一种激光焊接设备及激光焊接方法与流程

本发明实施例属于技术领域，尤其涉及一种激光焊接设备及激光焊接方法。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，各种工业产品层出不穷，激光焊接设备在工业产品焊接等方便面应用广泛。

然而，现有的激光焊接设备需要依靠人工校准焊接头的位置，自动化程度低、焊接精度低，无法对动力电池等对焊接精度要求较高的产品进行快速准确的焊接，从而严重降低了激光焊接的焊接效率且增加了人工成本。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种激光焊接设备及激光焊接方法，通过视觉检测系统获取工件的图像数据，以对工件上的焊缝进行准确定位，并通过控制系统控制焊接头快速移动到焊缝位置，对工件进行快速准确的激光扫描焊接，可以大大提高激光焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

本发明实施例一方面提供一种激光焊接设备，其包括焊接设备主体、焊接台、支架、动态聚焦振镜焊接系统、视觉检测系统、工件定位机构、焊接头调节驱动机构和控制系统；

所述焊接台设置在所述焊接设备主体的一侧，所述动态聚焦振镜焊接系统通过所述支架支撑固定在所述焊接设备主体的上方，所述动态聚焦振镜焊接系统上位于所述焊接台正上方的一端设置有焊接头，所述视觉检测系统与所述焊接头机械连接，所述工件定位机构设置在所述焊接台上，所述焊接头调节驱动机构与所述焊接头机械连接，所述控制系统设置在所述焊接设备主体的一侧并分别与所述动态聚焦振镜焊接系统、所述视觉检测系统、所述工件定位机构和所述焊接头调节驱动机构电性连接；

所述工件定位机构用于对放置在所述焊接台上的工件的位置进行调整，并在将所述工件固定在所述视觉检测系统的检测范围内时，触发所述视觉检测系统启动；

所述视觉检测系统用于在启动后实时获取所述工件的图像数据；

所述控制系统用于对所述工件的图像数据进行处理分析得到所述工件上的焊缝的位置信息；

所述焊接头调节驱动机构用于根据所述位置信息驱动所述焊接头运动到所述焊缝的上方，并对所述焊接头的位置进行微调，使所述焊接头正对所述焊缝；

所述动态聚焦振镜焊接系统用于在所述焊接头正对所述焊缝时，以预设扫描频率发射预设频率和预设脉宽的激光脉冲对所述焊缝进行激光扫描焊接，并在激光扫描焊接过程中对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦；

所述控制系统还用于对所述动态聚焦振镜焊接系统、所述视觉检测系统、所述工件定位机构和所述焊接头调节驱动机构的工作状态进行综合控制。

优选的，所述视觉检测系统还用于在激光焊接过程中，实时获取所述工件上完成激光扫描焊接部分的扫描图形中焊接点的畸变量；

所述控制系统还用于对所述畸变量进行分析处理得到所述扫描图像中每一个预设失真范围的二维平面函数，从而得到每一个预设失真范围的畸变量，并根据所述每一个预设失真范围的畸变量控制所述动态聚焦振镜焊接系统对所述焊接头的焊接位置进行校正。

优选的，所述视觉检测系统包括第一摄像单元、第二摄像单元和机械运动单元；

所述机械运动单元分别与所述第一摄像单元、所述第二摄像单元和所述控制模块连接，用于驱动所述第一摄像单元和所述第二摄像单元运动至指定的初始位置，以标定所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的初始位置；

所述第一摄像单元用于获取所述工件上的第一标记点的图像数据；

所述第二摄像单元用于获取所述工件上的第二标记点的图像数据，所述第一标记点和所述第二标记点分别位于所述待加工工件上的两个对角点；

所述控制模块还用于根据所述第一摄像单元的初始位置和当前位置、所述第二摄像单元的初始位置和当前位置、所述第一标记点的图像数据、所述第二标记点的图像数据以及所述工件的图像数据，分析处理得到所述第一标记点和第二标记点在所述工件上的位置。

优选的，所述激光焊接设备还包括冷却系统，所述冷却系统设置在所述焊接设备主体上靠近所述动态聚焦振镜焊接系统的一侧，与所述动态聚焦振镜焊接系统的激光器机械连接并与所述控制系统电性连接。

优选的，所述冷却系统为外循环激光水冷机组，包括水箱、热交换器、过滤器、磁性泵、水温保护器和流量保护器；

所述热交换器设置在所述动态聚焦振镜焊接系统的激光器一侧，其进水口和出水口均与所述水箱连接，用于带走所述激光器散发的热量；

所述过滤器设置在所述热交换器的进水口，用于过滤流入所述热交换器的冷却水中的杂物；

所述磁性泵通过水循环管路连接在所述水箱和所述热交换器之间，用于抽取并排出所述水循环管路中的水，以实现水循环；

所述水温保护器设置在所述热交换器的进水口，用于在检测到流入所述热交换器的冷却水的温度大于预设温度时发出超温警报；

所述流量保护器设置在所述热交换器的进水口，用于在检测到流入所述热交换器的冷却水的流量小于预设流量时发出欠流警报。

优选的，所述动态聚焦振镜焊接系统包括激光器和振镜扫描系统；

所述激光器包括通过光纤依次同轴连接设置的导光系统、扩束镜、半反射镜、激光谐振腔体、全反射镜和激光校正机构，所述激光器用于以预设扫描频率发射预设频率和预设脉宽的激光脉冲对所述焊缝进行激光扫描焊接；

所述振镜扫描系统包括高精度电机、电机驱动板、反射镜、f-θ透镜和直流供给电源，所述振镜扫描系统用于将所述激光器发射的激光脉冲聚焦于所述焊缝，并在激光扫描焊接过程中对所述激光器发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦。

优选的，所述焊接头调节驱动机构包括焊接头调节机构和焊接头驱动机构；

所述焊接头调节机构与所述焊接头机械连接并与所述控制系统电性连接，用于对所述焊接头的位置进行垂直于所述焊接台平面的垂直方向调节和平行于所述焊接台平面的水平方向调节；

所述焊接头驱动机构与所述焊接头机械连接并与所述控制系统电性连接，用于根据所述工件上的焊缝的位置信息驱动所述焊接头运动到正对所述焊缝的位置。

优选的，所述控制系统包括控制主机和显示单元；

所述控制主机与所述显示单元电性连接，用于对所述图像数据进行处理分析，并对所述动态聚焦振镜焊接系统、所述视觉检测系统、所述工件定位机构和所述焊接头调节驱动机构的工作状态进行综合控制；

所述显示单元用于显示所述控制主机的处理分析结果并输入对所述动态聚焦振镜焊接系统、所述视觉检测系统、所述工件定位机构或所述焊接头调节驱动机构的工作状态进行综合控制的控制指令。

本发明实施例另一方面还提供一种激光焊接方法，其基于上述的激光焊接设备实现，所述激光焊接方法包括：

控制工件定位机构调整放置在焊接台上的工件的位置，使所述工件固定在视觉检测系统的检测范围内；

触发所述视觉检测系统启动，以实时获取所述工件的图像数据；

对所述工件的图像数据进行处理分析得到所述工件上的焊缝的位置信息；

控制焊接头调节驱动机构根据所述位置信息驱动所述焊接头运动到所述焊缝的上方，并对所述焊接头的位置进行微调，使所述焊接头正对所述焊缝；

控制动态聚焦振镜焊接系统以预设扫描频率发射预设频率和预设脉宽的激光脉冲对所述焊缝进行激光扫描焊接，并在激光扫描焊接过程中对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦。

优选的，所述激光焊接方法还包括：

在激光焊接过程中，通过所述视觉检测系统实时获取所述工件上完成激光扫描焊接部分的扫描图形中焊接点的畸变量；

对所述畸变量进行分析处理得到所述扫描图像中每一个预设失真范围的二维平面函数，从而得到每一个预设失真范围的畸变量；

根据所述每一个预设失真范围的畸变量控制所述动态聚焦振镜焊接系统对所述焊接头的焊接位置进行校正。

本发明实施例通过视觉检测系统获取工件的图像数据，以对工件上的焊缝进行准确定位，并通过控制系统控制焊接头快速移动到焊缝位置，使动态聚焦振镜焊接系统发射激光脉冲对工件进行快速准确的激光扫描焊接，同时在激光扫描焊接过程中，通过动态聚焦振镜焊接系统对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦，可以大大提高激光焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

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他的附图。

图1和2是本发明的一个实施例提供的激光焊接设备的机械结构示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的动态聚焦振镜焊接系统的机械结构示意图；

图4是本发明的一个实施例提供的激光焊接设备的结构框图；

图5是本发明的一个实施例提供的激光焊接设备的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

如图1和2所示，本发明实施例提供一种激光焊接设备100，其包括焊接设备主体101、焊接台102、支架103、动态聚焦振镜焊接系统10、视觉检测系统20、工件定位机构30、焊接头调节驱动机构40和控制系统50。

在本实施例中，焊接设备主体是用于将焊接台、动态聚焦振镜焊接系统、视觉检测系统、工件定位机构、焊接头调节驱动机构和控制系统通过机械连接方式固定在一起的由金属材质或复合材料制成的壳体，其可以根据实际需要制造成任意的符合激光焊接要求的形状构造，本实施例中，不对焊接设备主体的形状和结构作特别限定。

如图1和2所示，焊接台102设置在焊接设备主体101的一侧，用于承载需要被焊接的工件。

在具体应用中，焊接台的尺寸大小可根据需要被焊接的工件的尺寸进行合理设置。本实施例所提供的激光焊接设备由于其焊接精度高速度快，主要用于对动力电池极耳等对焊接精度要求较高的工件进行焊接。在一个具体实例中，焊接台的尺寸具体可以设置为长1.4米(m)、宽1米(m)、高0.8米(m)。

动态聚焦振镜焊接系统10通过支架103支撑固定在焊接设备主体101的上方，用于以预设扫描频率发射预设频率和预设脉宽的激光脉冲对工件上的焊缝进行激光扫描焊接，并在激光扫描焊接过程中对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦。

在具体应用中，预设扫描频率、预设频率和预设脉宽可以根据焊接精度和焊接速度要求进行设置。在一个具体实例，对动力电池极耳进行焊接时，预设扫描频率可以为200个每小时，即每小时可以完成200个动力电池极耳的焊接，对应的，焊接速度为1～20点每秒，即每秒可以完成对动力电池极耳上1～20个焊点的焊接。

在具体应用中，动态聚焦振镜焊接系统具体可为常用的激光振镜系统，通常包括激光器、振镜、扩束镜、x-y光学扫描头、光学反射镜片、激光光路系统等。本实施例中不对动态聚焦振镜焊接系统的具体结构作特别限定。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，动态聚焦振镜焊接系统10包括激光器11、振镜扫描系统12和焊接头13，其中，激光器11具体包括通过光纤111依次同轴连接设置的导光系统112、扩束镜113、半反射镜114、激光谐振腔体115、全反射镜116和激光校正机构117。

在本发明的一个实施例中，振镜扫描系统具体可以由高精度电机、电机驱动板、反射镜、f-θ透镜及直流供给电源组成。其中f-θ透镜的焦距f＝100mm(或160mm)，工作幅面为110mm×110mm。

在具体应用中，支架的结构可以根据实际需要设置成任意形状构造，只要能够起到将动态聚焦振镜焊接系统支撑固定在焊接设备主体的上方，且保证动态聚焦振镜焊接系统的焊接头与放置在焊接台上之间间隔一定的有效距离便于发射激光脉冲即可。本实施例中，支架103由六根圆柱形支撑住构成。

如图1和2所示，焊接头104设置在动态聚焦振镜焊接系统10上位于焊接台102正上方的一端。

在具体应用中，焊接头的焊接芯梁可以采用矩形芯梁，矩形芯梁其上设置有铜衬垫并在铜衬垫上加工成型槽，可以保证在工件焊接过程中，对焊缝的双面成型和散热，激光脉冲与工件接触面采用平面形式，保证激光脉冲与工件焊缝的良好接触。

如图1和2所示，视觉检测系统20与焊接头104机械连接，用于在启动后实时获取工件的图像数据。

在具体应用中，视觉检测系统包括至少一个摄像单元用于获取工件的图像数据，摄像单元具体可以是ccd摄像机，其必然还包括相应的图像传感器、模数转换器、图像采集卡等。

在本发明的一个实施例中，视觉检测系统包括第一摄像单元、第二摄像单元和机械运动单元，其中，机械运动单元分别与第一摄像单元、第二摄像单元和控制模块连接，用于驱动第一摄像单元和第二摄像单元运动至指定的初始位置，以标定第一摄像单元和第二摄像单元的初始位置；第一摄像单元用于获取工件上的第一标记点的图像数据；第二摄像单元用于获取工件上的第二标记点的图像数据，第一标记点和第二标记点分别位于待加工工件上的两个对角点；控制模块用于根据第一摄像单元的初始位置和当前位置、第二摄像单元的初始位置和当前位置、第一标记点的图像数据、第二标记点的图像数据以及工件的图像数据，分析处理得到第一标记点和第二标记点在工件上的位置。

如图2所示，工件定位机构30设置在焊接台102上，用于对放置在焊接台102上的工件的位置进行调整，以将工件扶正固定在视觉检测系统20的检测范围内，并在工件被扶正固定在视觉检测系统20的检测范围内时，触发视觉检测系统20启动。

在具体应用中，工件定位机构可以采用一边固定，另一边气动压紧的方式将工件扶正固定，以方便工件上的焊缝对准视觉检测系统的检测范围内，从而获取工件的图像数据。

如图2所示，焊接头调节驱动机构40与焊接头104机械连接，用于驱动焊接头104运动到焊缝的上方，并对焊接头104的位置进行微调，使焊接头104正对工件的焊缝。

在本发明的一个实施例中，焊接头调节驱动机构包括焊接头调节机构和焊接头驱动机构。其中，焊接头调节机构与焊接头机械连接并与控制系统电性连接，用于对焊接头的位置进行垂直于焊接台平面的垂直方向调节和平行于焊接台平面的水平方向调节；焊接头驱动机构与焊接头机械连接并与控制系统电性连接，用于根据工件上的焊缝的位置信息驱动焊接头运动到正对焊缝的位置。

在具体应用中，垂直方向调节主要是调节钨极端头与工件之间的间距，即设定焊接电弧的长度，确立焊接电弧的电压；水方向调节主要是调节钨极尖端使其与焊缝对正。为便于工件的装卸，焊接头调节机构可以设计为气动进枪装置，在焊接时，焊接头自动下降到焊接位置，焊接完毕后，焊接头自动回归到原始位置。焊接头驱动机构包括交流变频驱动电机，用于在焊接过程中，驱动焊接头快速准确的运动到焊缝位置，其可实现对焊接头移动速度的无级调速，可空程快速回车。

如图4所示，控制系统50分别与动态聚焦振镜焊接系统10、视觉检测系统20、工件定位机构30和焊接头调节驱动机构40电性连接，用于对工件的图像数据进行处理分析得到工件上的焊缝的位置信息，还用于对动态聚焦振镜焊接系统10、视觉检测系统20、工件定位机构30和焊接头调节驱动机构40的工作状态进行综合控制。

在具体应用中，控制系统50具体可以选用pc机或plc工控机，也可以通过通用集成电路，例如cpu(centralprocessingunit，中央处理器)，或通过asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)来实现，其内部写入相应的算法程序，可以对图像数据分析、处理和识别得到工件的位置信息，从而实现对工件的定位。

在本发明的一个实施例中，视觉检测系统还用于在激光焊接过程中，实时获取工件上完成激光扫描焊接部分的扫描图形中焊接点的畸变量；

控制系统还用于对畸变量进行分析处理得到扫描图像中每一个预设失真范围的二维平面函数，从而得到每一个预设失真范围的畸变量，并根据每一个预设失真范围的畸变量控制动态聚焦振镜焊接系统对焊接头的焊接位置进行校正。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，控制系统50包括控制主机51和显示单元52；其中，控制主机51与显示单元52电性连接，用于对图像数据进行处理分析，并对动态聚焦振镜焊接系统、视觉检测系统、工件定位机构和焊接头调节驱动机构的工作状态进行综合控制；显示单元52用于显示控制主机51的处理分析结果并输入对动态聚焦振镜焊接系统、视觉检测系统、工件定位机构或焊接头调节驱动机构的工作状态进行综合控制的控制指令。

在具体应用中，显示单元具体可以为触控显示屏，控制系统也可以相应配置键盘、鼠标、控制按钮等控制指令输入设备。

在具体应用中，激光加工系统必然还可以包括用于在各模块之间传输数据的数据线以及对应设置在各模块上的数据接口，也可以采用无线传输方式传输数据，本实施例中不对数据传输方式作特别限定。

本发明实施例通过视觉检测系统获取工件的图像数据，以对工件上的焊缝进行准确定位，并通过控制系统控制焊接头快速移动到焊缝位置，使动态聚焦振镜焊接系统发射激光脉冲对工件进行快速准确的激光扫描焊接，同时在激光扫描焊接过程中，通过动态聚焦振镜焊接系统对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦，可以大大提高激光焊接的焊接效率和精度，降低人工成本。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，激光焊接设备100还包括冷却系统60，冷却系统60设置在焊接设备主体101上靠近动态聚焦振镜焊接系统10的一侧，与动态聚焦振镜焊接系统10的激光器机械连接并与控制系统50电性连接。

在本发明的一个实施例中，冷却系统具体可以为外循环激光水冷机组，其包括水箱、热交换器、过滤器、磁性泵、水温保护器和流量保护器。

热交换器设置在动态聚焦振镜焊接系统的激光器一侧，其进水口和出水口均与水箱连接，用于带走激光器散发的热量。

过滤器设置在热交换器的进水口，用于过滤流入热交换器的冷却水中的杂物。

磁性泵通过水循环管路连接在水箱和热交换器之间，用于抽取并排出水循环管路中的水，以实现水循环。

水温保护器设置在热交换器的进水口，用于在检测到流入热交换器的冷却水的温度大于预设温度时发出超温警报。

流量保护器设置在热交换器的进水口，用于在检测到流入热交换器的冷却水的流量小于预设流量时发出欠流警报。

在具体应用中，水温保护器和流量保护器均可以包括语音报警单元，语音报警单元具体可以是蜂鸣器或由语音芯片和喇叭组成的语音播报装置。水温保护器和流量保护器还可以分别与控制系统电性连接，以发送数据报警信号的形式向控制系统发出警报，以使控制系统的显示单元可以显示相应的报警信息。

本发明实施例通过设置具有超温报警和欠流报警功能的水冷系统，能够保证激光焊接设备在长时间工作的情况下依然可以正常运行，减少设备故障的发生，提高焊接效率。

本发明的一个实施例还提供一种激光焊接方法，其基于上述的激光焊接设备100实现，所述激光焊接方法包括：

控制工件定位机构调整放置在焊接台上的工件的位置，使所述工件固定在视觉检测系统的检测范围内；

触发所述视觉检测系统启动，以实时获取所述工件的图像数据；

对所述工件的图像数据进行处理分析得到所述工件上的焊缝的位置信息；

控制焊接头调节驱动机构根据所述位置信息驱动所述焊接头运动到所述焊缝的上方，并对所述焊接头的位置进行微调，使所述焊接头正对所述焊缝；

控制动态聚焦振镜焊接系统以预设扫描频率发射预设频率和预设脉宽的激光脉冲对所述焊缝进行激光扫描焊接，并在激光扫描焊接过程中对其发射的激光脉冲的离焦误差进行动态补偿，以实现激光脉冲的动态聚焦。

在本发明的一个实施例中，所述激光焊接方法还包括：

在激光焊接过程中，通过所述视觉检测系统实时获取所述工件上完成激光扫描焊接部分的扫描图形中焊接点的畸变量；

对所述畸变量进行分析处理得到所述扫描图像中每一个预设失真范围的二维平面函数，从而得到每一个预设失真范围的畸变量；

根据所述每一个预设失真范围的畸变量控制所述动态聚焦振镜焊接系统对所述焊接头的焊接位置进行校正。

在具体应用中，上述激光焊接方法可以由控制系统50来执行，上述方法步骤具体可以是控制系统50中的软件程序。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。