35、突起36、槽41-43、電動機(jī)45、輥46和轉(zhuǎn)動制動器47用作焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部，該焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部被布置成調(diào)節(jié)激光束的焦距以將激光束聚焦在所需的焦點(diǎn)，并將激光束的激光焦點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)為所需的。具體地，焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部被布置成調(diào)節(jié)第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡中的每一個(gè)的相對位置，以調(diào)節(jié)射入第一透鏡的激光束的發(fā)散角和光束寬度。反射鏡11用作激光分配部，該激光分配部被布置成調(diào)節(jié)從激光聚焦部(第一透鏡)射出的激光束移動的相對方向。
現(xiàn)在參考圖3至10，圖中示出了根據(jù)第二實(shí)施例的激光焊接裝置。第二實(shí)施例的激光焊接裝置包括第一實(shí)施例的激光焊接裝置的激光加工頭3。圖3是第二實(shí)施例的激光焊接裝置的示意性透視圖。圖4是圖3的激光焊接裝置的激光加工頭的示意性透視圖。與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)相比，該激光焊接裝置使用激光束從遠(yuǎn)離工件的位置進(jìn)行焊接，而不需與工件直接接觸。因此，這種激光焊接被稱為遠(yuǎn)程焊接。如圖3所示，本實(shí)施的激光焊接裝置包括機(jī)器人1；激光加工頭3，其安裝在機(jī)器人1的機(jī)器人手臂2頂端上，且用于射出激光束100；激光振蕩器5，作為激光束源；光導(dǎo)纖維電纜6，其被布置成將激光束從激光振蕩器5引導(dǎo)至激光加工頭3。
機(jī)器人1是被稱為多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的通用多軸機(jī)器人，其被構(gòu)造成根據(jù)由示教操作給出的運(yùn)動路線數(shù)據(jù)來改變姿態(tài)，以使機(jī)器人手臂2的頂端運(yùn)動，或者用作移動激光加工頭3的致動器。
如圖4所示，與第一實(shí)施例中一樣，激光加工頭3包括用于將激光束100最終射向每個(gè)目標(biāo)的反射鏡11和用于改變激光束100的焦點(diǎn)位置的透鏡組12。反射鏡11被支撐在激光加工頭3內(nèi)，以自由獨(dú)立地沿X-軸線和Y-軸線中的每一個(gè)轉(zhuǎn)動，以改變射出激光束100的方向，其中X-軸線和Y-軸線都垂直于與該反射鏡鏡面垂直的Z-軸線。為了轉(zhuǎn)動反射鏡11，激光加工頭3包括用于使反射鏡11獨(dú)立地沿X-軸線和Y-軸線中的每一個(gè)轉(zhuǎn)動的電動機(jī)48和齒輪機(jī)構(gòu)49，如圖1中的簡單形式所示。用于反射鏡11的電動機(jī)48由以下描述的加工頭控制器控制。用于透鏡組12的電動機(jī)45也由加工頭控制器控制。
為了用光導(dǎo)纖維電纜6引導(dǎo)激光束，激光振蕩器5形成為YAG激光振蕩器。
圖5和圖6是將激光加工頭3安裝在機(jī)器人1上的示例圖。在如圖5所示的示例中，激光加工頭3被以與機(jī)器人手臂2的中心縱軸線偏置的方式安裝到在機(jī)器人手臂2頂端的腕部21上。光導(dǎo)纖維電纜6被以從機(jī)器人手臂2的外部延伸的方式直接安裝到激光加工頭3。在如圖6所示的示例中，激光加工頭3的一部分被嵌入腕部21中。光導(dǎo)纖維電纜6被布置為在機(jī)器人手臂2內(nèi)延伸。在本示例中，激光加工頭3被緊湊地形成，以在復(fù)雜且狹窄的空間內(nèi)應(yīng)用。因此，激光焊接裝置可應(yīng)用于(車身的)多個(gè)焊點(diǎn)。另外，由于光導(dǎo)纖維電纜6容納在機(jī)器人手臂2內(nèi)，所以機(jī)器人1的手臂部也緊湊地形成。這種緊湊性用于將激光束用于(車身的)多個(gè)焊點(diǎn)，例如，用于車身的焊接過程中，并且減少用于在狹窄地方等手工焊接處理的數(shù)量，從而提高生產(chǎn)率。然而，可以根據(jù)機(jī)器人1的形狀和類型以及激光加工頭3的形狀等適當(dāng)?shù)剡x擇的任何其他方式來實(shí)現(xiàn)激光加工頭3的安裝。
圖7是示出了第二實(shí)施例激光焊接裝置的控制系統(tǒng)的方框圖。該激光焊接裝置包括電控制單元，即激光控制器51，用于控制激光振蕩器5的接通/斷開狀態(tài)；機(jī)器人控制器52，用于控制機(jī)器人1的動作；加工頭控制器53，用于控制反射鏡11和電動機(jī)45，該電動機(jī)45用于使鏡頭組12或使鏡頭筒35轉(zhuǎn)動?？刂破?1、52和53各自都包括輸入/輸出接口(I/O)、存儲器(RAM、ROM)和微處理器或中央處理器(CPU)。激光控制器51被構(gòu)造成接收來自機(jī)器人控制器52的控制信號，并根據(jù)該控制信號控制激光振蕩器5的接通/斷開狀態(tài)以及調(diào)節(jié)激光束的強(qiáng)度。機(jī)器人控制器52被構(gòu)造成控制機(jī)器人1的動作，并還被構(gòu)造為主控制單元，以將控制信號輸出到激光控制器51，從而控制激光振蕩器5的接通/斷開狀態(tài)，并將控制信號輸出到加工頭控制器53，以控制反射鏡11和透鏡組12的操作。機(jī)器人控制器52具有示教模式，關(guān)于機(jī)器人1、反射鏡11和透鏡組12的操作的指令數(shù)據(jù)被設(shè)定并儲存在機(jī)器人控制器52中。根據(jù)示教數(shù)據(jù)或者指令數(shù)據(jù)，機(jī)器人控制器52控制機(jī)器人1的動作和輸出各種控制信號。加工頭控制器53被構(gòu)造成接收來自機(jī)器人控制器52的控制信號，并根據(jù)該控制信號控制激光加工頭3中的反射鏡11和透鏡組12的運(yùn)動。
以下說明了應(yīng)用根據(jù)第二實(shí)施例的激光焊接裝置的激光焊接方法。圖8是示出激光加工頭移動和激光束方向變化的圖。在如圖8所示的簡單情況下，具有多個(gè)焊點(diǎn)201至206。在將激光束100射到一個(gè)焊點(diǎn)(例如，201)的期間，激光加工頭3被控制以繼續(xù)以預(yù)定的恒定速度朝向下一個(gè)焊點(diǎn)(例如，202)移動。激光加工頭3的移動軌跡被預(yù)定為沿從一個(gè)焊點(diǎn)到下一個(gè)焊點(diǎn)延伸。同時(shí)，反射鏡11被以將激光束100引導(dǎo)到當(dāng)前焊點(diǎn)(201)直至用于當(dāng)前焊點(diǎn)的焊接操作完成的方式控制以進(jìn)行轉(zhuǎn)動，以抵消激光加工頭3移動的影響。
通過改變機(jī)器人1的姿態(tài)，即通過移動機(jī)器人手臂2來執(zhí)行激光加工頭3的移動。機(jī)器人1的動作由機(jī)器人控制器52控制，從而激光加工頭3以固定速度從一個(gè)焊點(diǎn)移動到下一個(gè)焊點(diǎn)。在圖8中，激光加工頭3以固定速度從a位置移動到j(luò)位置。以固定速度移動激光加工頭3用于減少由于機(jī)器人手臂2的移動而導(dǎo)致的機(jī)器人手臂2的振動，以使激光束100的焦點(diǎn)保持在目標(biāo)位置(焊點(diǎn))內(nèi)。由于僅具有用于將激光束100的方向從一個(gè)焊點(diǎn)改變到下一個(gè)焊點(diǎn)(以下詳細(xì)描述)的短間隔時(shí)間段(非焊接時(shí)間)，所以從整個(gè)焊接操作的開始到結(jié)束，激光加工頭3的移動速度是固定的。在非焊接時(shí)間較長的情況下，在非焊接時(shí)間的期間，可將激光加工頭3的移動速度臨時(shí)設(shè)定得較高。
在激光加工頭3的上述操作過程中，在焊接一個(gè)焊點(diǎn)的期間，反射鏡11被控制以轉(zhuǎn)動，從而激光焦點(diǎn)沿與激光加工頭3的移動方向相反的方向相對移動，并且激光焦點(diǎn)的相對移動速度與激光加工頭3的移動速度基本上相等。此時(shí)反射鏡11的轉(zhuǎn)動速度被稱為用于焊接的速度設(shè)定。根據(jù)上述反射鏡11的操作，激光焦點(diǎn)相對于激光加工頭3移動，以抵消激光加工頭3的移動，從而在一個(gè)焊點(diǎn)的焊接操作期間，保持將激光束引導(dǎo)至該焊點(diǎn)。在焊點(diǎn)具有將要焊接的某一長度焊縫(焊縫尺寸)的情況下，需要將激光照射點(diǎn)(焦點(diǎn))在焊點(diǎn)的整個(gè)焊縫上慢慢移動。具體地，根據(jù)沿激光加工頭3移動方向的焊縫長度，由于反射鏡11轉(zhuǎn)動的激光焦點(diǎn)的相對移動速度被調(diào)節(jié)為比激光加工頭3的移動速度略慢。
激光加工頭3的移動速度被設(shè)定得高于焊接速度，從而當(dāng)用于一個(gè)焊點(diǎn)(例如，201)的焊接操作完成時(shí)，激光加工頭3位于適合下一個(gè)焊點(diǎn)(例如，202)的位置。通常，激光焊接的焊接速度為1-5m/min。另一方面，激光加工頭3的最大移動速度或機(jī)器人手臂2的最大移動速度隨機(jī)器人而不同，例如取大約為10-20m/min的值，而由反射鏡11形成的激光焦點(diǎn)的最大移動速度在距離反射鏡11約1m遠(yuǎn)的位置處大約為100m/min。在本實(shí)施例中，激光加工頭3的移動速度被設(shè)定為高于焊接速度?？紤]到上述速度的能力，優(yōu)選用于焊接操作的移動速度的實(shí)際設(shè)定，使得激光加工頭3的移動速度盡可能地低，以減少激光加工頭3的振動。激光焦點(diǎn)從一個(gè)焊點(diǎn)(例如，201)到下一個(gè)焊點(diǎn)(例如，202)的移動主要由反射鏡11的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生。盡可能快地完成反射鏡11的轉(zhuǎn)動。在焊點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移的期間，來自激光振蕩器5的激光輸出可被控制為保持激活，而不斷開。此時(shí)，激光束可被帶到焊點(diǎn)之外的位置。然而，激光焦點(diǎn)的移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于如上所述的焊接速度。因此，不想被照射的位置在焦點(diǎn)范圍之外或者由激光束100經(jīng)過的時(shí)間很少，從而被照射的該位置受激光的影響很小或破壞很小。然而，根據(jù)環(huán)境需要，或者機(jī)器人控制器52可將斷開信號發(fā)送給激光控制器51，以暫停激光振蕩器5的激光輸出。
在上述操作中，在用于焊點(diǎn)(例如，202)的焊接操作開始時(shí)，在機(jī)器人手臂2頂端的激光加工頭3位于沿激光加工頭3的移動方向該焊點(diǎn)后方的位置(例如，位置b)，而在用于該焊點(diǎn)的焊接操作結(jié)束時(shí)，激光加工頭3位于該焊點(diǎn)前方的位置(例如，位置d)。換句話說，在用于初始焊點(diǎn)的焊接開始時(shí)，控制激光加工頭3沿激光加工頭3的移動軌跡移動到初始焊點(diǎn)的后方；在用于最后焊點(diǎn)的焊接結(jié)束時(shí)，控制激光加工頭3沿激光焊接單元的移動軌跡移動至最后焊點(diǎn)的前方。
在焊接一個(gè)焊點(diǎn)的同時(shí)，激光加工頭3被控制移動，以改變激光加工頭3和焊點(diǎn)之間的相對距離。因此，根據(jù)激光加工頭3的移動來調(diào)節(jié)激光焦距。實(shí)際上，基于機(jī)器人控制器52提供的指令數(shù)據(jù)，加工頭控制器53控制透鏡筒35轉(zhuǎn)動以移動透鏡組12，以調(diào)節(jié)激光束100的焦距。如上所述，透鏡筒35包括槽，以引導(dǎo)透鏡的移動，并且用于與激光焦距無關(guān)地保持激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定。因此，機(jī)器人控制器52被輸入指令數(shù)據(jù)，該指令數(shù)據(jù)用于根據(jù)激光加工頭3的位置與焊點(diǎn)的位置之間關(guān)系的變化來改變激光焦距，以自動地控制在所有激光焦點(diǎn)中的激光光點(diǎn)尺寸基本上恒定。因此，每個(gè)焊點(diǎn)與激光加工頭3的相對距離無關(guān)地被激光束以能量效率最高的最小光點(diǎn)尺寸的方式在焦點(diǎn)處照射。此外，不需要調(diào)節(jié)每個(gè)焊點(diǎn)的每單位面積激光照射的時(shí)間長度。
以下說明了第二實(shí)施例的激光焊接裝置的操作。圖9是示出將由該激光焊接裝置執(zhí)行的激光焊接控制程序的流程圖。如圖9所示，首先，在步驟S1，機(jī)器人控制器52根據(jù)預(yù)先準(zhǔn)備好的指令數(shù)據(jù)控制激光加工頭3移動至用于第一焊點(diǎn)的開始位置，并控制激光加工頭3開始以固定速度移動，機(jī)器人控制器52還向激光控制器51發(fā)出控制指令，以接通激光振蕩器5的激光輸出。隨后，在步驟S2，機(jī)器人控制器52向加工頭控制器53發(fā)出控制指令，以控制反射鏡11以用于焊接的速度設(shè)定值轉(zhuǎn)動并且控制透鏡組12來調(diào)節(jié)激光束100的焦距。隨后，在步驟S3，機(jī)器人控制器52根據(jù)指令數(shù)據(jù)判斷激光加工頭3是否已到達(dá)用于下一個(gè)焊點(diǎn)的開始位置。該指令數(shù)據(jù)被設(shè)定為使用于下一個(gè)焊點(diǎn)的焊接開始位置與用于前一個(gè)焊點(diǎn)的結(jié)束位置相同。當(dāng)對步驟S3的答案為肯定(是)時(shí)，程序進(jìn)入步驟S4。另一方面，當(dāng)對步驟S3的答案為否定(否)時(shí)，程序進(jìn)入步驟S5。在步驟S4，機(jī)器人控制器52向加工頭控制器53發(fā)出控制指令，控制反射鏡11以高速轉(zhuǎn)動，以將激光束100導(dǎo)向下一個(gè)焊點(diǎn)。在焊點(diǎn)之間的每次轉(zhuǎn)移中重復(fù)進(jìn)行該操作，直至用于最后一個(gè)焊點(diǎn)的焊接操作結(jié)束。在步驟S5，機(jī)器人控制器52基于指令數(shù)據(jù)判斷用于所有焊點(diǎn)的焊接操作是否已完成。當(dāng)對步驟S5的答案為是時(shí)，程序進(jìn)入步驟S6。另一方面，當(dāng)對步驟S5的答案為否時(shí)，程序返回步驟S3。由此，繼續(xù)當(dāng)前焊點(diǎn)的焊接操作。在步驟S6，機(jī)器人控制器52根據(jù)指令數(shù)據(jù)向激光控制器51發(fā)出控制指令，以斷開激光振蕩器5的激光輸出，并控制激光加工頭3移動至待用位置或者操作結(jié)束位置。隨后，程序結(jié)束。
利用圖8的示例進(jìn)行說明，首先，機(jī)器人控制器52控制激光加工頭3移動至用于第一焊點(diǎn)201的開始位置，并使激光加工頭3開始以固定速度移動，機(jī)器人控制器52還向激光控制器51發(fā)出控制指令，以接通激光振蕩器5的激光輸出。同時(shí)，機(jī)器人控制器52向加工頭控制器53發(fā)出控制指令，以控制反射鏡11以用于焊接的速度設(shè)定值轉(zhuǎn)動，以將激光束100導(dǎo)向第一焊點(diǎn)201。當(dāng)激光加工頭3經(jīng)過點(diǎn)a并且到達(dá)用于焊點(diǎn)202的開始位置b時(shí)，即當(dāng)用于焊點(diǎn)201的焊接操作完成時(shí)，機(jī)器人控制器52基于指令數(shù)據(jù)控制反射鏡11以最大速度轉(zhuǎn)動，以將激光束100導(dǎo)向焊點(diǎn)202。然后，進(jìn)行用于焊點(diǎn)202的焊接操作。當(dāng)重復(fù)這些處理以完成用于焊點(diǎn)206的焊接操作時(shí)，停止激光振蕩器5的激光輸出，從而整個(gè)焊接操作結(jié)束。
概括地說，激光焊接裝置進(jìn)行使激光焊接單元沿著預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)焦距以將激光束聚焦在第一焊點(diǎn)；保持激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；在完成用于第一焊點(diǎn)的焊接之后將激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
以下說明本實(shí)施例與參考例之間的比較。圖10是示出了參考激光焊接技術(shù)的激光焊接操作的圖。在如圖10所示的該參考例中，首先，控制激光加工頭103移動，直至激光加工頭103到達(dá)圖10中的位置A。激光加工頭103被保持靜止，并且通過將反射鏡111沿到焊點(diǎn)301、302和303中的每個(gè)方向轉(zhuǎn)動來進(jìn)行焊接操作，這些焊點(diǎn)位于反射鏡111能夠分配激光束150的范圍之內(nèi)。單獨(dú)調(diào)節(jié)用于焊點(diǎn)301、302和303的每一個(gè)的激光照射時(shí)間段，以抵消由于激光加工頭103到焊點(diǎn)301、302和303距離的變化而導(dǎo)致的激光光點(diǎn)尺寸在焊點(diǎn)301、302和303之間的變化。如果根據(jù)日本專利申請公報(bào)No.2004-050246所示的傳統(tǒng)方法將激光光點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)為恒定的，不能使用激光焦點(diǎn)用于焊接，從而導(dǎo)致對激光能量的使用效率產(chǎn)生不利的影響，以增加了每一個(gè)焊點(diǎn)的激光照射時(shí)間段。在用于焊點(diǎn)303的焊接操作結(jié)束之后，暫時(shí)斷開激光輸出。然后，激光加工頭103被控制以移動，直至激光加工頭103到達(dá)圖10中的位置B。激光加工頭103被保持靜止，并且通過將反射鏡111沿到焊點(diǎn)304、305和306中的每一個(gè)方向轉(zhuǎn)動來進(jìn)行焊接操作。與在位置A相似，單獨(dú)調(diào)節(jié)用于這些焊點(diǎn)的每一個(gè)的激光照射時(shí)間段。
圖11A和圖11B是示出第二實(shí)施例與參考例之間的整個(gè)焊接操作時(shí)間段的比較的圖。圖11A示出了該實(shí)施例的情況，而圖11B示出了該參考例的情況。在圖11A和圖11B中，每個(gè)塊的水平長度表示時(shí)間段的相對長度。如11A和圖11B所示，該實(shí)施例的激光焊接方法不需要如參考例中的激光加工頭3停止激光焊接操作以及移向下一位置的時(shí)間段。這導(dǎo)致用于整個(gè)焊接操作的時(shí)間段減少。另外，由于激光焦點(diǎn)尺寸被用來提高用于每一個(gè)焊點(diǎn)的能量效率，在每一個(gè)焊點(diǎn)的激光照射時(shí)間段減小，從而用于整個(gè)焊接操作的時(shí)間段進(jìn)一步減少。上述優(yōu)點(diǎn)隨著焊點(diǎn)數(shù)量的增加而增大。例如，在典型的車身裝配線中，焊點(diǎn)的數(shù)量是成百計(jì)的。因此，當(dāng)該實(shí)施例的激光焊接裝置和方法被應(yīng)用在部分或全部車身裝配線時(shí)，導(dǎo)致用于整個(gè)焊接操作的時(shí)間段的大量減少。
以下說明由該實(shí)施例的激光焊接裝置和方法產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)和效果。將激光加工頭3的移動速度設(shè)定為高于焊接速度的激光焊接裝置對于將激光加工頭3放置在下一個(gè)焊點(diǎn)位于反射鏡11能被轉(zhuǎn)動以引導(dǎo)激光束的范圍內(nèi)的位置是有效的，從而對于在多個(gè)焊點(diǎn)的連續(xù)焊接操作中用于減少非焊接時(shí)間是有效的。在用于焊點(diǎn)的焊接操作開始時(shí)，激光加工頭3沿激光加工頭3的移動方向位于該焊點(diǎn)后方的位置，而在用于該焊點(diǎn)的焊接操作結(jié)束時(shí)，激光加工頭3位于該焊點(diǎn)前方的位置，該激光焊接裝置對于確保將激光加工頭3放置在下一個(gè)焊點(diǎn)位于反射鏡11能夠轉(zhuǎn)動以引導(dǎo)激光束的范圍之內(nèi)的位置是有效的。
非焊接時(shí)間的減少導(dǎo)致激光焊接系統(tǒng)的成本的回收效率，尤其是激光振蕩器的高成本的回收效率提高。
在包括多個(gè)激光加工頭和用于將激光提供給這些激光加工頭的激光振蕩器的系統(tǒng)中，在一個(gè)激光加工頭的非焊接時(shí)間期間，用于該激光加工頭的激光束需要被由激光吸收材料形成的構(gòu)件吸收，該系統(tǒng)基本上基于參考例的激光焊接設(shè)備構(gòu)造。另一方面，在該實(shí)施例中，由于在該實(shí)施例的激光焊接方法中非焊接時(shí)間很少，因此不需要這種激光吸收構(gòu)件。這防止了由于激光吸收帶來的電能損失。
可對該實(shí)施例的激光焊接裝置和方法做如下修改。盡管在上述實(shí)施例中利用包括三個(gè)透鏡的透鏡組12來控制激光焦點(diǎn)尺寸和焦距，也可根據(jù)透鏡像差等將透鏡組12構(gòu)造為不同形式，如透鏡組12包括在激光束路徑上的輔助透鏡的形式，或者透鏡組12的透鏡31-33均被形成為復(fù)合透鏡的形式。另外，盡管在所示實(shí)施例中如圖2A至2C所示，延長在透鏡31至33之間的距離以延長焦距，可根據(jù)所使用透鏡的特性適當(dāng)?shù)馗淖兺哥R之間的距離設(shè)置。
盡管，在上述實(shí)施例中與焦距無關(guān)地保持激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定，激光焊接裝置可構(gòu)造為與焦距無關(guān)的方式適當(dāng)?shù)乜刂萍す饨裹c(diǎn)尺寸。
盡管在上述實(shí)施例中，如圖8所示，將多個(gè)焊點(diǎn)沿直線線性地布置，該實(shí)施例的激光焊接裝置和方法可應(yīng)用于任何其他曲線操作路線中。
本申請基于2005年2月8日提交的在先日本專利申請No.2005-32094。該日本專利申請No.2005-32094的全部內(nèi)容通過引入包含于此。
盡管上面已經(jīng)參考本發(fā)明的某些實(shí)施例說明了本發(fā)明，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述示教可對上述實(shí)施例進(jìn)行修改和變化。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種包括激光焊接單元的激光焊接裝置，該激光焊接單元包括激光聚焦部，其被布置成使激光束聚焦；以及焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部，其被布置成調(diào)節(jié)所述激光束的焦距，以將所述激光束聚焦在所需的焦點(diǎn)，并且被布置成將所述激光束的激光焦點(diǎn)尺寸調(diào)節(jié)為所需的尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光聚焦部包括第一透鏡，其用于將所述激光束以所述焦距聚焦在所述焦點(diǎn)；第二透鏡，其用于將所述激光束發(fā)散到所述第一透鏡上；以及第三透鏡，其用于將所述激光束引導(dǎo)到所述第二透鏡上；所述焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部被布置成調(diào)節(jié)所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡中的每一個(gè)的相對位置，以調(diào)節(jié)射入所述第一透鏡的所述激光束的發(fā)散角和光束寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光焊接單元進(jìn)一步包括被布置成將所述激光束引導(dǎo)到所述第三透鏡上的光導(dǎo)纖維電纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述焦點(diǎn)調(diào)節(jié)部被布置成調(diào)節(jié)所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡中的每一個(gè)的所述相對位置，以相對于所述焦距的變化將所述激光焦點(diǎn)尺寸保持基本上恒定。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光焊接單元進(jìn)一步包括反射鏡，該反射鏡被布置成調(diào)節(jié)從所述第一透鏡射出的所述激光束的相對移動方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光焊接單元進(jìn)一步包括激光分配部，該激光分配部被布置成調(diào)節(jié)從所述激光聚焦部射出的所述激光束的相對移動方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光焊接裝置，其進(jìn)一步包括致動器，其被構(gòu)造成使所述激光焊接單元移動；以及控制單元，其被連接用于與所述激光焊接單元和所述致動器進(jìn)行信號通訊，并被構(gòu)造成執(zhí)行下列各項(xiàng)使所述激光焊接單元沿預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將所述激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)所述焦距以將所述激光束聚焦在所述第一焊點(diǎn)；保持所述激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；以及在完成用于所述第一焊點(diǎn)的焊接之后，將所述激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光焊接裝置，其特征在于，在用于每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接期間，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為恒定的移動速度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光焊接裝置，其特征在于，在整個(gè)焊接操作期間，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為恒定的移動速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為大于用于每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接速度。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述激光焊接單元的所述移動軌跡被預(yù)定為沿從所述第一焊點(diǎn)到所述第二焊點(diǎn)延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的激光焊接裝置，其特征在于，所述控制單元被構(gòu)造成，在用于初始焊點(diǎn)的焊接開始時(shí)，控制所述激光焊接單元沿所述激光焊接單元的所述移動軌跡移動至所述初始焊點(diǎn)的后方；在用于最后焊點(diǎn)的焊接結(jié)束時(shí)，控制所述激光焊接單元沿所述激光焊接單元的所述移動軌跡移動至所述最后焊點(diǎn)的前方。
13.一種控制如權(quán)利要求6所述的激光焊接裝置的激光焊接方法，該激光焊接方法包括使所述激光焊接單元沿預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將所述激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)所述焦距以將所述激光束聚焦在所述第一焊點(diǎn)；保持所述激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；以及在完成用于所述第一焊點(diǎn)的焊接之后，將所述激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光焊接方法，其特征在于，在用于每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接期間，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為恒定的移動速度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的激光焊接方法，其特征在于，在整個(gè)焊接操作期間，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為恒定的移動速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接單元的所述預(yù)定速度被預(yù)定為大于用于每一個(gè)焊點(diǎn)的焊接速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接單元的所述移動軌跡被預(yù)定為沿從所述第一焊點(diǎn)到所述第二焊點(diǎn)延伸。
18.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的激光焊接方法，其進(jìn)一步包括在用于初始焊點(diǎn)的焊接開始時(shí)，控制所述激光焊接單元沿所述激光焊接單元的所述移動軌跡移動至所述初始焊點(diǎn)的后方；在用于最后焊點(diǎn)的焊接結(jié)束時(shí)，控制所述激光焊接單元沿所述激光焊接單元的所述移動軌跡移動至所述最后焊點(diǎn)的前方。
全文摘要
一種激光焊接裝置，其包括激光焊接單元，該激光焊接單元包括第一透鏡，用于聚焦激光束；第二透鏡，用于將激光束發(fā)散至第一透鏡；第三透鏡，用于將激光束引導(dǎo)至第二透鏡。第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的相對位置被調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)射入第一透鏡的激光束的發(fā)散角和光束寬度。激光焊接裝置執(zhí)行使激光焊接單元沿預(yù)定軌跡以預(yù)定速度移動；將激光束導(dǎo)向第一焊點(diǎn)；調(diào)節(jié)焦距以將激光束聚焦在第一焊點(diǎn)；保持激光焦點(diǎn)尺寸基本上恒定；在完成用于第一焊點(diǎn)的焊接之后，將激光束導(dǎo)向第二焊點(diǎn)。
文檔編號B23K26/42GK1817547SQ20061000306
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月8日
發(fā)明者川井仁, 濱口祐司, 櫻井龍也 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社, 昭和光電株式會社