[发明专利]智能非自发金属加工系统以及带有自动化的焊丝对光束对准的控制逻辑

说明书

提出了用于自动化的焊丝对光束对准的智能非自发金属加工系统和控制逻辑，制造/使用此系统的方法，以及带有用于实时焊丝对准的闭环控制的机器人承载激光焊接/钎焊头。一种用于控制非自发工件加工系统的操作的方法，包括：系统控制器，该控制器从位置传感器接收传感器信号，该传感器信号指示由焊丝进给器排出到接头区域中的填充焊丝的位置。使用接收到的传感器信号，控制器确定焊丝位置和由光束发射器发射到接头区域上的光束的位置之间的位移。如果焊丝位移大于阈值焊丝位移值，则控制器响应地确定计算出的校正力，以将焊丝位移减小到阈值焊丝位移值以下。然后，控制器命令致动器使加工头枢转，从而向排出的填充焊丝施加校正力。

技术领域

本公开大体上涉及用于接合或修复工件的金属加工技术。更具体地，本公开的各方面涉及用于焊接/钎焊过程中的自动化的焊丝对光束对准的系统、方法和装置。

背景技术

焊接为一种制造和修复工艺，该工艺通过引起聚结来粘合材料，该材料通常为金属或热塑性塑料—该工艺为两个独立的单元或单个单元的相邻部分一起生长、熔合或合并为单个主体/部分的工艺。例如，在接合操作中，两个工件通常以邻接并排的关系并置，并且然后通过液化或塑化（软化而不液化）要粘合在一起的区域而熔合在一起。可以通过施加热、电弧、电子束、超声波、压力、摩擦力或其任意组合来实现工件液化/增塑。对于非自发焊接技术，添加填充材料并熔化以形成局部的熔化材料池（“焊接熔池”）。促进液化或增塑的材料的聚结，并且随后允许聚结的材料冷却将固化粘合。焊接可用于例如永久性地接合两个或更多个工件，对单个工件进行操作（例如，修复裂缝或接合两个片段）以及切割或刺穿工件。

钎焊为传统上应用于异种金属工件或工程陶瓷的替代接合工艺。钎焊所用的填充材料（“钎焊合金”）的熔化温度低于母材的熔化温度；通过使用较低熔点的填料，钎焊与焊接的区别在于不熔化下面的母工件。而是，将填充材料加热到稍微高于其熔点的工作温度，但远低于被接合零件的熔化温度，然后允许其流入接头区域并冷却以形成最终粘合。为了实现合理的钎焊接头，母材和填充材料应表现出材料相容性，并且接头区域应包含狭窄的缝隙，熔化的填料通过毛细管作用被吸入并分布到所述缝隙中。接头缝隙的尺寸可取决于许多因素，包括制造公差、设计约束、钎焊气氛以及母材和钎焊合金的成分。

尽管有无数种可用于接合和修复工件的技术，但许多现代制造设施都采用激光束钎焊和焊接工艺来接合工件。例如，在汽车应用中，机器人承载钎焊/焊接头采用高压气体或固态激光来熔化钎焊合金填充焊丝，该焊丝被连续馈入汽车车身的金属板之间的接头缝隙中。为了保护接头的结构完整性，焊丝进给相对于接头区域精确定位，以确保大多数熔化填料流入接头缝隙中。从历史上看，必须在离线前馈过程中手动校准激光钎焊/焊接头，以将激光束和焊丝进给器精确定位在金属工件上。对于机器操作人员而言，这是一个密集且耗时的过程，该过程通常需要使用复杂的设备，诸如专门的引导激光或专用的校准单元。另外，许多现有的校准程序并未考虑由于零件变化和操作环境变化而在焊接/钎焊过程中施加到填充焊丝上的反作用力。

发明内容

本文提出的为智能非自发工件加工系统，该系统带有用于提供自动化的焊丝对光束对准的伴随控制逻辑，制造方法和使用此系统的方法，以及带有闭环控制以用于实时焊丝对准的机器人承载激光焊接/钎焊头。作为示例而非限制，提出了用于通过图像处理和施加到填充焊丝的校正侧向力来提供激光束和焊丝进给的过程中对准的焊接/钎焊方法。工件加工系统使用精密的计算机视觉和闭环反馈控制，通过内置的伺服电机来调整填充焊丝的定位，该伺服电机选择性地枢转激光头。边缘检测软件定位进给焊丝的横向边缘；补偿引擎使用这些数据来计算焊丝对光束的位移，评估位移的严重程度，并在必要时基于填充焊丝的弹簧常数和焊丝对光束位移误差计算校正侧向力以抵消该位移。系统控制器调制伺服电机输出以旋转激光头，并且从而将校正侧向力施加到填充焊丝。