[发明专利]机器人式激光焊接步进器

说明书

技术领域

本公开涉及能够被操作以接合两个或多个叠置的金属工件的激光焊接系统领域。特别地，本公开涉及构造具有1级数kW的激光器并且能够抵抗较高的机械负荷的具有轻型的、紧凑结构的激光焊接步进器。

背景技术

焊接通常作为组装方法使用，用于将多个金属工件或板状材料接合到一起形成一个组件。传统的焊接方法是方便可用的并且包括例如弧焊和电阻点焊。完全在最近，已经发现激光焊接方法比传统焊接方法至少在一些方面是有利的。例如，激光束的精确聚焦和高能集聚在更少的热量引入工件周围部分的情况下提供了更快速的焊接。但是，如下讨论的，机器人式的激光焊接机的设计具有一些结构上的挑战。

这些挑战中的一个涉及保护位于激光头的聚焦光学器件免受焊接残渣和灰尘的影响，该焊接残渣和灰尘易于撞击密封残渣进入激光头的入口的玻璃窗。玻璃窗的完整性可能被残渣损坏并且其更换会导致自动组装线频繁的停机。通常，空气喷射以与光导的纵向轴线成一角度地被引入光导中，特征通常被称为交叉式喷射技术。在较高的空气压力下，交叉式喷射导致空气导向件内的涡流。该涡流在导向件的中心区域处于比外围区域的压力更低的压力的情况下在导向件内产生压力梯度。已经注意到，压力梯度对激光束的质量有不利的影响并且使得残渣沿中心区域朝向保护窗流动。此外，交叉式喷射还导致不舒服的高度噪声。

因此，存在对空气供给组件的新设计的需求，该空气供给组件在执行其直接的光学器件保护功能的同时不影响激光束的质量。

另一个挑战与特别地根据高能聚集的焊缝质量相关。当激光束的能量稍微高于需要的能量时，激光束可能熔化全部的重叠件，从而形成了贯通的开口而不是接合这些件。相反地，低能量的激光束可能不足以接合这些件。尽管存在各种技术用于控制激光源的输出能量，但是已知的技术都不能确定焊缝的质量并且实时地响应确定的焊缝质量来改变输出能量。然而，焊接质量如果不是任何焊接过程最重要的参数，也是最重要的参数之一。

因此，存在对构造有用于基于焊接质量自动调整激光输出的系统的光学激光器焊接系统的需求。

另一个挑战来自于待焊接工件的复杂的几何形状。通常，待接合工件不是理想定位的，并且当机器人移动至预定位置时，必须操作机器人以校正工件与机器人之间的位置。

因此，存在对于如下机器人式焊接系统的需求，该机器人式焊接系统设置有一机构，该机构被构造为在不对机器人进行不期望的操作的情况下补偿待焊接工件的期望位置与实际位置之间的差异。

又一挑战还来自于待焊接工件的复杂几何形状，其通常需要相同的机械臂的直径相对的垂直位置。明显地，由于整个焊接装置的重力，所以使该臂朝向工件移动的致动器施加分别与臂位移的向下和向上方向分别对应的不同的力矩。控制臂致动力的已知方法包括手动输入指示臂的期望位置的数据。手动操作可能是不精确的并且耗时的。

因此，存在对移动臂的步骤的自动化的另一需求。

发明内容

本文公开的手动容易操作的焊接步进器解决了全部上述需求。本公开的焊接系统可拆卸地安装至能够被操作以将系统传输至焊接执行所期望的位置的机器人。

根据本公开的一个方面，解决了交叉式喷射的问题，使加压空气流进入平行于其纵向轴线的光导向通道中。在下文中被称为“上方喷射”的所述传输技术几乎消除了中心区域与外围区域之间的压力梯度。结果，流向光学头的保护窗的小颗粒或残渣被空气流有效地驱赶返回，其增加了保护窗的寿命并且不会影响光束质量。此外，通过使用所公开的上方喷射构造显著地降低了与交叉式喷射结构相关的高度噪声。

根据另一方面，除上方喷射之外，去除相对大的焊接残渣并且平行于上方喷射流动的另一空气流横穿隧道。在隧道内产生负压的泵引导大量的周围空气以较低的速度平行于上方喷射地进入隧道的上游端。由于从隧道中排空两个气流的出口接近焊接区域定位，所以气流可以使不同大小的焊接残渣通过出口。

另一方面涉及焊接步进器的操作。当激光束功率太高时待焊接的叠置的金属工件可能被烧穿，相反地，当激光束功率过低时工件可能具有较差的接合。在太高的激光束功率的情况下，较大量的激光辐射横穿烧穿工件形成的相对大的通道。当功率较低时，相对少量的激光辐射会找到通过工件的路径。

由此可见，本公开教导了并置在焊接区域的后面的光检测器。利用反馈回路，检测的激光辐射被处理并且被与参考值比较。然后，控制信号发送至激光系统的功率源中，以改变输出功率并且提供具有期望质量的焊缝。