支嘉斌，曹云翔，郭 瑞，金武飛，陳 芳

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，新能源鋰電池行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更迭頻次加快。動(dòng)力鋰電池模組極柱與匯流排連接工藝因緊固力與電性能要求，逐漸由螺釘連接緊固方式更多的轉(zhuǎn)換成激光焊接連接方式。目前，激光焊接已成為新能源電池焊接的主流裝配技術(shù)，通過提高產(chǎn)品一致性與生產(chǎn)效率，可以很好的滿足新能源電池模組焊接工藝對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求以及生產(chǎn)效率的需求。外國集成視覺設(shè)備的整套激光焊接系統(tǒng)普遍價(jià)格十分昂貴。而本文提出一種集成的系統(tǒng)方案，能較好的適應(yīng)生產(chǎn)工藝需要，降低生產(chǎn)成本。

1 激光焊接系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)力鋰電池模組極柱焊接工藝要求，需要將鋁排緊密貼合在極柱上進(jìn)行焊接。如圖1所示，鋁排通過黑色蓋板固定，由大功率激光焊接專機(jī)完成24個(gè)區(qū)域的自動(dòng)焊接。該方案能夠較好的解決產(chǎn)品均一性和生產(chǎn)效率問題。

本文從焊接模型區(qū)域精確定位、焊接軌跡精準(zhǔn)控制以及焊接參數(shù)優(yōu)化調(diào)整著手來研究激光振鏡焊接系統(tǒng)。該激光振鏡精密焊接系統(tǒng)可分為激光器子系統(tǒng)、振鏡子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)以及機(jī)器人子系統(tǒng)。振鏡子系統(tǒng)閉環(huán)控制XYZ軸振鏡擺動(dòng)，以此控制激光掃描軌跡；視覺系統(tǒng)通過拍照、計(jì)算后得出焊接模型區(qū)域定位數(shù)據(jù)信息；激光器系統(tǒng)完成激光發(fā)生以及傳導(dǎo)報(bào)警等工作，同時(shí)設(shè)置不同的激光波形參數(shù)以及振鏡子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)掃描參數(shù)對(duì)模組焊后質(zhì)量有不同的影響，本文通過試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)得到一套適用于方形硬殼鋰電池的焊接參數(shù)，主要參數(shù)包括離焦量、焊接速度、激光開延時(shí)、激光關(guān)延時(shí)、振鏡到位延時(shí)、激光波形參數(shù)、激光功率等。

圖1 焊接電池模組示圖

按照具體生產(chǎn)工藝流程，模組激光焊接工位處于鋰電池模組組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線的模組鋁排清洗、模組極柱清洗的后段，其前段需要對(duì)待焊電芯以及鋁排進(jìn)行清洗等預(yù)處理。本文該模組鋁排激光焊接專機(jī)處理電芯模組與鋁排的焊接工作。實(shí)際設(shè)計(jì)方案中采取對(duì)稱雙工位加快工作節(jié)拍。在激光焊接專機(jī)后段增設(shè)焊后檢測(cè)工位對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。整條流水線中激光焊機(jī)專機(jī)是十分重要的一環(huán)，是該系統(tǒng)的核心組成部分。

該激光焊接系統(tǒng)硬件部件主要包含：PLC電控柜、自動(dòng)化線體工位、焊接工裝夾具、六軸機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、激光器系統(tǒng)（激光發(fā)生器、上位機(jī)、穩(wěn)壓電源、冷水機(jī)等）、振鏡系統(tǒng)（配套硬件電路）、視覺系統(tǒng)、除塵器等。

激光焊接專機(jī)位于自動(dòng)化模組裝配流水線體中一個(gè)工位。激光焊接專機(jī)3D效果設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 平面布局設(shè)計(jì)圖

激光焊接專機(jī)效果設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 激光焊接專機(jī)3維效果設(shè)計(jì)圖

2×12組依次排列的每一個(gè)彈簧銅套都是獨(dú)立的，用于壓緊電芯極柱與鋁排使其緊密貼合不留縫隙，該設(shè)計(jì)能夠有效提高由電池模組高度偏差不一致導(dǎo)致的質(zhì)量問題，同時(shí)每個(gè)銅套配有氮?dú)獗Ｗo(hù)氣，在大功率激光焊接過程中，空氣中存在由于局部功率過大導(dǎo)致的氣化金屬以及其氧化后形成的氧化物顆粒，這些混合物形成的隔離層會(huì)影響焊接區(qū)域能量集中，對(duì)焊接有不穩(wěn)定的因素，因此由氣管在焊接時(shí)連續(xù)吹入惰性氣體以減弱這一負(fù)面影響。

2 激光振鏡精密焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)通過上位機(jī)作為主控，集成激光控系統(tǒng)與振鏡系統(tǒng)，PLC作為設(shè)備控制層，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制與數(shù)據(jù)傳送，整個(gè)焊接過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。通過視覺系統(tǒng)拍照計(jì)算獲取的位置信息與測(cè)距儀高度信息，上位機(jī)控制振鏡按照預(yù)定糾正軌跡進(jìn)行掃描，同時(shí)與激光系統(tǒng)通信使得激光器按照預(yù)定的波形出光，實(shí)現(xiàn)振鏡偏擺與激光出光按照一個(gè)合理的時(shí)序進(jìn)行，完成焊接過程。待整個(gè)流程完成信號(hào)發(fā)出后，系統(tǒng)回原位完成一個(gè)循環(huán)。各個(gè)子系統(tǒng)（視覺、振鏡、機(jī)器人、激光器）以工業(yè)以太網(wǎng)通信為基礎(chǔ)，以保證系統(tǒng)的通信速度與穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)工作流程

圖5 系統(tǒng)流程框圖

4 激光振鏡精密焊接關(guān)鍵技術(shù)

4.1 視覺子系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)在整個(gè)激光精密焊接過程中起到提高定位精度的關(guān)鍵作用，如果沒有視覺系統(tǒng)的定位，由于工裝與電池模組間隙、模組電芯尺寸公差、機(jī)器人重復(fù)定位精度誤差等諸多系統(tǒng)誤差因素，焊接精度無法保證，自然產(chǎn)品質(zhì)量也無法保證。本系統(tǒng)采用先看后動(dòng)的方式，進(jìn)行目標(biāo)焊接模型區(qū)域定位，再由振鏡激光器進(jìn)行焊接。

4.1.1 目標(biāo)匹配與定位

由于在本文中我們實(shí)際需要定位的焊接區(qū)域?yàn)殡娦灸＝M與鋁排的緊緊貼合的邊，其將由大功率激光器進(jìn)行沿邊焊。因此模型區(qū)域其實(shí)是一個(gè)橢圓形，取其中一個(gè)圓弧圓心坐標(biāo)值，取兩個(gè)圓弧的圓心連線得出角度。判斷流程如下圖所示，在相機(jī)確定位置坐標(biāo)后，將數(shù)據(jù)存入振鏡上位機(jī)文件共享區(qū)為振鏡偏擺運(yùn)動(dòng)提供偏移量數(shù)據(jù)。

圖6 視覺系統(tǒng)工作流程圖

圖7 視覺軟件界面

4.1.2 視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系標(biāo)定方法

由于振鏡子系統(tǒng)與相機(jī)子系統(tǒng)坐標(biāo)系不在同一世界坐標(biāo)下，需要通過標(biāo)定找到對(duì)應(yīng)關(guān)系。振鏡中心，相機(jī)中心及測(cè)距儀的相對(duì)位置關(guān)系，需要取同一極柱進(jìn)行標(biāo)定。該系統(tǒng)采用激光測(cè)距儀測(cè)量焊接面高度，激光測(cè)距儀運(yùn)用了三角測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)距。

在實(shí)際視覺系統(tǒng)中相機(jī)所捕捉到的為2維圖像，且視覺處理器處理的圖像信息也是2維像素圖片，所以在保障系統(tǒng)獲取原始圖像步驟時(shí)，安裝相機(jī)鏡頭的光軸必須與目標(biāo)對(duì)象的被拍攝面是互相垂直的。

本文是通過視覺系統(tǒng)與其同原點(diǎn)、同方向的參考坐標(biāo)系采取坐標(biāo)軸比例轉(zhuǎn)換關(guān)系來完成坐標(biāo)系標(biāo)定。

具體標(biāo)定步驟是，將視覺相機(jī)鏡頭移動(dòng)至拍照點(diǎn)位置，首先確保相機(jī)鏡頭的物距不變的，然后取一張間距為2mm的等間距點(diǎn)陣靶紙放置在相機(jī)視野內(nèi)，視覺系統(tǒng)像素坐標(biāo)系要與靶紙上的坐標(biāo)系重合，如圖9所示。接著需要在相機(jī)視野合適區(qū)域找到點(diǎn)陣靶紙所指定的，以確定各個(gè)特征點(diǎn)在視覺系統(tǒng)像素坐標(biāo)系下的具體坐標(biāo)值，假設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)為（xi，yi）（i=1，2，3，4，…，m），假設(shè)k為x軸的坐標(biāo)比例常數(shù)，代表了像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，h為y軸坐標(biāo)比例常數(shù)，也代表了像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參考坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由推理可知，在點(diǎn)陣標(biāo)定靶紙上x軸方向取任意兩個(gè)相鄰的特征點(diǎn)用其視覺像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)值帶入式(3)即可求得kp，然后同樣步驟重復(fù)采集n組kp得到k；同理可得，在點(diǎn)陣標(biāo)定靶紙上y軸方向取任意兩個(gè)相鄰的特性點(diǎn)用其視覺像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)值帶入式(4)即可求出hq，然后同樣步驟采集n組hq得到h，理論上重復(fù)次數(shù)n越大，得到的k、h越精確，并且k、h兩數(shù)值應(yīng)該趨近一致。

圖8 2mm等間距點(diǎn)陣標(biāo)定靶紙

通過以上視覺系統(tǒng)，完成了對(duì)焊接模型區(qū)域的標(biāo)定，為振鏡掃描精度提供了保障。

4.2 振鏡子系統(tǒng)—焊接軌跡控制

激光焊接是一種聚焦激光大量能量以達(dá)到熔化焊接材料進(jìn)行焊接的一種技術(shù)，而振鏡激光器則是采用振鏡偏擺控制激光掃描路徑的一種新型高效的激光焊接系統(tǒng)。

振鏡系統(tǒng)是一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，由PC上位機(jī)控制，工作過程中XY偏擺，控制激光光斑在平面內(nèi)的走相應(yīng)的軌跡，Z軸前后移動(dòng)控制離焦量。該系統(tǒng)控制板電路主要有：位置傳感器、誤差放大器、功率放大器、位置區(qū)分器、電流積分器等。本焊接系統(tǒng)集成振鏡系統(tǒng)與激光器系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中需要進(jìn)行焊接參數(shù)調(diào)試，以滿足實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的要求。

下面對(duì)XY振鏡掃描光路進(jìn)行理論分析[4]：

圖9 XY掃描振鏡示意圖

可以由圖10看出，激光光束先到達(dá)X鏡，通過X鏡反射至Y鏡，然后再經(jīng)過Y鏡反射到成像平面上。我們根據(jù)反射偏角的幾何關(guān)系可以得到，若X鏡旋轉(zhuǎn)θx角度，則經(jīng)Y鏡反射的光束在像平面上沿著X方向移動(dòng)2θx角度對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離；同理，如果讓Y鏡旋轉(zhuǎn)θy角度之后，反射光束最終在像平面上沿y方向移動(dòng)2θy角度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離。以下進(jìn)行振鏡掃描軌跡位置的理論分析。

假設(shè)X振鏡軸線到Y(jié)振鏡軸線的垂直距離為a，Y振鏡到XOY平面的垂直距離為b。

則（x，y）與振鏡1以及振鏡2的偏轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系為：

由于對(duì)于軌跡控制由上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，我們又稱這種數(shù)字控制為CNC計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。在運(yùn)用數(shù)控技術(shù)的過程中需要合理選擇該系統(tǒng)的插補(bǔ)算法。根據(jù)實(shí)際焊接軌跡要求，軌跡大致呈圓形，因此該系統(tǒng)采用圓弧插補(bǔ)的形式比較合適。通過對(duì)于圓弧數(shù)學(xué)極限模式的考慮，我們可以近似把圓看成是正N邊形，當(dāng)N→∞時(shí)，此正N邊形就近似為一個(gè)圓形。

將圓看成是一個(gè)正N邊形是圓弧插補(bǔ)的中心思想。按照理論公式，通過已知的插補(bǔ)周期和進(jìn)給速度的具體數(shù)值，進(jìn)給步長也是可以確定的，確定了進(jìn)給步長，也就得到該正N邊形的每條邊的長度，從而可得出該正N邊形對(duì)應(yīng)圓的圓心角，只要圓心角越小，插補(bǔ)精度就越高。在達(dá)到系統(tǒng)所需的誤差內(nèi)，數(shù)控插補(bǔ)方法對(duì)該正N邊形的每條邊進(jìn)行插補(bǔ)，因此該圓弧插補(bǔ)算法的本質(zhì)還是屬于直線插補(bǔ)。對(duì)于該圓弧插補(bǔ)，理論上需計(jì)算下一插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給量參數(shù)，以下給出該圓弧插補(bǔ)的基本算法[5]。

圖10 圓弧插補(bǔ)示意圖

若我們采用時(shí)間分割插補(bǔ)算法第一步就是根據(jù)插補(bǔ)速率和周長來確定步長，公式如下：

其中：f是進(jìn)給步長（mm）；F是進(jìn)給速度（mm/min）；t是插補(bǔ)周期（ms）。

進(jìn)給步長f由式(6)計(jì)算得出，如圖11所示，為了達(dá)到逼近誤差的要求，不可使進(jìn)給步長過大，在確定進(jìn)給步長之后，增量叫△θ也就對(duì)應(yīng)確定了，其計(jì)算公式如下所示：

由以上公式可以看出，R是常數(shù)，f可由式(6)確定。由此得出增量角也為一常量。令圓弧上任一點(diǎn)為Pi，則可用參數(shù)方程可表示如下：

在插補(bǔ)過程中，需要用當(dāng)已知前點(diǎn)Pi（xi，yi）的坐標(biāo)，求出下一插補(bǔ)點(diǎn)Pi+1的坐標(biāo)位置：xi+1，yi+1，從而求出兩個(gè)坐標(biāo)方向上的進(jìn)給增量。

由上述公式可以發(fā)現(xiàn)，已知插補(bǔ)坐標(biāo)，下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)可求，由此基礎(chǔ)可得出進(jìn)給增量：

通過以上理論分析對(duì)振鏡控制子系統(tǒng)控制原理做了概述。下一節(jié)主要介紹基于實(shí)際應(yīng)用的各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)以及試驗(yàn)。

4.3 焊接參數(shù)以及參數(shù)優(yōu)化

由于振鏡偏擺與激光器出光在實(shí)際運(yùn)行中有一定的時(shí)間間隔，為了更好控制這個(gè)時(shí)間間隔提高焊接質(zhì)量，實(shí)際中我們需要設(shè)置延時(shí)參數(shù)，這些參數(shù)主要有激數(shù)光開延時(shí)、激光關(guān)延時(shí)、振鏡到位延時(shí)。與激光器相關(guān)的參數(shù)主要有：激光功率、激光光纖半徑，激光質(zhì)量，激光波長。與振鏡相關(guān)的參數(shù)主要有：焊接速度，離焦量。

下面介紹離焦誤差的成因以及控制方法。

理論上由于光學(xué)特性，激光光束的聚焦點(diǎn)在空間中是個(gè)固定的點(diǎn)，在掃描平面不同的點(diǎn)的時(shí)候，光程會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了離焦誤差的產(chǎn)生。實(shí)際中采用動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)來進(jìn)行對(duì)離焦誤差的控制，配合激光測(cè)距儀檢測(cè)焊接面高度信息，以達(dá)到檢測(cè)加控制離焦量的效果。

動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)是一種由一組聚焦透鏡進(jìn)行來回移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束焦點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整的機(jī)構(gòu)，通過對(duì)焦點(diǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)整就能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償激光掃描平面上的離焦誤差。通過計(jì)算離焦誤差，即光程的變化量，使聚焦透鏡相應(yīng)調(diào)整位置左右移動(dòng)，從而較好的解決掃描平面各個(gè)點(diǎn)存在的離焦誤差問題。在實(shí)際情況中動(dòng)態(tài)聚焦透鏡的移動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，該電機(jī)通過一個(gè)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的基座來實(shí)現(xiàn)焦距透鏡的來回雙向移動(dòng)，因此能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償離焦誤差。動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)如圖11所示。

表1 焊接技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

表2 拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

圖11 動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)

圖12 拉力試驗(yàn)圖

為了達(dá)到預(yù)定焊接效果，使得焊件滿足力學(xué)性能要求、焊縫尺寸要求，具體工藝技術(shù)協(xié)議要求如表1所示。

為了滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求，在理論上需要配置合適的焊接速度與激光功率。在實(shí)際中我們則是設(shè)置激光的波形參數(shù)（功率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖），以激光波形的一個(gè)周期確定振鏡焊接的速度，我們通過實(shí)驗(yàn)獲得最佳的焊接功率。理論上焊縫深度與焊接速度以及激光功率有關(guān)，焊縫深度正比于焊接功率，而與焊接速度呈反比。本文中我們?cè)O(shè)置了多組焊接參數(shù)試驗(yàn)以及對(duì)產(chǎn)品切片試驗(yàn)以及拉力試驗(yàn)具體結(jié)果如下。

通過切片試驗(yàn)我們得到：焊縫寬度T1=4.03mm，熔寬T2=1.44mm，熔深T3=0.73mm。滿足了技術(shù)協(xié)議的要求。

拉力試驗(yàn)最終結(jié)果有如表2所示最小一片的最大拉力為2117.661N。

5 結(jié)論

通過本文研究，本激光振鏡精密焊接系統(tǒng)初步成型。介紹了系統(tǒng)布局、硬件組成、工裝夾具、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作流程。理論上分析了視覺與振鏡兩個(gè)子系統(tǒng)的原理以及工作內(nèi)容以及其重要參數(shù)。最后通過試驗(yàn)獲得理想結(jié)果。本系統(tǒng)很好的滿足了新能源方形硬殼鋰電池焊接的需求，結(jié)合視覺系統(tǒng)提高了焊接精度以及產(chǎn)品成功率，集成了振鏡子系統(tǒng)提高激光焊接專機(jī)生產(chǎn)效率。