火狐体育首页进入:激光焊接设备pdf

来源：火狐体育网页版登入 作者：火狐体育下载安装

　　提供一种激光焊接设备(100)，其设置有具有臂的多轴机器人(110)和安装于该多轴机器人的臂的末端的扫描器(120)。扫描器(120)包括用于将激光束照射到工件上的光学系统。扫描器(120)包括预设的坐标系，该坐标系的原点与激光束的光轴和光学系统的被固定着的元件(131)之间的交点重合。

　　1： 一种激光焊接设备， 其包括 ： 多轴机器人， 其具有臂 ； 以及 扫描器， 其安装于所述多轴机器人的所述臂的末端， 所述扫描器包括用于将激光束照 射到工件上的光学系统， 所述扫描器包括预设的坐标系， 所述坐标系的原点与所述激光束的光轴和所述光学系 统的被固定着的元件之间的交点重合。

　　2： 根据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述光学系统的所述被固定着的元件是聚焦透镜。

　　3： 根据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述激光焊接设备还包括 ： 机器人控制装置， 其控制所述多轴机器人的操作以使所述臂沿着示教的移动路径移 动， 使得所述扫描器的坐标系的原点沿着所述示教的移动路径移动 ； 以及 扫描器控制装置， 其控制所述扫描器的所述光学系统的操作， 使得所述激光束照射到 所述工件的作业点。

　　4： 依据权利要求 3 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述激光焊接设备还包括 ： 中央处理器， 其发出操作命令， 使得所述机器人控制装置和所述扫描器控制装置以同 步的方式操作。

　　5： 依据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述扫描器的所述光学系统还包括 ： 扩展透镜， 其通过沿着所述激光束的光轴方向挪动来调节焦点距离 ； 准直透镜， 其准直从所述扩展透镜出来的所述激光束 ； 以及 一对扫描镜， 其使从所述准直透镜出来的所述激光束在所述工件上扫描。

　　6： 依据权利要求 5 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述扩展透镜连接至电机的旋转轴 ； 每个扫描镜都连接至电机的旋转轴 ； 以及 每个所述电机与用于驱动所述多轴机器人的所述臂的电机相比都具有低的惯性比和 高的分辨率。

　　7： 根据权利要求 6 所述的激光焊接设备， 其特征是， 驱动所述扩展透镜的电机和驱动所述扫描镜的电机都是交流伺服电机， 所述扩展透镜 和所述扫描镜中的每一个均通过具有高减速比的减速器连接至相应的一个交流伺服电机 的旋转轴。

　　8： 依据权利要求 5 所述的激光焊接设备， 其特征是， 所述扫描器的所述光学系统使用线性近似来计算所述扩展透镜在所述激光束的所述 光轴方向上的移动量和计算所述焦点距离的改变量。

　　本申请要求于 2009 年 3 月 13 日提交的日本专利申请 No. 的优先权。 日本专利申请 No. 的全部公开通过引用包含于此。

　　本发明总体上涉及一种激光焊接设备， 该设备能够高速地完成激光焊接作业。更 具体地， 本发明涉及一种能够高速地完成激光焊接的激光焊接设备。 背景技术

　　近年来， 在汽车工业中使用激光焊接来装配车身。该激光焊接是使用多轴机器人 来执行的， 该多轴机器人的末端 ( 作业端 ) 安装有扫描器。从该扫描器照射激光束。激 光焊接常常要高速性能并且需要所照射的激光束具备极高的位置精度。例如， 日本特 开 号公报中公开了一种激光焊接设备， 该公报提出了通过操作与沿着两个轴 ( 方向 ) 移动的扫描器结合的多轴机器人来满足这些需求的技术。 发明内容

　　人们发现关于以上描述的专利公开中提出的技术， 扫描器的坐标系的原点设定成与扫描 镜的旋转中心轴线重合， 该扫描镜设计成在该扫描器的光路上沿着两个轴移动。多轴机器 人在任意时间都能够基于机器人的坐标系的原点来确定扫描器的坐标系的原点。 机器人控 制装置执行多轴机器人的臂以及扫描镜的角度和焦点距离的联合控制。

　　因为扫描器的坐标系的原点设定为位于扫描镜的旋转轴上， 由于用于使扫描镜沿 两个轴线移动的移动部件的动作的影响和装配设备的精确程度的影响， 由多轴机器人确定 的扫描器坐标系的原点的位置有时候不同于扫描器坐标系的原点的实际位置。 如果发生这 种不同， 则激光撞击工件的位置将偏离实际想要瞄准的位置， 并且在激光焊接过程中激光 束的定位精度将下降。

　　此外， 因为多轴机器人的臂以及扫描镜的角度和焦距都是由相同的机器人控制装 置控制的， 所以限制了激光焊接的高速性能并且难以高速地执行激光焊接。

　　鉴于已知技术的状态， 本发明的一种原因是提供一种激光焊接设备， 该激光焊接设 备包括 ： 多轴机器人， 其具有臂 ； 和扫描器， 其安装于所述多轴机器人的所述臂的末端。所 述扫描器包括用于将激光束照射到工件上的光学系统。所述扫描器包括预设的坐标系， 所 述坐标系的原点与所述激光束的光轴和所述光学系统的被固定着的元件之间的交点重合。 附图说明

　　现在参考形成此原始公开的一部分的附图 ： 图 1 为根据一个图示的实施例的激光焊接设备的简化示意图。图 2 为示出图 1 的扫描器的更多细节的简化示意图 ；

　　图 3 为图示扩展透镜的移动距离和聚焦透镜到作业点 ( 激光束加工点 ) 的距离之 间的关系的曲线 为根据图示的实施例的激光焊接设备的中央处理器所执行的控制操作的流 程图 ； 以及

　　图 5 为用于说明中央处理器在进行图 4 所示的操作的过程时所执行的处理的草图。 具体实施方式

　　现在将参考附图说明选用的实施例。 本领域技术人员将从本公开清楚地了解到以 下实施例的说明仅仅用于示例， 并非用于限制本发明， 本发明由所附的权利要求书和它们 的等同方案所限定。

　　首先参考图 1， 示意性地图示了根据一个图示的实施例的激光焊接设备 100。激光 焊接设备 100 最重要的包含多轴机器人 110、 扫描器或激光加工头 120、 机器人控制装置 140、 扫 描器控制装置 150 和中央处理器 160。 如图 1 所示， 多轴机器人 110 具有臂， 该臂具有多个关 节部 (articulating section)。 多轴机器人 110 为六轴机器人 ( 也称作 “多关节机器人” )， 关节部之间的关节限定六个运动轴。在关节部之间的每个关节的轴处设置电机 M( 例如， 交 流伺服电机 ) 和编码器 ( 未示出 )。因此， 多轴机器人 110 具有 6 个交流伺服电机 M( 图 1 中只表示出 4 个 ) 和 6 个自由度。多轴机器人 110 基于特有的机器人坐标系操作。结果， 通过改变多轴机器人 110 的位置的姿态， 臂的末端， 即， 激光加工头或扫描器 120 能够沿多 个方向挪动。交流伺服电机 M 被构造并配置成旋转一定量， 该旋转量对应于机器人控制装 置 140 发出的命令中所指定的移动量。脉冲编码器输出的脉冲信号被进给到机器人控制单 元 52。不言而喻， 激光焊接设备 100 中使用的电机 M 和编码器并不受这些特定的装置的限 制， 还可使用除伺服电机和脉冲编码器之外的装置。 扫描器 120 构成激光焊接设备 100 的激光束照射部。扫描器 120 安装于多轴机器 人 110 的臂的作业端 112。配置扫描器 120 以使激光束照射到工件 ( 例如， 车门、 发动机罩、 行李舱或车的其它部件 ) 的作业点 170( 激光照射位置 )。 工件的被激光束撞击的部分被熔 化并焊接。扫描器 120 基于特有的扫描器坐标系操作。作业点 170 的坐标根据机器人坐标 系指定。因此， 扫描器 120 配备有用于精准地将激光束照射到作业点 170 的光学系统。通 过操作该光学系统， 激光束在 X 轴方向和 Y 轴方向 ( 机器人坐标系 ) 上扫描， 且激光束的焦 点位置可以在 Z 轴方向 ( 机器人坐标系 ) 上调整。扫描器 120 配备有三个交流伺服电机以 在三个方向， 即 X 轴方向、 Y 轴方向和 Z 轴方向 ( 扫描器坐标系 ) 上移动激光束。因此， 扫 描器 120 能够在三个方向上改变激光束的聚焦位置。随后将解释扫描器 120 在机器人坐标 系和扫描器坐标系之间的转换方法和扫描器 120 的构成特征的详细描述。

　　机器人控制装置 140 将扫描器 120 的坐标系 ( 扫描器坐标系 ) 的原点设定成与下 面的交点重合 ： 该交点是激光束的光轴和扫描器 120 的光学系统的构成元件之中的固定于 该光学系统的元件之间的交点。通过将扫描器 120 的坐标系的原点设定成与激光束的光轴 和扫描器 120 的光学系统之中的固定于该光学系统的构成元件之间的交点重合， 并使用随 后描述的计算方式来执行在焦距方向上的控制， 可使用线 的位 置。换言之， 使用线性近似来计算扩展透镜 (expenderlens)123( 随后描述 ) 在光路方向

　　上的移动量和焦点距离的改变量。结果， 能够关于作业点 170 更容易地控制多轴机器人 110， 还可以高速地完成高精度的焊接作业。因此， 多轴机器人 110 的控制更简单， 且该多 轴机器人 110 能够高速地并精确地沿示教点走线 个交流伺服电机的操作， 使得扫描器 120 的坐标系的原点沿着多轴机器人 110 的提 前存储的示教路径通过。

　　扫描器控制装置 150 控制扫描器 120 的光学系统的 3 个交流伺服电机的操作， 使 得从扫描器 120 射出的激光束精确地照射在工件的作业点 170 上。

　　中央处理器 160 发送同步操作命令 ( 例如， 以相同的控制循环时间间隔和相同的 时点 ) 到机器人控制装置 140 和扫描器控制装置 150。机器人控制装置 140 和扫描器控制 装置 150 以相同的控制速度和相同的控制循环时间处理来自中央处理器 160 的操作命令。 按此方式， 多轴机器人 110 和扫描器 120 平行操作， 就好像它们由单个控制装置驱动一样。

　　图 2 是示出图 1 的扫描器 120 的更多细节的示意图。扫描器 120 包括光纤 122、 扩 展透镜 123、 焦点位置调节装置 126。焦点位置调节装置 126 配备有用于驱动扩展透镜 123 的交流伺服电机 124 和滚珠丝杠 125。扫描器 120 还包括准直透镜 128、 反射镜 130、 聚焦透 镜 131 和激光束扫描装置 136。激光束扫描装置 136 配备有第一扫描镜 132、 用于旋转第一 扫描镜 132 的交流伺服电机 133、 第二扫描镜 134 和用于旋转第二扫描镜 134 的交流伺服电 机 135。光纤 122 配置并构造成向扩展透镜 123 照射激光束。该激光束由激光振荡器 ( 未 示出 ) 产生。

　　焦点位置调节装置 126 起沿着激光束的光轴方向 ( 图 2 中以箭头示出的竖直方 向 ) 移动扩展透镜 123 的作用。该扩展透镜 123 配置成沿着激光束的光轴方向挪动并起调 节焦距的作用。从光纤 122 射出的激光束的扩散角根据扩展透镜的位置而改变。结果， 改 变了激光束的焦距， 并且作业点沿着图 2 所示的 Z 轴方向挪动。扩展透镜 123 由交流伺服 电机 124 和滚珠丝杆 125 移动。

　　准直透镜 128 起准直经过扩展透镜 123 的扩散激光束的作用。反射镜 130 使从准 直透镜 128 射出的准直的激光束改向成朝着激光束扫描装置 136。在激光束扫描装置 136 中， 从反射镜 130 到达的激光束首先被第一扫描镜 132 反射， 然后被第二扫描镜 134 反射， 从而指向作业点。 第一扫描镜 132 连接至交流伺服电机 133 的旋转轴， 使得第一扫描镜 132 可以通过交流伺服电机 133 绕旋转轴的旋转中心轴线转动。当转动第一扫描镜 132 时， 激 光束撞击的位置沿着图 2 所示的 X 轴方向挪动， 从而改变作业点的位置。第二扫描镜 134 连接至交流伺服电机 135 的旋转轴， 使得第二扫描镜 134 可以通过交流伺服电机 135 绕旋 转轴的旋转中心轴线转动。当转动第二扫描镜 134 时， 激光束撞击的位置沿着如图所示的 Y 轴方向 ( 图 2 中， Y 轴垂直于纸面 ) 移动， 从而改变作业点的位置。

　　因此， 通过根据工件的作业点的三维坐标控制 ( 移动 ) 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134， 能够控制激光束以完成对工件的精确的激光焊接， 该工件的作业点 在三维变化。

　　当作业点的位置只在 Z 轴方向稍微改变时， 如果照射在作业点上的激光束的输出 强度只在预定的范围内变化， 则没有必要移动扩展透镜 123。

　　由于设置于第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 的表面涂层的状态的效果， 第一扫 描镜 132 和第二扫描镜 134 关于激光的反射率根据反射角而变化。为了在作业点获得必要的激光输出强度， 反射角限制在预定的角度范围内。该角度范围一般为大约 ±10 度。

　　交流伺服电机 124 起驱动扩展透镜 123 的作用， 交流伺服电机 133 起驱动第一扫 描镜 132 的作用， 交流伺服电机 135 起驱动第二扫描镜 134 的作用， 为了确认和保证能快速且精 确地控制扩展透镜 123 和扫描镜 132 和 134， 交流伺服电机 124、 交流伺服电机 133 和交流 伺服电机 135 都设计成与用于驱动多轴机器人 110 的臂的交流伺服电机相比具有低的惯性 比和高的分辨率。 因此， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 能快速移动， 并 且激光束能够精确地照射于作业点。结果， 可提升焊接质量， 还可以减少扫描器 120 的 光学系统的尺寸、 重量和成本。

　　交流伺服电机 124 通过滚珠丝杆 125 连接至扩展透镜 123， 该滚珠丝杆 125 起具有 大减速比的减速器的作用。交流伺服电机 124 非常快速且高精度地移动扩展透镜 123。因 此， 交流伺服电机 124 具有低惯性比和高分辨率。类似地， 交流伺服电机 133 的旋转轴通过 具有大减速比的减速器 133A 连接至第一扫描镜 132， 并且交流伺服电机 135 的旋转轴通过 具有大减速比的交流伺服电机 135A 连接至第二扫描镜 134。因此， 为了快速且精确地移动 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134， 交流伺服电机 133 和交流伺服电机 135 必需具有低惯性 比和高分辨率。 因此， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 中的每个都通过具有高减 速比的减速器连接至交流伺服电机的旋转轴。因此， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二 扫描镜 134 能快速地响应交流伺服电机的操作， 且激光束能够以精确的方式照射到作业 点上。结果， 可提升焊接质量， 还可以减少扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。

　　更 具 体 地 说， 激 光 束 必 需 以 10-150mm/s 的 速 度 沿 着 每 个 作 业 点 扫 描， 并以 3000-6000mm/s 的速度在作业点之间移动。 为满足这些需求， 扫描器 120 的交流伺服电机 具有比多轴机器人 110 的交流伺服电机优越得多的加速 / 减速性能和分辨率。

　　为了达到这种高加速 / 减速性能， 需要扫描器 120 的交流伺服电机在加速或减速 期间经历极小的惯量。更具体地说， 相对于接近 3 ∶ 1 的正常的惯性比， 该惯性比必须是 1 ∶ 1 或更小。

　　同时， 为了达到高分辨率， 扫描器 120 的每个交流伺服电机通过具有高减速比的 减速器连接， 因为如果只使用一个通常的光学编码器， 则相对于作业点的分辨率是不够的。 当用这种减速器时， 必须尽可能地减少该减速器的摩擦效果。 因此， 减速器的减速比设定 成使得每个交流伺服电机的最大额定旋转速度对应于作业点的 3000-6000mm/s 的激光束 移动速度。

　　多轴机器人 110 中使用的电机和扫描器 120 中使用的电机都是交流伺服电机。仅 使用交流伺服电机能使待使用的命令集 (set of command) 更加统一。结果， 可使用单个 中央处理器 160 以相同的控制速度和相同的控制循环时间来控制机器人控制装置 140 和扫 描器控制装置 150。

　　更具体地说， 根据中央处理器 160 发出的操作 ( 移动 ) 命令， 机器人控制装置 140 能够控制多轴机器人 110 的移动， 使得多轴机器人 110 以精确方式按照预示教路径走线。 同 时， 根据中央处理器 160 发出的操作命令， 扫描器控制装置 150 能够控制扫描器 120， 使得激 光束照射的位置可根据预存储的作业点路径走线。简而言之， 多轴机器人 110 和扫描器 120 的任务能够轻易地分开， 使得扫描器 120 的位置由机器人控制装置 140 控制， 并且作业

　　点由扫描器 120 走线。通过按此方式分割任务， 多轴机器人 110 和扫描器 120 各自的任务 得以清晰地定义， 并且多轴机器人 110 和扫描器 120 的性能特征能够专门化， 以便达到最佳 的装置结构。

　　由于中央处理器 160 在相同的控制循环时间和相同的时点向机器人控制装置 140 和扫描器控制装置 150 发出操作命令， 所以用于多轴机器人 110 的示教路径的命令和用于 扫描器 120 的作业点路径的命令得以同步。结果， 可以在操作多轴机器人 110 的同时容易 地操作扫描器 120， 并且即使工件具有复杂的三维形状也能完成精确、 高速的激光焊接。

　　图 3 是图示扩展透镜 123 的移动距离和聚焦透镜 131 到作业点的距离之间的关系 的曲线 中， 上面的曲线mm 的焦距 (f ＝ 1000mm) 时获得的关系， 而下面的曲线mm 的焦距 (f ＝ 800mm) 时获得 的关系。从图 3 中能清楚地看出， 扩展透镜 123 的移动距离和聚焦透镜 131 到作业点的 距离之间的关系能够近似地使用二次曲线来逼近。无论是使用了具有 1000mm 焦距 (f ＝ 1000mm) 的扩展透镜 123 还是使用了具有 800mm 焦距 (f ＝ 800mm) 的扩展透镜 123， 这都成 立。两个扩展透镜 123 都具有近似 1mm 的焦距误差。

　　如果从光纤 122 射出的激光束的射束质量是 5-20mm-mrad， 则在作业点附近能够 获得 2-5mm 的焦点深度。结果， 二次曲线近似导致的焦点位置的误差基本上对激光焊接没 有影响。 因此， 如果扫描器 120 的坐标系的原点设置于聚焦透镜 131( 在光学系统中是被固 定着的元件 )， 则当焦点距离通过移动扩展透镜 123 而变化时， 能够使用二次曲线来近似焦 点距离。在本实施例中， 鉴于焦点距离能够使用二次曲线 的坐标系的原 点设置于聚焦透镜 131 和激光束的光轴之间的交点。

　　即使移动了第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134， 焦点距离也能够使用二次曲线来 近似。由于能够使用二次曲线来近似焦点距离， 使得将多轴机器人 110 定位在示教路径上 更加容易， 以及将从扫描器 120 射出的激光束定位到作业点上更加容易， 因为扫描器 120 的 三个轴相对于作业点的位置能够线性计算。通过线性计算， 能够使用反馈控制容易地实时 控制这些轴。

　　关于多轴机器人 110， 必须使用正向运动学和逆向运动学来执行反馈控制， 以便知 道作业端的当前位置。当设定扫描器 120 的坐标系的原点于固定于光学系统内的聚焦透 镜 131 上时， 使用逆向运动学能够在单个计算中精确地计算多轴机器人 110 的作业端的当 前位置， 即在单个计算中获得分析结果。因此， 减少了由机器人控制装置 140 承担的计算负 载。

　　反之， 如果扫描器 120 的坐标系的原点设置于非固定于光学系统内的元件， 例如， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 或第二扫描镜 134， 则分析结果不能在单个计算中获得， 且作 业端的当前位置不能使用单个计算获得。反而， 机器人控制装置 140 必须使用重复的正向 运动学和逆向运动学计算来执行反馈控制。因此， 增加了由机器人控制装置 140 承担的计 算负载， 并且降低了执行高速焊接作业的能力。

　　现在参考图 4 所示的流程图和图 5 所示的草图解释根据本实施例的激光焊接设备 的操作。图 4 为根据本实施例的激光焊接设备执行的控制操作的流程图， 而图 5 是用于解 释图 4 所示的流程图表示的控制过程的草图。

　　操作流程基于这样的假设 ： 已经示教了多轴机器人 110 的移动路径和扫描器 120 的作业点路径。现在简要地解释示教多轴机器人 110 的路径和扫描器 120 的作业点路径的 过程。

　　驱动多轴机器人 110 的臂时要求的移动速度和响应完全不同于驱动扫描器 120 的 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 时要求的移动速度和响应。因此， 将用于 经过作业点的路径示教给多轴机器人 110， 且将用于照射激光束到作业点上的作业点路径 示教给扫描器 120。

　　多轴机器人 110 的移动路径和扫描器 120 的作业点路径被分别示教并存储于中央 处理器 160。

　　现在将参考图 5 详细解释示教移动路径和作业点路径的过程。首先， 将移动路径 的起始点 P1 示教给多轴机器人 110， 并且将作业点路径的起始点 W1 示教给扫描器 120。接 着， 将移动位置 ( 点 )P2 和用于从点 P1 移动到点 P2 的移动速度 V1 示教给多轴机器人 110。 与此同时， 将扫描器 120 走线的作业点的路径 M( 图 5 所示的半圆路径 )、 终止点 W2 和作业 ( 激光束移动 ) 速度 V 示教给扫描器 120。

　　多轴机器人 110 从点 P1 移动到点 P2 的速度 V1 设定成独立于扫描器 120 的作业 速度 V。优选地， 将移动速度 V1 和作业速度 V 设定成使得在多轴机器人 110 从点 P1 移动到 点 P2 的同时扫描器 120 完成激光焊接。 现在将根据图 4 的流程图解释根据本实施例的激光焊接设备的操作。

　　在步骤 S10 中， 中央处理器 160 从内部存储装置中获取用于多轴机器人 110 和扫 描器 120 的示教值。更具体地说， 中央处理器 160 获取用于多轴机器人 110 的起始点 P1、 终 止点 P2 和移动速度 V1， 所有的这些都提前存储于存储装置中。此外， 中央处理器 160 获取 用于扫描器 120 的起始点 W1、 终止点 W2 和作业速度 V， 所有的这些都提前存储于存储装置 中。

　　在步骤 S11 中， 中央处理器 160 根据从存储装置获得的用于多轴机器人 110 的示 教值创建用于多轴机器人 110 的示教移动路径。更具体地说， 中央处理器 160 创建对应于 机器人控制装置 140 的每个控制循环的通过点 ( 图 5 中以虚线 之间的三 个点 )。

　　在步骤 S12 中， 中央处理器 160 根据从存储装置获得的用于扫描器 120 的示教值 创建用于扫描器 120 的示教作业点路径。更具体地说， 中央处理器 160 创建对应于扫描器 控制装置 150 的每个控制循环的通过点 ( 图 5 中以虚线 之间的三个点 )。

　　在步骤 S13 中， 中央处理器 160 将用于多轴机器人 110 的移动路径的点配置成时 间序列， 并且将步骤 S12 中创建的用于扫描器 120 的工作点路径的点配置成时间序列。

　　在步骤 S14 中， 中央处理器 160 将用于多轴机器人 110 的移动路径的时间序列发 送到机器人控制装置 140， 并将用于扫描器 120 的示教路径的时间序列发送到扫描器控制 装置 150。

　　机器人控制装置 140 在相同的控制循环时间和相同的时点将从中央处理器 160 接 收的移动路径发送到多轴机器人 110， 从而使多轴机器人 110 沿着点 P1 和 P2 之间的移动路 径定位。同时， 扫描器控制装置 150 在相同的控制循环时间和相同的时点将从中央处理器 160 接收的作业点路径发送到扫描器 120， 从而使激光束沿着点 W1 和 W2 之间的作业点路径

　　扫描。换言之， 在作业点路径的点被发送到扫描器 120 的同时移动路径的点被发送到多轴 机器人 110， 使得多轴机器人 110 和扫描器 120 以同步方式移动。

　　如图 5 所示， 当激光束沿着作业点路径 M 从点 W1 移动到点 W2 时， 多轴机器人 110 只沿着移动路径从点 P1 移动到点 P’ 1， 并且在焊接完成后仍然在到达点 P2 之前还有一小 段距离。

　　在步骤 S15 中， 中央处理器 160 确定是否已经完成了整个移动路径和整个作业点 路径。如果还未完成整个移动路径和整个作业点路径 ( 步骤 S15 的结果为否 )， 则中央处 理器 160 继续执行步骤 S14。也就是说， 如果激光束还未从点 W1 移动到点 W2 并完成作业 点路径 M 的焊接， 并且多轴机器人 110 还未从移动路径的点 P1 移动到点 P2， 则中央处理器 160 继续执行步骤 S14。同时， 如果已经完成了整个移动路径和整个作业点路径 ( 步骤 S15 的结果为是 )， 则中央处理器 160 结束激光焊接。

　　由于扫描器的坐标系的原点设定成与激光束的光轴和光学系统的构成元件之中 的被固定着的元件之间的交点重合， 所以多轴机器人的控制更加简单， 并且该多轴机器人 能够精确地且高速地按照示教点走线。

　　由于多轴机器人是由机器人控制装置控制， 扫描器是由扫描器控制装置控制， 并 且机器人控制装置和扫描器控制装置被设计成在相同的控制循环时间和相同的时点发出 操作命令， 所以多轴机器人的操作 ( 移动 ) 和扫描器的操作是分别控制的， 但是这种操作能 够轻易地同步。结果， 该设备能够以高精度高速地完成激光焊接。

　　通过根据作业点的三维坐标控制 ( 移动 ) 扩展透镜和两个扫描镜， 能够控制激光 束在工件上完成精确的激光焊接， 该工件上的作业点在三维变化。

　　由于用于驱动扩展透镜和两个扫描镜的电机比用于驱动多轴机器人的臂的电机 具有低的惯性比和高的分辨率， 激光束能够以精确的方式照射在作业点上。 结果， 能够提高 焊接质量， 并且能够减少扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。

　　只使用交流伺服电机能够使待使用的命令集更加统一。结果， 能够使用单个中央 处理器以相同的控制速度和相同的控制循环时间来控制机器人控制装置和扫描器控制装 置。

　　扩展透镜和两个扫描镜中的每一个都通过具有高减速比的减速器连接至相应的 交流伺服电机的旋转轴。因此， 扩展透镜和两个扫描镜能够快速地响应交流伺服电机的操 作， 且激光束能够以精确的方式照射于作业点上。结果， 能够提高焊接质量， 并且能够减少 扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。

　　虽然只有选定的实施例才被选用来图示本发明， 但是本领域技术人员将从本公开清 晰地认识到， 在不脱离如所附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下， 能够进行各种修 改和变型。例如， 能够根据需要和 / 或期望来改变各种部件的尺寸、 形状、 位置或定向。显示为 直接连接或互相接触的部件能够在它们之间布置有中间结构。一个元件的功能能够由两个元 件执行， 反之亦然。没有必要在一个特定实施例中同时表现所有的优点。区别于现有技术的、 单独或结合其它特征的每个特征也应当被视为申请人的进一步发明的单独描述， 包括由这些 特征所实现的结构的和 / 或功能的概念。因此， 根据本发明的实施例的前述描述只是用于提供 示例， 并非用于限制由所附的权利要求书和它们的等同方案所限定的本发明的目的。

　　2、张会华 (54) 发明名称 激光焊接设备 (57) 摘要 提供一种激光焊接设备 (100)， 其设置有具 有臂的多轴机器人 (110) 和安装于该多轴机器人 的臂的末端的扫描器 (120)。扫描器 (120) 包括 用于将激光束照射到工件上的光学系统。扫描器 (120) 包括预设的坐标系， 该坐标系的原点与激 光束的光轴和光学系统的被固定着的元件 (131) 之间的交点重合。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.08.03 (86)PCT申请的申请数据 PCT/IB2010/000370 2010.02.24 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/103357。

　　3、 EN 2010.09.16 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 5 页 CN 102307704 A1/1 页 2 1. 一种激光焊接设备， 其包括 ： 多轴机器人， 其具有臂 ； 以及 扫描器， 其安装于所述多轴机器人的所述臂的末端， 所述扫描器包括用于将激光束照 射到工件上的光学系统， 所述扫描器包括预设的坐标系， 所述坐标系的原点与所述激光束的光轴和所述光学系 统的被固定着的元件之间的交点重合。 2. 根据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述光学系统的所述被固定着的元件是聚焦透镜。

　　4、。 3. 根据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述激光焊接设备还包括 ： 机器人控制装置， 其控制所述多轴机器人的操作以使所述臂沿着示教的移动路径移 动， 使得所述扫描器的坐标系的原点沿着所述示教的移动路径移动 ； 以及 扫描器控制装置， 其控制所述扫描器的所述光学系统的操作， 使得所述激光束照射到 所述工件的作业点。 4. 根据权利要求 3 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述激光焊接设备还包括 ： 中央处理器， 其发出操作命令， 使得所述机器人控制装置和所述扫描器控制装置以同 步的方式操作。 5. 根据权利要求 1 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述扫描器的所述。

　　5、光学系统还包括 ： 扩展透镜， 其通过沿着所述激光束的光轴方向移动来调节焦点距离 ； 准直透镜， 其准直从所述扩展透镜出来的所述激光束 ； 以及 一对扫描镜， 其使从所述准直透镜出来的所述激光束在所述工件上扫描。 6. 根据权利要求 5 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述扩展透镜连接至电机的旋转轴 ； 每个扫描镜都连接至电机的旋转轴 ； 以及 每个所述电机与用于驱动所述多轴机器人的所述臂的电机相比都具有低的惯性比和 高的分辨率。 7. 根据权利要求 6 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 驱动所述扩展透镜的电机和驱动所述扫描镜的电机都是交流伺服电机， 所述扩展透镜 和所述扫描镜中的每一个。

　　6、均通过具有高减速比的减速器连接至相应的一个交流伺服电机 的旋转轴。 8. 根据权利要求 5 所述的激光焊接设备， 其特征在于， 所述扫描器的所述光学系统使用线性近似来计算所述扩展透镜在所述激光束的所述 光轴方向上的移动量和计算所述焦点距离的改变量。 权 利 要 求 书 CN 102307697 A CN 102307704 A1/7 页 3 激光焊接设备 0001 相关申请的引用 0002 本申请要求于 2009 年 3 月 13 日提交的日本专利申请 No. 的优先权。 日本专利申请 No. 的全部公开通过引用包含于此。 技术领域 0003 本发明。

　　7、总体上涉及一种激光焊接设备， 该设备能够高速地完成激光焊接作业。更 具体地， 本发明涉及一种能够高速地完成激光焊接的激光焊接设备。 背景技术 0004 近年来， 在汽车工业中使用激光焊接来装配车身。该激光焊接是使用多轴机器人 来执行的， 该多轴机器人的末端 ( 作业端 ) 安装有扫描器。从该扫描器照射激光束。激 光焊接通常需要高速性能并且需要所照射的激光束具有很高的位置精度。例如， 日本特 开 号公报中公开了一种激光焊接设备， 该公报提出了通过操作与沿着两个轴 ( 方向 ) 移动的扫描器结合的多轴机器人来满足这些需求的技术。 发明内容 0005 人们发现关于上述专利公开。

　　8、中提出的技术， 扫描器的坐标系的原点设定成与扫描 镜的旋转中心轴线重合， 该扫描镜设计成在该扫描器的光路上沿着两个轴移动。多轴机器 人在任意时间都能够基于机器人的坐标系的原点来确定扫描器的坐标系的原点。 机器人控 制装置执行多轴机器人的臂以及扫描镜的角度和焦点距离的联合控制。 0006 因为扫描器的坐标系的原点设定为位于扫描镜的旋转轴上， 由于用于使扫描镜沿 两个轴线移动的移动部件的动作的影响和装配设备的精确程度的影响， 由多轴机器人确定 的扫描器坐标系的原点的位置有时候不同于扫描器坐标系的原点的实际位置。 如果发生这 种不同， 则激光撞击工件的位置将偏离实际想要瞄准的位置， 并且在激光焊接过。

　　9、程中激光 束的定位精度将下降。 0007 此外， 因为多轴机器人的臂以及扫描镜的角度和焦距都是由相同的机器人控制装 置控制的， 所以限制了激光焊接的高速性能并且难以高速地执行激光焊接。 0008 本发明的一个目的是提供一种能够高速地完成激光焊接作业的激光焊接设备。 0009 鉴于已知技术的状态， 本发明的一方面是提供一种激光焊接设备， 该激光焊接设 备包括 ： 多轴机器人， 其具有臂 ； 和扫描器， 其安装于所述多轴机器人的所述臂的末端。所 述扫描器包括用于将激光束照射到工件上的光学系统。所述扫描器包括预设的坐标系， 所 述坐标系的原点与所述激光束的光轴和所述光学系统的被固定着的元件之间的交点。

　　10、重合。 附图说明 0010 现在参考形成此原始公开的一部分的附图 ： 0011 图 1 为根据一个图示的实施例的激光焊接设备的简化示意图。 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A2/7 页 4 0012 图 2 为示出图 1 的扫描器的更多细节的简化示意图 ； 0013 图 3 为图示扩展透镜的移动距离和聚焦透镜到作业点 ( 激光束加工点 ) 的距离之 间的关系的曲线 为根据图示的实施例的激光焊接设备的中央处理器所执行的控制操作的流 程图 ； 以及 0015 图 5 为用于说明中央处理器在进行图 4 所示的操作流程时所执行的处理的草图。 。

　　11、具体实施方式 0016 现在将参考附图说明选用的实施例。 本领域技术人员将从本公开清楚地了解到以 下实施例的说明仅仅用于示例， 并非用于限制本发明， 本发明由所附的权利要求书和它们 的等同方案所限定。 0017 首先参考图 1， 示意性地图示了根据一个图示的实施例的激光焊接设备 100。激光 焊接设备 100 主要包括多轴机器人 110、 扫描器或激光加工头 120、 机器人控制装置 140、 扫 描器控制装置150和中央处理器160。 如图1所示， 多轴机器人110具有臂， 该臂具有多个关 节部(articulating section)。 多轴机器人110为六轴机器人(也称作 “多关节机器。

　　12、人” )， 关节部之间的关节限定六个运动轴。在关节部之间的每个关节的轴处设置电机 M( 例如， 交 流伺服电机 ) 和编码器 ( 未示出 )。因此， 多轴机器人 110 具有 6 个交流伺服电机 M( 图 1 中只表示出 4 个 ) 和 6 个自由度。多轴机器人 110 基于特有的机器人坐标系操作。结果， 通过改变多轴机器人 110 的位置的姿态， 臂的末端， 即， 激光加工头或扫描器 120 能够沿多 个方向移动。交流伺服电机 M 被构造并配置成旋转一定量， 该旋转量对应于机器人控制装 置 140 发出的命令中所指定的移动量。脉冲编码器输出的脉冲信号被进给到机器人控制单 元 52。不言而喻，。

　　13、 激光焊接设备 100 中使用的电机 M 和编码器并不受这些特定的装置的限 制， 还能够使用除伺服电机和脉冲编码器之外的装置。 0018 扫描器 120 构成激光焊接设备 100 的激光束照射部。扫描器 120 安装于多轴机器 人 110 的臂的作业端 112。配置扫描器 120 以使激光束照射到工件 ( 例如， 车门、 发动机罩、 行李舱或车的其它部件)的作业点170(激光照射位置)。 工件的被激光束撞击的部分被熔 化并焊接。扫描器 120 基于特有的扫描器坐标系操作。作业点 170 的坐标根据机器人坐标 系指定。因此， 扫描器 120 配备有用于精准地将激光束照射到作业点 170 的光学系。

　　14、统。通 过操作该光学系统， 激光束在 X 轴方向和 Y 轴方向 ( 机器人坐标系 ) 上扫描， 且激光束的焦 点位置可以在 Z 轴方向 ( 机器人坐标系 ) 上调整。扫描器 120 配备有三个交流伺服电机以 在三个方向， 即 X 轴方向、 Y 轴方向和 Z 轴方向 ( 扫描器坐标系 ) 上移动激光束。因此， 扫 描器 120 能够在三个方向上改变激光束的聚焦位置。随后将解释扫描器 120 在机器人坐标 系和扫描器坐标系之间的转换方法和扫描器 120 的构成特征的详细描述。 0019 机器人控制装置 140 将扫描器 120 的坐标系 ( 扫描器坐标系 ) 的原点设定成与下 面的交点重合 ： 该。

　　15、交点是激光束的光轴和扫描器 120 的光学系统的构成元件之中的固定于 该光学系统的元件之间的交点。通过将扫描器 120 的坐标系的原点设定成与激光束的光轴 和扫描器 120 的光学系统之中的固定于该光学系统的构成元件之间的交点重合， 并使用随 后描述的计算方法来执行在焦距方向上的控制， 能够使用线 的位 置。换言之， 使用线性近似来计算扩展透镜 (expenderlens)123( 随后描述 ) 在光路方向 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A3/7 页 5 上的移动量和焦点距离的改变量。结果， 能够关于作业点 170 更加容易地控制。

　　16、多轴机器人 110， 并且能够高速地完成高精度的焊接作业。因此， 多轴机器人 110 的控制更简单， 且该多 轴机器人 110 能够高速地并精确地沿示教点走线个交流伺服电机的操作， 使得扫描器120的坐标系的原点沿着多轴机器人110的提 前存储的示教路径通过。 0020 扫描器控制装置 150 控制扫描器 120 的光学系统的 3 个交流伺服电机的操作， 使 得从扫描器 120 射出的激光束精确地照射在工件的作业点 170 上。 0021 中央处理器 160 发送同步操作命令 ( 例如， 以相同的控制循环时间间隔和相同的 时点 ) 到机器人控。

　　17、制装置 140 和扫描器控制装置 150。机器人控制装置 140 和扫描器控制 装置 150 以相同的控制速度和相同的控制循环时间处理来自中央处理器 160 的操作命令。 按此方式， 多轴机器人 110 和扫描器 120 平行操作， 就好像它们由单个控制装置驱动一样。 0022 图 2 是示出图 1 的扫描器 120 的更多细节的示意图。扫描器 120 包括光纤 122、 扩 展透镜 123、 焦点位置调节装置 126。焦点位置调节装置 126 配备有用于驱动扩展透镜 123 的交流伺服电机 124 和滚珠丝杠 125。扫描器 120 还包括准直透镜 128、 反射镜 130、 聚焦透 镜 1。

　　18、31 和激光束扫描装置 136。激光束扫描装置 136 配备有第一扫描镜 132、 用于旋转第一 扫描镜132的交流伺服电机133、 第二扫描镜134和用于旋转第二扫描镜134的交流伺服电 机 135。光纤 122 配置并构造成向扩展透镜 123 照射激光束。该激光束由激光振荡器 ( 未 示出 ) 产生。 0023 焦点位置调节装置 126 起沿着激光束的光轴方向 ( 图 2 中以箭头示出的竖直方 向 ) 移动扩展透镜 123 的作用。该扩展透镜 123 配置成沿着激光束的光轴方向移动并起调 节焦距的作用。从光纤 122 射出的激光束的扩散角根据扩展透镜的位置而改变。结果， 改 变了激光束的焦。

　　19、距， 并且作业点沿着图 2 所示的 Z 轴方向移动。扩展透镜 123 由交流伺服 电机 124 和滚珠丝杆 125 移动。 0024 准直透镜 128 起准直经过扩展透镜 123 的扩散激光束的作用。反射镜 130 使从准 直透镜 128 射出的准直的激光束改向成朝着激光束扫描装置 136。在激光束扫描装置 136 中， 从反射镜 130 到达的激光束首先被第一扫描镜 132 反射， 然后被第二扫描镜 134 反射， 从而指向作业点。 第一扫描镜132连接至交流伺服电机133的旋转轴， 使得第一扫描镜132 能够通过交流伺服电机 133 绕旋转轴的旋转中心轴线转动。当转动第一扫描镜 132 时。

　　20、， 激 光束撞击的位置沿着图 2 所示的 X 轴方向移动， 从而改变作业点的位置。第二扫描镜 134 连接至交流伺服电机 135 的旋转轴， 使得第二扫描镜 134 能够通过交流伺服电机 135 绕旋 转轴的旋转中心轴线转动。当转动第二扫描镜 134 时， 激光束撞击的位置沿着如图所示的 Y 轴方向 ( 图 2 中， Y 轴垂直于纸面 ) 移动， 从而改变作业点的位置。 0025 因此， 通过根据工件的作业点的三维坐标控制 ( 移动 ) 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134， 能够控制激光束以完成对工件的精确的激光焊接， 该工件的作业点 在三维变化。 0026 当作业点。

　　21、的位置只在 Z 轴方向稍微改变时， 如果照射在作业点上的激光束的输出 强度只在预定的范围内变化， 则没有必要移动扩展透镜 123。 0027 由于设置于第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 的表面涂层的状态的效果， 第一扫 描镜 132 和第二扫描镜 134 关于激光的反射率根据反射角而变化。为了在作业点获得必要 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A4/7 页 6 的激光输出强度， 反射角限制在预定的角度范围内。该角度范围一般为大约 10 度。 0028 交流伺服电机 124 起驱动扩展透镜 123 的作用， 交流伺服电机 133 起驱动第一扫 描镜 13。

　　22、2 的作用， 交流伺服电机 135 起驱动第二扫描镜 134 的作用， 为了确保能够快速且精 确地控制扩展透镜 123 和扫描镜 132 和 134， 交流伺服电机 124、 交流伺服电机 133 和交流 伺服电机135都设计成与用于驱动多轴机器人110的臂的交流伺服电机相比具有低的惯性 比和高的分辨率。 因此， 扩展透镜123、 第一扫描镜132和第二扫描镜134能够快速移动， 并 且激光束能够精确地照射于作业点。结果， 能够提高焊接质量， 并且能够减少扫描器 120 的 光学系统的尺寸、 重量和成本。 0029 交流伺服电机124通过滚珠丝杆125连接至扩展透镜123， 该滚珠丝杆125起。

　　23、具有 大减速比的减速器的作用。交流伺服电机 124 非常快速且高精度地移动扩展透镜 123。因 此， 交流伺服电机 124 具有低惯性比和高分辨率。类似地， 交流伺服电机 133 的旋转轴通过 具有大减速比的减速器 133A 连接至第一扫描镜 132， 并且交流伺服电机 135 的旋转轴通过 具有大减速比的交流伺服电机 135A 连接至第二扫描镜 134。因此， 为了快速且精确地移动 第一扫描镜132和第二扫描镜134， 交流伺服电机133和交流伺服电机135必需具有低惯性 比和高分辨率。 0030 因此， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 中的每个都通过具有高减 。

　　24、速比的减速器连接至交流伺服电机的旋转轴。因此， 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二 扫描镜 134 能够快速地响应交流伺服电机的操作， 且激光束能够以精确的方式照射到作业 点上。结果， 能够提高焊接质量， 并且能够减少扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。 0031 更具体地说， 激光束必需以 10-150mm/s 的速度沿着每个作业点扫描， 并以 3000-6000mm/s的速度在作业点之间移动。 为了满足这些需求， 扫描器120的交流伺服电机 具有比多轴机器人 110 的交流伺服电机优越得多的加速 / 减速性能和分辨率。 0032 为了达到这种高加速 / 减速性能， 需要扫描器。

　　25、 120 的交流伺服电机在加速或减速 期间经历极小的惯量。更具体地说， 相对于接近 3 1 的正常的惯性比， 该惯性比必须是 1 1 或更小。 0033 同时， 为了达到高分辨率， 扫描器 120 的每个交流伺服电机通过具有高减速比的 减速器连接， 因为如果只使用一个通常的光学编码器， 则相对于作业点的分辨率是不够的。 当使用这种减速器时， 必须尽可能地减少该减速器的摩擦效果。 因此， 减速器的减速比设定 成使得每个交流伺服电机的最大额定旋转速度对应于作业点的 3000-6000mm/s 的激光束 移动速度。 0034 多轴机器人 110 中使用的电机和扫描器 120 中使用的电机都是交流伺服。

　　26、电机。仅 使用交流伺服电机能使待使用的命令集 (set of command) 更加统一。结果， 能够使用单个 中央处理器160以相同的控制速度和相同的控制循环时间来控制机器人控制装置140和扫 描器控制装置 150。 0035 更具体地说， 根据中央处理器 160 发出的操作 ( 移动 ) 命令， 机器人控制装置 140 能够控制多轴机器人110的移动， 使得多轴机器人110以精确方式按照预示教路径走线。 同 时， 根据中央处理器160发出的操作命令， 扫描器控制装置150能够控制扫描器120， 使得激 光束照射的位置可以按照预存储的作业点路径走线。简而言之， 多轴机器人 110 和扫描器 。

　　27、120 的任务能够轻易地分开， 使得扫描器 120 的位置由机器人控制装置 140 控制， 并且作业 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A5/7 页 7 点由扫描器 120 走线。通过按此方式分割任务， 多轴机器人 110 和扫描器 120 各自的任务 得以清晰地定义， 并且多轴机器人110和扫描器120的性能特征能够专门化， 以便达到最佳 的装置结构。 0036 由于中央处理器 160 在相同的控制循环时间和相同的时点向机器人控制装置 140 和扫描器控制装置 150 发出操作命令， 所以用于多轴机器人 110 的示教路径的命令和用于 扫描器 120 的作业。

　　28、点路径的命令得以同步。结果， 可以在操作多轴机器人 110 的同时容易 地操作扫描器 120， 并且即使工件具有复杂的三维形状也能完成精确、 高速的激光焊接。 0037 图 3 是图示扩展透镜 123 的移动距离和聚焦透镜 131 到作业点的距离之间的关系 的曲线 中， 上面的曲线mm) 时获得的关系， 而下面的曲线mm) 时获得 的关系。从图 3 中可以清晰地看出， 扩展透镜 123 的移动距离和聚焦透镜 131 到作业点的 距离之间的关系能够近似地使用。

　　29、二次曲线来逼近。无论是使用了具有 1000mm 焦距 (f 1000mm) 的扩展透镜 123 还是使用了具有 800mm 焦距 (f 800mm) 的扩展透镜 123， 这都成 立。两个扩展透镜 123 都具有近似 1mm 的焦距误差。 0038 如果从光纤 122 射出的激光束的射束质量是 5-20mm-mrad， 则在作业点附近能够 获得 2-5mm 的焦点深度。结果， 二次曲线近似导致的焦点位置的误差基本上对激光焊接没 有影响。 0039 因此， 如果扫描器120的坐标系的原点设置于聚焦透镜131(在光学系统中是被固 定着的元件 )， 则当焦点距离通过移动扩展透镜 123 而变化时， 。

　　30、能够使用二次曲线来近似焦 点距离。在本实施例中， 鉴于焦点距离能够使用二次曲线 的坐标系的原 点设置于聚焦透镜 131 和激光束的光轴之间的交点。 0040 即使移动了第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134， 焦点距离也能够使用二次曲线来 近似。由于能够使用二次曲线来近似焦点距离， 使得将多轴机器人 110 定位在示教路径上 更加容易， 以及将从扫描器120射出的激光束定位到作业点上更加容易， 因为扫描器120的 三个轴相对于作业点的位置能够线性计算。通过线性计算， 能够使用反馈控制容易地实时 控制这些轴。 0041 关于多轴机器人 110， 必须使用正向运动学和逆向。

　　31、运动学来执行反馈控制， 以便知 道作业端的当前位置。当设定扫描器 120 的坐标系的原点于固定于光学系统内的聚焦透 镜 131 上时， 使用逆向运动学能够在单个计算中精确地计算多轴机器人 110 的作业端的当 前位置， 即在单个计算中获得分析结果。因此， 减少了由机器人控制装置 140 承担的计算负 载。 0042 反之， 如果扫描器 120 的坐标系的原点设置于非固定于光学系统内的元件， 例如， 扩展透镜123、 第一扫描镜132或第二扫描镜134， 则分析结果不能在单个计算中获得， 且作 业端的当前位置不能使用单个计算获得。反而， 机器人控制装置 140 必须使用重复的正向 运动学和逆向运。

　　32、动学计算来执行反馈控制。因此， 增加了由机器人控制装置 140 承担的计 算负载， 并且降低了执行高速焊接作业的能力。 0043 现在参考图4所示的流程图和图5所示的草图解释根据本实施例的激光焊接设备 的操作。图 4 为根据本实施例的激光焊接设备执行的控制操作的流程图， 而图 5 是用于解 释图 4 所示的流程图表示的控制过程的草图。 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A6/7 页 8 0044 操作流程基于这样的假设 ： 已经示教了多轴机器人 110 的移动路径和扫描器 120 的作业点路径。现在简要地解释示教多轴机器人 110 的路径和扫描器 120 的作。

　　33、业点路径的 过程。 0045 驱动多轴机器人110的臂时要求的移动速度和响应完全不同于驱动扫描器120的 扩展透镜 123、 第一扫描镜 132 和第二扫描镜 134 时要求的移动速度和响应。因此， 将用于 经过作业点的路径示教给多轴机器人 110， 且将用于照射激光束到作业点上的作业点路径 示教给扫描器 120。 0046 多轴机器人110的移动路径和扫描器120的作业点路径被分别示教并存储于中央 处理器 160。 0047 现在将参考图 5 详细解释示教移动路径和作业点路径的过程。首先， 将移动路径 的起始点 P1 示教给多轴机器人 110， 并且将作业点路径的起始点 W1 示教给扫描器 。

　　34、120。接 着， 将移动位置 ( 点 )P2 和用于从点 P1 移动到点 P2 的移动速度 V1 示教给多轴机器人 110。 与此同时， 将扫描器 120 走线的作业点的路径 M( 图 5 所示的半圆路径 )、 终止点 W2 和作业 ( 激光束移动 ) 速度 V 示教给扫描器 120。 0048 多轴机器人 110 从点 P1 移动到点 P2 的速度 V1 设定成独立于扫描器 120 的作业 速度 V。优选地， 将移动速度 V1 和作业速度 V 设定成使得在多轴机器人 110 从点 P1 移动到 点 P2 的同时扫描器 120 完成激光焊接。 0049 现在将根据图 4 的流程图解释根据本实施。

　　35、例的激光焊接设备的操作。 0050 在步骤 S10 中， 中央处理器 160 从内部存储装置中获取用于多轴机器人 110 和扫 描器 120 的示教值。更具体地说， 中央处理器 160 获取用于多轴机器人 110 的起始点 P1、 终 止点 P2 和移动速度 V1， 所有的这些都提前存储于存储装置中。此外， 中央处理器 160 获取 用于扫描器 120 的起始点 W1、 终止点 W2 和作业速度 V， 所有的这些都提前存储于存储装置 中。 0051 在步骤 S11 中， 中央处理器 160 根据从存储装置获得的用于多轴机器人 110 的示 教值创建用于多轴机器人 110 的示教移动路径。更具体。

　　36、地说， 中央处理器 160 创建对应于 机器人控制装置 140 的每个控制循环的通过点 ( 图 5 中以虚线 之间的三 个点 )。 0052 在步骤 S12 中， 中央处理器 160 根据从存储装置获得的用于扫描器 120 的示教值 创建用于扫描器 120 的示教作业点路径。更具体地说， 中央处理器 160 创建对应于扫描器 控制装置 150 的每个控制循环的通过点 ( 图 5 中以虚线 之间的三个点 )。 0053 在步骤 S13 中， 中央处理器 160 将用于多轴机器人 110 的移动路径的点配置成时 间序列， 并且将步骤 S12 中创建的。

　　37、用于扫描器 120 的工作点路径的点配置成时间序列。 0054 在步骤 S14 中， 中央处理器 160 将用于多轴机器人 110 的移动路径的时间序列发 送到机器人控制装置 140， 并将用于扫描器 120 的示教路径的时间序列发送到扫描器控制 装置 150。 0055 机器人控制装置140在相同的控制循环时间和相同的时点将从中央处理器160接 收的移动路径发送到多轴机器人110， 从而使多轴机器人110沿着点P1和P2之间的移动路 径定位。同时， 扫描器控制装置 150 在相同的控制循环时间和相同的时点将从中央处理器 160 接收的作业点路径发送到扫描器 120， 从而使激光束沿着点 W1。

　　38、 和 W2 之间的作业点路径 说 明 书 CN 102307697 A CN 102307704 A7/7 页 9 扫描。换言之， 在作业点路径的点被发送到扫描器 120 的同时移动路径的点被发送到多轴 机器人 110， 使得多轴机器人 110 和扫描器 120 以同步方式移动。 0056 如图 5 所示， 当激光束沿着作业点路径 M 从点 W1 移动到点 W2 时， 多轴机器人 110 只沿着移动路径从点 P1 移动到点 P 1， 并且在焊接完成后仍然在到达点 P2 之前还有一小 段距离。 0057 在步骤 S15 中， 中央处理器 160 确定是否已经完成了整个移动路径和整个作业点 路径。。

　　39、如果还未完成整个移动路径和整个作业点路径 ( 步骤 S15 的结果为否 )， 则中央处 理器 160 继续执行步骤 S14。也就是说， 如果激光束还未从点 W1 移动到点 W2 并完成作业 点路径 M 的焊接， 并且多轴机器人 110 还未从移动路径的点 P1 移动到点 P2， 则中央处理器 160 继续执行步骤 S14。同时， 如果已经完成了整个移动路径和整个作业点路径 ( 步骤 S15 的结果为是 )， 则中央处理器 160 结束激光焊接。 0058 利用根据本实施例的激光焊接设备能轻松的获得的一些可能的效果列出如下。 0059 由于扫描器的坐标系的原点设定成与激光束的光轴和光学系统的构成元件。

　　40、之中 的被固定着的元件之间的交点重合， 所以多轴机器人的控制更加简单， 并且该多轴机器人 能够精确地且高速地按照示教点走线 由于多轴机器人是由机器人控制装置控制， 扫描器是由扫描器控制装置控制， 并 且机器人控制装置和扫描器控制装置被设计成在相同的控制循环时间和相同的时点发出 操作命令， 所以多轴机器人的操作(移动)和扫描器的操作是分别控制的， 但是这种操作能 够轻易地同步。结果， 该设备能够以高精度高速地完成激光焊接。 0061 通过根据作业点的三维坐标控制 ( 移动 ) 扩展透镜和两个扫描镜， 能够控制激光 束在工件上完成精确的激光焊接， 该工件上的作业点在三维变化。 0062。

　　41、 由于用于驱动扩展透镜和两个扫描镜的电机比用于驱动多轴机器人的臂的电机 具有低的惯性比和高的分辨率， 激光束能够以精确的方式照射在作业点上。 结果， 能够提高 焊接质量， 并且能够减少扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。 0063 只使用交流伺服电机能够使待使用的命令集更加统一。结果， 可使用单个中央 处理器以相同的控制速度和相同的控制循环时间来控制机器人控制装置和扫描器控制装 置。 0064 扩展透镜和两个扫描镜中的每一个都通过具有高减速比的减速器连接至相应的 交流伺服电机的旋转轴。因此， 扩展透镜和两个扫描镜能够快速地响应交流伺服电机的操 作， 且激光束能够以精确的方式照射于作业点上。。

　　42、结果， 可提升焊接质量， 还可以减少 扫描器的光学系统的尺寸、 重量和成本。 0065 虽然只有选定的实施例才被选用来图示本发明， 但是本领域技术人员将从本公开清 晰地认识到， 在不脱离如所附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下， 可以有效的进行各种修 改和变型。例如， 可以依据需要和/或期望来改变各种部件的尺寸、 形状、 位置或定向。显示为 直接连接或互相接触的部件能够在它们之间布置有中间结构。一个元件的功能能够由两个元 件执行， 反之亦然。没有必要在一个特定实施例中同时表现所有的优点。区别于现存技术的、 单独或结合其它特征的每个特征也应当被视为申请人的进一步发明的单独描述， 包括由这些 。