CN101790433A - 通过在工件上加工参考标记并测量参考标记与参考点之间的偏移量的激光加工校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准方法。该方法包括相对于工作空间(16)的至少一个参考基准面(14)定位激光器(12)的焦点(24)，所述焦点(24)位于所述激光器(12)进行加工的位置。该方法还包括通过在焦点(24)处进行激光加工将至少一个参考标记加工到工件(20)上，以及测量位于工件(20)上的参考点与所述至少一个参考标记之间的偏移量。

Description

通过在工件上加工参考标记并测量参考标记与参考点之间的偏移量的激光加工校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准方法，并且更特别地涉及一种激光加工校准方法。

背景技术

在加工操作中，技术人员通常相对于工具——例如，激光器、主轴操作工具或者喷水嘴——定位工件。技术人员可相对于已知的参考基准面定位工件，从而可计算出用于定位工件上的特征——例如，孔、凹陷或切口——的偏移量。通常将在工件中加工的特征在计算机辅助设计(CAD)系统——例如，

或

——中生成。当使用CAD系统时，可在软件中相对于参考基准面计算出特征的位置。为了确保在工件中的合适位置加工出特征，需要相对于参考基准面精确地定位工件。这经常利用猜测-检验方法(guess-and-check method)完成，在该方法中，技术人员可反复使用激光标记工件，然后相应地移动一个或另一个，直到激光打到工件的期望部分。可重复进行校准，直到工件被定位到合适的位置。一旦相对于参考基准面合适地定位，CAD系统就可继续控制工件的加工。可周期性地重复进行用于流水线生产的校准，以确保一致性和满足公差要求。

尽管这种反复的猜测-检验校准方法在定位工件时是足够的，但是这种方法对于流水线生产或需要一致性和要求效率的地方是不理想的。当工件和加工工具很小时，例如在激光加工应用中，每次反复时需要移除工件。需要移除工件，以使用显微镜或可放大工件图像的其它图像装置将参考标记定位在工件上。

在授予Tashjian等人的美国专利No.5,168,141(’141专利)中描述了校准激光焊接系统的尝试。’141专利公开了一种激光焊接系统，该系统包括激光焊机、定位台和摄影机。该定位台与台坐标系统相关联，该摄影机与用于摄影机视场/观察区域的摄影机坐标系统相关联。金属板放置在定位台上并位于激光焊机下方，激光焊机发射激光束，以在金属板的某一位置烧出孔，该位置位于台坐标系统上并与激光焊机预定焦点相对应。摄影机根据摄影机坐标系统记录焦点的位置，并且将数据输入计算机。计算机根据算法指示定位台反复调整金属板的位置，直到焦点在台坐标系统和摄影机坐标系统中具有相同的坐标，从而校准摄影机与定位台。

尽管’141专利中的激光焊接方法提供了一种在摄影机视场与定位台之间反复校准焦点位置的技术，但由于校准需要大量猜测-检验的反复，因此该方法对于激光加工应用来说效率很低。

本发明的校准方法解决了一个或多个上述问题和/或现有技术中的其它缺陷。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及一种校准方法。该方法包括相对于工作空间的至少一个参考基准面定位激光器的焦点，所述焦点位于所述激光器进行加工的位置。该方法还包括通过在所述焦点处进行激光加工将至少一个参考标记加工到工件上以及测量工件上的参考点与所述至少一个参考标记之间的偏移量。

根据另一方面，本发明涉及一种校准系统。该校准系统包括用于检测焦点的检测装置以及用于相对于工作空间的至少一个参考基准面定位焦点的监视器，所述焦点位于进行加工的位置。该校准系统还包括激光器，该激光器配置成用于在所述焦点处将至少一个参考标记加工到工件上，所述工件具有参考点，用于测量到所述至少一个参考标记的偏移量。

附图说明

图1是本发明的示例性激光校准系统的立体图；

图2是本发明的示例性激光校准系统的另一立体图；

图3是本发明的示例性激光校准方法的流程图；

图4是沿图2中的A-A方向的激光校准系统的示例性工件的视图；

图5是沿图2中的A-A方向的激光校准系统的示例性工件的另一视图；以及

图6是图2中的激光校准系统的工件的立体图。

具体实施方式

图1示出示例性激光校准系统10。该激光校准系统10可包括激光器12、参考基准面13、参考基准面14、参考基准面15、工作空间16和物体18。激光器12可以是构造成在工件20(图2)中加工特征——例如，孔或切口——的任何类型的激光器。例如，激光器12可以是红外化学激光器，例如化学氧碘激光器。工件20可以是任何需要激光加工的物体，例如燃料喷嘴。

如图1和2所示，参考基准面13、14和15可以是构造成固定参考或标准尺的平面，在该平面内可以生成用于定位工件20和工件20中的特征的尺寸。在一个示例中，参考基准面13可以是包含x轴和y轴的总体上垂直的平面，参考基准面14可以是包含y轴和z轴的总体上垂直的平面，参考基准面15可以是包含x轴和z轴的总体上水平的平面。参考基准面13、14、15可以位于工作空间16中的任意位置，例如，在一个示例中，参考基准面13、14、15可以位于计算机数控(CNC)激光器12的已知的“零点”或“原点”位置。可以使用附加的或较少的参考基准面13、14、15作为工件20的参考。

工作空间16可以是工件20可在其中加工的三维空间。也就是说，工作空间16可以由在加工过程中激光器12和/或工件20在其中移动的区域构成。物体18可以是具有基本上平的表面22和23的板，该板可以放置在工作空间16中和在其中移动。例如，物体18可以在工作空间16中可移动地定位，从而使表面23可以基本上与参考基准面14平行。也就是说，物体18可以在工作空间16中移动，以利于识别激光器12的焦点24。焦点24可以是这样一个点，在该点处由激光器12生成的激光束26可以进行加工。焦点24可以由配置成聚焦激光束26的一个或多个透镜(未示出)产生，并且设置在激光器12与物体18或工件20之间。特别地，激光器12的焦点24可以非常小，并且仅影响处于焦点24中的材料，从而进行最优加工。

激光校准系统10可包括检测装置28，该检测装置28配置成沿着可观察焦点24的预定观察方向29观察工作空间16。检测装置28可检测焦点24。检测装置28可以是摄影机，该摄影机配置成当激光12加工物体18或工件20时检测来自焦点24的热或光。检测装置28可以与自动处理器——例如，计算机——相连。计算机可将信号传递给监视器32，监视器32可将信号转换成工作空间16的图像。监视器32可配置成显示被观察焦点24的二维图像指示，从而允许焦点24被标记在监视器上。监视器32可以是图像生成领域中已知的任何类型的监视器。在一个示例中，监视器32可以是与CNC激光器12相关联的监视器。

如图2所示，在加工过程中，工件20可定位在工作空间16中。可以设想工件20可以以任何期望的方式——例如，平行于参考基准面14——定向。

工业适用性

当进行任何激光加工时，都可以应用本发明的激光校准系统。特别地，所公开的系统可用于高效和准确地定位将由激光器加工的工件。下面将说明激光校准系统10的操作。

激光校准系统10可用于根据图3中示出的方法步骤在工作空间16中定位将由激光器12加工的工件20。在步骤50中，可将焦点24标记在监视器32上。可相对于工作空间16的参考基准面13、14、15定位激光器12的焦点24。例如，技术人员可将物体18平行于参考基准面14放置在工作空间16中。可沿x轴在移动方向21上移动物体18。当物体18开始与激光器12的焦点24接触时，检测装置28可检测由于激光器12开始加工物体18而产生的光或热，并且在监视器32上显示相应的图像，检测装置28可在观察方向29上观察加工过程。技术人员可在位于监视器32上的被观察焦点24的位置处标记监视器32，从而限定检测轴线30(例如，在观察方向29方向上的轴线)。检测轴线30尽管是一条从检测装置28延伸穿过焦点24的线，但在监视器32上可显示为一个点。通过在焦点24被观察的位置处标记监视器32，技术人员可沿检测轴线30对准焦点24，这可如下所述的简化校准。可以设想在监视器32上标记焦点24的任何方式都可使用。例如，标记可以通过使用标记器物理地标记，或者通过使用可识别焦点24并且在监视器32的屏幕上放置一个数字标记的计算机程序标记。

焦点24的位置可通过多个基准偏移量——例如，图2中示出的焦点24与参考基准面14之间的基准偏移量42——与参考基准面13、14、15相关。焦点24可位于在工作空间16中被预先确定的位置处，该位置是激光器12的特性——例如，聚焦长度和透镜特性——的函数。当激光器12移动时，焦点24的位置可通过激光器12的计算机数控而相对于参考基准面13、14、15更新。

在步骤52中，工件20可在工作空间16中被夹持就位。使用已限定的检测轴线30，技术人员可接着从工作空间16中移除物体18，并且用工件20替代它。在一个示例中，可使用夹具，该夹具配置成将工件20夹持或固定就位。特别地，如图2所示，通过使工件20的边缘34与监视器32上的标记对准，技术人员可沿着检测轴线30放置工件20的边缘34。从而，监视器32可沿检测轴线30有效地定位工件20，检测轴线30包含焦点24。当通过监视器32观察工件20时，技术人员可将中心线38(在图4中显示为一个点)与标记在监视器32上的焦点24的位置对准。从而，技术人员可在两个维度上有效地校准工件20。

在步骤54中，可将参考标记加工到工件20上。如图4所示，可通过激光器12在焦点24处将至少一个参考标记36加工到工件20上。可沿着检测轴线30的方向(例如，沿着移动方向21)调整工件20，直到通过检测装置28检测到加工并且所述加工被显示在监视器32上，从而证实焦点24在工件20的表面上。激光器12可沿直线移动，以在工件20的表面上加工出两个或更多参考标记36，从而生成参考线44。例如，激光器12可沿y轴方向移动。可垂直地测量从平面43到参考线44的偏移距离40。平面43可以是包含工件20的中心线38的平面，并且平行于x轴和y轴(即，平行于x-y平面)。技术人员可将工件20从夹具上移除，以使用显微镜或其它图像设备来测量偏移距离40。然后，技术人员可将工件20放回原处。

在步骤56中，可沿着检测轴线30在第三维度上校准工件20。通过将工件20放回原处，可根据偏移距离40调整工件20或激光器12的位置，从而使参考线44定位在平面43上，如图5所示。调整以后，焦点24也可定位在平面43上，从而在三维上校准工件20。偏移距离40例如可沿z轴。或者，可以不调整激光器12和/或工件20。可将偏移距离40输入到计算机模型——例如，CNC程序——中。偏移距离40和基准偏移量42可被编程入CNC程序中，从而允许程序相应地调整它的计算值。

在步骤58中，当起初不知道工件20的形状时，可沿着平面43映像工件20，如图5和6所示。可执行映像，以识别工件20的形状并且将该形状输入到CAD程序中。可沿着平面43调整激光器12和/或工件20，以沿着平面43将多个参考标记46加工到工件20上。由于工件20已被校准，因此焦点24可在映像过程中保持在平面43上。因此，通过平行于平面43(例如，在二维而不是三维上)仅移动激光器12和/或工件20而在焦点24处的加工，可完全映像工件20的与平面43相交的表面。因此，可显著简化工件20的映像。另外，通过监视器32观察工件20也可简化该映像过程，因为与加工每个参考标记46相对应的焦点24可定位在平面43上并且因此在监视器32上显示为直线。这可以使标记该被映像表面和测量参考标记46与中心线38之间的多个距离48以辅助映像工件20的表面变得容易。

激光校准系统10可使激光加工流程的编排更高效。特别地，使用监视器32来识别检测轴线30可通过允许在二维上校准而简化了校准。通过在监视器32上标记焦点24，单次调整就可在三维上校准工件20。这可减少定位工件20所需要的参考标记36的数量，并且可节省时间和工件20的不必要的标记。另外，激光校准系统10可使工件20的表面映像更简单和更高效。

可对本发明的激光校准系统进行各种修改和变型而不脱离本发明的范围，这对本领域技术人员来说是显而易见的。考虑到本文所公开的本发明的激光校准系统的说明书和实际情况，对本领域技术人员来说，其它实施例也是显而易见的。说明书和示例仅应被认为是示例性的，本发明的真正范围由所附的权利要求书和它们的等同方案确定。

Claims (10)

1.一种校准方法，包括：

相对于工作空间(16)的至少一个参考基准面(14)定位激光器(12)的焦点(24)，所述焦点位于所述激光器进行加工的位置；

通过在所述焦点处进行激光加工，将至少一个参考标记(36)加工到工件(20)上；以及

测量工件上的参考点与所述至少一个参考标记之间的偏移量(40)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括根据所述偏移量调整激光器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括根据所述偏移量调整工件。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将所述偏移量输入模型。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模型是计算机数控程序。

6.一种校准系统，包括：

检测装置(28)，所述检测装置(28)用于检测焦点(24)，所述焦点位于进行加工的位置；

监视器(32)，所述监视器(32)用于相对于工作空间(16)的至少一个参考基准面(14)定位所述焦点；以及

激光器(12)，所述激光器(12)配置成在所述焦点处将至少一个参考标记(36)加工到工件(20)上，所述工件具有参考点，该参考点用于测量相对于所述至少一个参考标记的偏移量(40)。

7.如权利要求6所述的校准系统，其特征在于，该校准系统进一步包括计算机数控程序，该计算机数控程序接收作为输入量的偏移量并与所述监视器相关联。

8.如权利要求6所述的校准系统，其特征在于，所述激光器是计算机数控激光器。

9.如权利要求6所述的校准系统，其特征在于，所述检测装置是摄影机，该摄影机检测热或光。

10.一种加工工件的方法，包括：

相对于工作空间(16)的至少一个参考基准(14)定位激光器(12)的焦点(24)，所述焦点位于所述激光器进行加工的位置；

通过在所述焦点处进行激光加工，将至少一个参考标记(36)加工到工件(20)上；

测量包含位于工件上的参考点的平面(43)与所述至少一个参考标记之间的偏移量(40)；以及

将所述偏移量输入模型。

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