專利名稱：通過(guò)在工件上加工參考標(biāo)記并測(cè)量參考標(biāo)記與參考點(diǎn)之間的偏移量的激光加工校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)方法，并且更特別地涉及一種激光加工校準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
在加工操作中，技術(shù)人員通常相對(duì)于工具——例如，激光器、主軸操作工具或者噴 水嘴——定位工件。技術(shù)人員可相對(duì)于已知的參考基準(zhǔn)面定位工件，從而可計(jì)算出用于定
位工件上的特征一例如，？L、凹陷或切口一的偏移量。通常將在工件中加工的特征在計(jì)
算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad)系統(tǒng)——例如，Pro/ENGINEER⑧、Unigraphics⑧或CATIA⑧
—中生成。當(dāng)使用cad系統(tǒng)時(shí)，可在軟件中相對(duì)于參考基準(zhǔn)面計(jì)算出特征的位置。為了 確保在工件中的合適位置加工出特征，需要相對(duì)于參考基準(zhǔn)面精確地定位工件。這經(jīng)常利
用猜測(cè)-檢驗(yàn)方法(guess-and-check method)完成，在該方法中，技術(shù)人員可反復(fù)使用激 光標(biāo)記工件，然后相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)或另一個(gè)，直到激光打到工件的期望部分?？芍貜?fù)進(jìn)行校 準(zhǔn)，直到工件被定位到合適的位置。 一旦相對(duì)于參考基準(zhǔn)面合適地定位，cad系統(tǒng)就可繼續(xù) 控制工件的加工?？芍芷谛缘刂貜?fù)進(jìn)行用于流水線生產(chǎn)的校準(zhǔn)，以確保一致性和滿足公差 要求。 盡管這種反復(fù)的猜測(cè)-檢驗(yàn)校準(zhǔn)方法在定位工件時(shí)是足夠的，但是這種方法對(duì)于 流水線生產(chǎn)或需要一致性和要求效率的地方是不理想的。當(dāng)工件和加工工具很小時(shí)，例如 在激光加工應(yīng)用中，每次反復(fù)時(shí)需要移除工件。需要移除工件，以使用顯微鏡或可放大工件 圖像的其它圖像裝置將參考標(biāo)記定位在工件上。 在授予Tashiian等人的美國(guó)專利No. 5， 168， 141 (' 141專利)中描述了校準(zhǔn)激光 焊接系統(tǒng)的嘗試。'141專利公開(kāi)了一種激光焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光焊機(jī)、定位臺(tái)和攝影 機(jī)。該定位臺(tái)與臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，該攝影機(jī)與用于攝影機(jī)視場(chǎng)/觀察區(qū)域的攝影機(jī)坐標(biāo) 系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。金屬板放置在定位臺(tái)上并位于激光焊機(jī)下方，激光焊機(jī)發(fā)射激光束，以在金屬 板的某一位置燒出孔，該位置位于臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)上并與激光焊機(jī)預(yù)定焦點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。攝影機(jī)根 據(jù)攝影機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)記錄焦點(diǎn)的位置，并且將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)算法指示定位臺(tái) 反復(fù)調(diào)整金屬板的位置，直到焦點(diǎn)在臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)和攝影機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中具有相同的坐標(biāo)，從 而校準(zhǔn)攝影機(jī)與定位臺(tái)。 盡管'141專利中的激光焊接方法提供了一種在攝影機(jī)視場(chǎng)與定位臺(tái)之間反復(fù)校 準(zhǔn)焦點(diǎn)位置的技術(shù)，但由于校準(zhǔn)需要大量猜測(cè)-檢驗(yàn)的反復(fù)，因此該方法對(duì)于激光加工應(yīng) 用來(lái)說(shuō)效率很低。 本發(fā)明的校準(zhǔn)方法解決了一個(gè)或多個(gè)上述問(wèn)題和/或現(xiàn)有技術(shù)中的其它缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)方法。該方法包括相對(duì)于工作空間的至少一 個(gè)參考基準(zhǔn)面定位激光器的焦點(diǎn)，所述焦點(diǎn)位于所述激光器進(jìn)行加工的位置。該方法還包括通過(guò)在所述焦點(diǎn)處進(jìn)行激光加工將至少一個(gè)參考標(biāo)記加工到工件上以及測(cè)量工件上的 參考點(diǎn)與所述至少一個(gè)參考標(biāo)記之間的偏移量。 根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)系統(tǒng)。該校準(zhǔn)系統(tǒng)包括用于檢測(cè)焦點(diǎn)的檢測(cè) 裝置以及用于相對(duì)于工作空間的至少一個(gè)參考基準(zhǔn)面定位焦點(diǎn)的監(jiān)視器，所述焦點(diǎn)位于進(jìn) 行加工的位置。該校準(zhǔn)系統(tǒng)還包括激光器，該激光器配置成用于在所述焦點(diǎn)處將至少一個(gè) 參考標(biāo)記加工到工件上，所述工件具有參考點(diǎn)，用于測(cè)量到所述至少一個(gè)參考標(biāo)記的偏移
圖1是本發(fā)明的示例性激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的立體圖； 圖2是本發(fā)明的示例性激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的另一立體圖； 圖3是本發(fā)明的示例性激光校準(zhǔn)方法的流程圖； 圖4是沿圖2中的A-A方向的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的示例性工件的視圖； 圖5是沿圖2中的A-A方向的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的示例性工件的另一視圖；以及 圖6是圖2中的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的工件的立體圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出示例性激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10。該激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10可包括激光器12、參考基 準(zhǔn)面13、參考基準(zhǔn)面14、參考基準(zhǔn)面15、工作空間16和物體18。激光器12可以是構(gòu)造成 在工件20(圖2)中加工特征——例如，孔或切口——的任何類型的激光器。例如，激光器 12可以是紅外化學(xué)激光器，例如化學(xué)氧碘激光器。工件20可以是任何需要激光加工的物 體，例如燃料噴嘴。 如圖l和2所示，參考基準(zhǔn)面13、14和15可以是構(gòu)造成固定參考或標(biāo)準(zhǔn)尺的平 面，在該平面內(nèi)可以生成用于定位工件20和工件20中的特征的尺寸。在一個(gè)示例中，參考 基準(zhǔn)面13可以是包含x軸和y軸的總體上垂直的平面，參考基準(zhǔn)面14可以是包含y軸和 z軸的總體上垂直的平面，參考基準(zhǔn)面15可以是包含x軸和z軸的總體上水平的平面。參 考基準(zhǔn)面13、14、15可以位于工作空間16中的任意位置，例如，在一個(gè)示例中，參考基準(zhǔn)面 13、14、15可以位于計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)激光器12的已知的"零點(diǎn)"或"原點(diǎn)"位置。可以使 用附加的或較少的參考基準(zhǔn)面13、14、15作為工件20的參考。 工作空間16可以是工件20可在其中加工的三維空間。也就是說(shuō)，工作空間16可 以由在加工過(guò)程中激光器12和/或工件20在其中移動(dòng)的區(qū)域構(gòu)成。物體18可以是具有 基本上平的表面22和23的板，該板可以放置在工作空間16中和在其中移動(dòng)。例如，物體 18可以在工作空間16中可移動(dòng)地定位，從而使表面23可以基本上與參考基準(zhǔn)面14平行。 也就是說(shuō)，物體18可以在工作空間16中移動(dòng)，以利于識(shí)別激光器12的焦點(diǎn)24。焦點(diǎn)24 可以是這樣一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)處由激光器12生成的激光束26可以進(jìn)行加工。焦點(diǎn)24可以由 配置成聚焦激光束26的一個(gè)或多個(gè)透鏡(未示出)產(chǎn)生，并且設(shè)置在激光器12與物體18 或工件20之間。特別地，激光器12的焦點(diǎn)24可以非常小，并且僅影響處于焦點(diǎn)24中的材 料，從而進(jìn)行最優(yōu)加工。 激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10可包括檢測(cè)裝置28，該檢測(cè)裝置28配置成沿著可觀察焦點(diǎn)24的預(yù)定觀察方向29觀察工作空間16。檢測(cè)裝置28可檢測(cè)焦點(diǎn)24。檢測(cè)裝置28可以是攝影 機(jī)，該攝影機(jī)配置成當(dāng)激光12加工物體18或工件20時(shí)檢測(cè)來(lái)自焦點(diǎn)24的熱或光。檢測(cè) 裝置28可以與自動(dòng)處理器——例如，計(jì)算機(jī)一一相連。計(jì)算機(jī)可將信號(hào)傳遞給監(jiān)視器32， 監(jiān)視器32可將信號(hào)轉(zhuǎn)換成工作空間16的圖像。監(jiān)視器32可配置成顯示被觀察焦點(diǎn)24的 二維圖像指示，從而允許焦點(diǎn)24被標(biāo)記在監(jiān)視器上。監(jiān)視器32可以是圖像生成領(lǐng)域中已 知的任何類型的監(jiān)視器。在一個(gè)示例中，監(jiān)視器32可以是與CNC激光器12相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視 器。 如圖2所示，在加工過(guò)程中，工件20可定位在工作空間16中。可以設(shè)想工件20 可以以任何期望的方式——例如，平行于參考基準(zhǔn)面14——定向。
工業(yè)適用性 當(dāng)進(jìn)行任何激光加工時(shí)，都可以應(yīng)用本發(fā)明的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)。特別地，所公開(kāi)的系 統(tǒng)可用于高效和準(zhǔn)確地定位將由激光器加工的工件。下面將說(shuō)明激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10的操作。
激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10可用于根據(jù)圖3中示出的方法步驟在工作空間16中定位將由激 光器12加工的工件20。在步驟50中，可將焦點(diǎn)24標(biāo)記在監(jiān)視器32上?？上鄬?duì)于工作空 間16的參考基準(zhǔn)面13、 14、 15定位激光器12的焦點(diǎn)24。例如，技術(shù)人員可將物體18平行 于參考基準(zhǔn)面14放置在工作空間16中?？裳豿軸在移動(dòng)方向21上移動(dòng)物體18。當(dāng)物體 18開(kāi)始與激光器12的焦點(diǎn)24接觸時(shí)，檢測(cè)裝置28可檢測(cè)由于激光器12開(kāi)始加工物體18 而產(chǎn)生的光或熱，并且在監(jiān)視器32上顯示相應(yīng)的圖像，檢測(cè)裝置28可在觀察方向29上觀 察加工過(guò)程。技術(shù)人員可在位于監(jiān)視器32上的被觀察焦點(diǎn)24的位置處標(biāo)記監(jiān)視器32，從 而限定檢測(cè)軸線30(例如，在觀察方向29方向上的軸線)。檢測(cè)軸線30盡管是一條從檢 測(cè)裝置28延伸穿過(guò)焦點(diǎn)24的線，但在監(jiān)視器32上可顯示為一個(gè)點(diǎn)。通過(guò)在焦點(diǎn)24被觀 察的位置處標(biāo)記監(jiān)視器32，技術(shù)人員可沿檢測(cè)軸線30對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)24，這可如下所述的簡(jiǎn)化校 準(zhǔn)。可以設(shè)想在監(jiān)視器32上標(biāo)記焦點(diǎn)24的任何方式都可使用。例如，標(biāo)記可以通過(guò)使用 標(biāo)記器物理地標(biāo)記，或者通過(guò)使用可識(shí)別焦點(diǎn)24并且在監(jiān)視器32的屏幕上放置一個(gè)數(shù)字 標(biāo)記的計(jì)算機(jī)程序標(biāo)記。 焦點(diǎn)24的位置可通過(guò)多個(gè)基準(zhǔn)偏移量——例如，圖2中示出的焦點(diǎn)24與參考基準(zhǔn) 面14之間的基準(zhǔn)偏移量42——與參考基準(zhǔn)面13、 14、 15相關(guān)。焦點(diǎn)24可位于在工作空間 16中被預(yù)先確定的位置處，該位置是激光器12的特性——例如，聚焦長(zhǎng)度和透鏡特性—— 的函數(shù)。當(dāng)激光器12移動(dòng)時(shí)，焦點(diǎn)24的位置可通過(guò)激光器12的計(jì)算機(jī)數(shù)控而相對(duì)于參考 基準(zhǔn)面13、14、15更新。 在步驟52中，工件20可在工作空間16中被夾持就位。使用已限定的檢測(cè)軸線 30，技術(shù)人員可接著從工作空間16中移除物體18，并且用工件20替代它。在一個(gè)示例中， 可使用夾具，該夾具配置成將工件20夾持或固定就位。特別地，如圖2所示，通過(guò)使工件20 的邊緣34與監(jiān)視器32上的標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，技術(shù)人員可沿著檢測(cè)軸線30放置工件20的邊緣34。 從而，監(jiān)視器32可沿檢測(cè)軸線30有效地定位工件20，檢測(cè)軸線30包含焦點(diǎn)24。當(dāng)通過(guò)監(jiān) 視器32觀察工件20時(shí)，技術(shù)人員可將中心線38(在圖4中顯示為一個(gè)點(diǎn))與標(biāo)記在監(jiān)視 器32上的焦點(diǎn)24的位置對(duì)準(zhǔn)。從而，技術(shù)人員可在兩個(gè)維度上有效地校準(zhǔn)工件20。
在步驟54中，可將參考標(biāo)記加工到工件20上。如圖4所示，可通過(guò)激光器12在 焦點(diǎn)24處將至少一個(gè)參考標(biāo)記36加工到工件20上。可沿著檢測(cè)軸線30的方向(例如，
5沿著移動(dòng)方向21)調(diào)整工件20，直到通過(guò)檢測(cè)裝置28檢測(cè)到加工并且所述加工被顯示在監(jiān) 視器32上，從而證實(shí)焦點(diǎn)24在工件20的表面上。激光器12可沿直線移動(dòng)，以在工件20 的表面上加工出兩個(gè)或更多參考標(biāo)記36，從而生成參考線44。例如，激光器12可沿y軸方 向移動(dòng)?？纱怪钡販y(cè)量從平面43到參考線44的偏移距離40。平面43可以是包含工件20 的中心線38的平面，并且平行于x軸和y軸(即，平行于x-y平面)。技術(shù)人員可將工件 20從夾具上移除，以使用顯微鏡或其它圖像設(shè)備來(lái)測(cè)量偏移距離40。然后，技術(shù)人員可將 工件20放回原處。 在步驟56中，可沿著檢測(cè)軸線30在第三維度上校準(zhǔn)工件20。通過(guò)將工件20放 回原處，可根據(jù)偏移距離40調(diào)整工件20或激光器12的位置，從而使參考線44定位在平面 43上，如圖5所示。調(diào)整以后，焦點(diǎn)24也可定位在平面43上，從而在三維上校準(zhǔn)工件20。 偏移距離40例如可沿z軸。或者，可以不調(diào)整激光器12和/或工件20?？蓪⑵凭嚯x40 輸入到計(jì)算機(jī)模型——例如，CNC程序——中。偏移距離40和基準(zhǔn)偏移量42可被編程入 CNC程序中，從而允許程序相應(yīng)地調(diào)整它的計(jì)算值。 在步驟58中，當(dāng)起初不知道工件20的形狀時(shí)，可沿著平面43映像工件20，如圖5 和6所示?？蓤?zhí)行映像，以識(shí)別工件20的形狀并且將該形狀輸入到CAD程序中?？裳刂?面43調(diào)整激光器12和/或工件20，以沿著平面43將多個(gè)參考標(biāo)記46加工到工件20上。 由于工件20已被校準(zhǔn)，因此焦點(diǎn)24可在映像過(guò)程中保持在平面43上。因此，通過(guò)平行于 平面43 (例如，在二維而不是三維上)僅移動(dòng)激光器12和/或工件20而在焦點(diǎn)24處的加 工，可完全映像工件20的與平面43相交的表面。因此，可顯著簡(jiǎn)化工件20的映像。另外， 通過(guò)監(jiān)視器32觀察工件20也可簡(jiǎn)化該映像過(guò)程，因?yàn)榕c加工每個(gè)參考標(biāo)記46相對(duì)應(yīng)的焦 點(diǎn)24可定位在平面43上并且因此在監(jiān)視器32上顯示為直線。這可以使標(biāo)記該被映像表面 和測(cè)量參考標(biāo)記46與中心線38之間的多個(gè)距離48以輔助映像工件20的表面變得容易。
激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10可使激光加工流程的編排更高效。特別地，使用監(jiān)視器32來(lái)識(shí) 別檢測(cè)軸線30可通過(guò)允許在二維上校準(zhǔn)而簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)。通過(guò)在監(jiān)視器32上標(biāo)記焦點(diǎn)24， 單次調(diào)整就可在三維上校準(zhǔn)工件20。這可減少定位工件20所需要的參考標(biāo)記36的數(shù)量， 并且可節(jié)省時(shí)間和工件20的不必要的標(biāo)記。另外，激光校準(zhǔn)系統(tǒng)10可使工件20的表面映 像更簡(jiǎn)單和更高效。 可對(duì)本發(fā)明的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行各種修改和變型而不脫離本發(fā)明的范圍，這對(duì)本 領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。考慮到本文所公開(kāi)的本發(fā)明的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的說(shuō)明書(shū)和 實(shí)際情況，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其它實(shí)施例也是顯而易見(jiàn)的。說(shuō)明書(shū)和示例僅應(yīng)被認(rèn)為 是示例性的，本發(fā)明的真正范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)和它們的等同方案確定。
權(quán)利要求
一種校準(zhǔn)方法，包括相對(duì)于工作空間(16)的至少一個(gè)參考基準(zhǔn)面(14)定位激光器(12)的焦點(diǎn)(24)，所述焦點(diǎn)位于所述激光器進(jìn)行加工的位置；通過(guò)在所述焦點(diǎn)處進(jìn)行激光加工，將至少一個(gè)參考標(biāo)記(36)加工到工件(20)上；以及測(cè)量工件上的參考點(diǎn)與所述至少一個(gè)參考標(biāo)記之間的偏移量(40)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括根據(jù)所述偏移量調(diào)整激 光器。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括根據(jù)所述偏移量調(diào)整工件。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括將所述偏移量輸入模型。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述模型是計(jì)算機(jī)數(shù)控程序。
6. —種校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括檢測(cè)裝置(28)，所述檢測(cè)裝置(28)用于檢測(cè)焦點(diǎn)(24)，所述焦點(diǎn)位于進(jìn)行加工的位置；監(jiān)視器(32)，所述監(jiān)視器(32)用于相對(duì)于工作空間(16)的至少一個(gè)參考基準(zhǔn)面(14) 定位所述焦點(diǎn)；以及激光器(12)，所述激光器(12)配置成在所述焦點(diǎn)處將至少一個(gè)參考標(biāo)記(36)加工到 工件(20)上，所述工件具有參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)用于測(cè)量相對(duì)于所述至少一個(gè)參考標(biāo)記的偏 移量(40)。
7. 如權(quán)利要求6所述的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)數(shù)控程 序，該計(jì)算機(jī)數(shù)控程序接收作為輸入量的偏移量并與所述監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)。
8. 如權(quán)利要求6所述的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器是計(jì)算機(jī)數(shù)控激光器。
9. 如權(quán)利要求6所述的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)裝置是攝影機(jī)，該攝影機(jī)檢測(cè) 熱或光。
10. —種加工工件的方法，包括相對(duì)于工作空間(16)的至少一個(gè)參考基準(zhǔn)(14)定位激光器(12)的焦點(diǎn)(24)，所述焦 點(diǎn)位于所述激光器進(jìn)行加工的位置；通過(guò)在所述焦點(diǎn)處進(jìn)行激光加工，將至少一個(gè)參考標(biāo)記(36)加工到工件(20)上；測(cè)量包含位于工件上的參考點(diǎn)的平面(43)與所述至少一個(gè)參考標(biāo)記之間的偏移量 (40);以及將所述偏移量輸入模型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種校準(zhǔn)方法。該方法包括相對(duì)于工作空間(16)的至少一個(gè)參考基準(zhǔn)面(14)定位激光器(12)的焦點(diǎn)(24)，所述焦點(diǎn)(24)位于所述激光器(12)進(jìn)行加工的位置。該方法還包括通過(guò)在焦點(diǎn)(24)處進(jìn)行激光加工將至少一個(gè)參考標(biāo)記加工到工件(20)上，以及測(cè)量位于工件(20)上的參考點(diǎn)與所述至少一個(gè)參考標(biāo)記之間的偏移量。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101790433SQ200880104549
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者C·C·黃, J·L·科赫, 胡兆力 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司