专利名称：激光焊接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光焊接方法及装置，尤其涉及由金属片制成的结构的焊接，这些结构构成机动车的车身或框架的总成或分总成。
背景技术：
本申请人已经提出用于激光焊接机动车结构的装置一段时间了(例如参见关于所谓“激光门电路”系统的欧洲专利EP 0440001 B1和EP 0440002 B1)。然而在九十年代前期，所述申请的激光焊接的使用没有在它首次提出后马上得到特别广泛的应用。这主要由于如下原因通过激光焊接设备的第一实施例进行的实验证实了，在与该技术相联系的广泛范围内还存在着许多问题。
第一个重要的问题起源于在汽车领域内提供有外部镀锌保护层的钢板的广泛使用。在激光焊操作过程中所述层使得产生的锌蒸气增加，这经常致使在获得良好质量的焊接方面出现问题。
上述问题已经在以本申请人的名称公开的欧洲专利申请EP 1238748 A1和EP 1236535 A1中解决和广泛示出，其中通过可靠的方式溢出在焊接过程中形成的锌蒸气，上述两个专利申请中所示出的装置能够以简单有效的方式克服上述技术障碍。由锌蒸气形成的问题的另一解决方案也已经在以本申请人的名称公开的意大利专利申请No.TO2002A000760中给出。
然而，需要一段时间来认识、研究和以完全的方式解决前述技术问题以及至少部分解释在汽车领域使用激光焊接的酝酿阶段的长度的事实。
应用激光焊到机动车结构的总成中去必须考虑的另一个重要问题是需要在减少的生产时间的情况下保证高质量的总成。用于机动车车身的总成或用于它的分总成的操作台包括在焊接步骤中确保构成结构的金属片元件的正确放置的多个定向元件和夹具。当然对于为了所述目的提供的夹具的工件数量存在最小限制，低于该最小限制不能充分保证所述结构的几何形状，带来的结果是不足够数量的总成操作。随后焊接操作台由一组夹具相对“拥挤”在一起，带有相对应的控制装置用于在打开、不操作的条件和闭合、操作的条件之间操作所述夹具。另外，在能够对不同类型或模型或型式的待焊结构进行操作的柔性焊接操作台的情况下，焊接操作台也提供有用于引导和控制用于支撑夹具的不同结构的机构，这些机构能够根据每次到达焊接操作台的车身或分总成的类型与另一个快速交换。焊接操作台和它的部件结构的相对复杂性致使操纵器机器人的工作更困难，该操纵器机器人用于装载在待焊结构的不同区域附近的焊接机构(传统情况中的电子焊接枪或线圈，激光焊接中的激光头)。
在使用电焊枪的传统技术的情况下和在激光焊接的情况下，机器人都必须顺序移动进入待焊结构的一系列区域内，用于执行指定的焊接。因此，在待焊结构到达焊接操作台之后，必须保持在所述操作台一段时间以足够使得每个机器人执行所指定的所有焊缝。显然，在焊接操作台的停留时间可以通过增加机器人数量而减少，但是在该情况下也存在对所述可能性的限制，这是由于成本的原因和如下事实超过特定数量的机器人，每个机器人都成为邻近它的一个或多个机器人的操作障碍。
另一方面，用于形成所有指定焊缝的每个机器人所用时间不仅仅由需要形成不同焊缝的时间的总和来表示，也通过用于进入焊接区域的每个场合所占用的时间来表示，并且所述时间不能忽略，首先当为了所述目的驱使机器人跟踪相对曲折的路径时，有必要防止不管是待焊结构部分还是所结合夹具的不同部件的任何干扰。
另一方面有必要考虑在应用激光技术焊接机动车结构的开始，可以使用的激光发生器与当前可用的激光发生器相比是相对低效率和低功率的。对于第一代激光发生器，在任何情况下都必要保证由相对靠近待焊结构的机器人装载的激光头的位置，使得从这一角度看与传统的电子点焊技术相比激光技术的应用没有产生特别的优点。相反通过当前可用的激光系统，存在有公开的创新，促使预见到在生产时间方向上有重要的减少。
支撑所述进展并且已经形成由本申请人进行的初始实验的主题的思想在于保持激光头与待焊结构一特定距离，以及在于提供在不改变激光头的位置的情况下能够在待焊结构的不同区域内聚焦激光束的机构。当然，出于执行焊接铺展或焊缝的目的，这不仅用于在给定区域内相对于待焊结构移动激光束，同时也是首要的用于在不移动由机器人装载的头部的情况下而焊接结构的不同区域。在该方向上的解决方案已经由本申请人在欧洲专利申请No.EP1228835 A1(远程激光焊接系统及方法)中给出，本申请人是该申请的共同所有人。然而所述已知系统应用到“笛卡儿”机器人而不是“拟人”类型的机器人，并且“添加”而不是结合在机器人内。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的激光焊接方法和装置，其将能够以简单和有效的方式应用前述的基本思想，通过保证高焊接质量同时极大地减少生产时间而使得能够激光焊接诸如机动车车身或者它们的分总成之类的结构。
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1所述的方法和/或通过根据权利要求4所述的装置来获得。
本发明的进一步有益特征在从属权利要求中示出。
保持聚焦头与待焊工件相距一定距离的可能性使得能够在执行焊接期间极大简化由机器人所装载的头部的路径。在焊接步骤中，激光头以一距离“飞过”待焊工件，同时聚焦的激光束以不同方式进行定向用于在工件的不同区域执行焊接的铺展。在每次焊接操作中，从而聚焦激光束的移动是一个复扎的移动，该复扎的移动是机器人的移动和相对于激光头激光束的定向的移动的总和的合成。随后跟着机器人的移动并且定向聚焦激光束的对准方向的扫描装置必须以协调的方式进行控制以便获得期望的结果。
指出EP 0483385 A1公开了一种激光焊接装置，其中激光束根据独立于机器人的端部元件的路径和速度的路径和速度进行定向。然而，在该已知的设备中，在机器人的端部元件在待执行焊缝的铺展的纵向上被移动时，仅仅在施加周期的和循环的振动给激光束这一点上使用了前述概念。因此，在该已知装置中在焊缝的铺展的纵向上激光束的移动由机器人的端部元件的速度明确地确定。在本发明的情况下，沿着焊缝的铺展的纵向的激光束点的移动速度相反能够根据意愿独立于机器人端部元件的移动速度而进行控制。
参考附图，将会从随后的描述部分中了解本发明的进一步特征和优点，这些附图仅仅以非限制性实例的方式提供，其中图1是根据本发明第一实施例的操纵器机器人的透视图；图2是透视图，图示了待焊结构，以及该结构上将要执行的激光焊接的铺展，还有在焊接循环中由机器人载有的头部所跟踪路径；
图3是示出图1的机器人终端部分的示意性横截面图；图4示出图3的变体，以及图5示出根据本发明的装置的第二实施例的概略截面图。
具体实施例方式
在图1中，参考数字1作为整体表示任何已知类型的操纵器机器人。本申请人已经制造并经销“拟人”型操纵器机器人一段时间了，其使用一组元件安装成使得它们能够根据各组轴(通常6个)相对于其它元件旋转或铰接。对于所述轴中每一个联系有电控制马达。电马达由连接到机器人的控制单元2进行控制。单元2能够控制电马达以便在空间中在预定形状和尺寸的空间的任何点内移动载有机器人的终端的机器人的铰接结构或者机器人的“手腕”。在本发明的第一实施例的情况中，在机器人的端部元件中结合有用于聚焦和定向激光束的对准方向的装置3。事实上机器人1联系到激光发生器4上，该激光发生器4优选是固态类型。从发生器4输出的激光束通过光纤或一束光纤5向上引导到聚焦和对准装置3。本发明的一个重要特征在于如下事实光纤5的端部结合在机器人的结构之内，这一点可以在图3中看出。光纤5结束于本身为公知类型的光炬装置6。在图3所示出的方案中，从光炬6中发出发散的激光束7，其随后由第一透镜8准直。对准的光束9由透镜10接收，该透镜10在输出处发出分散的光束11。透镜10通过滑座12在机器人的元件的结构13内同轴安装在可滑动路径内。滑座12的移动通过任何已知类型的电致动器(未示出)进行控制，该电致动器同样通过第二可编程电控制单元进行控制。在所示出的实施例的情况中，该第二控制单元结合在机器人的控制单元2内。然而，当然能够提供与机器人控制单元相分离并共同操作的第二控制单元。分散的激光束10由第二准直透镜14接收，该第二准直透镜14在输出处发出准直后的光束15，该光束15进入扫描装置16用于对准方向的定向。扫描装置16顺序包括分别能够围绕轴19和轴20定向的两个反射镜17、18，它们彼此正交并不共面并且能够在空间中在任何方向定向光束。当然两个反射镜17、18也能够由能围绕两个正交轴定向的单个反射镜替换。两个反射镜17、18的移动通过任何类型的电致动器(未示出)进行控制，该电致动器由第二控制单元控制，用于在所需方向上每次定向激光束。在顺序由反射镜17、18反射之后的激光束15到达透镜21，该透镜21在工件22的表面的点F聚焦激光束。在图3所示的实例的情况中，透镜21是公知的所谓F-θ型，其能够总是聚焦光束在属于工件22的表面的平面的点，而不管光束定向的方向。
通过控制反射镜17、18的定向，能够定向在图3中由L表示的最后聚焦激光束的对准的方向。而且通过调节透镜10的轴向位置，能够调节聚焦距离。
由于上述布置，对于机器人的元件13的固定向置来说，聚焦光束L能够指向不同方向，以便聚焦在固体的任何点F上，该固体在图1中示意性给出并由S表示。
使用图1、3的装置，例如能够通过简单根据在图2中由R表示的路径移动机器人的终端而执行要被焊接的结构23的顺序的焊接铺展T。当机器人的终端沿着路径R移动时，由于能够定向通过装置3获得的聚焦光束L，机器人的终端与工件23保持一距离并能够执行不同的焊接铺展T。在机器人“经过”工件时，装置3充分定向激光束以便顺序“照明”不同焊接区域。出于优化生产次数的目的协调移动。在机器人移动的过程中，从而激光束能够比机器人“前进”更快，预测它的移动，或者在机器人已经继续前进时也能够保持工件的给定区域依旧“被照明”。
明显地，获得前述结果预示着需要足够的编程电控制用于同时控制机器人的移动和装置3的移动部分的移动。根据本发明，提供了上述的第二电控制单元，其可以结合入机器人控制单元或者与机器人控制单元相分离并与之共同操作用于同时执行控制的前述操作。
图4示出了图3变体，不同点在于图4提供了扫描系统的不同结构。
在图4中，与图3中所示的共同部分由相同的参考数字表示。在该情况下，从光炬6输出的发散激光束7由固定透镜8进行准直，进入由从位置25到位置25’(图4)移动的单个透镜构成的聚焦系统，并且由固定反射镜27并随后由移动反射镜28进行反射，该移动反射镜28能够围绕轴29振动并由能够相对于结构32围绕轴31旋转的结构30所装载，所述结构32载有固定反射镜27并且连接到结构13上。
在图5的概略性示出中，两个光学组108、109中每个都具有安装在管状衬套110内的主体108a、109a，在该管状衬套110的端部插入光炬6。
图中没有示出每个光学组108、109的可移动透镜相对于各组的主体被驱动的路径，也没有示出驱动这些透镜的受控轴向移动的马达机构，也没有示出相联系的机械传动装置，这是由于这些结构性细节能够以任何公知的方式执行，并且从图中去除这些细节使得后者更简洁且更易于理解。然而，指出下面这一点是重要的，并且这一点也会在后面看出用于控制光学组108和光学组109的透镜的轴向移动必须一起协调。根据本发明，这能够同时通过马达机构的充分电控制以及可选择地通过在两个光学组108、109之间布置充分的机械传动装置来获得，其中上述马达机构驱动光学组108和光学组109的透镜的控制切换，这允许了如下优点一方面，仅仅为这些组中之一布置马达机构，另一方面，避免需要这些组的协调移动的电控制。
在特别示出的实例的情况中，如果在机器人结构内部出现整体的方案，则管状衬套10布置在管状体11内，该管状体11代表机器人的一元件(臂)。然而，本发明的装置也能够是与机器人分离的辅助装置，例如能够安装在铰接机器人的手腕上。
在示出实例中，光学组108是准直的变焦距模件，包括轴向可移动的第一系列透镜112，具有加宽直径的分散光束113从该第一系列透镜112出来，以及用于光束准直的一个或多个固定透镜114。从准直模件108出来的经准直的激光束115通过构成第二光学组109的至少一个透镜116，以便变形为具有相对较宽直径的分散光束117。两个光学组108、109的透镜的轴向控制的协调运动允许改变从这些组出来的分散光束的直径。光束117从固定反射镜118旋转90°，该固定反射镜118由固定到装置的管状主体110上的支撑结构119装载。由反射镜118反射的分散光束120由固定聚焦模件121进行聚焦，该固定聚焦模件121包括在结构119上固定支撑的一个或多个连接的透镜。聚焦模件121能够用预定角度的锥形聚焦光束，但是当然光束的聚焦距离也即从聚焦模件121的聚焦点的距离依赖于光束120到达聚焦模件121所具有的直径而改变。由F示出的聚焦光束由具有彼此正交的两个振动轴的反射镜122进行反射。特别地，该反射镜122由支撑结构124围绕轴123枢轴支撑，上述支撑结构124依次由支撑结构119围绕轴125旋转支撑。同样在该情况下，图5的概略图没有示出控制反射镜122围绕两个轴123、125振动的马达机构，这些马达机构能够以任何已知的方法执行并且从图中去除这些细节使得更简洁更易于理解。出于改变激光束F的聚焦距离的目的，根据本发明的装置然后预见马达机构用于两个光学组108、109的轴向位置的协调控制，以及马达机构用于控制振动的反射镜122的两个振动轴123、125，以便在空间中定向聚焦的激光束F。激光束F的聚焦点从而可以在预定的三维空间的体积内变动，对应于装置的工作需要。
改变聚焦距离的可能性允许当聚焦组与结构的距离改变时保持在待焊结构上照明点的不变尺寸(直径)，从而确保获得平稳的焊接质量。而且，定向激光束的可能性显然允许根据远程焊接的原理、特别是在机器人移动装置的过程中通过定向激光束而执行焊接，使得在机构上的焊接点根据不紧密依赖于机器人移动装置的路径和/或速率的路径和/或速率而移动。如上已经示出的，前面所示装置可以包括一辅助装置，该辅助装置可以安装在商业机器人的手腕上或者可以结合在机器人的相同结构内。
本发明的进一步的优选特征在于根据本发明的装置可以装配有用于感知与待焊结构距离的装置，以及装配有通过依赖于感知距离来控制光学组108、109的轴向位置而适于自动调节聚焦距离的机构。
自然地，对于本发明的原理没有偏见的情况下，构造的细节和实施例可以相对于这里仅仅以实例方式描述和示出的内容进行广泛的修改，而这并不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种用于激光焊接由金属片元件制成的结构的方法，其中操纵器机器人(1)提供有多个轴，其包括多个电马达，这些电马达控制机器人的组成元件围绕所述轴的移动，以及可编程电控制单元(2)，出于根据在第一预定三维空间内的任何位置、方位和路径移动机器人的端部组成元件(13)的目的，用于控制所述电马达；所述操纵器机器人(1)提供有用于聚焦激光束并用于在第二预定三维空间(S)内定向聚焦后的激光束的装置(3)；其中，控制所述操纵器机器人以用于沿着靠近但不紧密靠近待焊结构的不同区域的简化路径(R)移动机器人(1)的前述端部元件(13)；提供进一步的可编程电控制机构用于以如下这种方式控制用于聚焦和定向激光束的前述装置(3)当机器人的端部元件(13)描绘前述的简化路径(R)时，聚焦的激光束(L)在待焊结构的所有不同区域(T)的方向上定向，以及对于每个区域，以如下这种方式执行激光焊铺展或焊缝待焊结构上的激光束点相对于待焊结构在焊缝的每个铺展的纵向上以不紧密依赖于机器人的所述端部元件(13)的移动速度的速度进行移动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前述进一步的电控制机构结合在机器人的所述电控制单元(2)内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，前述进一步的电控制机构与机器人的所述电控制单元(2)相分离。
4.一种用于激光焊接由金属片元件制成的结构的装置，包括带有多个轴的操纵器机器人(1)，其包括多个电马达，这些电马达控制机器人的组成元件围绕所述轴的移动，以及可编程电控制单元(2)，出于根据在第一预定三维空间内的任何位置、方位和路径移动机器人(1)的终端组成元件(13)的目的，用于控制所述电马达，所述操纵器机器人(1)提供有用于聚焦激光束并用于在第二预定三维空间(5)内定向聚焦后的激光束的装置(3)，所述控制单元(2)进行编程，用于沿着靠近但不紧密靠近待焊结构的不同区域(T)的简化路径(R)移动机器人的前述终端元件(13)，提供另一可编程电控制机构用于以如下这种方式控制用于聚焦和定向激光束的前述装置(3)当机器人(1)的终端元件(13)跟踪前述的简化路径时，聚焦的激光束(L)在待焊结构的所有不同区域(T)的方向上进行定向，并且对于每个区域，以如下这种方式执行激光焊铺展或焊缝待焊结构上的激光束点相对于待焊结构在焊缝的每个铺展的纵向上以不紧密依赖于机器人的所述端部元件(13)的移动速度的速度进行移动。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，前述另一电控制机构结合在机器人的所述电控制单元(2)内。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，前述另一电控制机构与机器人的所述电控制单元(2)相分离。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于聚焦和定向激光束的前述装置(3)结合在机器人的组成元件(13)内。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，其具有光纤机构(5)，该光纤机构(5)用于引导激光束(L)从激光发生器(4)到用于聚焦和定向激光束的装置(3)，所述光纤机构(5)至少部分结合在机器人(1)的结构内。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于定向激光束(L)的装置(16)包括用于相对于两个正交的轴(19、20)在任何方向上定向激光束的反射镜机构(17、18)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射镜机构包括顺序反射激光束并围绕两个相应的振动轴(19、20)能够定向的两个反射镜(17、18)，该两个振动轴(19、20)彼此垂直并且不共面。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射镜机构包括围绕两个互相正交的轴能够定向的单个反射镜。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，其包括设置在反射镜机构下游的聚焦透镜(21)，所述透镜是F-θ类型。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射镜机构的上游提供有光学机构，包括第一准直透镜(8)和第二准直透镜(14)，以及轴向移动透镜(10)，出于调节激光束聚焦距离的目的，轴向移动透镜(10)在两个准直透镜(8、14)之间的轴向位置是可调节的。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，第一准直透镜(8)的上游设置有结合到光纤或一束光纤(5)终端的光学系统(6)，光纤(5)引导来自于激光源的激光束。
15.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于定向激光束的装置(16)包括刚性连接到机器人的组成元件(13)上的结构(32)，并且结构(32)载有用于反射激光束的固定反射镜(27)以及可定向的反射镜(28)，该可定向的反射镜(28)在由前述的固定反射镜(27)已经反射激光束之后反射该激光束，安装所述可定向的反射镜(28)使得它在结构(30)上围绕调节轴(29)振动，该结构(30)依次安装使得它能够在前述结构(32)上旋转，该结构(32)载有围绕正交于移动反射镜(28)的振动轴(29)的轴(31)的固定反射镜(27)。
16.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于聚焦和定向激光束的前述装置包括系列布置用于成形激光束(107)的第一和第二光学组(108、109)，它们在轴向位置能够以协调的方式调节，用于产生具有预定直径的激光束(117)，用于反射预定直径的所述激光束(117)的固定反射镜(118)，由所述固定反射镜(118)反射的激光束(120)的固定聚焦模件，以及围绕两个正交的轴(123、125)可定向的反射镜机构(122)，用于根据空间内可定向的方向反射聚焦后的激光束(F)。
17.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一光学组(108)包括多个透镜(112、114)，这些透镜(112、114)适于以相对于在所述光学组中输出的直径可变的直径来准直光束。
18.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二光学组(109)适于引起光束分散。
19.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反射镜机构(122)包括在支撑(124)上围绕轴(123)枢轴安装的单个反射镜(122)，支撑(124)依次相对于载有聚焦模件(121)的固定结构(119)围绕正交于反射镜(122)的前述振动轴(123)的轴(125)可旋转地安装。
20.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光学组(8、9)和所述准直反射镜机构(22)由电控制机构控制的各个马达机构进行驱动。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述电控制机构结合在机器人的可编程控制单元(2)内。
22.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述电控制机构相对于机器人(2)的可编程控制单元(2)是独立的。
23.如权利要求4所述的装置，其特征在于，两个光学组(108、109)通过机械传动装置连接在一起，该机械传动装置致使两个光学组的轴向移动的调节根据预定相互关系互相依赖。
24.如权利要求4所述的装置，其特征在于，其提供有用于感知所述装置与待焊结构的距离的机构，并且该机构用于控制前述光学组(108、109)的调节位置，用于依赖于前述感知距离改变激光束的聚焦距离。
全文摘要
通过用于聚焦和定向激光束的装置(16)在待焊结构上执行激光焊的多个铺展(T)，该装置(16)连接到操纵器机器人(1)的组成元件(13)上。聚焦头保持在靠近但是不紧密靠近不同待焊区域并且能够因此跟踪简化的路径(R)，同时用于定向激光束的装置(16)在待焊结构的不同区域上对准激光束，使得沿着焊缝铺展的纵向的激光束点的行进速度独立于机器人端部元件的行进速度。
文档编号B23K26/10GK1628928SQ200410082048
公开日2005年6月22日 申请日期2004年12月18日 优先权日2003年12月18日
发明者R·梅宁, A·巴龙切利, E·莫莱蒂 申请人:康茂股份公司