材料接合检查与修复的制作方法

本申请要求于2014年3月25日提交的美国临时专利申请序列No.61/970087的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开的领域一般属于材料接合与密封处理。本发明在材料接合加工、检查与修复中尤其有用。

背景技术：

钎焊和焊接是用于将两片或更多片靠近地定位的材料熔化或接合在一起的处理的示例。在通常的钎焊和焊接处理中，填充物材料被熔化以至少部分地填充构件之间的间隙或空隙。可以利用各种用于熔化填充物材料的加热方法，包括使用激光。在汽车领域中，通常使用激光钎焊来连接外部车体面板并提供平滑的接头外观，同时保护构件的防腐蚀性质。

各种材料接合或密封处理(包括钎焊)可能在期望连续的缝焊、密封或钎焊区域中造成会影响接头的美观和/或性能特征的瑕疵或间隙。传统的缝焊和钎焊处理有许多缺点，包括难以识别沿着钎焊线的可能出现了问题或不合格的缝的地方。例如，传统的钎焊系统可以识别出现了不良或潜在的缺陷，但没有或只有最低限度的追踪或监测设备来具体地识别出现不良的地方。其结果是，传统处理经常不得不将车辆从生产线移出以进行人工检查，并且然后在将车辆重新插入到组装处理中之前，启动修复处理。这些缺点是耗时的、昂贵的，并且对于大量的组装设施而言是后勤上的挑战。

需要主动地监测接合处理的质量(例如缝焊或钎焊线)的设备和工艺。当检测到缝缺陷时，系统可以准确地识别出现问题的地方，因此可以对问题区域进行自动化检查和/或修复处理，例如自动再焊接或再钎焊。

技术实现要素：

本文公开了如下的各种设备和方法的示例性实施例：该设备和方法用于自动地检测并记录沿着材料接合路径的在精整的接头中可能出现瑕疵的地方的定位以用于自动化修复。

在一个示例中，公开了用于接合或密封第一工件和第二工件的方法。该方法包括将填充头部或接合头部定位成与第一和第二工件之间的接合沿着预定的接头路径的接头对齐。头部可以选择性地沿着由接头限定的接合行进路径移动，并且可以沿着接头行进路径依次添加接头填充物材料。该方法进一步包括在接合头部沿着接头行进路径移动时测量填充的接头的表面几何形状，并识别表面几何形状中的至少一个特征。接头、缺陷和/或接合头部的几何坐标定位可以被储存在存储器中。例如，如果检测到不良或缺陷，缺陷或不良的定位被自动地识别和记录。可以生成修复路径，其包括接合路径的检测到不良的地方的定位。在一个示例中，处理自动地将设备返回到缺陷的地点以进行修复。在这些方法中，可以快速且准确地修复部分而不需要人工介入。

在一个示例中，连接到自动化设备的传感器扫描工件并检测填充材料的表面几何形状。该设备基于填充材料的表面几何形状识别接合路径的不良部分，并基于所识别的不良部分的定位生成修复接合路径。

在另一个示例中，该设备和方法进一步通过在包括接合路径的位置处投射跨工件的光线并检测光线的轮廓来感测沿着接合路径的钎焊接头质量，并识别和记录接合路径的接头质量不可接受的部分，其中接头质量通过轮廓来测量。生成修复路径，修复路径包括接合路径的接头质量不可接受的地方的定位，并且可以通过沿着修复路径将填充材料添加到第一工件与第二工件之间来修复接合路径。

在查看以下的描述和说明时，本领域的技术人员将认识到本文所公开的方法、系统和设备的这些和其它方面、特点、元素、实现和实施例中的变化。

附图说明

本文的描述参考附图，在附图中，相同的参考标号在多个图中指代相同的部分，并且其中：

图1是操作中的示例性接合系统的透视图；

图2是具有示例性传感器的接合系统的示例的透视图；

图3是示出用于与本发明的一个或多个示例一起使用的控制器的硬件配置的示例的框图；

图4是示例性传感器测量范围的示意图；

图5A和图5B是说明示例性传感器测量范围的接头的截面图；

图6A和图6B是从与本发明的一个示例一起使用的传感器获得的示例性测量的图示；

图7是图2的接合系统在沿着车辆轮廓线的接合路径的示例性应用中的侧示图；

图8A是图2的接合系统被沿着示例性修复路径使用的侧示图；

图8B是图8A的修复路径的部分的放大视图；

图9是用于检查和修复接头的示例性处理的流程图；

图10是具有经由转体(swivel)连接的传感器的接合系统的示例的透视图；

图11是图10的接合系统的正视图。

具体实施方式

参考图1-图11，说明了用于材料接合、密封、检查和/或修复的设备和方法的示例。参考图1和图2，示出了示例性焊接/钎焊系统10。在该示例中，填充、接合或密封头部或端部效应器12(仅为方便起见，一般称为接合或端部效应器头部或12)被连接到工业多轴可编程机器人以用于沿着预编程和预定的行进路径移动。在所示的示例中，接合头部12是激光焊接/钎焊端部效应器头部12，并且包括填充材料进给器14和激光器16。进给器14操作以将填充物材料(例如进给导线)递送到填充物材料可以被激光器16加热并至少部分地熔化的区域。如本文所使用的，术语“激光器”可以包括能够局部地加热进给器14附近的填充物材料的任何设备。填充物材料可以被置于第一工件18与第二工件20之间，从而创建接头22。根据特定的应用和第一工件18与第二工件20的材料性质，可以采用各种金属作为填充材料。应当理解，可以使用本领域技术人员所知的适用于缝焊、钎焊、密封或填充操作的不同的头部、填充物进给设备和加热设备。还应当理解，本发明在除了缝接合应用以外的其它应用中(例如其中两个金属构件形成接头并且需要被连接且被至少部分地填充的焊接或钎焊)可以是有用的。例如，发明10可以被用于其中密封剂、粘合剂或其它材料的线或珠被施加到接头或缝的粘合剂线或密封线。虽然系统10一般被讨论为优选的钎焊或缝焊系统，但系统10可以被用于本领域技术人员所知的其它应用中和其它结构上。

在示例性系统10中，控制器100用于实现和控制系统10的预定操作。图3是其中可以实现本文所公开的方面、特点和元素的控制器100的部分的示例的图示。示例性控制器100包括处理器110、存储器120、电子通信界面130、电子通信单元140、电源150和通信总线160。控制器100可以通过通信线缆(未示出)或通过如本领域技术人员所知的且在工业中使用的无线通信协议无线地将数据和其它信号传递到其它控制器或设备或者从其它控制器或设备传递数据和其它信号，或将数据和其它信号传递到设施中的中心通信设备。虽然被示出为单个的单元，但控制器100的任何一个或多个元件可以被集成到任何数量的单独的物理单元中。根据应用或性能规范，可以使用本领域技术人员所知的附加的子构件、子构件的组合以及子构件之间的互相连接。

在一个示例中，控制器100被连接到填充物头部12和/或机器人。替代地，控制器100可以被放置在其它地方，诸如组装设施中或计算“云”中，并且将操作信号传递到头部12以用于执行。基于云的通信系统的一个示例是于2010年3月17日提交的美国公开专利申请12/725635，并且其通过引用并入本文。

参考图7和图8，在一个示例和应用中，控制器100可以被配置为执行机器人13的预编程的指令，从而沿着预定的接合路径56(例如沿着要被缝焊或钎焊的构件接头22)移动和引导接合头部12。例如，存储器120可以包括沿着接合路径56移动接合系统10的端部效应器12的指令，其中程序定位58被保存为定位引导。控制器100还可以控制接合系统10沿着接合路径56移动的速度以及从进给器14分配填充材料的进给速率。在一些示例中，控制器100被配置为基于工具中心点(TCP)17在程序定位58之间移动头部12。于是，控制器100指令机器人13沿着接合路径56移动TCP 17。如图1中所示，TCP 17可以位于进给器14的端部处。替代地，可以使用本领域技术人员所知的其它TCP位置。

参考图2，示例性焊接/钎焊头部的示例包括传感器30。示例性传感器30可以被配置为在感测区域32中测量、扫描和/或检测接头22的某些物理特征。例如，可以检测和/或测量接头22的表面几何形状或曲率以及填充的接头22或钎焊或焊接珠的质量或特征。例如，传感器30可以检测接头22的填充材料的深度。还可以设想传感器30可以检测接头22中的焊接或钎焊材料的表面平滑度、宽度以及存在。传感器30可以将可以包括接头22的特征信息的质量信号传输到控制器100。在未示出的替代的示例和配置中，传感器30可以将质量信号发送到单独的计算设备或处理器。可以使用由传感器30收集的信息和/或数据来评估接头22的质量。

传感器30的示例可以包括片光激光扫描器和2D线扫描器。传感器30可以包括被配置为跨目标区域发出一条或多条激光线并输出指示目标区域中的对象的几何特点的数据的激光二极管和CMOS检测器。传感器30可以投射在测量点处横向穿过接头22的光线。传感器30可以被配置为检测指示接头22的表面几何形状的光线的轮廓。这一类型的示例性传感器30是由LMI Technologies公司提供的GOCATOR传感器。也可以采用其它传感器配置来适应特定应用的设计和性能需求。虽然一些实施例被示出具有一个传感器30，但是也可以使用两个或更多个传感器。可以使用本领域技术人员所知的用于检测表面和几何特征的其它传感器和检测设备。

在图2所示的优选示例中，传感器30被定位在激光器16的下游，并且可以被可操作地连接到接合头部12或机器人臂。传感器30被定位在相对于进给器14和/或激光器16固定且预定的距离处，并且被预编程到控制器或系统10中。在优选的示例中，当头部12沿着接头22移动时，传感器30可以连续地检查接头22。

参考图10和图12，说明了包括转体90的可调传感器30的示例。在所示的示例中，如一般地示出的，转体90包括连接到头部12的端部效应器或填充物头部12附件92以及连接到附件92和传感器30的传感器附件94。在优选的示例中，传感器30相对于头部12可全向地枢转或旋转，从而调整传感器30的视域或扫描域和定位。例如，转体90可以允许传感器30围绕轴96和轴98调整。转体90可以具有任何适宜的配置。优选地，转体90包括锁或紧固附件，从而紧固地锁定或固定传感器90的定位。虽然转体90被示出为球窝(ball and socket)，但其可以包括其它二维、三维或全向设备，例如本领域技术人员所知的铰链、销和其它设备。应当理解，可以将传感器30以其它方式连接到头部12以允许所描述的传感器30的定位和取向调整。

图4说明了具有感测区域32的优选的传感器30的一个实施例。感测区域32可以包括限定在近视域36与远视域38之间的测量范围34。测量范围34一般对应于传感器30可以最准确地检测表面距离和特征的区域。传感器30不需要与接头22或第一工件18或第二工件20物理接触以检测接头22的特征。在优选的示例中，传感器30与测量范围34隔开“基准(stand-off)”距离40。例如，基准距离40可以为大约90mm。传感器30可以被连接到头部12，使得接头22在最准确的测量结果的测量范围34中。

在优选的示例中，在将传感器30连接到焊接/钎焊/填充物头部12之后，对传感器30进行校准。在校准的一个示例中，使用已知直径的球来教导/识别焊接/钎焊头部12的工具中心点(TCP)17或其它部分到传感器30的距离。校准的一个方法是FANUC 6点教导方法。可以使用本领域技术人员所知的其它校准方法。

图5A和图5B示意说明了系统10可以如何使用传感器30和控制器100来监测和确定钎焊的接头22是可接受还是不可接受的两个示例。在工业实践的一个示例中，深度，即钎焊或焊接珠接头22的顶部相对于顶表面或材料表面的平面的深度是焊接/钎焊的接头的质量的度量/指示。换言之，如果接头22中的填充物材料未填充接头并且达到一定的高度，对于可接受的视觉上的或结构上的性能标准可能不存在合适的量的填充物材料。

在图5A和图5B两者中，示出了第一工件18与第二工件20之间的示例性接头22的截面。可以使用传感器30来检测接头22的深度42。在示例中，如图5A中一般地示出的，深度42是从工件位置44到接头22中填充的材料的上表面的最低点的第一直线距离。工件位置44可以在第一工件18或第二工件20上。如果测量的深度42大于预定的值，换言之，这一接头22的位置中的填充物材料不充足，则检测到不良或问题钎焊区域。

参考图5B，示出了没有钎焊或焊接珠的接头22的示例。利用示例性传感器30，可以检测接头的总深度(第二深度)46，或第二直线距离。利用未填充的接头22的已知的第二深度46，用于可接受的接头填充高度范围48(图5A)和不可接受的接头填充高度范围50的数值范围可以被测量、确定和预编程到系统10和/或控制器100中。在优选的处理中，在建立可接受的目标或范围48的组装钎焊处理终结之前，确定可接受的范围48和不可接受的范围50。一旦建立了目标或可接受的范围48和不可接受的范围50或值，传感器30就可以在生产处理期间实时地或几乎实时地进行深度测量(例如深度42)，并且控制器可以比较测量结果与预定的值，从而确定接头是可接受的还是不可接受的。如以下进一步讨论的，当检测到填充物材料在目标或可接受的范围外，则系统10将接头22的具体的部分识别或标记为不良或缺陷，并开始记录/储存头部12的定位直到不良状况不再存在为止。由于传感器30和头部12的TCP之间的距离已经被校准并已知，因此钎焊不良开始和结束的地方的准确的定位读数被记录并可用于系统10自动地重新回到该处并修复或增补接头直到达到可接受的填充目标或范围为止。图6A和图6B是接头的部分的图形显示200的示例，该图形显示200可以根据由传感器30(例如以上给出的GOCATOR传感器)所收集的数据生成。图6A是没有钎焊珠的接头，而图6B示出具有钎焊珠的接头。示例性图形显示200描绘了在沿着接合路径56(见图7)的特定的或预定的位置处测量的接头。在一个示例中，图形显示包括工件图象202和接头深度204(如图5B中的46所示和解释的)。

例如，在图6B中，并且如对于图5A所解释的，测量填充的接头深度204并确定钎焊珠是否符合可接受的钎焊的预定的值或范围。如果被确定为符合可接受的目标或范围，则相应地该位置不被标记为不可接受。如果钎焊珠的测量深度或高度落在预定的值或范围外，则立刻触发不良，并且头部12的定位被记录并储存在存储器中以用于之后的检索，从而开始检查和/或接头修复循环。

在一个或多个布置中，接合系统10可以在汽车组装或精整生产线中操作，并且可以用于精整沿着车顶面板的两片材料之间的接头。例如，图7、图8A和图8B示出了沿着车辆52的车顶54使用的接合系统10。在示例应用中，可以通过传送装置(未示出)将车辆52运输到包括接合系统10的钎焊站。接合系统10可以操作以在车辆52被传送到下一个站之前钎焊车辆52的特定部分。

参考图7，接合系统10的示例性填充或钎焊头部12沿着预定且预编程的路径56行进以钎焊接头22。在一个示例中，可以识别路径56的预定的定位以测量钎焊珠高度，以用于与如之前所述的预定的可接受的值和不可接受的值比较。替代地，传感器30可以沿着整个路径56连续地测量钎焊珠深度。应当理解，根据应用或性能和质量规范，可以使用测量点的各种组合。理想地，钎焊或焊接处理将产生沿着整个接合路径56的总体均匀的深度和平滑度的接头22。然而，在实践中钎焊处理例如可能产生如图7所示的可接受的钎焊部分60和不良部分62。例如，不良部分62可以对应于接合路径56的在钎焊或焊接珠中包括不良或间隙的部分。接合路径56的部分可以由于各种原因不可接受，诸如接头22中的填充材料的平滑度不可接受，填充材料的深度不合适，或缺少被置于这样的定位中的填充物材料。

在一个或多个布置中，传感器30可以与控制器100通信，使得可以将质量信号发送到控制器100。在一些实施例中，当传感器30检测感测区域32中的接头22的物理特征时，可以实时地传递质量信号。质量信号可以从传感器30传递到控制器100或其它计算设备。在一些实施例中，传感器30可以包括能够储存接头质量数据并在焊接或钎焊操作之后传递该数据的存储器。传感器30还可以包括传感器控制器，该传感器控制器对接头22的质量进行解析，并以规则的间隔或者在接合系统10完成接合路径56之后将质量信号传递到控制器100。质量信号可以包括指示沿着接合路径56的每个定位的每个可接受的或不可接受的接头状况的值。

在所描述的示例性系统10中，不良部分62的位置和/或几何坐标定位由控制器100和/或传感器30记录或“标记”并被储存在存储器源中。例如，参考图7，不良部分62被标记，并包括不可接受的或不良起点64和不可接受的或不良终点66。如上所述，系统10和/或控制器100可以基于从传感器30接收的信号和与预定或目标值的比较来确定接头22是否不可接受。如果接头22被确定为不可接受，则控制器可以标记传感器30和/或头部12的TCP的位置。例如，控制器100可以基于从传感器30发送的信号识别填充物头部12在不良起点64处的三维定位坐标。随着头部12沿着接合路径56(从图7和图8的示意图上看，从左向右)移动，传感器30检查接头22并可以检测识别不良起点64的不可接受的值。相似地识别并记录不良终点66，不良终点66是接头22变为可接受的下一个定位。可以将该数据保存在与控制器100通信的存储器120或外部存储器中，使得可以检索不良部分62的位置，以用于评估或者开始系统10的检查或修复循环。

如例如在图8A和图8B中说明的，接合系统10可以被配置为有效地修复不良部分62。利用保存在系统10的存储器中的不良部分62的已知的且准确的定位，示例性控制器100可以确定并生成修复移动路径56b以允许接合系统10“填充”或修复不良部分62，其中修复移动路径56b包括与识别的不良部分62重合的修复行进路径68。修复移动路径56b可以包括由控制器100设定以将头部12移动到不良部分62以及从不良部分62移动头部12的多个机器人定位58b。图8A和图8B说明了包括修复路径68的示例性修复移动路径56b。修复路径68可以具有修复起点70和修复终点72。修复路径68可以对应于不良部分62的定位(如图7中所示)。修复起点70可以与不良起点64(见图7)重合。修复路径68可以仅包括那些包括不良部分62的区域。修复再钎焊或再焊接可以在初始处理之后立刻进行，或在设施中的替代位置处的修复站处进行。类似于以上在初始生产通过/序列(production pass/sequence)中描述的那样，传感器30可以被用于监测和测量修复路径68。如果修复路径68的任何部分被确定为不可接受，可以重复修复处理，生成新的修复接合路径。

如图8A和图8B中所示，在一个示例中，修复移动路径56b包含如下部分：该部分从原始接合路径56(图7中所示)偏移以避免头部12与精整的接头22之间接触的风险。于是，可以减少或消除损坏车辆52、接头22和端部效应器12的可能性。例如，修复移动路径56b的偏移部分可以与第一工件和/或第二工件隔开距离80。

参考图8B，其中修复路径56b包括偏移距离80，路径56b可以包括接近不良/修复路径68的突变点74、76，在突变点74、76处钎焊填充物尖端从偏移距离向接头移动并被定位成用于修复钎焊珠操作。如本文使用的，“突变点”可以包括修复路径68的偏移改变附近的机器人定位。例如，在图8B中，接合系统10可以从左到右操作。系统10使用已知的不良起点64和不良终点66生成修复路径68。系统10可以被从修复机器人定位58b移动到第一突变点74，或替代地，直接移动到修复起点70。如果首先移动到第一突变点74，之后，接合系统的头部12被向内移动到修复起点70。头部12以与以上所述相似的方式沿着修复路径68移动到修复终点72。在修复路径68完成之后，头部12可以被移动到第二突变点76。在一个示例中，突变点74、76可以从修复起点70或修复终点72在纵向方向上偏移预定的距离。例如，突变点76可以被定位为从修复终点72纵向偏移距离82。随后，头部12可以沿着接头22被移动到另一个识别的不良区域以进行进一步的修复，或者返回到预定的位置以进行进一步的生产处理或修复处理。应当理解，可以使用本领域技术人员所知的用于修复接头22的其它修复路径、点和序列。

图9说明了使用接合系统10检查接头和执行修复的示例性处理900。

在未说明的第一预备步骤中，钎焊、焊接、接合或密封行进路径被确定并预编程，以沿着填充(例如接合或密封)行进路径移动支撑头部12的机器人13或其它传送设备。在未说明的可选的处理步骤中，系统10和传感器30被用于扫描/测量设计了钎焊线和程序的代表接头。如以上所述，可以采用测量结果(例如图5B中的第二深度46)来预确定可接受或不可接受(或不良)的目标钎焊珠深度或高度值，以储存在系统10的存储器中，并如以上一般地描述的用于未来的参考与比较。

在另一个未示出的可选的处理步骤中，在传感器30连接到头部12或机器人时，进行校准步骤以准确地确定传感器30或传感器线或视域与头部12的TCP 17或头部12的其它预定的点之间的距离。如所描述的，传感器30与头部12的预定的点之间的距离被用于具体地识别头部12在检测到不良时和不良结束时的坐标位置。在产品钎焊、缝焊或其它接合处理开始之前，在系统10和处理900中可以包括本领域技术人员所知的附加的处理。

从步骤902开始，钎焊处理沿着预定的接合路径56开始。在步骤904中，并如以上所述的，使用示例性传感器30来扫描并测量所施加的珠的预定的特征，例如珠或填充深度或高度。在如以上所述的一个示例中，扫描/测量数据被传递到控制器或系统10的其它设备，以用于与预定的可接受/不可接受的参考值或范围进行比较。

在示例性步骤906中，在系统10中比较测量的优选的钎焊珠特征和预定的参考和/或可接受/不可接受的值，并确定在位置处测量的珠是否可接受或是否包括需要进一步的检查和/或修复的缺陷或不良。如果检测到不良，则头部12的已知的定位(通过传感器30与头部12之间的已知的距离)被计算、识别、记录并储存在系统10的存储器中。在一个示例中，对不良的线或区域的识别和记录是连续地记录的，直到传感器30不再检测到不良或错误状况为止。

如果沿着路径56没有检测到不良部分或不良，则进一步的检查或修复不是必须的(步骤908)，并且钎焊处理完成。

在一个示例中，如果检测到不良，在步骤910中由系统10的控制器100或其它部分生成修复接合行进路径，其至少包括沿着在步骤904中确定的接合路径56的不良部分62的起点64和终点66。在步骤912中，修复路径处理沿着生成的修复接合路径开始。例如，可以确定修复移动路径56b，其包括修复机器人定位58b、突变点74、76和修复路径68。修复路径处理由传感器30监测，并且重复该确定质量的处理直到不存在接合路径的不良部分为止。

虽然处理900中的步骤被描述为以特定的顺序进行，但其可以以不同的顺序和/或同时地进行。此外，依照本公开的步骤可以与本文未呈现和未描述的其它步骤一起进行。此外，不是要需要所有说明的步骤来实现依照公开的主题的方法。可以使用本领域技术人员所知的其它步骤和替代的顺序的步骤。应当理解，所描述的处理可以用于接合和/或密封操作，例如焊接、钎焊、粘合剂密封剂、涂漆和涂绘以及本领域技术人员所知的其它应用。

将理解，本文所描述的布置可以提供多个益处，包括本文所述的一个或多个益处。例如，本文所描述的布置可以提高自动化生产中的材料接合处理的可靠性和效率。例如，可以持续地监测接头，并且可以识别精整的接头中的瑕疵，且可以保存定位。利用这样的数据可以快速地生成修复路径，以允许自动化修复。这样的布置可以消除或减少人工检查和修复所需要的时间的量。

为了使得本申请容易理解而描述的上述方面、示例和实现是非限定性的。相反地，本申请覆盖了包括在所附权利要求的范围中的各种修改和等同布置，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含在法律下所允许的所有这样的修改和等价结构。