專利名稱：焊接控制系統的制作方法
技術領域：
本文中所公開的標的物涉及一種焊接控制系統，且更具體而言，涉及一種用于根 據立體焊珠可視化(Stereoscopic bead visualization)來調整焊接參數的系統。
背景技術：
在自動焊接操作期間，可能會由于不正確的焊機設置而形成缺陷。例如，對于特定 的焊接操作，可能沒有正確配置焊機的輸出功率、材料向焊接區中的饋送速率及/或焊機 相對于工件的速度。這些不正確的設置可造成不令人滿意的焊珠。例如，焊珠可能會不具 有正確的高度、寬度及/或在工件中的穿透深度。此外，焊機可能會耗損焊接區周圍的工件 材料-此種情況被稱為咬邊(undercut)。這些缺陷可降低焊接品質，從而導致接縫較弱。 此外，可執行額外的費時且成本昂貴的修整工序來糾正缺陷。因此，可能期望監測焊珠熔敷 并自動調整焊機參數，以補償所檢測到的缺陷。
發明內容
在下文中，對與最初所主張的本發明的范圍內相對應的某些實施例進行概述。這 些實施例并非用以限制所主張的本發明的范圍，相反，這些實施例僅旨在提供對本發明的 可能形式的簡要概述。實際上，本發明可囊括可能與下文中所提出的實施例類似或不同的 各種形式。在第一實施例中，一種系統包括焊機，該焊機配置成用以在工件上熔敷焊珠。該系 統還包括多個照相機，多個照相機指向焊珠并配置成用以各自產生圖像。此外，該系統包括 控制器，該控制器配置成用以從這些圖像產生焊珠的立體圖像并根據立體圖像調整焊珠熔 敷的參數。在第二實施例中，一種系統包括焊接控制器，該焊接控制器配置成用以從指向熔 敷區的多個觀察點接收圖像。該焊接控制器還配置成用以根據對這些圖像的差別分析，控 制影響熔敷的參數。在第三實施例中，一種系統包括多個照相機，多個照相機指向工件并配置成用以 產生工件上的焊接區的相應圖像。該系統還包括控制器，該控制器配置成用以根據這些圖 像而產生焊接區的三維圖像。該控制器還配置成用以根據三維圖像，調整影響焊接區內焊 珠的形成的參數。
在參照附圖閱讀下文中的詳細說明后，將能更好地理解本發明的這些及其它特 征、方面及優點，在全部圖式中，相同的符號代表相同的部件，在圖式中圖1為根據本技術某些實施例的具有立體視覺系統的自動焊接系統的方塊圖，立 體視覺系統配置成用以根據焊珠可視化來調整焊接參數；圖2為根據本技術某些實施例的圖1所示自動焊接系統的方塊圖，在該自動焊接系統中，焊接激光器及光源的輸出通過物鏡而指向焊接區；圖3為根據本技術某些實施例的兩個照相機的示意圖，這兩個照相機指向焊接區 并配置成用以確定焊珠高度；圖4為根據本技術某些實施例的圖2所示自動焊接系統的方塊圖，該自動焊接系 統包括指向焊接區的相反側的額外照相機及光源；圖5為根據本技術某些實施例的用于根據焊接區的立體圖像來操作自動焊機的 方法的流程圖；圖6為根據本技術某些實施例的用于檢測焊接缺陷及/或焊珠特性的方法的流程 圖；以及圖7為根據本技術某些實施例的用于調整影響焊珠熔敷的參數的方法的流程圖。元件符號列表100:自動焊接系統104:焊機107 焊接區110:第二照相機114:第一定位機構118:控制器122: 二 向色鏡124 第二反射鏡126 物鏡128 第一照相機鏡頭130 第二照相機鏡頭132 第一照相機的光敏元件133 第二照相機與焊珠之間的距離134 第二照相機的光敏元件135 從焊珠高度處的點發射的光線136 工件中的咬邊137 從焊珠基部處的點發射的光線138 照相機140 照相機142 光源143 方法流程圖144 從多個照相機捕獲焊接區的圖像146 產生立體/三維/差別圖像148 檢測焊接缺陷及/或焊珠特性150 調整影響焊珠熔敷的參數152 確定焊珠高度154 確定焊珠寬度156:檢測工件中的咬邊158:確定焊珠溫度160 確定焊珠成分162 確定焊珠穿透深度
102 工件 106 焊珠 108 第一照相機 112 光源
116 第二定位機構
120 焊接激光器
123 二向色鏡的反射表面
125 第二反射鏡的反射表面
127 第一照相機與工件之間的角度
129 第二照相機與工件之間的角度
131 第一照相機與焊珠之間的距離
164 調整焊機輸出功率166 調整焊機相對于工件的速度168 調整材料向焊接區中的饋送速率
具體實施例方式在下文中，將對本發明的一個或多個特定實施例進行說明。為提供對這些實施例 的簡明說明，在說明書中可能不會對實際實現方式的所有特征進行說明。應了解，在任何這 種實際實現方式的開發中，如在任何工程或設計項目中一樣，必須做出大量針對具體實現 方式的決定以實現開發者的具體目的，例如符合與系統相關的及與商業相關的限制條件， 而這可隨實現方式的不同而不同。此外，應了解，這種開發努力可能是復雜且費時的，但是 對于受益于本發明的一般技術人員，卻是進行設計、制作及制造的例行程序。當介紹本發明各實施例的元件時，冠詞“一(a或an)”、“該(the或said) ”旨在表 示存在這些元件中的一者或多者。用語“包括(comprising)”、“包含(including) ”及“具 有(having)”旨在為包括性的且表示除所列元件外可能還存在額外的元件。本公開內容的實施例可通過立體地觀察焊接區以及根據所檢測到的缺陷及/或 焊珠特性調整焊接參數，來增強與自動焊接系統相關的焊接品質。具體而言，自動焊接系統 可包括配置成用以將焊珠熔敷到工件上的焊機。在某些實施例中，光源可配置成用以照射 焊接區。多個照相機可指向焊珠并配置成用以輸出焊珠形成的圖像。照相機可以通信方式 耦合至控制器，控制器配置成用以從輸出圖像產生焊珠的立體圖像或三維圖像。或者，控制 器可配置成用以對輸出圖像執行差別分析，以計算焊珠的各種幾何特性。例如，控制器可配 置成用以計算焊珠的高度及/或寬度。此外，控制器可配置成用以檢測與焊接區鄰近的工 件材料中的咬邊。在某些實施例中，第二組多個照相機可定位在工件的相反側上，與焊機 相對。這些照相機也可指向焊珠并配置成用以輸出圖像至控制器。控制器可立體地分析 這些圖像，以計算焊珠在工件中的穿透深度。在其它實施例中，控制器可執行對圖像的光譜 分析，以確定焊珠的溫度及/或成分。根據幾何數據及光譜數據，控制器可調整焊珠熔敷參 數，以增強焊機性能及/或補償所檢測到的缺陷。例如，控制器可調整焊機輸出功率、焊機 相對于工件的速度及/或材料向焊接區中的饋送速率。換句話說，控制器可根據立體圖像 建立反饋回路，以增強對自動焊接系統的控制。圖1為具有立體視覺系統的自動焊接系統100的方塊圖，其配置成用以根據焊珠 可視化來調整焊接參數。具體而言，自動焊接系統100包括工件102及焊機104。焊機104 可配置成用以將焊珠106熔敷到工件102上。工件102可包含相鄰放置的兩件或更多件材 料(例如金屬、塑料等)。在某些實施例中，焊機104在同時將填充材料熔敷到焊接區107 中的時候加熱工件材料。熱量與所熔敷的填充材料的結合可形成焊珠106，并引起工件的構 成元件的熔合，從而形成焊接接縫。任何適當的焊機104均可包含于自動焊接系統100內。例如，焊機104可為電子 束焊機，在電子束焊機中，高速率電子沖擊工件。來自電子沖擊的動能可產生足夠的熱量以 使焊接區107內的材料熔化，從而將工件102的元件熔合在一起。或者，焊機104可為摩擦 攪動焊機(friction stir welder)，摩擦攪動焊機包括與工件的兩個對接板鄰近放置的旋 轉件(rotating bit)。因旋轉件貼靠工件102摩擦而產生的熱量可使每一個板的材料軟化，同時旋轉運動將軟化的材料混合在一起，從而形成熔合接縫。焊機104也可為超聲波焊 機，在超聲波焊機中，超聲波能量引起工件102中的材料軟化并與周圍材料混合而形成熔 合接縫。在其它實施例中，焊機104可為弧焊機，例如鎢極惰性氣體保護(tungsten inert gas ；TIG)焊機、金屬焊條惰性氣體保護(metal inert gas ；MIG)焊機、屏蔽金屬弧焊機 (shielded metal arc welder ；SMAW)、或焊劑芯弧焊機(flux-cored arc welder ；FCAff)以 及其它弧焊機。每一類型的弧焊機均采用與工件102之間形成電弧的電極。來自電弧的熱 量可使焊接區107內的工件材料熔化，同時額外填充材料(例如鋼、鋁、鈦等)被熔敷，從而 形成焊珠106。焊機104也可為氣焊機，氣焊機在存在氧化劑(例如液體氧氣或空氣)的情 況下燃燒燃料(例如乙炔、丁烷、丙烷等)來產生足夠熱量，以使焊接區107內的材料熔化 并形成熔合接縫。在某些實施例中，焊機104可為原子氫焊機，在原子氫焊機中，分子氫被 兩個電極之間的電弧分離成原子氫。由于氫重組，因而可釋放足夠的熱量以使工件材料熔 化。在自動焊接系統100中可采用的另一類型的焊機104是等離子焊機。等離子焊機通過 電弧加熱工作氣體，且然后以高的速度(例如接近聲音的速度)排出該氣體。一旦接觸，熱 的氣體便可使工件102的材料熔化，從而形成熔合接縫。在自動焊接系統100中可采用的 另一焊機104配置是焊接激光器。如下所詳細論述的那樣，從焊接激光器發出的輻射可被 集中(focus)到工件102上，從而使構成材料熔化并形成焊珠106。在某些實施例中，焊接 激光器可與另一焊機配置(例如等離子、TIG或MIG)相結合而形成激光混合焊機。這種結 合可提高例如焊接穿透深度及/或焊接速度。自動焊接系統100還包括至少第一照相機108及第二照相機110。兩個照相機108 及110均指向工件102上的焊珠106。如下所詳細論述的那樣，可將這些照相機108及110 的位置配置成獲得焊接區107的三維圖像或立體圖像。可通過結合從不同視角取得的兩個 二維圖像來形成立體圖像。具體而言，可將各二維圖像內的參考點的位置相比較，以計算各 參考點相對于照相機108及110的深度。這樣，可形成立體圖像，立體圖像包括各參考點的 三維位置。盡管在所例示的實施例中，照相機108及110是位于焊珠106的相對側上，但是 應了解，在替代實施例中，照相機108及110也可位于相同側上。此外，盡管在本實施例中 采用兩個照相機108及110，但是替代實施例也可包括更多個照相機(例如3個、4個、5個、 6個、7個、8個、9個、10個或更多個照相機)，以觀察焊接區107的不同視角。另外，照相機 108及110可為配置成用以提供工件102的單獨圖像的靜止照相機或能夠每秒捕捉多個圖 像的攝影機。例如，照相機108及110可采用電荷耦合器件(charge coupled device ；CCD) 或互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor ;CM0S)，以捕捉圖 像并輸出指示這些圖像的數字信號。在某些配置中，可提供至少一個光源112以照射焊接區107。光源112可為例如白 熾燈或熒光燈、一個或多個發光二極管(lightemitting diode ；LED)、或激光器(例如二極 管激光器)。在某些配置中，將光源112定位成與焊機104鄰近，使得光源112實質垂直于 焊珠106。這種配置可向每一照相機108及110提供有效照明，以獲得焊珠106的得到正確 照射的圖像。替代實施例可包括多個光源112，這多個光源112定位在與工件102鄰近的 各個位置處并指向焊珠106。例如，在某些實施例中，光源112可設置在每一照相機108及 110上并指向焊接區107。工件102可耦合至第一定位機構114，第一定位機構114配置成用以相對于焊機104移動(例如平移、旋轉或兩者)工件102。類似地，焊機104連同照相機108及110以 及光源112可耦合至第二定位機構116，第二定位機構116配置成用以相對于工件102移動 (例如平移、旋轉或兩者)焊機104。此配置可使焊機104能夠沿工件102的表面熔敷焊珠 106。如下所詳細論述的那樣，工件102相對于焊機104的速度可影響焊珠106的特性。焊機104、照相機108及110、光源112、以及定位機構114及116可以通信形式耦 合至控制器118。具體而言，控制器118可配置成用以從照相機108及110接收圖像，并根 據這些圖像調整焊機104及/或定位機構114及116的參數。例如，控制器118可配置成 用以使來自照相機108及110的圖像相結合，以形成焊接區107的立體圖像或三維圖像。 另外，控制器118可配置成用以對來自照相機108及110的圖像執行差別分析，以計算焊珠 106的幾何特性。此立體圖像、三維圖像或差別圖像可使控制器118能夠檢測焊接缺陷，例 如咬邊、不正確的焊珠高度、不正確的焊珠寬度及/或不正確的穿透深度。另外，控制器118 可配置成用以提供對來自照相機108及110的圖像的光譜分析，以確定焊珠106的溫度及 /或焊珠成分。然后，控制器118可調整焊機104及/或定位機構114及116的參數，以補 償所檢測到的缺陷或焊珠特性。例如，控制器118可調整焊機功率輸出及/或材料向焊珠 106中的饋送速率。另外，控制器118可通過定位機構114及/或116控制焊機相對于工 件102移動的速率。調整焊機參數以補償所檢測到的焊珠缺陷或特性可增強焊珠形成、提 供更牢固的焊接接縫、并實質減少或消除費時且成本昂貴的修整工序。在替代實施例中，系統100可配置成用以在工件102上熔敷涂層。例如，系統100 可包括氧燃料火焰涂覆裝置(oxygen fuel flame coating device)及/或等離子涂覆裝 置。與焊珠熔敷類似，涂覆裝置可將一層材料涂覆于工件102上。然后，照相機108及110 可觀察對該層的熔敷，同時控制器118根據例如所檢測到的涂層厚度及/或成分來調整熔 敷參數。類似地，控制器118可配置成用以檢測涂層中的空隙、間隙或瑕疵。此配置可通過 調整熔敷參數以補償所檢測到的涂層缺陷及/或特性來增強熔敷品質。圖2為圖1所示的自動焊接系統100的方塊圖，在自動焊接系統100中，焊接激光 器及光源的輸出通過物鏡指向焊接區107。所例示的實施例包括焊接激光器120、二向色 鏡122、第二反射鏡124及物鏡126。焊接激光器120可包括配置成用以將熱量施加到工 件102上的各種類型的激光器，從而焊接各構成元件。例如，焊接激光器120可包括固體激 光器或氣體激光器。固體激光器包括例如摻有釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)或摻有釹的玻璃 (Ndiglass)等增益介質(gain medium)，增益介質被光泵激(optically pumped)以引起例 如通過閃光燈或激光二極管的激光輻射的發射。氣體激光器包括例如二氧化碳、氫、氮、及/ 或氦等密封的氣體介質，密封的氣體介質被電泵激以引起激光輻射的發射。在某些實施例 中，焊接激光器120配置成用以在紅外波譜(例如大約700nm至100微米之間的波長)中 發射激光輻射。這種波長可非常適合于激光焊接，這是因為這些波長可向工件102提供足 夠熱量以使構成元件熔化并有利于正確的熔合。焊接激光器120可配置成用以發射連續束 或脈沖束。如所了解的那樣，可通過改變脈沖寬度及/或脈沖頻率來調整脈沖激光器的輸 出功率。如所例示的那樣，激光輻射指向二向色鏡122，而來自光源112的光以近似垂直于 激光輻射方向的角度指向二向色鏡122。二向色鏡122包括反射表面123，反射表面123配 置成用以在允許第二頻率的光通過的同時反射第一頻率的光。例如，二向色鏡122可配置成用以在允許紅外輻射通過的同時反射可見光。在這種配置中，如果將焊接激光器120配 置成發射紅外輻射并且將光源112配置成發射可見光，則激光輻射可通過二向色鏡122，而 可見光則被表面123反射。在此配置中，來自光源112的光與來自焊接激光器120的紅外 輻射均可沿實質平行的方向離開二向色鏡122，照射在第二反射鏡124的反射表面125上， 并指向物鏡126。在替代實施例中，可將焊接激光器120及光源112的位置顛倒，以使來自 光源112的光通過二向色鏡122而來自焊接激光器120的激光輻射則被表面123反射。物鏡126可配置成用以使激光輻射及可見光均指向工件102的焊接區107。物鏡 是與所關心的物體(例如工件102)鄰近定位的復合透鏡系統。如所了解的那樣，透鏡的折 射率可根據折射光的波長而不同。因此，可尤其是將透鏡126配置成將來自光源112的可 見光與來自焊接激光器120的紅外輻射集中到焊珠106上。此配置既可照射焊珠106而使 得照相機108及110可觀察焊接區107，又可將激光輻射集中到工件102上以提供足夠能量 來熔化構成材料并引起正確熔合。在某些實施例中，可將物鏡126配置成與激光輻射相比 在更大面積中集中可見光。如所了解的那樣，焊接過程本身可發出足以照射焊接區107的光。然而，由于此光 的強度，照相機108及110可能會無法直接從焊接區107捕獲圖像。因此，可使照相機108 及110指向焊珠106在焊接區107后面的區域(即已形成焊珠106的區域)。在這種布置 中，來自焊接區107的光可能會不足以照射焊珠106。因此，可使來自光源112的光指向此 區域，以為照相機108及110正確地照射焊珠106。在這種實施例中，物鏡126可配置成用 以在將光集中到焊珠106的不同區域上的同時，將激光輻射集中到焊接區107上。如上所述，照相機108及110可指向焊珠106，以監測形成的各種方面。如所例示 的那樣，可將照相機108與工件102之間的角度127及照相機110與工件102之間的角度 129選擇成使每一照相機108及110直接地、沒有障礙地看到焊珠106。在某些實施例中，角 度127與129可實質相同，以使每一照相機108及110均從實質類似的視角觀察焊珠106。 在替代實施例中，角度127與129可不同，以向照相機108及110提供焊珠106的不同視野。 例如，在某些實施例中，照相機108可指向焊珠106的中心，而照相機110則指向焊珠106 與工件102之間的交叉點。這種布置可使每一照相機108及110均能夠看到焊接區107的 不同區域。在某些實施例中，角度127與129可處于近似0°至90°、5°至80°、10°至 70°、15°至60°、或大約15°至45°的范圍內。此外，如所例示的那樣，照相機108定位于距焊珠106為距離131處，而照相機110 則定位于距焊珠106為距離133處。在某些實施例中，這些距離131與133可實質相同。替 代實施例可包括不同的距離131與133，使得每一照相機108及110檢查焊接區107的不同 區域。例如，距離131可小于距離133。在此配置中，照相機108可觀察焊珠106的特定區 域，而照相機110則捕獲整個焊接區107。可通過改變每一照相機108及110的焦距來實現 類似的布置。例如，距離131與133可實質類似，但是照相機108可具有更大的焦距，使得 照相機108集中在焊珠106的特定區域上。如所了解的那樣，照相機108及110可定位于 距焊接區107足夠距離處，以確保照相機108及110不被暴露于可能會干擾照相機運行的 過多熱量中。在某些實施例中，照相機108及110可包括位于照相機鏡頭與焊接區107之間的 濾光器，以降低進入照相機鏡頭的光的光度及/或限制進入照相機鏡頭的光的頻率。例如，濾光器可包括紫外線(UV)過濾元件，配置成用以使光檢測元件(例如C⑶或CMOS)避開從 焊接區107發射的UV輻射。類似地，濾光器可配置成用以阻擋來自焊接激光器120的紅外 線(IR)輻射。此外，濾光器可配置成用以降低進入照相機108及110的可見光的光度。例 如，在某些實施例中，焊接過程可發射可見光譜中的強烈電磁輻射。這些發射可使照相機 108及110內的敏感的光檢測元件過載。因此，濾光器可使照相機108及110能夠有效地從 焊接區107捕獲圖像。照相機108及110配置成用以以電子方式捕獲圖像并傳送所捕獲的圖像至控制器 118。控制器118可通過形成立體圖像或三維圖像或通過對所捕獲的圖像執行差別分析來 分析圖像。然后，控制器118可根據分析來確定焊珠高度(h)及/或焊珠寬度(W)。焊珠高 度(h)是焊珠106相對于基線位置的高度。例如，如所例示的那樣，基線位置是工件102面 向照相機108及110的表面。因此，可將焊珠高度(h)定義為焊珠106相對于工件表面的 高度。焊珠寬度(w)是焊珠106垂直于焊珠形成方向(例如沿工件102的表面)的寬度。 如下所詳細論述的那樣，各種參數(例如焊機輸出、填料饋送速率及/或焊機速度)可影響 焊珠高度(h)及/或焊珠寬度(w)。控制器118可配置成用以調整焊機104及/或定位機 構114及116的參數，以建立所期望的焊珠高度(h)及/或焊珠寬度(w)。根據立體可視化 來提供焊珠高度(h)及/或焊珠寬度(w)的反饋控制可增強焊珠形成，并實質減少或消除 修整工序。盡管在本實施例中例示兩個照相機108及110，但是應了解，可采用一個照相機從 兩個不同的視角捕獲圖像，以形成立體圖像或使控制器118能夠執行對這些圖像的差別分 析。例如，在某些實施例中，兩個光纜(fiber optic cable)可延伸至在不同觀察點處與焊 珠106鄰近定位的透鏡。這些光纜可耦合至多路復用器(multiplexer)，以向照相機提供 來自每一觀察點的圖像。具體而言，可在空間或時間上對來自每一光纜的圖像進行多路復 用。例如，如果將照相機配置成在空間上對圖像進行多路復用，則每一光纜均可將圖像投射 到照相機圖像傳感器件(例如C⑶或CMOS)的不同部分上。在此配置中，可使來自一個觀 察點的圖像指向圖像傳感器件的上部，而使來自另一觀察點的圖像指向圖像傳感器件的下 部。因此，圖像傳感器件可以一半的分辨率掃描每一圖像。換句話說，掃描分辨率與在空間 上多路復用的信號的數量成反比。如所了解的那樣，與較高分辨率掃描相比，較低分辨率掃 描向控制器118提供的與焊珠106相關的信息較少。因此，在空間上多路復用的信號的數 量可受足以使控制器118識別焊接缺陷及/或焊珠特性的最小分辨率限制。或者，由光纜 提供的圖像可在時間上被多路復用。例如，照相機(例如攝影機)可使用圖像傳感器件的 全部分辨率來交替地從每一觀察點掃描圖像。利用此技術，可使用圖像傳感器件的全部分 辨率，但是掃描頻率可與所掃描的觀察點的數量成比例地降低。例如，如果掃描兩個觀察點 并且照相機的幀速率是200幀每秒，則照相機僅能夠從每一觀察點以100幀每秒掃描圖像。 因此，在時間上多路復用的信號的數量可受所期望的掃描頻率限制。圖3為指向焊接區107并配置成用以確定焊珠高度(h)的兩個照相機108及110 的示意圖。如上所述，控制器118可計算焊珠高度(h)的一種方法是通過對來自每一照相 機108及110的圖像執行差別分析。如所例示的那樣，照相機108包括鏡頭128，而照相機 110則包括鏡頭130。鏡頭128定位于距照相機108的光敏元件132為距離(f)處。類似 地，鏡頭130定位于距照相機110的光敏元件134為距離(f)處。如所了解的那樣，距離(f)對應于鏡頭128與130的焦距。盡管在本實施例中，每一照相機108及110的焦距(f) 均相同，但是在替代實施例中，照相機108及110的焦距(f)可不同。每一照相機108及110相隔距離(d)且距工件102為距離R定位。可尤其將這些 距離配置成使每一照相機108及110能夠從類似的視角查看焊珠106。從焊珠106 (例如 通過來自光源112的反射光)發射的光分別穿過鏡頭128與130，并被投射到光敏元件132 與134上。例如，從焊珠高度(h)處的點發射的光線135與從焊珠106的基部處的點發射 的光線137可穿過每一鏡頭128與130，并照射在光敏元件132與134上。光線135與光線 137在元件132上的投射點之間的距離表示為距離L。類似地，光線135與光線137在元件 134上的投射點之間的距離表示為距離R。根據L與R之間的長度差以及焊接系統100的 幾何配置，可計算焊珠高度(h)。具體而言，可根據以下方程式計算焊珠高度(h)h =卻
R-L如所了解的那樣，在替代實施例中，照相機108及110的位置與方向可有所變化。 這些變化可導致焊珠高度(h)與距離L及R之間的關系被修改。然而，應了解，無論特定配 置如何，均可根據對來自照相機108及110的圖像的差別分析來計算焊珠高度(h)，其中照 相機108及110位于鄰近并指向焊珠106的不同位置處。根據所測量的焊珠高度(h)，控制 器118可調整某些焊機參數，以確保焊珠高度(h)對應于所制定的范圍。這樣，可實現正確 的焊珠形成，從而增強接縫強度并實質減少或消除修整工序。圖4為圖2所示的自動焊接系統100的方塊圖，自動焊接系統100包括指向焊接 區107的相反側的額外照相機及至少一個光源。具體而言，本實施例包括位于工件102的 與照相機108實質相對的側上的照相機138以及位于工件102的與照相機110實質相對的 側上的照相機140。這兩個照相機138及140均指向焊珠106的相反側。另外，本實施例包 括光源142，光源142位于工件102的與物鏡126實質相對的側上，并配置成用以投射實質 垂直于工件102的光。與光源112類似，光源142可包括任何適當的光產生機構，例如白熾 燈泡或熒光燈、一個或多個LED及/或激光器二極管。可將光源142定位成以足夠的強度 照射焊珠106的相反側，以使照相機138及140觀察焊珠106。由于照相機138及140位于焊珠106的相反側上，因而照相機138及140可能會 無法觀察焊珠高度(h)及焊珠寬度(w)。然而，照相機138及140可配置成用以產生指示穿 透深度P的圖像。如所了解的那樣，焊接的強度可取決于實現焊珠106徹底穿透工件102。 因此，將照相機138及140定位在工件102的相反側上可使控制器118能夠根據差別分析 或根據焊接區107的立體圖像或三維圖像的產生來計算穿透深度P。例如，關于計算焊珠 高度(h)，控制器118可執行與上述方法類似的計算。具體而言，控制器118可對來自照相 機138及140的圖像執行差別分析，以計算工件102的面向照相機138及140的表面與焊 珠106之間的距離N。然后，可通過從工件102的厚度T中減去距離N來計算穿透深度P。 這樣，控制器118可調整焊接參數，以確保獲得正確的穿透深度P。另外，圖4例示工件102中可被照相機108及110觀察到的咬邊136。咬邊136是 指其中工件102與焊接區107鄰近的材料被耗損的狀況。具體而言，不正確的焊機輸出功 率及/或焊機104相對于工件102的不正確的速度可造成咬邊136，這是因為過多的工件材 料熔化并流進焊珠106中。由于咬邊136可降低工件102的強度，因而如果存在咬邊136
10狀況，則可能會執行成本昂貴且費時的修補操作，從而增加制造成本。因此，根據立體可視 化對焊接參數(例如焊機輸出功率及/或焊機速度)進行自動控制可實質減少或消除咬邊 136，從而降低制造成本。圖5為用于根據焊接區107的立體圖像來操作自動焊接系統100的方法143的流 程圖。首先，如方塊144所表示，從多個照相機捕獲焊接區107的圖像。如上所述，此步驟 可包括從通過空間多路復用器或時間多路復用器耦合至多個光纜的單一照相機捕獲圖像。 然后，如方塊146所表示，產生立體圖像、三維圖像或差別圖像。例如，控制器118可通過對 來自照相機108及110的圖像執行差別分析，根據上述計算來計算焊珠高度(h)。或者，控 制器118可配置成用以產生焊接區107的立體圖像或三維圖像，以計算例如焊珠高度(h)、 寬度(w)及/或穿透深度P等特性。接著，如方塊148所表示，可檢測焊接缺陷及/或焊珠特性。例如，控制器118可 包括焊珠高度(h)的所期望范圍。控制器118可監測焊珠高度(h)并將所計算的值與所期 望的范圍相比較。如果所計算的焊珠高度(h)處于所制定的范圍之外，則可檢測到焊接缺 陷。對于焊珠寬度⑷及/或穿透深度P，可將類似范圍輸入控制器118中。然后，控制器 118可將所計算的焊珠寬度(w)及/或穿透深度P與所制定的范圍相比較，以檢測焊接缺 陷。控制器118還可配置成用以對焊珠106執行光譜分析，以確定溫度及成分。具 體而言，如所了解的那樣，由于構成原子(constituentatoms)內的電子受到激發并放松 (relax)至基態，因而每一化學元素發射不同的光譜輻射。某些焊接技術(例如弧焊接、氣 體焊接、激光混合焊接等)可向焊接區107提供足夠的能量，以激發工件102及/或填料的 原子內的電子。通過觀察焊接區107的光譜輻射，可確定焊珠106的成分。例如，控制器118 可對來自照相機108及110的圖像執行光譜分析，并產生一系列發射譜線。然后，控制器118 可將這些發射譜線與已存儲的已知化學元素的發射譜線相比較，從而確定焊接區107內存 在哪些元素。例如，在某些實施例中，可向焊珠106添加填充材料，以增強工件102的元件 之間的熔合。填充材料可包含與工件不同的化學元素。在這種配置中，控制器118可根據 構成焊珠106的原子的光譜分析來檢測熔敷于焊珠106內的填料的量。在此配置中，控制 器118可確定是否向焊珠106添加適當量的填料。由于焊接的品質可受在工件102上熔敷焊珠106時的溫度影響，因此控制器118 可配置成用以根據光譜輻射確定焊接區107的溫度。具體而言，通過確定焊接區107內的構 成元素并觀察處于各種頻率的輻射的強度，可計算出焊接區107的溫度。然后，控制器118 可確定溫度是否偏離所制定的范圍。根據對焊接缺陷或焊珠106的特性的檢測，可調整影響焊珠熔敷的參數，如方塊 150所表示。例如，可調整焊機104的輸出功率，可調整焊機104相對于工件102移動的速 度及/或可調整填充材料的饋送速率。這樣，可形成正確的焊珠106，從而提高焊接品質并 節省與修整工序相關的時間及費用。圖6為用于檢測焊接缺陷及/或焊珠特性的方法148(如圖5中的方塊148所表 示)的流程圖。如方塊152所表示，確定焊珠高度(h)。如上所述，此步驟可涉及對來自多 個照相機的圖像執行差別分析。或者，控制器118可從照相機圖像產生立體圖像或三維圖 像，以確定焊珠106的幾何特性，包括焊珠高度(h)。接著，可確定焊珠寬度(w)，如方塊154所表示。與焊珠高度(h)的計算類似，控制器118可根據所產生的立體圖像或三維圖像或 對照相機圖像的差別分析來確定焊珠寬度(《)。此外，如方塊156所表示，可檢測工件102 中的咬邊136。如上所述，咬邊136是其中工件材料在焊接過程期間被耗損的狀況。由于可 使周圍材料的強度降低，因而咬邊136可導致不令人滿意的焊接接縫。根據咬邊136的位 置，可由一個照相機或多個照相機觀察這種狀況。由一個照相機進行的觀察可使控制器118 能夠檢測這種狀況，而由兩個或更多個照相機進行的觀察可使控制器118能夠根據與焊珠 高度(h)的計算類似的咬邊深度計算來檢測咬邊136的程度。如方塊158所表示，可確定焊珠溫度。以光學方式確定溫度的一個方式是監測來 自焊珠106的熱金屬的各種發射頻率的強度。如所了解的那樣，焊珠106的前緣可包括金 屬熔池。此液體金屬可代表焊接區107的最高溫度區域。因此，焊接池可為光譜分析提供 最高強度輻射。如所了解的那樣，可根據所檢測的光譜輻射來確定溫度。在某些實施例中， 控制器118可配置成用以確定焊接池及/或焊珠106的平均溫度。或者，控制器118可根 據對在步驟146中所產生的立體圖像或三維圖像的光譜分析來計算焊接區107的三維溫度 分布。如方塊160所表示，可確定焊珠成分。如上所述，此步驟可涉及分析發射光譜以識 別焊接區107內的各個元素。在某些焊接操作中，填充材料可包含相對少量的在工件102中 沒有發現的某些元素。例如，如果工件102是由鋁構成，則可使用實質鋁填料來增強焊接接 縫。然而，填充材料可包含少量(例如小于5%、4%、3%、2%、1%、0. 05%、或0. 01% )的 硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鋅、鈦、或鈹以及其它元素。因此，可將控制器118配置成檢測這些元 素的量，以確定存在于焊珠106中的填料的量。例如，某些鋁填料可包含近似0.1%銅。可 將存在于填料中的銅的量輸入控制器118中。然后，控制器118可執行對來自焊接區107 的圖像的光譜分析，以確定存在于焊珠106中的銅的比例。根據所期望的填充材料的量，控 制器118可確定焊珠106中的銅的比例是否與所期望的量一致。如所了解的那樣，對于鋁 或其它工件材料，控制器118可配置成用以檢測焊珠106中的其它元素的比例。此外，控制 器118可配置成用以根據對在步驟146中產生的立體圖像或三維圖像的光譜分析來計算焊 接區107的三維成分分布。 最后，如方塊162所表示，可確定焊珠穿透深度P。如上所述，可根據差別圖像分析 或從位于工件102的與焊機104相反的側上的照相機138及140產生的立體圖像或三維圖 像來計算穿透深度P。確保正確的穿透深度P可增強焊接連接的強度。圖7為用于調整影響焊珠熔敷的參數的方法150(如圖5中的方塊150所表示) 的流程圖。首先，如方塊164所表示，可調整焊機104的輸出功率。輸出功率可與施加至焊 接區107的熱量成正比。例如，對于弧焊機，輸出功率可影響用于熔合工件102的元件的弧 的溫度。類似地，可調整焊接激光器輸出功率以改變光束強度。例如，如上所述，可通過改 變脈沖式焊接激光器的頻率及/或脈沖寬度來修改激光器輸出功率。過大的焊機輸出功率 可造成咬邊136。具體而言，過大的功率可造成工件材料的額外熔化，從而形成與焊珠106 鄰近的空隙。降低輸出功率可實質減少或消除咬邊136狀況。因此，可將控制器118配置 成如果檢測到咬邊136，則降低焊機功率。類似地，如果控制器118確定焊接池或焊珠106 的溫度處于所期望的范圍之外，則控制器118可調整輸出功率以進行補償。如方塊166所表示，可調整焊機104相對于工件102的速度。具體而言，焊珠高度
1(h)、焊珠寬度(W)及穿透深度P可與焊機速度成反比。例如，隨著焊機速度增大，焊珠高度 (h)、焊珠寬度(w)及/或穿透深度P可減小。因此，可將控制器118配置成調整定位機構 114及/或116的移動速率，以建立能使焊珠高度(h)、焊珠寬度(w)及/或穿透深度P處 于所期望范圍內的焊機速度。最后，如方塊168所表示，可調整填充材料向焊接區107中的饋送速率。例如，如 果控制器118確定焊珠高度(h)小于所制定的范圍，則控制器118可增大填充材料向焊接 區107中的饋送速率。相反，如果控制器118確定焊珠寬度(w)大于所制定的范圍，則控制 器118可減小填充材料向焊接區107中的饋送速率。換句話說，焊珠高度(h)與焊珠寬度 (w)均可與材料的饋送速率成比例。因此，控制器118可調整饋送速率，以補償這些所檢測 的狀況。類似地，填充材料的饋送速率可影響穿透深度P。例如，不足的饋送速率可造成不 完全的接縫穿透。因此，可將控制器118配置成如果穿透深度P小于所期望的量，則增大饋 送速率。另外，如上所述，可將控制器118配置成根據焊珠成分的光譜分析來監測焊珠106 中的填充材料的量。在某些實施例中，可將所期望的填充材料量輸入控制器118中。然后， 控制器118可調整填料饋送速率，以在焊珠106中提供所期望的填充材料量。通過根據焊 接區107的立體可視化來調整焊機功率輸出、焊機速度及/或填料饋送速率，控制器118可 提供增強的焊珠形成，從而提高接縫強度并實質減少或消除修整工序。本書面說明使用實例來公開本發明，包括本發明的最佳模式，并也使任何所屬領 域的技術人員能夠實踐本發明，包括制作及使用任何裝置或系統以及執行任何所包含的方 法。本發明的可取得專利權的范圍由權利要求界定，并且可包括所屬領域的技術人員可想 到的其它實例。如果這些其它實例具有與權利要求的書面語言并無不同的結構元件，或者 如果這些其它實例包括與權利要求的書面語言具有非實質性差別的等效結構元件，則它們 也旨在處于權利要求的范圍之內。
權利要求
一種系統(100)，包括焊機(104)，配置成用以在工件(102)上熔敷焊珠(106)；多個照相機(108，110)，指向所述焊珠(106)并配置成用以產生相應的多個圖像；以及控制器(118)，配置成用以從所述多個圖像產生所述焊珠(106)的立體圖像，并根據所述立體圖像調整焊珠熔敷的參數。
2.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于包括指向所述焊珠(106)的光源 (112)。
3.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述焊機(104)包括焊接激光器 (120)。
4.如權利要求3所述的系統(100)，其特征在于包括物鏡(126)，所述物鏡配置成用 以將來自所述焊接激光器(120)的激光輻射與來自光源(112)的光集中至所述焊珠(106)上。
5.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述焊機(104)包括電子束焊機、摩 擦攪動焊機、超聲波焊機、弧焊機、氣焊機、激光混合焊機、原子氫焊機、金屬焊條惰性氣體 保護焊機、鎢極惰性氣體保護焊機、等離子焊機、或其組合。
6.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述控制器(118)配置成用以根據所 述立體圖像計算所述焊珠(106)的高度、所述焊珠(106)的寬度、或其組合。
7.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述控制器(118)配置成用以根據所 述立體圖像檢測所述工件(102)中的咬邊(136)。
8.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的參數包括所述焊機 (104)的輸出功率。
9.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的參數包括填充材料向 所述焊珠(106)中的饋送速率。
10.如權利要求1所述的系統(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的參數包括所述焊機 (104)相對于所述工件(102)的速度。
全文摘要
本申請涉及一種焊接控制系統。在一個實施例中，一種系統(100)包括焊接控制器(118)，該焊接控制器(118)配置成用以從指向熔敷區(107)的多個觀察點接收圖像。該焊接控制器(118)還配置成用以根據對這些圖像的差別分析控制影響熔敷的參數。
文檔編號B23K37/00GK101927414SQ20101022030
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月24日 優先權日2009年6月24日
發明者A·J·西爾維亞, E·卡拉, S·麥蒂, U·D·拉波爾 申請人:通用電氣公司