专利名称：激光焊头控制系统,激光焊头和用于控制激光焊头的方法
技术领域：
本发明涉及一种激光焊头控制系统，激光焊头和用于控制激光焊头的方法。
激光焊接技术适用于制造由钢材料制成的高精度加工的部件构成的超高真空装置。近来，在激光焊接技术中，广泛地使用YAG(钇铝石榴石)激光。使用YAG的焊接技术具有以下的优点首先，因为来自YAG激光器的激光束被由金属材料制成的要被焊接的部件的要被焊接的部分高效率地吸收，所以可以高效率地进行焊接处理。第二，因为激光束可以利用光纤传输，所以激光焊头可以被安装在三维的焊接装置上，或者被安装在钢领工人(steel-collarworker)上。第三，因为聚光器和激光束穿透窗可以由石英制成，所以它们在被破坏时是安全的，并且可以用低的成本制造。
在另一方面，激光焊接技术要求以高的精度定位激光束光点，以便实现高精度的焊接处理。定位操作的范围在要被焊接的部件的厚度的10％以内，或者在激光束光点直径的50％以内。因为在焊接处理中上述激光束的光点直径一般是1mm或者更小，所以如果聚焦的光点直径大约为0.5mm，则需要的定位精度不得大于0.2mm。因此，在这种情况下，激光焊头被控制，并被沿着焊线(缝线)跟踪，使得激光束以不大于0.2mm的精度照射到要被焊接的部件上。
为了实现上述的精密焊接操作，构成激光焊头的部件被精密地制造，并在激光焊头上安装定位夹具和定位检测器。
然而，上述常规的激光焊头的体积大，成本高，这是因为其具有上述的复杂的结构。
此外，已经研制并提出了一种使用CCD照相机的焊接处理。在这种焊接处理中，激光焊头在CCD照相机监视的图像下沿着焊线被跟踪。然而，至今，这种焊接处理尚未被普遍使用，这是因为CCD照相机没有足够的分辨率。
在稠密地连接要被焊接的部件的情况下，部件之间的空间几乎是0，因而CCD照相机不能以光图像和阴影图像检测所述的空间。此外，因为为了缩短图像处理时间间隔，需要具有256个黑白层次的输入图像，其可能受到光的反射，因而在由金属制成的要被焊接的部件的表面上形成缺陷。
虽然在许多领域尝试过实时地进行焊接处理和图像处理，但是由于较慢的图像处理速度和较高的焊接处理速度，一般在进行焊接处理之前进行图像处理。也就是说，至今，尚不能实时地进行焊接处理和图像处理。
此外，因为使用CDD照相机的焊接处理需要一个给定的在CCD照相机和要被焊接的部件之间的空间，以便监视部件的焊接状态，所以不能缩小具有CCD照相机的激光焊头的尺寸。
本发明的目的在于提供一种激光焊头控制系统，一种激光焊头和用于控制激光焊头使得在上述条件下进行焊接的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种激光焊头控制系统，包括具有激光入口和激光出口的激光照射本体；多个半导体激光器用于振荡用于测量焊接状态的多个激光束；其中具有带通滤波器的CCD照相机，从而只允许通过反射的直线激光束，从而利用所述反射的直线激光束作为图像拍摄测量的焊接状态；以及图像处理器，用于处理所述测量的焊接状态的图像。
此外，本发明提供一种激光焊头，其包括上述的激光焊头控制系统，用于振荡用于焊接的激光的激光振荡器和用于使所述振荡的激光会聚的聚光器。
本发明还提供一种用于控制激光焊头的方法，包括以下步骤对要被焊接的部件的要被焊接的部分照射多个激光束，以便由多个半导体聚光器测量焊接状态；
利用反射的直线激光束以图像方式把测量的焊接状态输入到CCD照相机中；处理测量的焊接状态的图像；以及根据处理的图像数据控制激光焊头。
按照本发明，激光焊头可以具有小的体积和低的成本。此外，通过使用小体积的和重量轻的激光焊头可以精确地容易地进行焊接处理。
下面参照附图详细说明本发明的结构和优点。
为了更好地理解本发明，可以参看附图，其中
图1是按照本发明的激光焊头控制系统的结构；以及图2表示按照本发明在要被焊接的部件上正在进行焊接处理时的状态。
下面结合附图详细说明本发明。
图1表示按照本发明的激光焊头控制系统的结构。激光焊头控制系统具有包括YAG激光入口5的激光照射本体1，YAG激光出口6，半导体激光装置2和3，以及CCD照相机4。
由被提供在激光焊头上的激光振荡器形式的YAG聚光器(未示出)发出的激光被聚光器(未示出)会聚，并被引入YAG激光入口5，然后，从YAG激光出口6发出，并照射到要被焊接的部件上。半导体激光装置2和3分别对于要被焊接的部件例如以45度角的倾斜方向照射激光束，使得被照射的激光束可以和要被焊接的部件的缝线垂直。CCD照相机4指向要被焊接的部分，从而拍摄要被焊接的部分的状态。CCD照相机4中具有带通滤波器，使得只通过上述的直线激光束。因此，CCD照相机4可以通过在要被焊接的部分反射的直线激光束拍摄要被焊接的部分的状态，而不会干扰外部光和焊接激光。在CCD照相机4中拍摄的图像被传送到图像处理器(未示出)，并对图像进行处理，以便确定两个直线激光束之间的距离，两个直线激光束的相对位置和绝对位置，以及每个直线激光束的直线的宽度和形状。
图2表示在要被焊接的部分上正在进行焊接时的状态。当两个直线激光束22和23被照射到要被焊接的部分上时，它们在缝线21处被断开。当由照相机5拍摄上述状态的照片并对这样获得的图像进行处理时，计算在缝线21和直线激光22，23之间的交点。如果缝线21是直线，则由所述交点确定缝线的位置。此外，由于直线激光的斜的照射，要被焊接的部分的倾斜由直线激光束的线宽确定，并且要被焊接的部分的高度由每个直线激光束的绝对位置确定。用这种方式，要被焊接的部件的要被焊接的部分的形状、倾斜度、高度和位置以及缝线的位置由两个直线激光束之间的距离、两个直线激光束的相对位置和绝对位置以及每个直线激光束的线宽和形状确定。
在使用所述的激光焊头进行焊接时，需要计算要被焊接的部件的要被焊接的部分的形状和尺寸并由其CAD数据进行监视，并由上述的图像处理监视要被焊接的部分的绝对位置和角度。在这种情况下，激光焊头被这样控制，使得按照监视的数据跟踪缝线。使用CAD数据能够使从CCD照相机4引入的图像在高速下被精确地处理。结果，缩短了焊接处理时间，此外，可以提高焊接处理的重复性和可靠性。因此，如果至少一个要被焊接的部件具有复杂的形状例如球形或圆柱形，它们可以被精确地相互焊接。
虽然参照上述的例子说明了本发明，但是，本发明不限于上述的例子，不脱离本发明的构思，可以作出各种改变和改型。例如，根据上述的监视数据，可以监视焊接缺陷。此外，在上述操作中可以使用3个或3个以上的直线激光。
权利要求
1.一种激光焊头控制系统，包括具有激光入口和激光出口的激光照射本体；多个半导体激光器，用于振荡用于测量焊接状态的多个激光束；其中具有带通滤波器的CCD照相机，从而只允许通过反射的直线激光束，从而利用所述反射的直线激光束作为图像拍摄测量的焊接状态；以及图像处理器，用于处理所述测量的焊接状态的图像。
2.一种激光焊头，包括如权利要求1所述的激光焊头控制系统，用于振荡用于焊接的激光的激光振荡器和用于使所述振荡的激光会聚的聚光器。
3.一种用于控制激光焊头的方法，包括以下步骤对要被焊接的部件的要被焊接的部分照射多个直线激光束，以便由多个半导体聚光器测量焊接状态；利用反射的直线激光束以图像方式把测量的焊接状态输入到CCD照相机中；处理测量的焊接状态的图像；以及根据处理的图像数据控制激光焊头。
4.如权利要求3所述的用于控制激光焊头的方法，其中激光焊头利用要被焊接的部分的CAD数据进行控制。
5.如权利要求3或4所述的用于控制激光焊头的方法，还包括根据处理的数据和CAD数据监视要被焊接的部分的焊接缺陷的步骤。
全文摘要
提供具有激光入口和激光出口的激光照射本体,并提供多个半导体激光器,用于振荡多个直线激光束,以便测量焊接状态。然后,提供具有带通滤波器的CCD照相机。CCD照相机利用反射的直线激光束以图像方式拍摄测量的焊接状态。此外,提供图像处理器,用于处理测量的焊接状态的图像。
文档编号B23K26/03GK1345646SQ0111791
公开日2002年4月24日 申请日期2001年5月11日 优先权日2000年5月11日
发明者武笠幸一, 池田正幸, 末冈和久, 上田映介, 上远野久夫, 武藤征一 申请人:北海道大学