一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统及其工作方法与流程

本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统及其工作方法。

背景技术：

动力电池盒振镜扫描式激光焊接是采用振镜扫描镜组对动力电池盒顶盖进行动态焊接的一项技术，不同于一般采用机械装置带动扫描头在平面上来回运动完成扫描，传统的机械式扫描精度低、惯性大、响应速度慢，而扫描振镜采用高速往复伺服电机带动的x、y两个振镜扫描头，通过x、y两轴的伺服系统向两轴的伺服电机发出指令信号，带动x、y两轴的扫描振镜分别沿x轴和y轴做出偏转，通过两轴振镜的配合运动，使具有一定功率密度的激光焦点在动力电池盒顶盖平面上按所需要求并根据待扫描图形的轮廓快速运动，形成扫描轨迹，激光扫描振镜系统具有精度高、惯性小、响应速度快的优点。这类激光振镜扫描系统广泛应用于激光成像、标刻、打孔、雕刻、淬火、切割、焊接等激光加工领域。

在大多数工业激光焊接应用中，平均焊接时间相对于装载和配置整个系统的时间，占比很小，大部分焊接时间只占一个操作周期的20％-50％之间，其它时间用于振镜重新定位与电池盒顶盖固定。而采用振镜扫描激光焊接技术，将大大减少振镜重新定位时间，焊接时间占比可以增加到70％以上，可快速、精确焊接扫描范围内的任意点，比传统焊接速度可以提高5倍以上。具体而言，振镜扫描激光焊接技术相对于传统的激光焊接技术，具有以下优点：(1)定位速度快，大大缩短加工时间，提高效率；(2)采用计算机控制，定位精度高，焊接精度得到大大提高；(3)激光焊接设备与顶盖距离远，不与动力电池盒直接接触，焊接范围明显变大；(4)可达性好，对难以接近的动力电池盒顶盖部位进行焊接。

然而，上述振镜扫描式激光焊接系统的一个缺点就是在进行激光焊接时，激光光束在顶盖表面高速移动，而此时电池盒顶盖必须位置固定以进行准确定位，否则会引起焊接失误或失败。

鉴于此，本发明提供一种新的动力电池盒动态在线高速激光焊接系统及其工作方法，以克服上述部分问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种焊接精度高的动力电池盒动态在线高速激光焊接系统及其工作方法。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统，其包括振镜式激光扫描焊接系统、控制系统及传输线，所述振镜式激光扫描焊接系统包括激光源、扫描激光头，所述控制系统包括扫描控制卡、激光动态焊接卡及传输线运动控制卡，所述传输线上耦合光电编码器，所述光电编码器输出的脉冲信号传递至所述激光动态焊接卡，所述激光动态焊接卡具有多个接口，通过一接口将脉冲信号同步传递至所述扫描控制卡，经另一接口将脉冲信号传递至所述传输线运动控制卡，所述扫描控制卡具有诸多个接口，其中所述扫描控制卡的若干接口与所述激光源相连，所述扫描控制卡的另外若干接口与所述扫描激光头相连并发出同步信号与时钟信号。

所述扫描激光头内固定有检流计式偏转振镜，所述检流计式偏转振镜包括x轴偏转振镜和y轴偏转振镜，并分别由x轴执行电机和y轴执行电机驱动。

所述x轴执行电机、y轴执行电机均采用检流计式有限转角电机，其偏转角控制在±20°以内。

一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统的工作方法，其包括：光电编码器输出脉冲，传输线带动动力电池盒沿x方向运动；通过传输线运动控制卡对光电编码器输入脉冲进行计数，通过扫描激光头对移动的动力电池盒顶盖进行焊接；根据动力电池盒实时移动速度确认电池盒顶盖相对激光光束的位移偏差，并通过电池盒位移坐标提供补偿值和编码器的编码脉冲计数增量变化实现焊接过程中不同计数时的振镜偏转，从而对所述位移偏差进行校正。

进一步，所述位移偏差的修正量：σx＝kx·δix(vst·δtx)，其中，kx为动力电池盒位移坐标的补偿比例因数，单位为比特/脉冲；δix为传输线运动控制卡内的编码器的编码脉冲计数增量，单位为脉冲/毫米；δtx为修正时间间隔；vst为动力电池盒x轴方向水平移动速度。

进一步，k＝kx·δix，其中，k为校正因数，通过输入校正因数k，光电编码器输出补偿信号经激光动态焊接接口传递至扫描控制卡；扫描控制卡控制扫描激光头内的x轴偏转振镜偏转。

与现有技术相比，本发明一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统及其工作方法的有益效果：采用协同控制系统解决了高速激光焊接系统在线高节拍生产的问题，同时很好适应于生产线的流水作业，达到激光光束与动力电池盒顶盖均在移动的动态条件下可进行精确的激光焊接作业；当动力电池盒沿x轴方向移动时，将产生变形，通过对激光光束在电池盒工件表面扫描轨迹的变形进行修正，将x方向的偏转振镜转动一定角度来弥补动力电池盒运动造成的焊接轨迹变形，并采用动态在线实时校正方法，获得动力电池盒位移坐标的补偿量，从而纠正动力电池盒运动带来的光束焊接轨迹畸变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一种动力电池盒动态在线高速激光焊接结构图；

图2是本发明一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统结构图；

图3是本发明一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统协同控制接口连接图；

图4是动力电池盒运动轨迹和激光光束扫描焊接轨迹坐标及校正原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂。下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。

请参看图1至图3，本发明的一种动力电池盒动态在线高速激光焊接系统，包括振镜式激光扫描焊接系统1、位于振镜式激光扫描焊接系统1下方的传输线2及用于发出传输线2的指令并控制振镜式激光扫描焊接系统1作业的控制系统3。

参见1、图2，振镜式激光扫描焊接系统1包括激光源、扫描激光头、固定在扫描激光头内的检流计式偏转振镜、驱动检流计式偏转振镜旋转的执行电机、设置于扫描激光头内的聚焦系统以及信号接收器。聚焦系统采用f-theta透镜聚焦方式，激光源发出的光经由f-theta透镜聚焦再由扫描激光头发射形成激光光束11。检流计式偏转振镜包括x轴偏转振镜和y轴偏转振镜，并分别由x轴执行电机和y轴执行电机驱动。x轴执行电机和y轴执行电机驱动均采用检流计式有限转角电机，其偏转角控制在±20°以内。偏转镜片固定在执行电机的转轴上，通过执行电机旋转带动反射镜的偏转来实现激光光束的偏转。激光光束聚焦后可在工作平面中扫描出任意方向、大小的矢量，实现扫描式的焊接。

参见图1、图2，传输线2上固定待焊工件21和驱使待焊工件21移动的x轴传输线驱动电机22，本实施例的待焊工件21为动力电池盒。传输线2上还固定光电编码器和电机驱动器，光电编码器输出脉冲信号，一方面致使x轴传输线驱动电机22带动动力电池盒沿x轴移动，另一方面经脉冲信号调制器传递至控制系统3

参见图2、图3，控制系统3包括扫描控制卡、激光动态焊接卡、传输线运动控制卡。其中，扫描控制卡控制执行电机驱动反射镜偏转，并实现激光源发光的通断；扫描控制卡将激光扫描焊接头与传输线2的光电编码器两者运动协同，形成协同控制系统，并将激光动态焊接卡所获动力电池盒位移信号传送至扫描控制卡；传输线运动控制卡记录光电编码器脉冲数，并控制动力电池盒的运动速度。

下面详细说明上述协同控制系统，具体如下：

参见图2、图3，控制系统3的扫描控制卡具备诸多接口，其中激光控制卡的四个接口与激光源相连，分别实现激光输出功率控制、激光调制信号输出、激光启停控制信号传递和接地。光电编码器输出的脉冲经脉冲信号调制器传递至激光动态焊接卡接口，激光动态焊接卡将脉冲信号进一步传递至扫描控制卡，扫描控制卡的四个接口与扫描激光头相连，实现对扫描激光头的控制，发出同步信号与时钟信号，确保扫描激光头与光电编码器协同动作，实现激光光束与动力电池盒顶盖协同运动，根据测量所得生产线上动力电池盒实时移动速度对电池盒顶盖进行位移偏差计算，激光动态焊接卡接口用作动态校正的输入接口，实现动力电池盒在x轴方向的位移校正，能够正确完成精确的激光焊接作业。此外，焊接软件通过pci接口连接于控制系统3。

该协同控制系统解决了高速激光焊接速度和高生产节拍的问题，同时很好适应于生产线的流水作业，达到激光光束与动力电池盒顶盖均在移动的动态条件下可进行精确的激光焊接作业。若激光光束11运动的轨迹为与x轴方向垂直的竖线，即在y轴方向上，则动力电池盒顶盖静止时，只需控制y方向的偏转振镜，偏转一定角度，即可在y方向进行扫描焊接。当动力电池盒沿x轴方向移动时，若依照静止情况进行激光光束11运动，便将产生变形，尤其动力电池盒的运动速度较快而激光光束11扫描运动速度相对并不高时，变形极为明显。因此，需要对此变形进行修正，将x方向的偏转振镜1转动一定角度来弥补动力电池盒运动造成的变形，并采用动态在线实时校正方法。

为实现对变形进行修正，本发明动力电池盒动态在线高速激光焊接系统的工作方法如下：

光电编码器输出脉冲，传输线带动动力电池盒沿x方向运动；通过传输线运动控制卡对光电编码器输入脉冲进行计数，通过扫描激光头对移动的动力电池盒顶盖进行焊接；根据动力电池盒实时移动速度确认电池盒顶盖相对激光光束的位移偏差，并通过电池盒位移坐标提供补偿值和编码器的编码脉冲计数增量变化实现焊接过程中不同计数时的振镜偏转，从而对所述位移偏差进行校正。

所述位移偏差的修正量：σx＝kx·δix(vst·δtx)，其中，kx为动力电池盒位移坐标的补偿比例因数，单位为比特/脉冲；δix为传输线运动控制卡内的编码器的编码脉冲计数增量，单位为脉冲/毫米；δtx为修正时间间隔；vst为动力电池盒x轴方向水平移动速度。且k＝kx·δix，其中，k为校正因数，通过输入校正因数k，光电编码器输出补偿信号经激光动态焊接接口传递至扫描控制卡；扫描控制卡控制扫描激光头内的x轴偏转振镜偏转来弥补动力电池盒运动造成的变形，并采用动态在线实时校正方法。

采用的动态在线实时校正方法的详细推导过程如下：

参见图4，假设光电编码器输出脉冲，传输线带动动力电池盒沿x方向运动，焊接时间间隔t内，在此动态情形下的激光光束扫描焊接路径轨迹为ssc，则vsc＝δssc/δt；sf为传输线2静止电池盒固定时激光光束进行扫描焊接的路径轨迹。当动力电池盒沿x轴方向移动时，若依照静止情况进行激光光束11运动，便将产生变形。因此，设定动力电池盒x轴方向水平移动路径轨迹sst为位移修正值，同时sst也为动力电池盒顶盖相对激光光束的位移偏差，为传输线带动电池盒沿x方向运动时修正后的激光光束在线扫描焊接的路径轨迹，存在令vf＝δsf/δt，vst＝δsst/δt，则vf＝vst+vsc。

然后，根据动力电池盒x轴方向水平移动的位移修正值sst及速度vst，设定动力电池盒位移坐标的补偿比例因数kx，表示像场内一个计数脉冲内的位移量，单位为比特/脉冲。不同型号的编码器每输出一个脉冲，运动控制卡内的编码器的编码脉冲计数增量δix不同，δix单位为脉冲/毫米，表示计数器终值与起始值之差与x方向传输距离的比值，最终位移偏差修正量：σx＝kx·δix(vst·δtx)，δtx为修正时间间隔。设定kx·δix＝k，则σx＝k(vst·δtx)，其中k为校正因数，δtx可设为10μs。最后通过焊接软件输入校正因数k，光电编码器输出补偿信号经激光动态焊接接口传递至扫描控制卡；扫描控制卡控制扫描激光头内的x轴偏转振镜偏转，完成精确的激光焊接作业。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求的范围内。