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数字化助力激光远程焊接

 

FIGURE 1. Demonstration of 3D on-the-fly welding with omnidirectional seam tracking.
图1 具有全向焊缝跟踪功能的3D飞行焊接系统

光学技术提升现有激光远程焊接的应用领域

作者:Thibault Bautze     德国加兴Blackbird Robotersysteme公司销售经理

虽然大多数基于扫描仪的汽车工业激光焊接技术(如悬挂式零件焊接、座椅结构焊接或白车身焊接)已被大众广泛熟知并被原始设备制造商(OEMs)及其供应商采用已久,但与电动汽车和轻型结构相关的各类零部件的激光焊接市场增长迅猛。本文在第一节中讨论了利用光学相干断层扫描(OCT)技术改进现有激光远程焊接应用(特别是在悬挂部件的焊接方面)的可能性。第二部分介绍了一种改进激光飞行焊接二维结构件(如汽车蓄电池)的方法。最后,第三部分介绍了一种激光焊接设备在电机定子铜导线连接中的应用。

OCT技术作为一种获取激光焊接过程信息的工具,其传感器是一套光学装置,利用自身光源可进行高采样率和亚微米分辨率的点距离测量。因此,可在离熔池最近的地方甚至匙孔内进行距离信息采集,从而确定焊接深度。

OCT测量光可以通过二维扫描仪偏转的方式使测量点沿着预先设定的扫描路径移动,从而生成形貌特征图,获取的高度信息可应用于各种场合。在激光焊接过程中,这些信息主要用于焊前的边缘检测和焊后的焊缝分析。完成这些工作的传统方法是利用激光三角测量传感器,但该类传感器仅适用于焊接光学元件固定的情况下,单个焊接方向上有限扫描区域的测量。与之形成鲜明对比的是,只要在任何类型的焊接光学元件上安装二维扫描仪,同轴OCT测量光束可以不受限制地完成各种测量任务。

飞行焊接

Blackbird Robotersysteme公司(位于德国加兴)开发OCT技术的目的是为了增强安装在六轴机器人上的3D扫描仪的实时焊接能力(图1)。目前正在推广应用的飞行焊接大幅增加了焊接效率和占空比,但缺乏对焊缝性能的追踪能力。采用角焊缝代替重叠焊缝是一种被大众广泛熟知的减少零件重量和焊接铝的创新方法。利用光学相干断层扫描(OCT)技术,对角焊缝边缘进行检测,从而可使激光束精确地沿角焊缝边缘进行定位和移动。

角焊缝可能会因热变形、夹紧不足或公差过大而在薄板之间产生间隙。采用高频光束振动使其自适应于间隙尺寸被证实为解决上述问题的一种简便有效的方法。该焊接过程的基本参数包括振荡幅度、功率分布以及振荡光束与工件顶部边缘的相对偏移。所有这些参数都是由Blackbird系统根据振动光束和工件之间测得的间隙来实时调整的。

由三维扫描仪的主电流计反射镜产生的高频振荡的作用包括两个方面:一是使激光束产生振荡,另一方面是使OCT测量光束产生偏转。这种OCT技术可以在不降低工件特征形貌扫描质量的前提下处理高达1 kHz的振荡。图2是利用IntelliWeld PR 3D扫描仪在不同振荡频率下对焊缝形貌进行的四次扫描结果对比。从这些试验数据中观察不到四次扫描存在明显的差异性,证明了OCT技术在激光振荡焊接中的可用性。

全向焊缝跟踪、同步3D扫描、基于光束振荡的间隙桥接能力以及具有实时测量的3D扫描仪等综合特点使其成为一种具有广泛应用前景的高性能工具。

FIGURE 2. Raw data of OCT seam tracking data with beam oscillations at 0, 250, 500, and 1000 Hz (left to right)
图2 在0、250、500和1000 Hz(从左至右)的光束振荡下的OCT焊缝形貌跟踪结果

电池焊接

电动汽车的兴起伴随着新的汽车零部件的出现,其中大部分与储能和动力系统有关。激光焊接在电动汽车中的一个常见应用是焊接电池盒以及将电极连接到母线上。由于母线安装在一个完整的电池组上,工件尺寸超过扫描仪的扫描体积范围,因此需要多次移动扫描仪或工件本身来完成整个焊接过程。到目前为止,大多数电池焊接都是基于静态焊接过程来完成的。在此过程中,通常需要将扫描仪从一组焊接工位移到另一组工位,这无疑会增加整个焊接过程所需要的时间。此外,由于扫描仪的移动,激光束难以保证在完全相同的角度下照射工件,从而会导致焊缝横截面的外观产生变化。基于机器人控制的激光飞行焊接可以改善静态焊接目前存在的情况,但同时也带来了占地面积和机器人投资所产生的成本。

由于大多数电池组是平面二维结构,扫描仪可以通过一个或两个线性极移动。Blackbird为扫描仪赋予了一种即时功能,称为实时扩展(RTX),可以将多达两个编码器信号送入扫描仪的控制器。扫描仪利用线性极的实际位置控制光束偏转,从而实现一次性焊接尺寸达数米的工件。理想情况下,扫描仪以足够高的速度移动可以减少激光关光时间。实验室测试表明,利用该扫描仪将母线焊接到电池上时,激光开光时间可高达99%以上。

此外,编码器数据首先输入到RobosyncUnit软件中,可以预览扫描仪的运动轨迹。在第二步中,可以手动调整焊接的精准运动轨迹,以减少焊接过程中激光关光时间或者优化每一条焊缝的激光束入射角度。在第三步中,可以通过增加机器人轴的速度来减少总的激光关光时间。

RTX技术可以改进二维焊接应用,尤其是针对电池焊接的应用。线性极和基于扫描仪的焊接相结合,最大限度地提高了机器的吞吐量。Strama MPS(德国Straubing)集成了RTX技术的单台设备能够处理超过100000个的工件单元。

发卡电机(hairpin)焊接

除了动力存储,动力总成部件的激光焊接市场也迎来了一个巨大和快速的发展。电驱动定子用铜线(又称发卡电机)焊接是近年来激光焊接的一个应用热点。焊接成功的关键不仅在于工艺参数的正确选择,还在于利用机器视觉技术来监测焊接金属丝、实施和优化焊接过程以及对焊接质量进行评估。

最新发布的ScaVis(扫描仪视觉)通过添加一个带有自身照明模块的同轴摄像机(图3)扩展了二维/三维扫描仪的能力。任何图像处理任务都可以通过集成到用户软件焊接工作流中的动作元素来完成。在大多数发卡电机焊接应用中,在启用激光之前需要对导线进行定位。

FIGURE 3. The intelliWELD PR scanner with the ScaVis camera and illumination modules is shown.
图3 配有ScaVis摄像头和照明模块的IntelliWeld PR扫描仪

 

由于导线之间的相互取向可能受到间隙、错位或角度的影响,因此可以使用单根导线检测来解决这种情况(图4)。根据每根导线的位置,   可适当调整工艺参数(如增加激光功率或者采用不同的振荡参数)。如果焊接过程中某个监测值超过了预先设置的阈值,系统会停止对铜线的继续焊接,以防止对整个定子造成进一步的损坏。可编程逻辑控制器会收到反馈信号,并向操作员提示未执行的焊接任务。常规参数焊接、调整参数焊接以及不执行焊接这三种模式的共存和灵活选择可以最大限度地提高机器的生产率,并防止整个定子单元的损坏。

 

FIGURE 4. Pairwise wire detection (a), single wire detection (b), lateral misalignment (c), and angular misalignment (d) are shown.
图4 双线检测(a)、单线检测(b)、横向错位(c)、角度错位(d)

结论

本文讨论了三个应用:具有焊缝跟踪功能的悬挂部件远程焊接、线性极飞行焊接以及机器视觉辅助的发卡电机铜线焊接,这三个应用均得益于传感器、扫描仪、执行器和控制单元之间的深度通信。因此,所有设备之间的数据处理和共享是提高生产质量和生产率的重要因素,并会降低每个部件的生产成本。这种发展对于应对竞争性的连接技术和不断上升的劳动力成本至关重要。数字化将成为远程激光焊接工艺的主流技术。(李波译)

 

 

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