一种激光焊接离焦量测定装置和测定方法与流程

本发明涉及激光焊接
技术领域：
，特别涉及一种激光焊接离焦量测定装置和测定方法。
背景技术：
：激光焊接技术由于具有作用时间短、效率高、速度快、变形小、焊缝质量高和焊接精度高、易于实现自动化等优点，在汽车、火车、船舶、航空航天、机械制造等
技术领域：
得到广泛应用并逐步取代传统的电弧焊接工艺。激光焊接前需进行一定准备工作，其中需要进行前期示教准备阶段，其中焊接离焦量调试是一个难点，尤其对于不同板厚材料激光加工，所需离焦量调试将增加大量工作，并且人工调试精度较低，难以达到预期工艺要求。激光焊接技术中，离焦量是指激光光束聚焦焦点相对工件材料表面的距离，焦点位于材料表面上方称为正离焦，焦点位于材料表面下方或者内部则称为负离焦。离焦量对于焊缝形状、熔深和熔宽有较大影响，因此为了保证焊缝质量，需要严格控制焊接离焦量。现有技术中，用于激光焊接时离焦量的监控方法主要包括直接测量法、工装定位法等，直接测量法使用测量工具，例如卡尺等直接测量透镜到待焊接工件的距离，而工装定位法则是按照不同离焦量制作不同长度的工装，通过工装长度确定焊接离焦量。上述两种方法在平板焊接时可直接使用，但其工作效率较低，当焊缝为三维曲线时，上述两种焊接方法在焊接时无法实现离焦量的实时控制。当被测量工件的数学模型未知或很难直接获取时，就要先对待测量轨迹实施布点测量，再把这些指定点的测量数据进行相应的算法处理，从而得到待测轨迹的理想数学模型。如果采用手工点动测量，则存在精度误差，对操作者要求较高以及存在费时费力等缺陷，因此迫切需要一种新的方法以解决上述的技术问题。技术实现要素：本发明的主要目的是提出一种测量便捷、精度较高、可靠性和通用性强的激光焊接离焦量测定装置，本发明还提出一种使用所述激光焊接离焦量测定装置的测定方法，旨在提高激光焊接离焦量测定的可靠性、精度以及工作效率。为实现上述目的，本发明提出的一种激光焊接离焦量测定装置，包括激光测头、控制器盒以及计算机，所述激光测头内部设有激光发射器发出可见光照射于焊缝表面，所述控制器盒内部设有psd探测器接收焊缝反射光线，所述激光测头和所述控制器盒固定相连，所述激光测头中心线和所述控制器盒中心线相交；所述计算机分别与所述激光发射器和所述psd探测器电连接。优选地，所述psd探测器包括相互电连接的psd光电位敏元件驱动电路和a/d转换电路，所述psd光电位敏元件驱动电路接收反射光线并将光信号转换为模拟信号，所述a/d转换电路将模拟信号转换为数字信号并发送至所述计算机。优选地，所述激光测头被第一伺服驱动系统驱动沿不同方向进行移动，所述第一伺服驱动系统与所述计算机电连接。优选地，所述第一伺服驱动系统设有多个伺服电机驱动所述激光测头沿x轴、y轴、z轴方向移动。优选地，待焊工件放置于工作台顶面，所述工作台被第二伺服驱动系统驱动进行水平面方向移动，所述第二伺服驱动系统设有多个伺服电机驱动所述工作台沿x轴、y轴方向移动。优选地，所述激光测头底部设有缩束凸透镜。优选地，所述控制器盒朝向焊件的一端设置有接收凸透镜。优选地，所述计算机通过can现场总线分别与所述激光发射器以及所述psd探测器相连。本发明还提出一种使用所述激光焊接离焦量测定装置的测定方法，包括以下步骤：步骤s1：待焊接工件放置于所述工作台顶面，所述计算机控制所述第二伺服驱动系统驱动所述工作台复位至零点坐标位置，所述计算机控制所述第一伺服驱动系统驱动所述激光测头运动至待焊接的起始位置，所述激光发射器发射可见光并经所述缩束凸透镜缩束为一束直径和发射角较小的可见光，然后照射于待焊接工件表面；步骤s2：所述计算机控制所述第一伺服驱动系统驱动所述激光测头，使所述激光发射器发出的可见光照射于焊缝的起始位置；步骤s3：所述计算机控制所述第二伺服驱动系统驱动所述工作台沿x轴方向移动，所述psd探测器通过所述接收凸透镜接收焊缝反射的光线，并将模拟信号转换为数字信号发送至所述计算机存储，通过光敏面上像点的位移量计算出焊件表面到焊接嘴的位移量，进而求得焊接表面每个焊点离焦量值，然后对每个焊点离焦量储存；步骤s4:最后利用焊件表面每个点的离焦量值控制下一步的焊接工作。本发明技术方案相对于现有技术具有以下优点：(1)测量便捷。本发明技术方案的激光焊接离焦量测定装置克服了现有技术中使用常规工具而引起读数引入的误差，实现非接触距离测量离焦量，避免常规测量对于工件的损伤，能够实现在狭小空间内对于离焦量的测距，可提高加工效率。(2)精度较高。本发明技术方案的激光焊接离焦量测定装置中，只需要光线能够达到的区域，便可进行离焦量的测量，并且测量精度不在取决于操作人员所确定的测量间距精度，因此可以实现对任意平面焊接过程中离焦量的实时控制，同时采用一维psd电路控制原理采集数据点并结合算法进行处理，在节约成本的基础上保证测量的精度。(3)可靠性和通用性强。本发明技术方案中，激光发射器发射的可见光点光源为非接触式测头，激光发射器抗震性好、精度稳定且可在高温下正常工作，因此使得激光焊接离焦量测定装置整体稳定性高。同时本发明技术方案中，使用can现场总线作为数据传输通道，从而使得激光焊接离焦量测定装置具有可靠性高、实时性好、数据传输速度高、连接方便以及通用性强等优点。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。图1为本发明激光焊接离焦量测定装置的结构示意图；图2为本发明激光焊接离焦量测定装置的测定方法原理图；图3为本发明psd探测器的结构示意图。附图标号说明：标号名称标号名称1计算机5待焊接工件2can现场总线6第一伺服驱动系统3控制器盒7激光测头31psd探测器71激光发射器32接收凸透镜72缩束凸透镜4工作台本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明提出一种激光焊接离焦量测定装置。请参见图1至图3，在本发明实施例激光焊接离焦量测定装置，包括激光测头7、控制器盒3以及计算机1，激光测头7内部设有激光发射器71安装于激光测头7内的垂直轴上并且可发出平行于激光测头7且竖直向下的可见光照射于待焊接工件5的焊缝表面，控制器盒3内部设有psd探测器31接收焊缝反射光线，激光测头7和控制器盒3固定相连，激光测头7中心线和控制器盒3中心线相交；计算机1分别与激光发射器71和psd探测器31电连接。本发明实施例中，psd探测器31包括相互电连接的psd光电位敏元件驱动电路和a/d转换电路，psd光电位敏元件驱动电路接收反射光线并将光信号转换为模拟信号，a/d转换电路将模拟信号转换为数字信号并发送至计算机1。本实施例中，psd探测器31是一种基于横向光电效应的位置传感器件，能够将光敏面上的光点位置转化为电信号，并且psd探测器31由半导体层、电离层、阴极层三层构成，半导体层为感光面，其两侧边沿各设有一个信号输出电流i1和i2，而电离层较厚但具有高的灵敏度和响应速度使得光电转换效率变高，阴极层则在中部位置引出一个公共电极i0，用来加反偏电压。本发明实施例中，激光测头7被第一伺服驱动系统61驱动沿不同方向进行移动，第一伺服驱动系统6与计算机1电连接。优选地，第一伺服驱动系统6设有多个伺服电机驱动激光测头沿x轴、y轴、z轴方向移动。本发明实施例中，待焊接工件5放置于工作台4顶面，工作台4被第二伺服驱动系统驱动进行水平面方向移动，第二伺服驱动系统设有多个伺服电机驱动工作台沿x轴、y轴方向移动。本发明实施例中，激光测头7底部设有缩束凸透镜72。本发明实施例中，控制器盒3朝向焊件的一端设置有接收凸透镜32。本发明实施例中，计算机1通过can现场总线2分别与激光发射器71以及psd探测器31相连。本发明还提出一种使用激光焊接离焦量测定装置的测定方法，包括以下步骤：步骤s1：待焊接工件5放置于工作台4顶面，计算机1控制第二伺服驱动系统驱动工作台4复位至零点坐标位置，计算机1控制第一伺服驱动系统6驱动激光测头7运动至待焊接的起始位置，激光发射器71发射可见光并经缩束凸透镜72缩束为一束直径和发射角较小的可见光，然后照射于待焊接工件5表面；步骤s2：计算机1控制第一伺服驱动系统6驱动激光测头7，使激光发射器71发出的可见光照射于焊缝的起始位置；步骤s3：计算机1控制第二伺服驱动系统驱动工作台4沿x轴方向移动，psd探测器31通过接收凸透镜32接收焊缝反射的光线，并将模拟信号转换为数字信号发送至计算机1存储，通过光敏面上像点的位移量计算出焊件表面到焊接嘴的位移量，进而求得焊接表面每个焊点离焦量值，然后对每个焊点的离焦量储存；步骤s4:最后利用焊件表面每个点的离焦量值控制下一步的焊接工作。请参见图1至图3，本发明实施例激光焊接离焦量测定装置的工作原理为：首先将待焊接工件5放置于工作台4上，并且控制第二伺服驱动系统的伺服电机驱动工作台复位至零点坐标位置，计算机1通过控制第一伺服电机系统6的伺服电机驱动激光测头7运动至待焊接的起始位置，然后通过激光发射器71的工作界面打开激光发射器71的主光阀，使得激光发射器71发出可见光照射于待焊接工件5表面。需要说明的是，通过打开主光阀只使激光发射器71只发出光线照射于待焊接工件5表面，而并没有启动激光按钮发射出用于焊接加工的激光束。而激光发射器71向下发射的可见光并经过设置于激光测头7下部的缩束凸透镜72进行缩束为一束直径和发射角都比较小的可见光，该可见光垂直投射在待焊接工件5表面上并形成一个小光点。然后计算机1控制第一伺服驱动系统6的伺服电机进行适应性移动，使得激光发射器71发出的可见光光点照射于待焊接工件5的起始位置。然后计算机1控制激第一伺服驱动系统6停止工作，同时计算机1控制第二伺服驱动系统驱动工作台4从复位的零点坐标沿x轴方向运动，使得激光发射器71的可见光光点均能照射并经过待焊接工件5表面上需要焊接的路径。随着工作台4的不断移动，利用激光发射器71的可见光光点作为测量介质，激光发射器71的点光源照射于焊件表面后会产生一定反射，反射光线经接收凸透镜32收集并照射于psd光电位敏元件驱动电路的半导体层的光敏面上，如图2和图3所示，在半导体层的光敏面上有不同电极的两个电流通过时，两个电流输出信号分别为i1和i2，电流信号i1和i2经过接口电路传输至计算机，并通过计算机软件模块计算、储存记录像点位移量01y1，其中位移量01y1计算公式为：上式的i1和i2为两平行电极上产生的电流值，l为psd探测器31读取的有效工作长度。计算机1存储位移量01y1再经过换算得出焊件表面到焊接嘴的位移量0y。当焊接前示教位置确定之后，控制器盒3连接于激光侧头7的相对位置是固定时，α和β的角度是固定值，同时光学系统结构位置也确定，因此0y的值由以下公式计算得出：其中上式中的α为激光测头7中心轴线与控制器盒3中心轴线相交之间的夹角，β为接收凸透镜32接收可见光与psd探测器31中心轴线之间的夹角，m为焊件与接收凸透镜32的距离，n为接收凸透镜32与psd探测器31的距离。将上式(1)代入至式(2)中，简化得到焊件表面到焊接嘴的位移量0y为：然后计算机1按照将激光发射器71照射过的待焊接工件5表面与焊接嘴距离0y的变化值进行记录和储存，焊接表面每个点的离焦量值h通过以下公式表示：h＝0y-zy其中zy为聚焦镜焦点的位置距离，并且zy为固定值，例如在yag激光器的光路系统中zy＝20mm。最终利用0y值推导出离焦量h的值，并且通过计算机1按照一定规律进行记录和存储每个焊点离焦量的值，然后根据焊件表面每个点的离焦量值控制下一步的焊接工作，从而保证后续焊接的均匀性。本发明技术方案的激光焊接离焦量测定装置克服了现有技术中使用常规工具而引起读数引入的误差，实现非接触距离测量离焦量，避免常规测量对于工件的损伤，能够实现在狭小空间内对于离焦量的测距，可提高加工效率。本发明技术方案的激光焊接离焦量测定装置中，只需要光线能够达到的区域，便可进行离焦量的测量，并且测量精度不在取决于操作人员所确定的测量间距精度，因此可以实现对任意平面焊接过程中离焦量的实时控制，同时采用一维psd电路控制原理采集数据点并结合算法进行处理，在节约成本的基础上保证测量的精度。本发明技术方案中，激光发射器71发射的可见光点光源为非接触式测头，激光发射器71抗震性好、精度稳定且可在高温下正常工作，因此使得激光焊接离焦量测定装置整体稳定性高。同时本发明技术方案中，使用can现场总线2作为数据传输通道，从而使得激光焊接离焦量测定装置具有可靠性高、实时性好、数据传输速度高、连接方便以及通用性强等优点。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的
技术领域：
均包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12