CN102307698A - 用激光进行材料处理的具有扫描仪光学系统的装置 - Google Patents

用激光进行材料处理的具有扫描仪光学系统的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用激光(1)进行材料处理的、特别是激光焊接的、装配有扫描仪光学系统(前或后目标扫描)的装置。该装置包括随扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的图像传感器(18)，该传感器从光学上整合到扫描仪光学系统(2a、2b)的射线线路的部分区域上，该部分区域始于工件(7)上的处理位置(16)；所述装置包括至少一个随所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的投影器(10)，该投影器用于将测量光线(11)以测量结构的形式投影在待处理工件(7)上。图像传感器(18)对于由投影器(10)放射出的测量光线(11)的波长范围是敏感的并且设置在偏转单元(4a、4b)远离射线线路的一侧；偏转单元在由投影器(10)放射出的光的波长范围上是可穿透的，而在由处理激光(1)发射出的光的波长范围上是可反射的。用该装置可以在批量生产中制成具有高分辨率的不复杂的几何模件，例如，精细的角焊缝和卷边焊缝。

Description

用激光进行材料处理的具有扫描仪光学系统的装置
技术领域
本发明涉及一种用激光进行材料处理、特别是进行激光焊接的、装配有扫描仪光学系统(根据前或后目标扫描原理)的装置，该装置凭借传感技术在待处理工件上自动地而无误差地识别处理位置。由此实现了，凭借扫描仪光学系统对由机器和工件决定的定位误差进行补偿。采用该装置，可以在批量生产中制成具有高分辨率的不复杂的几何模件，例如，精细的角焊缝和卷边焊缝，这些结构至今仍需要很高的耗费才能制成。
背景技术
现有技术已知采用激光的具有偏转单元的扫描仪光学系统，该扫描仪光学系统通过调整偏转单元实现了激光处理射线的定位。通常使用镜面作为偏转单元。采用扫描仪光学系统一方面可以比采用引导机达到明显更高的速度和加速度参数；另一方面它实现了，在引导机运行期间，独立于该引导机而在待处理工件上写入焊缝和轮廓。由此可以使制造时间持续减少。
扫描仪光学系统根据前目标扫描或后目标扫描的原理工作。
在根据前目标扫描原理工作的扫描仪光学系统中，分离的激光射线首先穿过校准单元，接着通过一个或多个主动(可调节)偏转单元产生偏转，并且最终经聚焦单元照射在待处理工件上。聚焦单元装配有光学透镜或平面区域镜头。
根据后目标扫描原理工作的扫描仪光学系统同样具有校准单元，然而，聚焦单元位于至少一个偏转单元之前，也就是说，通过该偏转单元使已经聚焦的激光射线定位在工件上。
除了主动偏转单元，在扫描仪光学系统中经常还使用被动(固定)偏转单元，该被动偏转单元用于引导射线。
然而，用传统的扫描仪光学系统在处理工件时只能达到相对较小的激光光斑的定位精确性。对此，原因是由引导机、扫描仪光学系统和工件组成的总的系统的容许误差链使误差累加。
通常，相对于运动的工件来使用扫描仪光学系统。扫描仪光学系统是位置固定的，而工件可以相对于该扫描仪光学系统运动；或者扫描仪光学系统通过引导机而进行运动，而工件是位置固定的。实际的相对速度的向量和实际的工件处理点和扫描仪光学系统之间的实时笛卡尔定位必须对于扫描仪光学系统是公知的，以便首先计算出激光光斑的起始点并接着根据几何编程对其进行跟踪。在尚且可以相对精确地得出相对速度的向量的同时，由于该设置的弹性变形、引导机的路径传感器的受限的分辨率、工件的制造容许误差和由张力装置决定的工件的位置偏差，使扫描仪光学系统的相对于工件的位置很容易出错。
此外还有扫描仪光学系统的误差，该误差首先由驱动装置受限的动力和路径传感器的限定的分辨率造成。由于不利的光学成像关系和大的工作间距(偏转镜面的小的变动就造成激光光斑位置的大的变动)，使这些误差特别容易影响到定位精确性。在评价误差时必须最终还要注意到，激光光斑的直径通常仅为0.3mm至0.6mm。
因此，传统的扫描仪光学系统仅用于这些领域，即对激光光斑的定位精确性要求相对低的地方。因而，例如在车辆制造中仅焊接重叠的焊缝，其中，重叠的宽度如此选择，即，即使在所有误差的不利的加和的情况下，使工件上的焊缝仍能够保持在容许误差范围内。由此，如果法兰宽度不必要地过大，那么是不利于生产的，这是因为在车辆制造中一直追求更轻的、减少材料的车身部件。在重叠接合部的角焊缝或卷边焊缝的焊接是不能实现的。通过焊接角焊缝，可以显著降低法兰宽度，而且此外在同样的激光功率条件下还可以提高焊接速度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用激光进行材料处理的、装配有扫描仪光学系统的装置，该装置能在待处理工件上自动地而无误差地识别出处理位置。通过提高激光光斑的定位精确性，应该可以制成具有高分辨率的不复杂的几何模件，例如精细的角焊缝或卷边焊缝。
根据本发明，上述目的通过权利要求1的技术特征来实现。其它有利的实施方式由权利要求2至10给出。
本发明提供这样的一种装置：该装置用激光进行材料处理，特别用于激光焊接，该装置具有通过引导机而相对于待处理工件可运动的扫描仪光学系统。在此，该扫描仪光学系统位置固定，而工件可以相对于该扫描仪光学系统进行运动；或者，工件位置固定，而该扫描仪光学系统可以通过引导机进行运动。该扫描仪光学系统的射线线路由一个或多个主动和/或被动偏转单元来限定，该扫描仪光学系统根据前目标扫描或后目标扫描原理工作。
根据本发明的技术方案，所述装置包括投影器和图像传感器，该投影器用于将测量光线以测量结构的形式投影在待处理工件上；该图像传感器对于由投影器放射出的测量光线的波长范围是敏感的。投影器和图像传感器与扫描仪光学系统连接在一起，并且随后在装置运行过程中随着扫描仪光学系统共同运动。图像传感器整合到扫描仪光学系统的射线线路的一部分，该部分始于工件上的射中位置。为了实现射线线路的光学分离，图像传感器设置在偏转单元远离射线线路的一侧(以下表示为：偏转单元之后)，偏转单元在由投影器放射出的光的波长范围上是可穿透的，而在由处理激光发射出的光的波长范围上是可反射的。
还可以了解到，将图像传感器设置在被动偏转单元之后，并且作为光源用于投影器而设有激光，该激光放出与处理激光具有不同波长的光线，并且被动偏转单元实施为部分透射的、设置有干涉层的镜面，其中，该被动偏转单元反射处理激光的光线，并且允许投影器激光的光线穿过。
在本发明中，接下来，从处理位置的角度观察，射线线路受到限定，也就是说，射线线路在工件上的处理位置开始而在激光处中止的方向上受到限定。
特别适合于传感器信号的分离，使各个偏转单元在射线线路上设置在扫描仪光学系统的上一个主动偏转单元之后，或者使各个被动偏转单元在射线线路上直接设置在聚焦单元之后。
由于这种结构，使传感器的测量区在所有的自由度上都与激光处理射线进行同步运动。因为激光处理射线在扫描仪光学系统中于光学系统的至少一个区域上相对于传感器的光线射入轴同轴或不同轴延伸，所以光学或机械整体结构的位置误差或几何形状误差不会影响到测量结果。
因为在简单的实施方案中，投影器是位置固定的，而由工件上的传感器检测的范围能够经由偏转单元而定位在扫描仪光学系统的总工作区内，所以只能实现，投影于工件上的测量光线由传感器来获得，同时偏转单元这样设置，即，测量光线发射到传感器的测量区上。为了使横向相对于焊缝纵向不受到限制而设有投影器，投影器在工件上投影出投影线，该投影线处于横向相对于在工件上待生成焊缝的纵向的方向，其中，投影线延伸经由扫描仪光学系统的整个工作区。
测量光线包括一条或多条投影线，其中，投影线的数量取决于所需要的校正尺寸。通过使用测量线，可以确定出高度差、横向相对于焊缝纵向的偏移以及围绕焊缝纵向的旋转，同时采用三条测量线还可以确定所有空间尺寸。
为了使由于激光过程产生的外界影响因素、诸如温度梯度、所产生的等离子火焰、焊接烟雾和焊接飞溅物不会明显歪曲测量光线，测量光线的投影线必须总是与激光射线的射中位置保持一定距离。特别不允许投影线与激光射线相交。这种设置由此实现，即，通过投影器预设焊缝纵向上的距离。过程技术在此十分有利，即，投影线相对于处理点总是具有一个进给量。
本发明装置装配有控制单元，该控制单元凭借三角测量和/或光切割方法由传感器的数据计算出工件上的处理位置，并且凭借位置数据对扫描仪光学系统的主动偏转单元进行控制。通过采用公知的三角测量(一维)和/或光切割方法(多维)，根据公知的投影器和传感器的角度关系，可以从传感器测量区的接收射线的位置到空间位置封闭。在多维区域上，由传感器不仅获得测量点，还获得轮廓，得到几何参数，根据这些参数能够计算出处理位置。由此实现了，这样控制扫描仪光学系统的偏转单元，即，激光射线总是相对精确地定位在预设处理位置上。
通常将扫描仪光学系统装配在引导机上，并且通过引导机使扫描仪光学系统能够相对于工件产生运动。在不采用其它方式的情况下，由此强行使过程速度与引导机确定的速度(引导速度)相一致。为了能够以不同的速度进行工作，在本发明装置的一个实施方案中，扫描仪光学系统的主动偏转单元凭借控制单元如此与引导机同步化，即，扫描仪光学系统除了用于焊缝引导之外还能够使过程速度相对于由引导速度降低或提高，因此，激光射线与扫描仪光学系统一起沿着或逆着由引导机预定的运动方向而进行运动。
对此，在开始焊缝引导之前，使扫描仪光学系统的主动偏转单元这样在进给方向上摆动，即，使测量光线定位在传感器测量区的底端。在该端部上，激光光斑在焊接边缘上定位之后，开始焊缝引导，并且通过在进给方向上的调整运动，经由扫描仪光学系统实现了，所需要的过程速度与实际引导机运动的同步化。为了实现更长的周期，一般情况下，使引导速度大于过程速度。由此在工件的处理过程中，投影线从传感器测量区的底端转换到顶端。此外，对于充分线性化的工件结构来说，调整运动还可以由传感器/摄像机图像的视角范围而推导出。
通过在工件上的线投影，原则上，用位置固定的投影器不可能实现横向相对于焊缝纵向的焊缝跟踪。如果在较小的工件半径或工件边沿的情况下必须实现连续焊缝跟踪(该工件边沿彼此呈小角度)，则引导机必须在小的时间/路径区段内使扫描仪光学系统定向，这在技术上需要以大的工本开支来实现。为了将这个限制加以预防，在该装置的实施方式中使用多个投影器，或者如此设置一个投影器，以使该投影器经额外的自由度围绕处理点可以来回摆动。在此，必须为所有的自由度获得投影器的测量射线的实时位置，并且由传感器数据对该实时位置进行计算。投影器的摆动可以是电磁的、光学的或者电子气动的。
另外，投影器在测量运行期间也可以通过一个或多个分离的投影器自由度在焊缝纵向主动定位。由此，一方面可以实现，可变地维持投影器的测量光线和激光斑之间、以及由此和传感器测量区之间的进给；另一方面可以利用总扫描区凭借在投影器和扫描仪光学系统的偏转单元之间的同步化运动在焊缝纵向上维持更大的焊缝引导区域，或者可以实现引导速度和过程速度之间更大的区别。
为了使过程外界影响因素：例如等离子火焰、焊接烟雾和飞溅物(该外界影响因素在激光过程中被迫生成并可能导致干扰图像传感器信号)远离投影器，该装置可以装配有至少一个过程喷射器。该过程喷射器凭借经压缩的气体(压力空气)生成气流，该气流消除在投影器的外围区域的过程外界影响因素。如同投影器，过程喷射器与扫描仪光学系统相连接并且随投影器共同运动。
取决于这一点，即是否采用单个和位置固定装配的投影器、多个投影器或可摆动投影器，可以采用位置固定装配的过程喷射器、多个过程喷射器或者一个如所采用的投影器那样可摆动设置的过程喷射器，以便确保，总是可靠地将过程外界影响因素从投影器处吹走。
附图说明
接着，凭借实施例进一步阐述本发明，此外，在附图中示出了用于材料处理的、具有根据前目标扫描原理工作的扫描仪光学系统的装置。
图1示出了侧视图；
图2示出了俯视图；
图3示出了前视图。
附图标记说明
1处理激光
2a根据前目标扫描设计原理构建的扫描仪光学系统
2b根据后目标扫描设计原理构建的扫描仪光学系统
3校准单元
4a主动偏转单元
4b被动偏转单元
5聚焦单元
6激光处理射线
7工件
8射中位置
9工作区
10投影器
11测量光线
12投影线
13焊缝纵向
14焊缝纵向的投影器自由度
15围绕处理位置的投影器自由度
16预定处理位置
17传感器-聚焦单元
18传感器
19传感器接收射线
20传感器-测量区
21过程喷射器
22压缩气体
23过程-外界影响因素
具体实施方式
在图1至图3示出的装置中，由处理激光1射出的光射入根据后目标扫描的设计原理工作的扫描仪光学系统2b中，通过校准单元3校准并且用被动偏转单元4a(作为部分透射镜)将光引至聚焦单元5。在此，激光处理射线6聚焦，并在进一步的射线线路中射到主动偏转单元4b(作为镜面)，该镜面将射线6引至待处理工件7。通过调整主动偏转单元4b，可以使射线6在工件7上的射中位置8产生变化；射中位置8凭借偏转单元4b可以达到的最大范围限定了扫描仪光学系统2b的工作区9。
机械连接在扫描仪光学系统上的投影器10将由激光生成的测量光11以投影线12的形式照射在工件7上，该投影线横向相对于焊缝纵向13延伸。投影器10在焊缝纵向13具有自由度14，另外还有自由度15，这些自由度允许了围绕预定处理位置16的摆动，由此即使在小半径条件下或在边沿的情况下也能够实现连续的焊缝跟踪。
由工件7反射的光到达主动偏转单元4b并从那里被引导至被动偏转单元4a。由于被动偏转单元4a对于投影器10的激光是透光的，该激光就穿过该偏转单元并通过作为透镜的传感器-聚焦单元17到达光学图像传感器18的传感器-测量区20。在穿过传感器-聚焦单元17时将光线聚焦。接收激光的线路限定了传感器18的接收射线19。
过程喷射器(Prozessjet)21使用压缩气体22将通过激光焊接生成的过程外界影响因素(Prozess-Umwelteinflüsse)23尽可能完全地从投影器10吹走。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用激光(1)进行材料处理的装置，其具有通过引导机而相对于待处理工件(7)可运动的扫描仪光学系统(2a、2b)，该扫描仪光学系统根据前目标扫描或后目标扫描原理工作，而且该扫描仪光学系统的射线线路由一个或多个主动(4b)和/或被动(4a)偏转单元来引导；所述装置包括随所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的投影器(10)，该投影器用于将测量光线(11)以测量结构的形式投影在待处理工件(7)上；以及，所述装置包括随所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的图像传感器(18)，所述图像传感器(18)对于由投影器(10)放射出的测量光线(11)的波长范围是敏感的；其特征在于，所述投影器设置在所述扫描仪光学系统(2a、2b)的射线线路之外，并且由所述投影器(10)放射出的测量光线(11)由至少一条线(12)构成，所述线相对于所述工件(7)上待生成焊缝的纵向(13)延伸，并且所述线具有到激光射线(6)的射中位置(8)的、由所述投影器(10)在焊缝纵向(13)上预设的进给量，其中，用于从扫描仪光学系统(2a、2b)的射线线路进行光学分离的图像传感器(18)设置在偏转单元(4a、4b)远离射线线路的一侧；所述偏转单元在由投影器(10)放射出的光的波长范围上是可穿透的，而在由处理激光(1)发射出的光的波长范围上是可反射的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，作为投影器(10)的光源采用激光，该激光放出波长不同于处理激光(1)的光线，并且所述被动偏转单元(4a)实施为部分透射的、设置有干涉层的镜面。
3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，从处理位置(16)的角度观察射线线路，该被动偏转单元接着上一个主动偏转单元(4b)。
4.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，从处理位置(16)的角度观察射线线路，该被动偏转单元设置在扫描仪光学系统(2b)的聚焦单元(5)之后。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的装置，其特征在于，由所述投影器(10)放射出的测量光线延伸经由所述扫描仪光学系统(2a、2b)的整个工作区(9)。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的装置，其特征在于，该装置装配有控制单元，该控制单元凭借三角测量和/或光切割方法由图像传感器(18)的数据计算出工件(7)上的处理位置(16)，并且凭借位置数据对所述扫描仪光学系统(2a、2b)的至少一个主动偏转单元(4b)进行控制。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的装置，其特征在于，所述扫描仪光学系统(2a、2b)的主动偏转单元(4b)凭借控制单元如此与所述引导机同步化，即，所述扫描仪光学系统(2a、2b)除了用于焊缝引导之外还能够使过程速度相对于由所述引导机预定的速度降低或提高。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的装置，其特征在于，对于多轴式的焊缝引导，或者采用多个投影器(10)，或者围绕射线线路可摆动地设置至少一个投影器(10)。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少一个与所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的过程喷射器(21)，所述过程喷射器用于凭借压缩气体(22)生成空气气流，所述压缩空气用于从投影器(10)的周边区域去除在进行激光焊接时生成的蒸气并且用于降低其它的在进行激光焊接时生成的过程外界影响因素(23)，所述过程外界影响因素干扰所述图像传感器(18)的信号。
10.根据权利要求8和9所述的装置，其特征在于，为确保至少一个过程喷射器(11)的保护效果，当使用多个投影器(10)时，使用多个过程喷射器(21)；或者，当使用可摆动的投影器(10)时，使用多个过程喷射器(21)或使用一个同样可摆动设置的过程喷射器(21)。

Claims (10)

1.一种用激光(1)进行材料处理的装置，其具有通过引导机而相对于待处理工件(7)可运动的扫描仪光学系统(2a、2b)，该扫描仪光学系统根据前目标扫描或后目标扫描原理工作，而且该扫描仪光学系统的射线线路由一个或多个主动(4b)和/或被动(4a)偏转单元来引导，其特征在于，所述装置还具有随所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的图像传感器(18)，该图像传感器从光学上整合到所述扫描仪光学系统(2a、2b)的射线线路的部分区域上，该部分区域始于工件(7)上的处理位置(16)；所述装置包括至少一个随所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的投影器(10)，该投影器用于将测量光线(11)以测量结构的形式投影在待处理工件(7)上；其中，所述图像传感器(18)对于由投影器(10)放射出的测量光线(11)的波长范围是敏感的；并且，用于从扫描仪光学系统(2a、2b)的射线线路进行光学分离的图像传感器(18)设置在偏转单元(4a、4b)远离射线线路的一侧；所述偏转单元在由投影器(10)放射出的光的波长范围上是可穿透的，而在由处理激光(1)发射出的光的波长范围上是可反射的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，作为投影器(10)的光源采用激光，该激光放出波长不同于处理激光(1)的光线，并且所述被动偏转单元(4a)实施为部分透射的、设置有干涉层的镜面。
3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，从处理位置(16)的角度观察射线线路，该被动偏转单元接着上一个主动偏转单元(4b)。
4.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述图像传感器(18)设置在被动偏转单元(4a)的远离射线线路的一侧，从处理位置(16)的角度观察射线线路，该被动偏转单元设置在扫描仪光学系统(2b)的聚焦单元(5)之后。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置设有投影器(10)，所述投影器在工件(7)上投影出投影线(12)，所述投影线处于横向相对于在所述工件(7)上待生成焊缝的纵向(13)的方向，其中，所述投影线延伸经由所述扫描仪光学系统(2a、2b)的整个工作区(9)，所述投影线与激光射线(6)的射中位置(8)通过在焊缝纵向(13)上的运动而保持预设距离，而且不与激光射线(6)相交。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的装置，其特征在于，该装置装配有控制单元，该控制单元凭借三角测量和/或光切割方法由图像传感器(18)的数据计算出工件(7)上的处理位置(16)，并且凭借位置数据对所述扫描仪光学系统(2a、2b)的至少一个主动偏转单元(4b)进行控制。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的装置，其特征在于，所述扫描仪光学系统(2a、2b)的主动偏转单元(4b)凭借控制单元如此与所述引导机同步化，即，所述扫描仪光学系统(2a、2b)除了用于焊缝引导之外还能够使过程速度相对于由所述引导机预定的速度降低或提高。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的装置，其特征在于，对于多轴式的焊缝引导，或者采用多个投影器(10)，或者围绕射线线路可摆动地设置至少一个投影器(10)。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少一个与所述扫描仪光学系统(2a、2b)共同运动的过程喷射器(21)，所述过程喷射器用于凭借压缩气体(22)生成空气气流，所述压缩空气用于从投影器(10)的周边区域去除在进行激光焊接时生成的蒸气并且用于降低其它的在进行激光焊接时生成的过程外界影响因素(23)，所述过程外界影响因素干扰所述图像传感器(18)的信号。
10.根据权利要求9和10所述的装置，其特征在于，为确保至少一个过程喷射器(11)的保护效果，当使用多个投影器(10)时，使用多个过程喷射器(21)；或者，当使用可摆动的投影器(10)时，使用多个过程喷射器(21)或使用一个同样可摆动设置的过程喷射器(21)。
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