專利名稱：激光加工系統(tǒng)及激光加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光加工系統(tǒng)及一種激光加工方法，尤其涉及一 種能夠利用可見激光來高度準(zhǔn)確并有效地確定加工用激光的焦點位置 的激光加工系統(tǒng)及激光加工方法。
背景技術(shù)：
在激光加工中，有一種所謂的遠(yuǎn)程焊接方法，該方法用于在相對 于激光振蕩器的遠(yuǎn)距離之處聚集激光束以完成焊接，同時利用具有長 焦點的聚光透鏡。即使位置稍微地偏離于焦點位置，由具有長焦點的 聚光透鏡所聚集的加工用激光也能夠執(zhí)行與在焦點位置處的加工程度 相同的加工。換句話說，因為可以在工件的厚度方向上保證較長的焦 深，所以不必執(zhí)行精確的焦點位置管理。
順便提及，為了在相對于激光振蕩器的遠(yuǎn)距離之處聚集加工用激 光，品質(zhì)較高的激光振蕩器是必要的。然而，在過去，主要采用的是 用于照射二氧化碳激光的激光振蕩器。因為二氧化碳激光不能由光纖 來引導(dǎo)，所以當(dāng)試圖從車輛外部的激光振蕩器在類似于車輛中的焊接 部位的遠(yuǎn)距離之處聚集碳?xì)怏w激光時，就不得不提供很多反光鏡。因 此，存在的問題就是需要花費時間來調(diào)節(jié)反光鏡并且增大了成本。對 于用于照射二氧化碳激光的激光振蕩器來說，已經(jīng)開發(fā)出了一種用于 利用光纖來引導(dǎo)激光的技術(shù)。根據(jù)這個技術(shù)，即使是在遠(yuǎn)距離的類似 于車輛中的焊接部位之中聚集激光時，仍有可能利用光纖的自由靈活 性來引導(dǎo)激光，不需要調(diào)節(jié)反光鏡等等，而且有可能降低成本。
在由這種光纖光引導(dǎo)型的激光束來施加遠(yuǎn)程焊接方法的加工中， 與過去相比需要更加精確地進(jìn)行焦點位置管理。其原因之一在于，在
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聚集光纖光引導(dǎo)型激光束(optical fiber light-guide type laser beam)的過
程中，由于形成了對光纖的發(fā)射纖維端面進(jìn)行聚焦的光學(xué)系統(tǒng)，所以 光束形狀在焦點位置與在焦點位置的周圍是不同的。
在激光加工的過程中，無論施加二氧化碳激光束和光纖光引導(dǎo)型 激光束中的哪一種，都不能在視覺上辨認(rèn)出加工用激光的焦點位置。 因此，目前的情況下，把多束可見激光的可視覺辨認(rèn)的焦點位置預(yù)先 與加工用激光的焦點位置相重合，通過在視覺上聚焦各可見激光來模 擬加工用激光的焦點位置，然后進(jìn)行激光加工。
為了改進(jìn)可見激光的視覺聚焦操作，專利文獻(xiàn)1中公開了一種激 光束機(jī)(laserbeammachine)中的訓(xùn)練方法及裝置的技術(shù)，所述激光束機(jī) 用于通過相同的聚光透鏡照射一條輔助激光束(可見激光)和用于進(jìn)行 加工作業(yè)的主激光束，并且把這兩個激光束彼此重合的點設(shè)置為焦點 位置。此外，專利文獻(xiàn)2中公開了一種激光加工裝置及遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)方 法的技術(shù)，所述遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)方法用于在由兩個可見光的交叉所形成的 指示圖像的基礎(chǔ)上對作業(yè)的印字面(print surface)與激光束(印字光 (print light))之間的間隔進(jìn)行調(diào)節(jié)。
專利文獻(xiàn)1
日本專利公開(Kokai)號為No.lO-58169A
專利文獻(xiàn)2
日本專利公開(Kokai)號為No.2005-131668A

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)如上所述的專利文獻(xiàn)1中所描述的激光束機(jī)中的訓(xùn)練方法及 裝置，與過去用于視覺上聚焦可見激光的技術(shù)相比有可能把主激光束 準(zhǔn)確地聚焦在作業(yè)的表面上。然而，利用僅根據(jù)輔助激光束(可見激光) 與用于加工的主激光束之間的空間關(guān)系來判斷進(jìn)行聚焦的可能性的方 法，不可能妥善地處理需要較高的聚焦準(zhǔn)確度的激光加工。
根據(jù)如上所述的專利文獻(xiàn)2中所公開的激光加工裝置及遠(yuǎn)距離調(diào)
節(jié)方法，有可能把具有所期望的能量密度的激光束照射到作業(yè)上。此 時，為了確定激光束及可見光是否聚焦于相同的照射位置，必要時工 人進(jìn)行可見光的指示圖像的調(diào)節(jié)，并且在對作業(yè)表面攝像并且檢驗顯 示單元屏幕上的作業(yè)表面的同時，在激光束與作業(yè)之間進(jìn)行距離調(diào)節(jié)。
因此，激光束與作業(yè)之間的距離調(diào)節(jié)最終并不比依賴于視覺上辯認(rèn)屏 幕的工人的身體官能的距離調(diào)節(jié)更好。仍然難以高度準(zhǔn)確地進(jìn)行激光 束與作業(yè)的位置調(diào)節(jié)。
本發(fā)明是鑒于這些問題而設(shè)計的，本發(fā)明的目的在于提供一種能 夠不依賴于身體官能、利用可見激光來高度準(zhǔn)確并有效地確定加工用 激光的焦點位置的激光加工系統(tǒng)和激光加工方法。
為了達(dá)到這一目的，根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)是用于把激光束 照射到工件的表面上以進(jìn)行激光加工的激光加工系統(tǒng)，該激光加工系 統(tǒng)包括加工用激光振蕩器、包括聚光透鏡的聚光光學(xué)系統(tǒng)、兩個或多 個可見激光振蕩器、用于調(diào)節(jié)聚光透鏡和可見激光振蕩器以使兩者彼 此同步地向前及向后移動的移動調(diào)節(jié)裝置、用于對在工件表面上的可 見激光的光點攝像的攝像裝置、以及用于對所攝像的視頻實施圖像處
理并在處理之后顯示圖像的圖像處理裝置，其特征在于加工用激光 及可見激光都經(jīng)由聚光透鏡而被照射到工件上；以及激光加工系統(tǒng)還 包括計算裝置和控制裝置，所述計算裝置用于在各可見激光聚焦于加 工用激光的焦點位置上的狀態(tài)下根據(jù)聚光透鏡的移動來計算形成于工 件表面之上的各可見激光的光點的重心位置以及重心間的距離，所述 重心間的距離是那些重心位置之間的距離，所述控制裝置用于控制移 動調(diào)節(jié)裝置以便把重心間的距離調(diào)節(jié)為零或基本上為零。
根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)是用于通過向其施加適當(dāng)?shù)募す鈦韺?任意工件實施激光焊接、激光打孔、激光打標(biāo)等等的系統(tǒng)。當(dāng)在此處
施加加工用激光時，除二氧化碳激光之外，還有YAG激光、YAG-SHG
激光等等。
通過以適當(dāng)間隔布置例如兩個或多個聚光透鏡、 一個準(zhǔn)直透鏡及 一個聚光透鏡等等來構(gòu)成該聚光光學(xué)系統(tǒng)。在根據(jù)本發(fā)明的激光加工 系統(tǒng)中，兩個或多個可見激光振蕩器位于與工件最接近的聚光透鏡的 與所述工件相對的一側(cè)(加工用激光振蕩器側(cè))上。這個聚光透鏡及所述 兩個或多個可見激光振蕩器受移動調(diào)節(jié)裝置的移動控制以便聚光透鏡 及可見激光振蕩器能彼此同步地向前及向后移動預(yù)定移動量。加工用 激光及可見激光都經(jīng)由與工件最接近的聚光透鏡而被照射到工件上。
在利用這種激光加工系統(tǒng)的過程中，通過設(shè)置各組件的姿勢以便 把各可見激光聚焦在加工用激光的焦點位置上，即使多個可見激光的 聚焦位置發(fā)生改變，也有可能通過確定此類聚焦位置來確定加工用激 光的焦點位置。這種初始設(shè)置是通過利用公知的焦點監(jiān)視器預(yù)先設(shè)置 加工透鏡的焦點位置、進(jìn)行聚光透鏡及可見激光的分離以及進(jìn)行各可 見激光的角度調(diào)節(jié)以便把各可見激光聚焦在加工用激光的焦點位置上 來進(jìn)行的。
提供了一個用于對在工件表面上的可見激光的焦點光攝像的攝像 裝置。所攝影的視頻在由圖像處理裝置進(jìn)行圖像處理之后可以進(jìn)行屏 幕顯示。作為這種攝像裝置，例如可應(yīng)用CCD相機(jī)。圖像處理裝置例 如由個人計算機(jī)來構(gòu)成并且連接到該CCD相機(jī)。這種攝像裝置例如位 于聚光光學(xué)系統(tǒng)的后端側(cè)即工件的相對側(cè)上。因此，有可能對通過聚 光透鏡照射、并在工件表面上反射的可見激光(的光點)攝像。換句話說， 對這種攝像裝置的布置位置進(jìn)行設(shè)置以便構(gòu)成該攝像裝置的攝像屏幕 與可見激光自工件上的反射光的光軸方向正交。
根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)還包括計算裝置，用于根據(jù)聚光透 鏡的移動來計算形成于工件表面之上的各可見激光的光點的重心位
置，以及計算重心間的距離；以及控制裝置，用于控制該移動調(diào)節(jié)裝 置以便重心間的距離被調(diào)節(jié)為零或基本上為零。計算裝置及控制裝置 與如上所述的、例如移動調(diào)節(jié)裝置一起被安裝于個人計算機(jī)內(nèi)。作為 這種控制裝置，可以應(yīng)用公知的CPU，所述CPU用于對各裝置進(jìn)行執(zhí) 行控制。光點的形狀表現(xiàn)為不僅是圓形而且在例如工件表面是傾斜的 時可以是諸如橢圓形之類的任意形狀。在由攝像裝置讀取各可見激光 的光點的形狀的階段，由計算裝置計算各光點的重心位置。在計算了 各光點的重心位置之后，還由計算裝置執(zhí)行重心間的距離的計算。
當(dāng)重心間的距離為零時，各可見激光被聚焦并且這個聚集點已經(jīng) 被設(shè)定于加工用激光的焦點位置中。因而，可以確定聚光透鏡(及可見 激光振蕩器)相對于工件的當(dāng)前位置就是適合進(jìn)行激光加工的位置。還 可以設(shè)置重心間的距離的任意容許誤差(目標(biāo)值)，并且當(dāng)重心間的距離 在容許值范圍內(nèi)時轉(zhuǎn)入激光加工。
當(dāng)重心間的距離不為零且不在容許范圍內(nèi)時，由移動調(diào)節(jié)裝置把 聚光透鏡及可見激光振蕩器彼此同步地移動預(yù)定量以便把重心間的距 離調(diào)節(jié)為零或基本上為零。由控制裝置(例如，CPU)來執(zhí)行移動調(diào)節(jié)裝 置的這種移動量控制，所述控制裝置安裝于計算機(jī)內(nèi)并且基于來自計 算裝置的重心間的距離的數(shù)據(jù)而向移動調(diào)節(jié)裝置傳送移動命令信號。 如所描述的那樣，由于加工用激光的焦點位置和各可見激光的聚焦位 置已經(jīng)被調(diào)節(jié)成彼此重合，所以可以通過把聚光透鏡移動預(yù)定量來把 焦點位置(聚焦位置)設(shè)置于工件表面上的預(yù)定位置。
根據(jù)發(fā)明人的驗證，已經(jīng)證明了通過確定這種可見激光的光點的 重心位置和計算重心間的距離并且對聚光透鏡實施移動控制以把重心 間的距離調(diào)節(jié)為零或基本上為零，可以在小于例如0.5mm的極高的誤 差準(zhǔn)確度下把加工用激光的焦點位置設(shè)置于工件的表面上。這是因為 無論工件采取何種姿勢(例如，傾斜工件)，都可以通過計算形成于工件 表面之上的多個光點的重心來客觀且定量地確定在聚光透鏡的當(dāng)前位
置上加工用激光的焦點位置與工件表面之間的偏差。簡單通過移動聚 光透鏡就能夠把重心間的距離調(diào)節(jié)為零，這是因為可見激光以固定的 角度經(jīng)過聚焦點并且被照射于工件之上，以及因為在首先調(diào)節(jié)可見激 光振蕩器的角度以及可見激光振蕩器與聚光透鏡的相對位置的階段， 多個可見激光的光點的重心間的距離與聚光透鏡的移動量成比例關(guān) 系。因此，在根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)中，能夠高度精確地在激光 加工位置上設(shè)定加工用激光的焦點位置以及自動且迅速地執(zhí)行這種位 置設(shè)定。這使得制造產(chǎn)率得到改善。
根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的特征在于兩個或多個 可見激光振蕩器被控制為彼此交替接通。
在確定工件表面上的各可見激光的光點的重心位置的過程中，在 單獨地照射可見激光束以形成光點并確定各光點的重心位置時、而不 是在每次照射兩個光點時，不會發(fā)生兩個光點重疊并且使之難以確定 重心位置這樣的問題。因此，各可見激光振蕩器的可見激光的照射被 控制為彼此交替接通，并且在確定了一個光點的重心位置之后，進(jìn)行 另一個光點的照射和確定另一個光點的重心位置。
在根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)中，優(yōu)選以下實施例，其中在各光 點的重心間的距離已被調(diào)節(jié)為零或基本上為零的階段，加工用激光振 蕩器被控制為被接通。例如，由計算裝置計算重心間的距離，移動調(diào) 節(jié)裝置基于這個重心間的距離的數(shù)據(jù)來操作以便使聚光透鏡和可見激 光振蕩器被移動調(diào)節(jié)預(yù)定的量，以及加工用激光振蕩器在聚光透鏡等 等移動了預(yù)定量的階段被接通。因此，有可能把加工用激光的焦點位 置精確地設(shè)置在工件的表面上。
在根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)的另一個實施例中，激光加工系統(tǒng) 的特征在于在加工用激光振蕩器和聚光光學(xué)系統(tǒng)之間插入了用于引 導(dǎo)加工用激光束的光纖，并且激光加工系統(tǒng)還包括操縱裝置，所述操
縱裝置安裝有至少包括聚光光學(xué)系統(tǒng)和攝像裝置的單元。
通過把聚光光學(xué)系統(tǒng)、可見激光振蕩器以及由CCD相機(jī)等等構(gòu)成 的攝像裝置結(jié)合成一個單元，利用光纖來連接加工用激光振蕩器和該 單元，經(jīng)由光纖把加工用激光照射在聚光光學(xué)系統(tǒng)上，以及把該單元 安裝在諸如多關(guān)節(jié)機(jī)械臂等等之類的操縱裝置上來構(gòu)成這個系統(tǒng)。
在根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)中，即使是在不能直接視覺辨認(rèn)的 車輛的部位進(jìn)行激光加工、在狹小的加工空間中進(jìn)行激光加工、對位 于產(chǎn)品深處的加工部位進(jìn)行激光加工，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高度精確的激光 加工。
此外，根據(jù)本發(fā)明的激光加工方法是采用了激光加工系統(tǒng)的激光
加工方法，所述激光加工系統(tǒng)包括加工用激光振蕩器、包括聚光透 鏡的聚光光學(xué)系統(tǒng)、第一和第二可見激光振蕩器、用于調(diào)節(jié)聚光透鏡 和可見激光振蕩器以使兩者彼此同步地向前和向后移動的移動調(diào)節(jié)裝 置、用于對在工件表面上的可見激光的光點攝像的攝像裝置、以及用 于對所攝像的視頻實施圖像處理并在處理之后顯示圖像的圖像處理裝 置，該激光加工系統(tǒng)被配置成使得加工用激光和可見激光都經(jīng)由聚光 透鏡而照射在工件上，激光加工方法的特征在于包括第一步，進(jìn)行 各可見激光的照射角度的調(diào)節(jié)和聚光透鏡與可見激光振蕩器的定位調(diào) 節(jié)，以便使各可見激光聚焦在加工用激光的焦點位置上；第二步，接 通第一可見激光振蕩器以對在工件表面上的可見激光的光點攝像并且 計算光點的重心位置；第三步，接通第二可見激光振蕩器以對在工件 表面上的可見激光的光點攝像并且計算光點的重心位置；第四步，計 算兩個光點的重心間的距離；第五步，彼此同步地移動聚光透鏡和可 見激光振蕩器以便把重心間的距離調(diào)節(jié)為零；以及第六步，在重心間 的距離已被調(diào)節(jié)為零的階段接通加工用激光振蕩器。
本發(fā)明涉及其中應(yīng)用了所描述的激光加工系統(tǒng)的激光加工方法。 此處所采用的激光加工系統(tǒng)僅必須包括如可見激光振蕩器那樣的兩個 振蕩器(第一和第二可見激光振蕩器)。然而，激光加工系統(tǒng)可以是包括 三個或更多可見激光振蕩器的加工系統(tǒng)。
首先，作為初始設(shè)定，進(jìn)行各可見激光的照射角度的調(diào)節(jié)以及聚 光透鏡和可見激光振蕩器的定位調(diào)節(jié)以便使各可見激光聚焦在加工用 激光的焦點位置上(第一步)。如已經(jīng)描述的那樣，通過這種初始設(shè)定 使得加工用激光的焦點位置與各可見激光的聚焦位置彼此重合。即使 聚光透鏡移動，聚光透鏡也能夠在焦點位置與聚焦位置彼此重合的狀 態(tài)下進(jìn)行移動。
在第二步和第三步中，進(jìn)行來自各可見激光振蕩器的可見激光的 照射以及進(jìn)行光點的重心位置的計算。每個可見激光振蕩器進(jìn)行激光 照射的原因正如所描述的那樣。
隨后，進(jìn)行重心間的距離的計算(第四步)。當(dāng)重心間的距離不為零 時(或當(dāng)重心間的距離不在容許范圍內(nèi)時)，基于重心間的距離的數(shù)據(jù)而 把聚光透鏡和可見激光振蕩器彼此同步地移動預(yù)定量以便把重心間的 距離調(diào)節(jié)為零(第五步)。
在重心間的距離已被調(diào)節(jié)為零的階段，接通加工用激光振蕩器并 執(zhí)行加工用激光的照射，以及執(zhí)行所需的激光焊接、激光打孔、激光 打標(biāo)等等(第六步)。重復(fù)執(zhí)行包括第二步到第六步在內(nèi)的一系列步驟直 到重心間的距離滿足目標(biāo)值，由此也有可能進(jìn)行與工件表面上的位置 處的細(xì)微變化相對應(yīng)的焦點位置的微調(diào)?？赏ㄟ^在系統(tǒng)中引入反饋控 制機(jī)制來執(zhí)行流程的這種重復(fù)。
在根據(jù)本發(fā)明的激光加工方法中，由兩個可見激光的光點的重心 間的距離來確定加工用激光的焦點位置與工件表面的重合度。因而， 無論工件的表面形狀和姿勢(傾斜)如何，都能夠非常高度準(zhǔn)確并有效地
進(jìn)行焦點位置的設(shè)置。因此，尤其是，即使在非常難以設(shè)定加工用激 光的焦點位置的遠(yuǎn)程焊接中，也可以實現(xiàn)高度精確且有效地設(shè)置焦點 位置。因而，能夠同時解決這種遠(yuǎn)程焊接中的加工準(zhǔn)確度下降和產(chǎn)率 下降的問題。
如根據(jù)上述描述所理解的那樣，在根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)和 激光加工方法中，計算由多個可見激光在工件表面上所形成的各光點 的重心位置，以及在重心間的距離已被調(diào)節(jié)為零或基本為零的狀態(tài)下 進(jìn)行加工用激光的照射。因此，能夠極高度準(zhǔn)確且有效地進(jìn)行激光加工。
附圖的簡要說明
圖l是根據(jù)本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)的實施例的示意圖2是用于闡明通過移動聚光透鏡來調(diào)節(jié)兩個可見激光的光點的
重心間的距離的狀態(tài)的示意在圖3中，3A是沿圖2中的in-III箭頭的視圖，而3B是其中重
心間的距離被調(diào)節(jié)為零的示意圖4是顯示橢圓形的光點的示意圖5是激光加工系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)的方框圖6是顯示激光加工系統(tǒng)的控制流程的實施例的示意圖7是闡明重心間的距離與聚光透鏡位置之間關(guān)系的圖8是顯示激光加工系統(tǒng)的控制流程的另一個實施例的示意圖9是闡明重心間的距離與聚光透鏡位置之間關(guān)系的圖IO是聚光光學(xué)系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖；以及


圖11是激光加工系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。
附圖中，附圖標(biāo)記1表示加工用激光振蕩器；2，光纖；3和3a，
聚光光學(xué)系統(tǒng)；31，準(zhǔn)直透鏡；32，聚光透鏡；41和42，折射透鏡 (refractive lens); 51、 52、 53、及54，可見激光振蕩器；6， CCD相機(jī);
7，個人計算機(jī)；8，移動軌道；9，外殼；10，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂；100和
IOOA，激光加工系統(tǒng)；W，工件；Ll，加工用激光；L2，可見激光；
SO、 Sl、 S2、 S0'、 Sl'及S2'，光點；以及Sla、 S2a、 Sl'a及S2'a，重心。
具體實施例方式
在下文中參考附圖闡明了本發(fā)明的實施例。圖1顯示了根據(jù)本發(fā) 明的激光加工系統(tǒng)的實施例的示意圖，圖2顯示了用于闡明通過移動 聚光透鏡來調(diào)節(jié)兩個可見激光的光點的重心間的距離的狀態(tài)的示意 圖，圖3A是沿圖2中的III-III箭頭的視圖，而圖3B是其中重心間的 距離被調(diào)節(jié)為零的示意圖。圖4顯示了橢圓形的光點的示意圖，圖5 顯示了激光加工系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)的方框圖，圖6顯示了激光加工系統(tǒng) 的控制流程的實施例的示意圖，以及圖7顯示了用于闡明重心間的距 離與聚光透鏡位置之間關(guān)系的圖。圖8顯示了激光加工系統(tǒng)的控制流 程的另一個實施例的示意圖，圖9顯示了闡明重心間的距離與聚光透 鏡位置之間關(guān)系的圖，圖IO顯示了聚光光學(xué)系統(tǒng)的另一個實施例的示 意圖，以及圖11顯示了激光加工系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。
圖1顯示了激光加工系統(tǒng)的實施例的示意圖。激光加工系統(tǒng)100 通常包括用于照射諸如YAG激光或YAG-SHG激光之類的加工用激 光L1的加工用激光振蕩器l，用于引導(dǎo)加工用激光L1的光纖2，用于 折射從光纖2照射的激光束的折射透鏡41，對由折射透鏡41所折射的 光進(jìn)行聚光的聚光光學(xué)系統(tǒng)3，把由聚光光學(xué)系統(tǒng)3聚光的加工用激光 Ll折射到工件側(cè)的折射透鏡42，用于振蕩可見激光L2的可見激光振 蕩器51和52， CCD相機(jī)6，以及控制該系統(tǒng)的個人計算機(jī)7。折射透 鏡41、聚光光學(xué)系統(tǒng)3、可見激光振蕩器51和52以及折射透鏡42被 裝在外殼9中。光纖2和CCD相機(jī)6裝在這個外殼的預(yù)定位置上。
聚光光學(xué)系統(tǒng)3包括準(zhǔn)直透鏡31和聚光透鏡32，所述準(zhǔn)直透鏡 31把經(jīng)由折射透鏡41所折射的加工用激光Ll改變成平行光，所述聚 光透鏡32對該平行光進(jìn)行聚光。這個聚光透鏡32的準(zhǔn)直透鏡側(cè)，通
過聚光透鏡32及鉸鏈51a和52a而一體地安裝可見激光振蕩器51和 52。安裝在可見激光振蕩器52的下表面上的輪52b可在移動軌道8上 進(jìn)行移動(在Y方向)?？梢娂す庹袷幤?1和52能夠利用鉸鏈51a和 52a來調(diào)節(jié)其角度(在XI方向和X2方向)。進(jìn)行可見激光振蕩器的角度 調(diào)節(jié)以便使各可見激光L2和L2的聚焦位置與加工用激光LI的焦點位 置相重合。
形成于工件W表面上的各可見激光束L2和L2的光點的視頻經(jīng)由 折射透鏡42由CCD相機(jī)6來拍攝。所拍攝的圖像被傳送到個人計算 機(jī)7并在個人計算機(jī)7中實施圖像處理。在圖像處理之后，在計算機(jī) 中計算各可見激光L2和L2的光點的重心位置之間的距離(重心間的距 離)(如稍后描述的那樣)。
圖2是示意圖，示意性地示出了首先設(shè)置的加工用激光LI的焦點 位置與可見激光L2和L2的聚焦位置的重合點Q、形成于任意工件W 表面之上的兩個可見激光的光點SI和S2，以及在光點的重心間的距離 被調(diào)節(jié)為零時的光點S0。
在執(zhí)行激光加工的過程中，在這個系統(tǒng)中，首先為了使加工用激 光的焦點位置與各可見激光的聚焦位置重合，由公知的聚焦監(jiān)視器等 等預(yù)先設(shè)置加工透鏡的焦點位置，進(jìn)行聚光透鏡與可見激光的分離以 及各可見激光的角度調(diào)節(jié)以便使各可見激光的聚焦位置與加工用激光 的焦點位置相重合。在這樣的初始設(shè)定狀態(tài)下照射在任意工件W的表 面上的可見激光L2和L2是由圖2中的實線所表示的激光。由這種可 見激光L2和L2形成于工件W的表面之上的兩個圓形光點SI和S2被 示于圖3A的平面圖中。
各光點的重心是Sla和S2a，其重心間的距離是L1。此時，如圖 2中所顯而易見的那樣，由于折射之后可見激光角度根據(jù)聚光透鏡32 的位置而無條件地確定，所以也可以無條件地確定出由這種激光角度
所確定的重心間的距離和到工件的距離。通過利用這一關(guān)系來移動聚
光透鏡32的位置(例如，在X3方向上移動到圖2中由交替排列的一長 兩短的劃線所表示的位置)，能夠把重心間的距離調(diào)節(jié)為零(兩光點如圖 3B中所示那樣移動(在X4方向上)，并且形成重心間的距離為零的光點 S0)。
當(dāng)工件W呈任意的傾斜姿勢時，形成于工件表面之上的光點表現(xiàn) 為圖4所示的橢圓形。雖然該附圖中沒有顯示，但是有時一個光點是 橢圓的而另一個光點是圓形的。用這種方法，即使各光點的形狀是任 意形狀，通過計算各光點的重心位置并且移動聚光透鏡以把重心間的 距離調(diào)節(jié)為零或在容許范圍之內(nèi)，也可以把加工用激光的焦點位置設(shè) 置于工件的表面上，而無需考慮工件的姿勢。圖4顯示了一種狀態(tài)， 其中通過在X4方向上移動兩個橢圓的光點Sl'和S2'(重心Sl'a和S2'a) 而形成了其重心間的距離為零的光點S0'。
圖5顯示了激光加工系統(tǒng)100的控制機(jī)構(gòu)的方框圖。把由拍攝單 元(CCD相機(jī)6)所拍攝的可見激光的光點的拍攝圖像傳送給個人計算 機(jī)7中的I/F電路71a并且由圖像處理單元72來實施圖像處理。圖像 處理之后的圖像以圖3A和3B所示的形式顯示于顯示單元74上。另一 方面，從鍵盤等等輸入關(guān)于重心間的距離的初始設(shè)定值(零或任意容許 值)的數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)由I/F電路71b而被存儲在容許值存儲單元76 中。
在描述過的初始設(shè)定之后，從各可見激光振蕩器中照射可見激光， 在工件表面上所反射的反射光(光點)經(jīng)由折射透鏡42、聚光透鏡32、 準(zhǔn)直透鏡31以及折射透鏡41而由CCD相機(jī)6來拍攝，拍攝數(shù)據(jù)經(jīng)由 I/F電路71a被傳送到圖像處理單元72并實施圖像處理。處理過的數(shù)據(jù) 被傳送到顯示單元74并以例如圖3A所示的形式顯示于屏幕上。另一 方面，處理過的數(shù)據(jù)也被傳送到計算單元73。在這個計算單元73中， 計算各光點的重心位置并且計算其重心間的距離。計算結(jié)果被傳送給顯示單元74并顯示于屏幕上。
由計算單元73所計算的重心間的距離的數(shù)據(jù)被傳送到判斷單元 75。關(guān)于重心間的距離的目標(biāo)值(例如，零)數(shù)據(jù)從容許值存儲單元76 被傳送到這個判斷單元75。對這個目標(biāo)值與重心間的距離進(jìn)行辨別。
作為辨別的結(jié)果，當(dāng)重心間的距離滿足目標(biāo)值時，說明了在聚光 透鏡的當(dāng)前位置下加工用激光的焦點位置被設(shè)定于工件的表面上。把 表示聚光透鏡32的移動量零(不需要移動)的信號傳送到移動調(diào)節(jié)單 元78。另一方面，當(dāng)重心間的距離不滿足目標(biāo)值時，把關(guān)于聚光透鏡 32的移動量的信號傳送到移動調(diào)節(jié)單元78。這種移動量信號經(jīng)由I/F 電路71c被傳送到未示出的驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元驅(qū)動所述輪52b。 可見激光振蕩器51和52和聚光透鏡32在移動軌道8上彼此同步地被 移動(沿Y方向)。例如，輪52b根據(jù)從移動調(diào)節(jié)單元78傳送來的固定 移動量脈沖信號而移動固定量，隨后，可見激光振蕩器51和52被再 次接通并且計算各光點的重心以及重心間的距離，對重心間的距離和 目標(biāo)值進(jìn)行辨別，當(dāng)滿足目標(biāo)值時，在那一點執(zhí)行用于停止驅(qū)動所述 輪52b的反饋控制。在停止驅(qū)動輪52b之后，加工用激光振蕩器被接 通并且轉(zhuǎn)入期望的激光加工。
由用作中央控制單元的CPU 78來控制顯示單元74、判斷單元75、 計算單元73、移動調(diào)節(jié)單元78以及圖像處理單元72的各個操作。由 進(jìn)給螺桿機(jī)構(gòu)來進(jìn)行可見激光振蕩器51和52與聚光透鏡32的同步移 動，所述進(jìn)給螺桿機(jī)構(gòu)包括諸如伺服電動機(jī)之類的致動器。
圖6是顯示激光加工系統(tǒng)的控制流程的實施例的示意圖。圖7是 闡明重心間的距離與聚光透鏡位置之間關(guān)系的圖。
首先，在如上所述的初始設(shè)定之后，CPU78接通一個可見激光振 蕩器(步驟S200)。隨后，CPU78計算這個可見激光在工件表面上的光
點的重心位置(X1， Y1)(步驟S201)。同樣地，CPU78接通另一個可見 激光振蕩器(步驟S202)并且計算這個可見激光在工件表面上的光點的 重心位置(X2， Y2)(步驟S203)。
CPU 78根據(jù)這兩個重心位置計算重心間的距離L(步驟S204)并 且判斷L是否滿足目標(biāo)值，即，L=0或L在容許值范圍之內(nèi)(步驟S205)。 當(dāng)重心間的距離滿足目標(biāo)值時，CPU78直接接通加工用激光振蕩器并 且轉(zhuǎn)入激光加工(步驟S207)。另一方面，當(dāng)重心間的距離不滿足目標(biāo) 值時，CPU78把聚光透鏡移動預(yù)定量(步驟S206),再次執(zhí)行步驟S200 到S205(反饋控制)，并且在步驟S205中的重心間的距離滿足目標(biāo)值階 段轉(zhuǎn)入激光加工(步驟S207)。
用于闡明如上所述流程中的步驟S206的示意圖是圖7中的圖。如 所描述的那樣，重心間的距離L滿足與聚光透鏡位置P相對應(yīng)的任意 線性函數(shù)(L-kP)。因此，當(dāng)所計算的聚光透鏡位置是P且所計算的重心 間的距離是L時，能夠通過把聚光透鏡移動預(yù)定量(移動到聚光透鏡位 置PO處)而把重心間的距離調(diào)節(jié)為零。
圖8是顯示激光加工系統(tǒng)的控制流程的另一個實施例的示意圖 以及圖9是用于闡明重心間的距離與聚光透鏡之間關(guān)系的圖。首先， 在所描述的初始設(shè)定之后，CPU 78接通一個可見激光振蕩器(步驟 S300)。隨后，CPU78計算這個可見激光在工件表面上的光點的重心位 置(X1， Y1)(步驟S301)。同樣地，CPU78接通另一個可見激光振蕩器 (步驟S302)并且計算這個可見激光在工件表面上的光點的重心位置 (X2， Y2)(步驟303)。中央處理器78在重心間的距離為L1時根據(jù)這兩 個重心位置來計算重心間的距離Ll和聚光透鏡位置Pl(步驟S304)。
隨后，在把聚光透鏡32移動了任意量(步驟S305)之后，同樣地， CPU 78接通一個可見激光振蕩器(步驟S306)，計算光點的重心位置 (Xr， Y1')(步驟S307)，接通另一個可見激光振蕩器(步驟S308),計算
光點的重心位置(X2'， Y2')(步驟S309)，以及在重心間的距離為L2時 計算重心間的距離L2和聚光透鏡位置P2(步驟S310)。
CPU 78根據(jù)兩個點(P1， L1)和(P2， L2)來確定其中重心間的距離 L為零的聚光透鏡位置P0(步驟S311)。根據(jù)圖9所顯示的圖，用于確 定聚光透鏡位置PO的方法是非常清楚的。因為重心間的距離L滿足與 聚光透鏡位置P相對應(yīng)的任意線性函數(shù)(I^kP)，所以如果確定了這兩個 點，那么就能夠根據(jù)這兩個點而自動地確定重心間的距離是零的聚光 透鏡位置PO。
CPU 78把聚光透鏡移動至該聚光透鏡位置PO(步驟S312)，然后， 接通加工用激光振蕩器并轉(zhuǎn)入激光加工(步驟S313)。
在如上所述的兩個控制流程中，兩個可見激光振蕩器彼此交替地 被控制為被接通，在重心間的距離滿足目標(biāo)值的階段，加工用激光振 蕩器被控制為被接通。因此，很容易確定重心位置并且可實現(xiàn)有效的 激光加工。
圖10是顯示聚光光學(xué)系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。在該實施例 中，圖中所示的聚光光學(xué)系統(tǒng)3a中，在折返鏡33和34中分別對從兩 個可見激光振蕩器53和54中所照射的可見激光實施角度調(diào)節(jié)。因為 要對各可見激光實施專用于該可見激光的折返鏡的初始角度調(diào)節(jié)，所 以能夠更容易地進(jìn)行初始設(shè)定。
圖11是顯示激光加工系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。這個激光加 工系統(tǒng)100A是通過把外殼9和CCD相機(jī)6附加在多關(guān)節(jié)機(jī)械臂10的 頂部來構(gòu)成的。利用這個激光加工系統(tǒng)IOOA，外殼9和CCD相機(jī)6 可由該多關(guān)節(jié)機(jī)械臂IO移動到圖中所示的車輛C中的適當(dāng)激光加工部 位，測量可見激光的位置偏差量，按要求來移動和調(diào)節(jié)聚光透鏡等等， 然后執(zhí)行由可見激光所進(jìn)行的激光加工。
根據(jù)該激光加工系統(tǒng)IOOA，能夠使多關(guān)節(jié)機(jī)械臂10延長光纖2 的長度，并且容易在工人無法到達(dá)的車輛部位中進(jìn)行激光加工。因此， 提供了一種具有更廣泛的應(yīng)用范圍及更高工作效率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)適 用于遠(yuǎn)程焊接。
利用附圖詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實施例。然而，特定的結(jié)構(gòu)不局 限于所述實施例。即使在不脫離本發(fā)明的精神上進(jìn)行設(shè)計更改等等， 該設(shè)計更改等等也是包含于本發(fā)明之內(nèi)的。例如，代替確定光點的重 心位置和計算重心間的距離以確定加工用激光的焦點位置，可采用下 述的方法，即預(yù)先創(chuàng)建相關(guān)性圖以便使兩個或多個可見激光的焦點位 置重合于加工用激光的焦點位置或使可見激光的焦點位置在容許偏差 量的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地重合于加工用激光的焦點位置、以及基于這個相關(guān) 性圖來確定焦點位置與各可見激光的重合度。在這種情況下，在可見 激光和最靠近于工件的聚光透鏡按要求彼此同步地被移動的同時，進(jìn) 行焦點位置的調(diào)節(jié)。此時，在創(chuàng)建相關(guān)圖的過程中，創(chuàng)建了這樣一個 相關(guān)圖，其中當(dāng)兩個或多個可見激光的焦點位置彼此完全重合時相關(guān) 值是100%、并且根據(jù)兩個焦點位置的平面偏差量相關(guān)值下降。在這個 相關(guān)圖中，相關(guān)值和偏差量以如下方式彼此對應(yīng)，即當(dāng)兩個焦點位置 彼此偏離1 mm時相關(guān)值是95%。當(dāng)加工中所需的容許偏差量是1 mm 時，各可見激光(及聚光透鏡)被調(diào)節(jié)以便在95%的相關(guān)值范圍內(nèi)向前和 向后移動。作為創(chuàng)建相關(guān)圖的方法，即計算相關(guān)值的方法，可以對相 關(guān)圖施加例如公知的相關(guān)系數(shù)(CC)和通過進(jìn)一步放大相關(guān)系數(shù)而獲得 的選擇性相關(guān)系數(shù)。
還可以采用兩個或多個能夠照射具有不同波長的可見激光束的可 見激光振蕩器。當(dāng)在圖像監(jiān)視器上視覺上地辨認(rèn)兩個或多個可見激光 的焦點位置的重合度的過程中，通過把具有不同波長的激光應(yīng)用于各 可見激光上，由于焦點光的色彩不同所以能夠更清楚地確定焦點位置 的重合度。通過對具有不同色彩的可見激光的焦點光實施攝影/圖像處
理、在屏幕上測量兩個可見激光的位置偏差量以及把該位置偏差量讀 入到所創(chuàng)建的相關(guān)圖中，有可能更準(zhǔn)確地判斷位置偏差量是否在容許
偏差量的范圍內(nèi)。還能夠在可見激光振蕩器中提供適當(dāng)?shù)难谀?mask) 并且采用不是圓形的形狀來形成圖像，所述圖像是通過對焦點光實施 圖像處理而得到的。例如，在一個可見激光中配備了其中焦點位置是 十字形交叉的掩模圖案，并且判斷具有不同色彩的另一個可見激光的 圓形焦點光是否與該十字形交叉相重合。
權(quán)利要求
1.一種把激光束照射在工件表面上以進(jìn)行激光加工的激光加工系統(tǒng)，所述激光加工系統(tǒng)包括加工用激光振蕩器、包括聚光透鏡的聚光光學(xué)系統(tǒng)、兩個或多個可見激光振蕩器、用于調(diào)節(jié)所述聚光透鏡和所述可見激光振蕩器以使兩者彼此同步地向前和向后移動的移動調(diào)節(jié)裝置、用于對在所述工件表面上的可見激光的光點攝像的攝像裝置、以及用于對所攝像的視頻實施圖像處理并且在所述處理之后顯示圖像的圖像處理裝置，加工用激光和所述可見激光都經(jīng)由所述聚光透鏡而照射在所述工件上，其特征在于所述激光加工系統(tǒng)還包括計算裝置和控制裝置，所述計算裝置用于在所述各可見激光聚焦在所述加工用激光的焦點位置上的狀態(tài)下根據(jù)所述聚光透鏡的所述移動來計算形成于所述工件表面之上的所述各可見激光的光點的重心位置以及重心間的距離，所述重心間的距離是那些重心位置之間的距離，所述控制裝置用于控制所述移動調(diào)節(jié)裝置以便把重心間的所述距離調(diào)節(jié)為零或基本上為零。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個或 多個可見激光振蕩器被控制為彼此交替接通。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，在所述 各光點的重心間的所述距離已被調(diào)節(jié)為零或基本上為零的階段，加工 用激光振蕩器被控制為被接通。
4. 如權(quán)利要求1到3中任一項所述的激光加工系統(tǒng)，其中在所 述加工用激光振蕩器和所述聚光光學(xué)系統(tǒng)之間插入了引導(dǎo)加工用激光 束的光纖，并且所述激光加工系統(tǒng)還包括操縱裝置，所述操縱裝置安 裝有至少包括所述聚光光學(xué)系統(tǒng)和所述攝像裝置的單元。
5. —種采用了激光加工系統(tǒng)的激光加工方法，所述激光加工系統(tǒng) 包括加工用激光振蕩器、包括聚光透鏡的聚光光學(xué)系統(tǒng)、第一和第 二可見激光振蕩器、用于調(diào)節(jié)所述聚光透鏡和所述可見激光振蕩器以 使兩者彼此同步地向前和向后移動的移動調(diào)節(jié)裝置、用于對在工件表 面上的可見激光的光點攝像的攝像裝置、以及用于對所攝像的視頻實 施圖像處理并在所述處理之后顯示圖像的圖像處理裝置，所述激光加 工系統(tǒng)被配置成使得所述加工用激光和所述可見激光都經(jīng)由所述聚光 透鏡而照射在所述工件上，所述激光加工方法的特征在于包括第一步，進(jìn)行所述各可見激光的照射角度的調(diào)節(jié)和所述聚光透鏡 與所述可見激光振蕩器的定位調(diào)節(jié)，以便使所述各可見激光聚焦在所 述加工用激光的焦點位置上；第二步，接通所述第一可見激光振蕩器以對在所述工件表面上的 所述可見激光的所述光點攝像并且計算所述光點的重心位置；第三步，接通所述第二可見激光振蕩器以對在所述工件表面上的 所述可見激光的所述光點攝像并且計算所述光點的重心位置；第四步，計算兩個所述光點的重心間的距離；第五步，彼此同步地移動所述聚光透鏡和所述可見激光振蕩器以 便把重心間的所述距離調(diào)節(jié)為零；以及第六步，在重心間的所述距離已被調(diào)節(jié)為零的階段接通所述加工 用激光振蕩器。
全文摘要
提供了一種能夠利用可見激光來高度準(zhǔn)確且有效地確定加工用激光的焦點位置的激光加工系統(tǒng)和激光加工方法。為了達(dá)到這個目的，激光加工系統(tǒng)(100)包括加工用激光振蕩器(1)、包括聚光透鏡(32)的聚光光學(xué)系統(tǒng)(3)、兩個可見激光振蕩器(51)和(52)、用于對聚光透鏡(32)及可見激光振蕩器(51)和(52)進(jìn)行調(diào)節(jié)以使兩者彼此同步地向前和向后移動的移動調(diào)節(jié)單元、對在工件(W)上的可見激光的光點攝像的攝像單元、對所攝像的視頻實施圖像處理并在處理之后顯示圖像的圖像處理單元、用于在各可見激光聚焦在加工用激光的焦點位置上的狀態(tài)下根據(jù)聚光透鏡(32)的移動來計算形成于工件(W)表面上的各可見激光的光點的重心位置并且計算重心間的距離的計算單元、以及用于控制移動調(diào)節(jié)單元以便把重心間的距離調(diào)節(jié)為零或基本為零的控制單元。
文檔編號H01S3/00GK101351294SQ200780001050
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者佐藤彰生, 坪井昭彥, 鈴木裕之 申請人:豐田自動車株式會社;株式會社雷塞庫司