CN100406188C - 利用激光加工物体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用激光加工物体(11)的系统，包括：物体供应部，其将所述物体预定位在它们的基准面上；对象支撑托板(10)；检流型加工头(12)，其包含在输出路径上设有第一滤光器(15)的第一宽视场摄像机(13)、在输出路径上设有第二滤光器(18)的第二窄视场摄像机(16)、导光镜(20)、检流型偏转镜(21，22)、用于显示至少一个位于托板(10)上的物体(11)的透镜(23)；激光源(24)；以及计算机(25)，其装有形状识别软件(26)。

Description

利用激光加工物体的系统和方法
技术领域
本发明涉及利用激光加工物体的系统和方法，其中包括对形状的识别。所述方法特别适于利用激光进行标记、焊接、钻孔、切割和热处理。
背景技术
本发明的应用领域是加工，例如对非常小的物体进行高速标记或焊接，包括对基准面进形预定位以及自动识别待加工方位(位置-方向)。物体的方向可以是随机的，但物体间并不重叠。
对物体进行标记而不添加颜料或其它成分，可以维持被标记物体的“医学”特性或“电子学”清洁性。
现有学多标记方法，包括使用颜料、喷墨、喷砂打磨等等。但它们均不能用于标记小的物体或具有复杂几何形状的物体。
此外，物体会被颜料污染，并且需要在标记操作之前进行定位，这种定位在工业生产状态下是高成本的。
现有技术中没有能够同时进行焊接、组装和标记操作的方法。
现有的激光设备不具有满足精细标记所要求的足够精细的激光束。光束扩散太严重，这限制了激光设备在标记操作中的使用。
因此，典型的现有标记加工中心可以包括：
-一个Q开关型YAG激光器，其激光源由连续运转的功率为50至70W的氪灯泵浦，并且激光器带有一个用于沿X和Y轴移动激光束的检流型加工头和一个焦长为200至300mm的平场聚焦透镜。利用大约80μm的激光数标记的字符的高度很难小于500μm至600μm。所用的能量太高，因而不能防止细微部件的变形。
-一个使用软件的计算机，其用于打印各种字母、徽标、条形码、比例系数等等。
-一个集成框架，其特别包括下列元件：
·一个激光源支撑部，其可沿Z轴(焦长调节轴)移动；
·一个保护性安全板；
·一个待标记物体加载-卸载站，其可以在生产线中作专门或整体移动；
·能够进行XY交叉方向移动的工作台；
·±180°或从动旋转托板；
·θ旋转单元等；
·排烟罩；
·一个气氛调节喷嘴。
激光源的尺寸再加上用于实现流畅操作所需的设施必然导致设备庞大。微机械工业通常是在净室中实现的，净室中的每立方米内的灰尘颗粒数量是有限的，因此净室是昂贵的。
-零件加载站通常包括平面工作台，该工作台通常由阳极氧化铝制成，使用者根据其设计而自己在工作台上安置定位器。
传统上，这些定位器不需要高精度，因为被标记的工件较大，而且被标记的位置不精确(±2mm)。
具有良好适应性的软件可以用于以给定间距反复形成标记线，从而在同一定位器上标记多个工件。
然而，对于精细工件而言，处于激光束作用下的工件的定位精度和方向要求导致在加工和搬运方面的操作困难和高成本。这导致激光标记加工成本非常高，从而是不可行的。所以，质量和管理系统例如ISO 9001不适合于非常小的工件或具有复杂形状的工件。
本发明的目的是解决上述问题。
发明内容
本发明涉及一种利用激光束加工物体的系统，包括：
-一个物体供应部，其将所述物体预定位在它们的基准面上；
-一个对象支撑托板；
-一个检流型加工头，其包含：
·一个带有聚焦透镜的第一宽视场摄像机，其中第一滤光器设置在所述第一摄像机的输出路径上；
·一个带有聚焦透镜的第二窄视场摄像机，其中第二滤光器设置在所述第二摄像机的输出路径上；
·一个导光镜；
·检流型偏转镜；
·一个透镜，其显示至少一个位于托板上的物体；
-一个激光源；
-一个计算机，其装有形状识别软件，用于检测所述第一摄像机、所述第二摄像机、所述激光源以及检流型加工头XYZ方向运动控制装置的操作。
有益地，所述系统包括第一和第二检流型反射镜、可伸缩的镜、平场透镜、承载着待加工物体的传送带以及靠近托板安置的反应性气体源。
前述两个回转反射镜可以被替换为位于回转支承上的单一镜，以使系统更为紧凑。
在一个代表性实施例中，设在第一摄像机的输出路径上的滤光器允许波长为大约600nm的光透过；所述激光源是波长为大约1064nm的激光源，设在所述第二摄像机的输出路径上的滤光器允许该波长的光透过。
所述加工可以是标记、焊接、钻孔、切割或热处理。
本发明还涉及一种利用激光器加工物体的方法，所述激光器包括一个对象支撑托板、一个检流型加工头、一个激光源和一个计算机，所述方法包括以下步骤：
-将物体放置在所述托板上，其中所述物体被定位在它们的基准面上；
-在一个宽视场中显示所有所述物体，并且通过位置和方向来识别每个物体；
-在一个所述物体上在一个高分辨率窄视场中显示待加工区域；
-利用所述激光源输出的激光束加工该物体。
由于加工细度在几微米的量级，因此可以高质量地监视非常小的复杂或被识别的物体。标记操作也可以以复杂的拓扑学方式进行。如需要，光学识别系统可以为每个物体产生一个质量报告书(光学标记)。
通过采用两个摄像机(一个为宽视场，另一个为窄视场)，可以提高加工的细度和精度。
本发明还能够不停顿地标记大量物体，包括对物体进行显示和形状识别(同样可以读取)。然后，这些小的物体可以被跟踪。
本发明还可以用于焊接和相关的标记(电子器件)。这-技术是低成本的：它能够用于高速处理工件。它不会污染物体：其将基片的性能与特定气体相组合。因此，其良好地适用于生物医学或电子制品。
本发明还可以简单地应用于食品、家用或汽车制品，以及在某一制造阶段更该质量标签。
可以连接光学元件系统和检流扫描系统，以实现在任何位置的加工。
总而言之，根据本发明的方法具有许多优点：
-不污染表面，并且不需要使用附加器具(医学、钟表制造等等)；
-可获得所需加工的细度和质量以及可选择分辨率；
-由于利用检流镜进行形状识别和光束扫描，因此可以具有高加工速度(工件不移动或被定位)；
-可以通过自动聚焦而加工三维工件；
-可以形成“艺术性”标记(复杂图形)；
-可以读取条形码以及计算机翻译工件号或废品码；
-非常低的设备成本以及实现当前技术中尚不可能的工件加工；
-可进行质量控制；
-通过集成质量控制，可焊接非常小的物体以及进行在线标记。
附图说明
图1示出了根据本发明的系统的总体方案。
图2和3示出了根据本发明的方法的各步骤。
图4和5示出了根据本发明的方法的两个代表性实施例。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的系统包括：
-一个用于支撑物体(对象)11的托板10，作为示例，其由被供应了所述物体11的传送带19形成；
-一个检流型加工头(tête galvanométrique)12，其包含：
·一个带有相关透镜14的第一宽视场摄像机13，它的输出路径上设有第一滤光器15，以使第一波长λ1的光从中穿过；
·一个带有相关透镜17的第二窄视场摄像机16，它的输出路径上设有第二滤光器18，以使第二波长λ2的光从中穿过；
·一个导光镜20；
·检流型镜(miroirs galvanométriques)21和22；
·一个透镜23；
-一个激光源24，其以第二波长λ2运行；
-一个计算机25，其装有形状识别软件26，用于检测所述第一摄像机、第二摄像机、激光源以及用于控制所述检流型加工头和所述托板10的运动的装置27和28的操作。
在图1所示的实施例中，更精确地讲，根据本发明的系统包括：
-第一和第二检流型镜21和22；
-通过以附图标记30所示的运动而可伸缩的反射镜20；
-平场透镜23；
-靠近托板安置的反应性或保护性气体源32。
根据本发明的方法包括以下步骤。
在第一步，将待加工的物体11以它们的基准面(箭头31)放置在物体支撑托板10上。
然后，自动将它们带到第一宽视场摄像机13的视场中，如图1所示。
这样，以下述方式形成了用于显示位于托板10上的所有物体的宽视场的光路：
-第一摄像机13；
-穿过聚焦透镜14；
-穿过第一滤光器15；
-穿过检流型镜22；
-穿过透镜23。
利用图像在普通坐标系中分析物体11的“数目”和“方向”。所有物体被显示出来，每个物体及其位置被识别，并且每个物体上的一个特征点(例如其重心G)以及其方向被存储。
第一摄像机13通过镜22和透镜23来观察托板13和放置在托板上的物体。基准图像与所观察到的对象11之间的叠加位于该视场内。有用区域以X、Y坐标记录。
如图2所示，在第二步，第二摄像机16在通过可伸缩的反射镜20、检流型镜21和22、透镜23产生的较小视场中显示前述以X、Y坐标表示的有用区域。
这样，以下述方式产生了用于显示待加工物体的窄视场的光路：
-第二摄像机16；
-穿过聚焦透镜17；
-穿过第二滤光器18；
-在可伸缩的镜20上反射；
-在镜21上反射；
-在镜22上反射；
-穿过透镜23。
在几微米的范围内，将基准图像和高精度观察到的第一物体叠加。
一旦该区域被完美地识别，利用本领域人员公知的方式通过直线或旋转运动30而使镜20缩回，根据本发明的形状识别系统选择所述第一物体并且将其放置在第二窄视场摄像机16的坐标系中，以确定起始点的坐标和加工方向。
计算机25通过运动33调节聚焦(z)。检流型镜21和22被定向成利用穿过透镜23的激光束24实施加工。
然后，物体11被替换，系统返回先前的步骤，以将第二物体11安置在第二摄像机16的坐标系中。
由于待加工物体11的尺寸，光学系统和运动特性取决于检流型镜21和22覆盖的加工区域视场。激光源24的特性(聚焦、波长)取决于被加工材料。反应性或保护性气体(源32)及其流动取决于物体11的本质。
如图1至3所示，物体支撑表面可以由位于移动的传送带19上的多个托板构成，但其也可以是一个可放置物体11的简单支撑体。
另一种可能性是将根据本发明的系统安装在组合设备中。
图4和5示出了根据本发明的方法的两个代表性实施例，它们分别用于标记和焊接。
图4从顶侧示出了一个作为被标记物体的齿轮40。齿轮40包括凹槽41。对于齿轮直径为5mm的情况，相邻凹槽之间的距离可能是0.2mm。根据本发明的方法被用于在两个凹槽之间的第一空间中添加标记“RENAUD激光”。例如，该标记中的字母高度可以是50μm，线粗可以是10μm。附图标记42表示利用根据本发明的方法在两个凹槽之间添加的条形码。
图5包括分别示出了电线圈50及其接线片60的主视图和俯视图的图5A和图5B。线圈50包括一个固定在支承部52上的塑料棒51，其上标有线圈基准。导线53缠绕在棒51上，导线的端部54放置在接线片60上，以便利用根据本发明的方法在位置61处焊接。
代表性实施例
在一个有益的代表性实施例中，根据本发明的系统包括以下各个元件：
·摄像机13：显示大约80mm×80mm的宽视场，其中
-行数：768
-列数：494
-波长：大约690nm
-物镜14：焦长8mm
·滤光器15：
-可透过波长λ1：大约690nm
·镜22：
-位于摄像机13一侧的表面：可透过波长690nm的光
-另一个表面：反射波长1064nm的光
·透镜23：
-焦长：163mm
·摄像机16：显示大约10mm×8mm的窄视场，其中
-行数：768
-列数：494
-波长：大约1064nm
-物镜17：焦长100mm
·滤光器18：
-可透过波长λ2：大约1064nm
·可伸缩的镜20：
-反射波长1064nm的光的可伸缩镜
·镜21：
-反射波长1064nm的光的镜
·激光源24：二极管泵浦的YAG激光器
-激光束特性：焦斑14微米
-Q开关激光器
-频率：0至100kHz
-输出激光束直径：20mm
-基本模式TEM00下的功率：＜5瓦。
其它光源也是可行的：
-固体激光器
·脉冲YAG激光器
·连续YAG激光器
·二倍频、三倍频或四倍频YAG激光器
-气体激光器
·CO2激光器
·准分子激光器。

Claims (10)

1.一种利用激光束加工物体(11)的系统，包括：
-一个物体供应部，其将所述物体预定位在它们的基准面上；
-一个对象支撑托板(10)；
-一个检流型加工头(12)，其包含：
·一个带有聚焦透镜(14)的第一宽视场摄像机(13)，
其中第一滤光器(15)设置在所述第一摄像机的输出路径上；
·一个带有聚焦透镜(17)的第二窄视场摄像机(16)，其中第二滤光器(18)设置在所述第二摄像机的输出路径上；
·一个导光镜(20)；
·检流型偏转镜(21，22)；
·一个透镜(23)，其显示至少一个位于托板(10)上的物体(11)；
-一个激光源(24)；
-一个计算机(25)，其装有形状识别软件(26)，用于检测所述第一摄像机、所述第二摄像机、所述激光源以及检流型加工头XYZ方向运动控制装置的操作。
2.如权利要求1所述的系统，包括第一和第二检流型反射镜(21，22)。
3.如权利要求1所述的系统，包括可伸缩的镜(20)。
4.如权利要求1所述的系统，包括平场透镜(23)。
5.如权利要求1所述的系统，包括传送带(19)，待加工的物体以它们的基准面承载于所述传送带上，所述传送带前面设有用于对物体进行预定位的供应部。
6.如权利要求3所述的系统，包括靠近托板(10)安置的反应性气体源(32)。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，设在第一摄像机(13)的输出路径上的第一滤光器(15)允许波长为600nm的光透过。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光源(24)是波长为1064nm的激光源，设在所述第二摄像机(16)的输出路径上的第二滤光器(18)允许该波长的光透过。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加工为标记、焊接、钻孔、切割或热处理。
10.一种利用激光器加工物体(11)的方法，所述激光器包括一个对象支撑托板(10)、一个检流型加工头(12)、一个激光源(24)和一个计算机(25)，所述方法包括以下步骤：
-将物体(11)放置在所述托板(10)上，其中所述物体被定位在它们的基准面上；
-在一个宽视场中显示所有所述物体(11)，并且通过物体的位置和方向来识别每个物体(11)；
-在一个所述物体(11)上在一个高分辨率窄视场中显示待加工区域；
-利用所述激光源输出的激光束加工该物体(11)。
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