CN1939638B - 激光照射状态显示方法及激光照射状态显示系统 - Google Patents

Abstract

激光照射状态显示方法及激光照射状态显示系统，使得即使当激光照射方向改变、以及扫描头和工件相对远离时也可正确而快速地监视激光照射状态，其特征在于，该激光在由安装于机器人手的扫描头对工件照射激光的加工之前以特定图案形状照射工件表面。

Description

激光照射状态显示方法及激光照射状态显示系统

技术领域

本发明涉及一种激光照射状态显示方法及激光照射状态显示系统，特别涉及适合在焊接等加工之前对工件执行示教操作(teaching operation)等的技术。

背景技术

近来，激光焊接也已被用于利用机器人的焊接。作为这种焊接技术，传统上已有这种技术，该技术借助于使安装在机器人手的顶端的激光照射部件离开焊接点停止，同时通过转动激光照射部件内的反射镜来改变激光照射方向，对工件照射激光来执行焊接，从而沿照射方向以高自由度快速地执行焊接。

为了在该激光焊接中获得高焊接质量，需要将激光照射部件对准指定的位置，以使激光正确地照射在焊接点上，并使激光聚焦在工件表面的焊接点处。为了进行该对准，通常在焊接时提前通过CAD模拟设定机器人的动作，从而使激光照射部件对准指定的位置。

然而，由于机器人的惯性力和重量等的误差，由模拟预测的机器人的动作与机器人的真实动作之间可能会产生脱节。该脱节的产生可能导致激光照射部件不能对准适当的位置，激光照射到焊接点之外的点，或者激光不在焊接点聚焦，这些导致焊接质量下降。为了避免这些问题，需要提前在机器人运动的示教操作中确认实际的激光照射状态。

JP-A-2004-130334公开了能在激光照射状态的位置的示教操作中确认实际的激光照射状态的技术。在该技术中，安装有沿激光照射方向从激光照射部件的顶端伸出与该激光焦距相等的长度的接触式位移计(displacement gauge)。然后，通过使接触式位移计与工件的焊接点接触，获得激光照射部件的位置信息(也就是说，在激光聚焦在焊接点的状态中的激光照射部件的位置)，并且根据该信息调整激光照射部件的位置，以使激光聚焦于焊接点。

然而，尽管传统的技术可适用于激光照射方向不变以及激光照射位置与工件之间的距离近的情况，但是在需要改变激光照射方向的情况下，不能正确地监视激光照射方向的角度，此外，在激光照射位置和工件之间的距离远的情况下，接触式位移计产生弯曲，使得不可能正确地测量，因为总需要位移计与工件接触，所以可使用性变差。

 发明内容：

考虑到传统技术的问题作出本发明，本发明旨在提供一种激光照射状态显示方法及激光照射状态显示系统，以即使在需要改变激光照射方向以及激光照射位置和工件之间的距离相对远的情况下，也能正确而快速地监视激光照射状态。

旨在解决上述问题的本发明，是一种对准工件的激光照射状态的显示方法和显示系统，在由安装于机器人手的激光照射部件对工件照射激光来进行加工之前的示教操作中，先由激光照射部件通过反射镜的转动以特定图案形状对所述工件的表面照射激光，然后显示照射于所述工件的所述激光照射状态，其中用于以特定图案形状对所述工件表面进行照射的激光照射部件与用于加工工件的激光照射部件是同一激光照射部件，所述方法还包括下述步骤：计算激光对所述工件的照射角度，计算所述激光照射部件位置与在所述工件表面的激光照射位置之间的间隔距离，得到所述激光照射部件位置即反射镜的转动中心和激光对所述工件表面的照射位置的坐标数据。

另外，通过该激光照射部件的反射镜的操作形成将照射的该特定图案形状。此外，特定图案形状优先选择圆形或者十字形。

根据本发明，在来自安装在机器人手的激光照射部件的激光照射在工件上的激光加工之前，先由激光照射部件以特定图案形状对工件表面照射激光。作为该照射的结果，即使当激光照射方向改变、或者激光照射部件和工件之间的距离远时，也可正确而快速地监视包括照射角度的激光照射状态。

附图说明

图1是说明本发明实施例的激光焊接设备的示意性透视图。

图2是说明扫描头的示意性透视图。

图3是扫描头的外围的局部放大图。

图4是说明在本发明实施例中的激光照射状态的显示系统的方框图。

图5是在控制设备中执行的处理的流程图。

图6是示出被激光照射的工件表面的例子的图。

图7是示出用于获得椭圆形轨迹即激光的照射图案作为图像数据的方法例子的图。

图8是在图1中以及其他实施例中本发明的激光焊接设备中的扫描头外围的局部放大图。

具体实施方式

现在，参考附图详细地说明本发明的实施例。

本实施例说明通过激光执行焊接加工作业的情况。

图1是说明本发明实施例的激光焊接设备1的示意性透视图，图2是说明扫描头(scanner head)4的示意性透视图，以及图3是扫描头4的外围的局部放大图。

如图1所示，激光焊接设备1包括：机器人2；激光振荡器3，其作为激光源；扫描头4(激光照射部件)，其安装在机器人2的机器人手的顶端，用于激光100向工件200照射；以及光缆5，其用于将激光100从激光振荡器3引导到扫描头4。

机器人2是普通的多轴机器人(也可被称作多关节机器人)等，其借助于根据由示教操作给定的动作路径的数据改变机器人的位置来使得能将安装在机器人手的顶端的扫描头4移动到各种位置，也能够改变扫描头4的方向。

激光振荡器3是YAG(钇铝石榴石)激光振荡器。此处使用YAG激光振荡器以通过光缆5引导激光100。关于这一点，只要能用于激光焊接以及能由光缆5引导激光，也可以使用其他类型的激光而不受限制。

如图2所示，扫描头4具有：一系列透镜40，其用于使从光缆5的端部照射的激光100成为平行光，并进一步用于将这样成为平行光的激光100聚焦在指定位置；反射镜41，其用于使穿过一系列透镜40的激光100最终朝向工件200照射；以及电动机42和43，其用于转动反射镜41。另外，如图3所示，扫描头4安装有CCD照相机9(成像部件)，用来经由支架9a拍摄工件200的表面。与之关联地，存在用于在大约30cm到1m的相对远离的空间中执行焊接操作的工件200和扫描头4(激光照射部件)，因为在移动机器人2的同时通过转动扫描头4的反射镜41而改变激光照射方向，所以能在照射方向具有自由度地以更高速度执行焊接操作。

以绕x轴和y轴中的每个自由转动的模式来安装反射镜41，x轴和y轴二者都垂直于通过反射镜41的转动中心41a的垂直轴，通过该转动，能自由地分配(sort)激光100的照射方向。与之关联地，电动机42和43可选择地配备齿轮机构(未示出)。例如可使用伺服电动机、步进电动机等作为这些电动机42和电动机43，优选的是响应于指定的转动角度转动的这类电动机。

图4是说明本发明实施例中的激光照射状态的显示系统的方框图。图4也可起执行实际的激光焊接系统的控制系统的作用。

激光焊接系统的控制系统包括：激光控制器6，其用于激光振荡器3中的激光输出的开关控制；机器人控制设备7，其用于控制机器人2的运动；扫描头控制设备8，其用于控制扫描头4的反射镜41的运动；以及控制设备90，其用于整体控制设备。

激光控制器6控制激光输出的开关和调整激光输出的强度等。该激光控制器6基于来自机器人控制设备7的控制信号提供激光输出的开关操作。

机器人控制设备7具有控制机器人2的运动(位置)的功能，还具有输出诸如激光输出开关等的控制信号的功能。

扫描头控制设备8通过运转反射镜41的电动机42和43而任意地改变激光100的照射方向。关于这一点，“任意地改变照射方向”在此具体表示使激光100朝向焊接点方向的运转。

控制设备90通过监视多个排列在生产线上的激光焊接设备1，或者通过在接收机器人2之外的机器人(未示出)的操作完成信号后指示机器人2的运动，来总体上控制排列在生产线上的设备等，以使每个机器人在适合的定时进行一系列运动。

现在，说明具有以上构成的激光照射状态的显示系统的动作。

关于这一点，下面示出的处理用于在执行焊接之前正确地监视扫描头4和工件200的3D(三维)位置关系，以示教机器人2和扫描头4的反射镜41的运动，以使激光100以正确的方向和正确的聚焦照射在工件200的焊接点上，此外还示教调焦，以使通过图中未包括的电动机改变一系列透镜40的间隔以聚焦在工件200的焊接点上。关于调焦，已经给出对进行示教从而一系列透镜40的距离提前被改变的情况的说明，然而，可安装通过测量扫描头4和工件200的距离而自动调焦的设备，在该情况下，不需要示教调焦，这里省略关于焊接操作或者示教操作的详细说明。

图5是在控制设备90内执行的处理的流程图。

首先，控制设备90开启激光输出，指示扫描头控制设备8以指定的图案形状从扫描头5对工件200的表面照射激光100(S101)。在该激光100的照射期间，激光100的输出水平比焊接操作中的输出水平低(例如，大约焊接操作的1％到5％)，从而激光以非焊接状态投射到工件200。通过该低水平的照射，在工件200上不会留下烧痕，并且激光的反射光可由人的视觉观察来确认。关于这一点，水平的降低程度可根据工件200的种类(例如，诸如光泽度或熔点的特性)而不同，以使激光更加清楚。关于这一点，此处的机器人2在离线状态，扫描头4被移动到提前示教的位置。

接下来，控制设备90指示扫描头控制设备8转动反射镜41，以使反射镜41表面的任意点以提前示教的运动图案在指定的水平面上作圆周运动(S102)。

图6示出在该情况下被激光100照射的工件200表面的例子。

图6表示从反射镜41的转动中心41a沿竖直方向所画的竖线(vertical line)A和与工件200表面垂直的垂线(perpendicularline)B不平行的情况。

在该图中，“300”表示位于扫描头4的竖直下方的任意水平面。轨迹300A，也就是照射于该水平面的激光100的照射图案，呈圆形，这是因为反射镜41如上所述地转动。相反，轨迹200A，也就是照射到工件200的表面上的激光100的照射图案，呈椭圆形，这是因为竖线A和垂线B不平行。

在激光100照射工件200的状态中，在本实施例中，执行补偿处理，以改变反射镜41的转动中心41a的位置而使激光100正确地照射于焊接点，也使激光100聚焦在焊接点。稍后说明该处理。关于这一点，在本实施例中，激光100对工件200的照射角度α和β相等且为特定角、以及反射镜41的转动中心41a与工件200之间的间隔距离L1等于激光100的焦距的状态是激光100正确地照射于焊接点、以及激光100聚焦在焊接点的状态。另外，照射角度α和β相等且为特定角的状态使得轨迹200A成为圆形。

现在回到图5，在步骤S102之后，控制设备90指示CCD照相机9拍摄被激光100照射的工件200的表面以得到画有轨迹200A的工件200表面的图像数据(S103)。

这里，通过图7说明用于获得具有椭圆形状的轨迹200A作为图像数据的方法，该椭圆形状是激光100的照射图案。

首先，通过图3所示的CCD照相机9(图像拍摄部件)拍摄激光所画的轨迹。关于这一点，因为CCD照相机9不在反射镜41的光轴上而从倾斜方向拍摄，所以提前执行补偿操作，从而当照射图案是正圆时，以正圆输入图像，然而，因为这种图像处理很普通，这里省略其详细说明。

因为所得到的图像仅在激光投影区比其外围更明亮，因此，可使用未示出的边缘检测运算(例如SOBEL运算和Prewitt运算)等、通过图像的一阶求导(first derivation)和稀疏处理等获得仅提取出激光轨迹的图像。

然后，所得到的激光轨迹的点(xi，yi)(i＝1到n)的序列的重心由以下公式决定。这与图7中的椭圆中心(x0，y0)是一致的。

$x_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i/n$

$y_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i/n$

随后，所得到的椭圆中心(x0，y0)和激光轨迹的点(xi，yi)(i＝1到n)的序列之间的距离pi(i＝1到n)由以下公式确定。确定给出pi的最大值的点(xi_max，yi_max)和给出pi的最小值的点(xi_min，yi_min)中的每一个。短轴a和长轴b表示如下：

$p_i={({(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2)}^{\frac{1}{2}}$

$a=2\×{({(x_{i\_\min }-x_0)}^2+{(y_{i\_\min }-y_0)}^2)}^{\frac{1}{2}}$

$b=2\×{({(x_{i\_\max }-x_0)}^2+{(y_{i\_\max }-y_0)}^2)}^{\frac{1}{2}}$

可通过以下公式确定由连接所得到的椭圆中心(x0，y0)和(xi_min，yi_min)的直线与图像坐标的y轴形成的角度θ。关于这一点，同样也可确定由连接所得到的椭圆中心(x0，y0)和(xi_max，yi_max)的直线与图像坐标的x轴形成的角度。

$\mathrm{\θ}=90-{\tan }^{-1}\frac{(y_{i\_\min }-y_0)}{(x_{i\_\min }-x_0)}\left[\mathrm{deg}\right]$

或者

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{(y_{i\_\max }-y_0)}{(x_{i\_\max }-x_0)}\left[\mathrm{deg}\right]$

关于这一点，已提出用于从图像中确定椭圆的参数(中心、长轴、短轴、倾斜度)的各种方法，并且已存在许多已知的方法，例如基于最小二乘法的椭圆函数的拟合(fitting)，以及使用Hough变换的方法，这些方法也同样适用。

接下来，控制设备90计算关于图6中所示的激光100对工件200的照射角度α和β的数据(S104)。具体地，控制设备90通过图7中所说明的方法，根据获得的图像数据计算由作为轨迹200A的短轴200b在水平面上的投影的轴200b’与穿过轨迹300A的中心的特定轴300a(图7中y轴)交叉而形成的角θ。

然后，控制设备90根据获得的图像数据计算反射镜41的转动中心41a与激光100在工件200表面的照射位置处的椭圆中心之间的距离L1的数据(S105)。具体地，因为控制设备90可通过图7所说明的方法，借助于提前测量圆周直径，根据获得的图像数据计算轨迹200A的短轴长度L2(图7中的短轴a)和长轴长度L3(图7中的长轴b)、角度θ以及椭圆中心，所以通过当照射图案在扫描头4和工件200之间的距离为特定值以及角θ＝0(照射方向与工件200的平面垂直)的情况下呈正圆作为标准圆周时预先测量圆的直径，通过与该标准圆进行比较并使用三角法来计算出反射镜41的转动中心41a在三维的位置坐标数据以及激光100对工件200的照射位置的坐标数据(S106)。

然后，控制设备90根据由此计算得到的坐标数据指示机器人2的动作，以改变反射镜41的转动中心41a的位置(即扫描头4的位置)，以使角度θ成为特定角度，并且短轴长度L2和长轴长度L3变得相等且为特定长度(S107)。具体地，控制设备90指示机器人控制设备7如上所述地移动机器人2。另外，在本实施例中，“特定角度”指在竖线A和垂线B平行的状态下由轴200b’和轴300a交叉而形成的角度，“特定长度”指在间隔距离L1与激光100的焦距变得相等的状态下轨迹200A的直径。

因为在执行以上处理以后，照射角度α和β变得相等且为特定角，且间隔距离L1与激光100的焦距相等，所以激光100正确地照射于焊接点，并且可以进行激光100聚焦在焊接点的远程焊接。

另外，在图5所示的处理中，因为激光100在调低激光100的输出水平以使其以非焊接状态投射到工件200的状态下照射工件200，所以没有在工件200上产生烧痕的风险。通过采用该照射，图5所示的处理中所用的工件200能直接用作待焊接的部件。

本发明决不限于以上实施例，可在权利要求的范围之内作出各种修改。

例如，在以上的例子中，示出了借助于扫描头控制设备8以圆形图案形状从扫描头5向工件200的表面照射激光100的情况，能容易地确定激光100在工件200表面的照射位置和角度，然而，也可以通过诸如十字形图案形状的照射等其他方法容易地确定该照射位置和角度。因为这种方法是与上面例子相似的使用三角法的计算方法，所以省略关于这种方法的详细说明。

另外，可安装专用计算机来执行响应图5所示的步骤S103到107的处理。在该情况下，通过例如LAN(局域网)等通信网络连接计算机、控制设备90和照相机4a。然后，计算机根据从照相机4a在工件200的表面得到的图像数据计算角度θ、轨迹200A的短轴长度L2和长轴长度L3。此外，计算机根据以上计算得到的值发送指令到控制设备90以改变反射镜41的转动中心41a的位置。另外，在反射镜41的转动速度慢且能通过视觉确认轨迹200A的情况下，可不安装诸如在图8所示的激光焊接设备中示出的用于拍摄工件200表面的照相机。在该情况下，通过视觉测量图6所示的角度θ、轨迹200A的短轴长度L2和长轴长度L3。然后，根据测量值，控制设备90指示改变扫描头4的位置的处理，从而角度θ变成特定角度，短轴长度L2和长轴长度L3变得相等且为特定长度。

另外，在本实施例中，说明了控制激光100的照射方向以使激光100的照射图案在工件200的表面画圆的情况，然而，本发明也适用于激光100的照射方向借助于获得对应于图5所示的角度θ、或短轴长度L2和长轴长度L3的图形数据、在与上面实施例不同的方面改变的情况。

本发明基于在2005年9月30日提交的日本专利申请No.2005-289180，其全部内容整体引用于此以供参考。

Claims (8)

1.一种用于显示激光照射状态的方法，

在由安装于机器人手的激光照射部件对工件照射激光来进行加工之前的示教操作中，先由激光照射部件通过反射镜的转动以特定图案形状对所述工件的表面照射激光，然后显示照射于所述工件的所述激光照射状态，其中用于以特定图案形状对所述工件表面进行照射的激光照射部件与用于加工工件的激光照射部件是同一激光照射部件，所述方法还包括下述步骤：

计算激光对所述工件的照射角度，

计算所述激光照射部件位置与在所述工件表面的激光照射位置之间的间隔距离，

得到所述激光照射部件位置即反射镜的转动中心和激光对所述工件表面的照射位置的坐标数据。

2.根据权利要求1所述的用于显示激光照射状态的方法，其特征在于，通过所述激光照射部件的反射镜的操作而形成将照射的所述特定图案形状。

3.根据权利要求2所述的用于显示激光照射状态的方法，其特征在于，所述将照射的所述特定图案形状是圆形或者十字形。

4.根据权利要求1所述的用于显示激光照射状态的方法，其特征在于，通过减少激光的输出功率以便以非焊接状态投射到所述工件来执行所述激光的照射。

5.根据权利要求4所述的用于显示激光照射状态的方法，其特征在于，通过依据所述工件的种类调整激光的输出功率来执行所述激光的照射。

6.根据权利要求1所述的用于显示激光照射状态的方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过图像拍摄部件获得所述特定图案形状的轨迹作为图像数据；根据在获得所述图像数据的步骤中获得的数据，计算激光对所述工件的所述照射角度以及所述反射镜的转动中心与激光在所述工件表面的照射位置处的椭圆中心之间的距离。

7.一种用于显示激光照射状态的系统，

在由安装于机器人手的激光照射部件对工件照射激光来进行加工之前的示教操作中，先设定激光照射部件的运动以通过反射镜的转动而以特定图案形状对所述工件的表面照射激光，然后显示照射于所述工件的所述激光照射状态，其中用于以特定图案形状对所述工件表面进行照射的激光照射部件与用于加工工件的激光照射部件是同一激光照射部件，所述系统包括控制设备，该控制设备具有下述功能：

计算激光对所述工件的照射角度，

计算反射镜的转动中心与激光在所述工件表面的照射位置处的椭圆中心之间的距离，

得到反射镜的转动中心和激光对所述工件表面的照射位置的坐标数据。

8.根据权利要求7所述的显示激光照射状态的系统，其特征在于，通过所述激光照射部件的反射镜的运动来形成要照射的所述特定图案。

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