CN107107264A - 激光加工机以及激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种激光加工机以及激光加工方法，该激光加工机(100)使载置于工作台(108)的工件和照射激光的光学头(10)相对移动，通过对工件照射激光来加工工件，具备：校准相机(42)，其固定于光学头(10)；探针(40)，其固定于光学头(10)；以及校准单元(50)，其具有对校准相机(42)以及探针(40)的位置进行测定的测定基准点(Pc1、Pc2、Pc3、Pp1、Pp2、Pp3)和利用激光来形成加工痕迹(L1、L2)的加工部(68)。

Description

激光加工机以及激光加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工机以及激光加工方法，尤其是涉及在具备对工件的尺寸、位置进行测定的接触式探针的激光加工机中校准接触式探针的位置的激光加工机以及激光加工方法。
背景技术
近来，开发出了如下的激光加工机：将接触式探针、静电电容传感器安装于激光加工机，以将工件安装于激光加工机的状态对工件的尺寸、形状进行测定。例如，在专利文献1中记载有如下的激光加工机：在激光加工头的前端设置静电电容传感器，并利用该静电电容传感器对激光加工头的前端与工件的间隙进行控制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-220685号公报
发明内容
发明要解决的课题
像这样，在具备接触式探针、静电电容传感器的激光加工机中，接触式探针、静电电容传感器与照射激光的激光加工头或光学头的位置关系可以说是作为设计值已知的，但在接触式探针、静电电容传感器向激光加工头或光学头的安装中，不可避免地会包含有安装误差。即使在专利文献1的激光加工机中，由于没有相对于从激光加工头照射的激光的光轴、激光加工头的前端的Z轴上的位置对静电电容传感器的位置进行测定，所以在由静电电容传感器测定的工件的尺寸、形状中也会包含有由静电电容传感器向激光加工头的安装误差引起的误差。包含有这样的误差的测定结果会成为降低加工精度的原因。
本发明以解决这样的以往技术的问题为技术课题，其目的在于提供一种能够测定接触式探针相对于激光的光轴的位置并能够高精度地进行加工的激光加工机以及激光加工方法。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，根据本发明，提供一种激光加工机，所述激光加工机使载置于工作台的工件和照射激光的光学头相对移动，通过对工件照射激光来加工工件，其中，所述激光加工机具备：光学传感器，所述光学传感器固定于所述光学头；探针，所述探针固定于所述光学头；以及校准单元，所述校准单元具有利用所述光学传感器以及所述探针来测定位置的测定基准和利用所述激光来形成加工痕迹的加工部。
而且，根据本发明，提供一种激光加工方法，所述激光加工方法使载置于工作台的工件和照射激光的光学头相对移动，通过对工件照射激光来加工工件，其中，准备固定于所述工作台侧并具有测定基准以及加工部的校准单元，利用所述激光在所述校准单元的加工部加工出加工痕迹，利用固定于所述光学头的光学传感器测定所述加工部的加工痕迹的位置，并利用光学传感器测定所述校准单元的测定基准的位置，利用固定于所述光学头的探针测定所述校准单元的测定基准的位置，根据由所述光学传感器测定出的加工痕迹的位置以及测定基准的位置和由所述探针测定出的测定基准的位置，计算所述激光的加工位置与所述探针的测定位置的偏移量，根据计算出的所述激光的加工位置与所述探针的测定位置的偏移量以及由所述探针测定出的所述工件的位置，对所述工件与所述激光的加工位置的相对位置进行求解，基于求解出的所述工件与所述激光的加工位置的所述相对位置，使所述工作台与所述光学头相对移动，对工件进行加工。
发明效果
根据本发明，通过由光学传感器和探针来测定测定基准的位置，并利用激光在加工部形成加工痕迹，利用光学传感器对加工痕迹的位置进行测定，从而计算激光的加工位置与探针的测定位置的偏移量，根据计算出的激光的加工位置与探针的测定位置的偏移量以及由探针测定出的工件的位置，对工件与激光的加工位置的相对位置进行求解，基于求解出的工件与激光的加工位置的相对位置，使工作台与光学头相对移动并进行加工，从而能够精密地进行激光加工。
附图说明
图1是表示具备安装于光学头的接触式探针的激光加工机的一例的略示剖视图。
图2是基于本发明的优选的实施方式的校准环集成体的立体图。
图3是利用校准相机对图2的校准环集成体拍摄后的图像，且是说明基于校准相机的测定的图。
图4是图2的校准环集成体的俯视图，且是说明基于接触式探针的测定的图。
图5是表示应用本发明的激光加工机的一例的立体图。
图6是将本发明应用于水射流激光加工机的与图1同样的光学头的略示剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。
参照图5示出的应用本发明的激光加工机的一例，激光加工机100具备：工作台108，该工作台108用于安装工件；以及光学头10，该光学头10被设置成利用沿X轴、Y轴、Z轴的正交3轴向进给的进给装置(未图示)相对于该工作台108能够相对地直线移动，该光学头10以及工作台108被长方体状的罩102包围。罩102具有沿左右方向(X轴方向)能够滑动的安全门106，通过打开该安全门106，操作员能够穿过开口部104而向光学头10以及工作台108靠近。另外，在工作台108配设有校准单元50。
另外，在罩102的正面侧壁安装有用于对激光加工机100进行操作的操作盘110。操作盘110具有显示器112以及各种操作按钮114，该显示器112对表示激光加工机100的状态、动作的参数、教导并展示针对操作员的操作方法的图标等进行显示。能够使显示器112为操作员能够通过用手指触碰图标来对激光加工机100进行各种操作的触控屏。另外，操作盘110内置有控制装置，按照操作员的输入、存储于控制装置内的程序，对激光加工机100进行控制。
在图1中作为一例示出的光学头10具备激光照射头16，该激光照射头16被配设在壳体12内，并经由光纤这样的导光构件14a接收来自激光振荡器14的激光，并向准直透镜18照射激光。在光学头10的壳体12的下端部设置有圆锥形的突出部12a，该圆锥形的突出部12a形成为向下方末端逐渐变细，在该突出部12a的下端的顶点形成有孔口12b。
来自激光照射头16的激光利用准直透镜18而成为平行光线，并利用第1镜20向第2镜22反射，利用该第2镜22向聚焦透镜24反射。被聚焦透镜24聚集了的激光穿过壳体12的孔口12b而向壳体12的外部照射。此时，光学头10所照射的激光的光轴与Z轴大致平行。
另外，光学头10也可以是图6所示那样的、使激光在从喷嘴喷射液体而形成的柱状的液体喷流中穿过来加工工件的水射流激光加工机。此外，以下，在图6的光学头10中，对与图1的光学头10相同的构成要素标注相同的附图标记，为了避免冗长，省略其详细的说明，仅对不同的部分进行说明。
图6所示的水射流激光加工机的光学头10除了图1的光学头10之外，还具备用于向壳体12的外部喷射液体、例如水的喷嘴头34。喷嘴头34是从水供给源30经由管路32来接收水的供给的中空状的构件。在喷嘴头34的与工作台108相向的底壁设置有喷出水射流的喷嘴34b，在该底壁的相反侧的与聚焦透镜24相向的上表面设置有由玻璃等透明的构件构成的窗34a。喷嘴34b穿过在光学头10的壳体12的底面形成的孔口12a而与壳体12的外部连通。
第1镜20和第2镜22具有平面状的反射面，通过调节该反射面的方向(与反射面垂直的方向)，能够调节从光学头10照射的激光的方向。另外，第1镜20和第2镜22、尤其是向聚焦透镜24反射激光的第2镜22与从激光振荡器14照射的激光的波长相适应，包含有将该激光反射并将除了该激光的波长以外的波长的光透过的电介质多层膜。更详细而言，通过在玻璃板上蒸镀这样的电介质多层膜来形成。通过由电介质多层膜形成第2镜22，能够利用对准调整相机26来监视从孔口12b照射的激光与孔口12b的位置关系。
在光学头10的壳体12的下端部安装有接触式探针40和作为光学传感器的校准相机42，该接触式探针40具有用于对安装于工作台108的工件(未图示)的尺寸、形状进行测定的触头40a。接触式探针40的触头40a沿Z轴方向下垂。校准相机42的方向被配置成其光轴与Z轴方向一致。
在工作台108上，利用沿激光加工机100的X轴、Y轴、Z轴的正交3轴进给的进给装置，使光学头10和工作台108相对移动，从而将校准单元50配置在能够与光学头10相向的位置。校准单元50具备固定于工作台108的基底52、固定于基底52的上表面的接触式开关54以及校准环集成体60。接触式开关54在上端部具备静电电容开关、无触点微型开关这样的反应部54a。另外，接触式开关54的反应部54a被配置在与作为校准环集成体60的加工部而插入于槽62a的板68的上表面相同的高度。
参照图2，校准环集成体60具备圆筒状的主体部62、从该主体部62的内表面向半径方向内侧扩展的环状的凸缘部64以及沿主体部62的直径方向延伸的作为加工部的板68。主体部62具有被精密地加工而成的圆筒外周面。凸缘部64的内周64a被精密地加工成圆形。另外，校准环集成体60的圆筒状的主体部62和凸缘部64的内周64a被精密地形成为同心。
在主体部62的两侧部隔着主体部62的直径地形成有一对槽62a，长方体状的板68作为加工部能够装卸地插入于该槽62a。槽62a被配置成能够使插入于该槽62a的板68的上表面紧贴于凸缘部64的下表面。板68的表面由被精加工了的例如不锈钢这样的金属构件构成，以使上表面成为将从光学头10照射的激光反射的反射面。
以下，对本实施方式的作用进行说明。
首先，在操作员按下操作盘110的校准开始按钮时，利用沿激光加工机100的X轴、Y轴、Z轴进给的进给装置，光学头10开始向校准位置移动。在校准位置，光学头10被配置在校准单元50的接触式开关54的上方。接下来，光学头10的壳体12的突出部12a的前端(下端)沿着Z轴向下移动，直至与接触式开关54的反应部54a接触。当突出部12a的前端与接触式开关54的反应部54a接触时，停止光学头10的向下移动的动作，并将此时的Z轴坐标存储在激光加工机100的控制装置(未图示)中。
接下来，将接触式探针40的触头40a配置在校准单元50的接触式开关54的上方。接下来，使触头40a沿Z轴方向向下移动，直至与接触式开关54接触。当触头40a的前端与接触式开关54的反应部54a接触时，停止光学头10的向下移动的动作，并将此时的Z坐标存储在激光加工机100的控制装置中。另外，以光学头10的壳体12的突出部12a的前端为基准，预先对激光的焦点位置进行调整，从突出部12a的前端起到激光的焦点位置为止的Z轴方向的距离是已知的。基于这样求解出的突出部12a的前端与接触式开关54接触时的Z坐标、触头40a的前端与接触式开关54接触时的Z坐标以及从突出部12a的前端起到激光的焦点位置为止的Z轴方向的距离，通过计算来求解激光的焦点位置与触头40a的Z轴方向的偏移量。
接下来，使光学头10向校准环集成体60的板68的上方移动。接下来，从光学头10照射激光。照射出的激光被对准调整相机26拍摄，并作为激光点与孔口12b一起在操作盘110的显示器112中被显示。操作员通过调节第1镜20和第2镜22的配置方向，从而调整激光相对于光学头10的孔口12b的对准，以使在显示器112中显示的激光点与孔口12b的图像一致。
接下来，一边照射激光，一边使光学头10相对于工作台108沿X轴方向以及Y轴方向进给，从而在作为加工部的板68的上表面(反射面)形成如图3、4所示的正交的2根直线L1、L2。此时的激光的输出比上述的激光的对准调整时的输出高出能够在板68的上表面加工直线L1、L2的程度。在控制装置存储：为了加工直线L2而利用进给装置将光学头10沿Y轴方向进行了直线进给时的X坐标、和为了加工直线L1而利用进给装置将光学头10沿X轴方向进行了直线进给时的Y坐标，来作为直线L1、L2的交点P与激光一致的坐标。
接下来，利用校准相机42对板68的上表面进行拍摄，并在显示器112中显示其图像。此时，在显示器112中，在校准相机42的视野的中心显示表示校准相机42的光轴的交叉线Lc1、Lc2(参照图3)。接下来，使光学头10相对于工作台108沿X轴、Y轴方向相对地进给，利用进给装置将光学头10在X轴方向和Y轴方向上定位，以使交叉线Lc1、Lc2的交点Pc与作为在加工部形成的加工痕迹的直线L1、L2的交点P一致。根据此时的XY坐标和直线L1、L2的交点P与激光一致的坐标，通过计算来测定在XY平面内的激光的光轴与校准相机42的光轴的偏移量。
接下来，如图3所示，作为用于校准相机42的测定基准点，沿着校准环集成体60的凸缘部64的内周64a选择三个测定点Pc1、Pc2、Pc3。在图3中，图示出了沿着凸缘部64的内周等间隔地配置有三个测定点Pc1、Pc2、Pc3，但本发明不限定于此，三个测定点Pc1、Pc2、Pc3能够沿着凸缘部64的内周在任意的位置进行选择。在显示校准相机42所拍摄的图像的显示器112中，如已述那样，显示表示校准相机42的光轴的交叉线Lc1、Lc2。通过使该交叉线Lc1、Lc2的交点Pc依次与各个测定点Pc1、Pc2、Pc3相匹配，从而依次对该三个测定点Pc1、Pc2、Pc3的坐标(xc1、yc1)、(xc2、yc2)、(xc3、yc3)进行测定。为了便于说明，在图3中，以将交叉线Lc1、Lc2分别重叠在测定点Pc1、Pc2、Pc3上的状态进行了图示，但实际上，仅显示1组交叉线Lc1、Lc2，通过使进给装置沿X轴方向以及Y轴方向移动，从而使交叉线Lc1、Lc2依次与测定点Pc1、Pc2、Pc3一致。对于测定点Pc1、Pc2、Pc3的坐标而言，能够使用光学头10的机械坐标系、例如X轴以及Y轴的数字标尺的读数。通过三个测定点Pc1、Pc2、Pc3的圆的中心的坐标(xc、yc)由下式给出。
[数式1]
[数式2]
接下来，如图4所示，作为用于接触式探针40的测定基准点，在校准环集成体60的主体部62的外周面选择三个在Z轴方向位于同一高度的测定点Pp1、Pp2、Pp3。在图4中，三个测定点Pp1、Pp2、Pp3被图示成沿着主体部62的外周面等间隔地配置，但本发明不限定于此，只要三个测定点Pp1、Pp2、Pp3在Z轴方向位于同一高度，就能够沿着主体部62的外周面在任意的位置进行选择。
将接触式探针40的触头40a在Z轴方向上维持为恒定，并使触头40a依次与校准环集成体60的主体部62的外周面上的三个测定点Pp1、Pp2、Pp3接触。根据触头40a与三个测定点Pp1、Pp2、Pp3接触时的激光加工机100的X轴、Y轴的数字标尺的读数，对测定点Pp1、Pp2、Pp3的各个坐标(xp1、yp1)、(xp2、yp2)、(xp3、yp3)进行测定。通过三个测定点Pp1、Pp2、Pp3的圆的中心的坐标(xp、yp)由下式给出。
[数式3]
[数式4]
如已述那样，由于校准环集成体60的圆筒状的主体部62和凸缘部64的内周64a被精密地形成为同心，所以穿过用于校准相机42的测定基准点Pc1、Pc2、Pc3的圆的中心和通过用于接触式探针40的触头40a的测定基准点Pp1、Pp2、Pp3的圆的中心在校准环集成体60的加工精度内必然一致。因此，根据穿过测定基准点Pc1、Pc2、Pc3的圆的中心坐标(xc、yc)和通过测定基准点Pp1、Pp2、Pp3的圆的中心坐标(xp、yp)的偏差，通过计算来求解校准相机42的光轴和接触式探针40的触头40a在XY平面内的偏移量。
根据如已述那样通过计算求解出的在XY平面内的激光的光轴与校准相机42的光轴的偏移量、和在XY平面内的校准相机42的光轴与接触式探针40的偏移量，能够求解由接触式探针40测定出的工件的位置与激光的加工位置的相对位置。基于这样求解出的由接触式探针40测定出的工件的位置与激光的加工位置的相对位置，使光学头10相对于工作台108相对移动来进行加工，从而能够精密地进行激光加工。
作为本发明的实施方式，以圆筒状的校准环集成体60作为一例进行了说明，但也可以使用由平行于YZ平面的测定基准面和平行于XZ平面的测定基准面构成的L字形或四边形的构件，来代替校准环集成体60。在该情况下，能够使接触式探针40的触头40a与平行于YZ平面的测定基准面接触，对接触式探针40的X位置进行求解，并使校准相机42的交叉线与平行于YZ平面的测定基准面一致，对校准相机42的光轴的X位置进行求解，从而计算X轴方向的偏移量。只要使用平行于XZ平面的测定基准面，也能够对Y轴方向进行同样的计算。但是，在此情况下，难以对L字形或四边形设置与YZ平面完全平行的面，存在会包含些许倾斜误差的可能性。与此相对，由于圆筒状的校准环集成体60不会受到绕Z轴的倾斜的影响，所以有能够精度更高地求解偏移量这样的效果。
另外，作为本发明的实施方式，对使校准环集成体60的圆筒状的主体部62与凸缘部64的内周64a同心的例子进行了说明，但也可以不使主体部62与凸缘部64的内周64a为同心位置。在此情况下，预先求解出主体部62与凸缘部64的内周64a的偏移量，并在计算阶段加上主体部62与凸缘部64的内周64a的偏移量即可。但是，将主体部62与凸缘部64的内周64a形成为同心的情形更容易计算，另外，有如下的优点：当利用车床制作校准环集成体60时，同心的情形能够高精度地进行加工。
另外，作为本发明的实施方式的光学传感器，说明了利用校准相机42进行拍摄的例子，但光学传感器也可以是激光测长传感器。在利用激光测长传感器进行计测的情况下，一边利用进给装置沿X轴方向或Y轴方向移动，一边进行扫描，对位移的变化进行检测。将在板68上形成的加工痕迹的直线L1、L2、凸缘部64的内周64a的位置作为位移变化的部位进行检测。
附图标记说明
10 光学头
12 壳体
14 激光振荡器
16 激光照射头
18 准直透镜
20 第1镜
22 第2镜
24 聚焦透镜
26 对准调整相机
30 水供给源
34 喷嘴头
34b 喷嘴
40 接触式探针
42 校准相机
50 校准单元
54 接触式开关
60 校准环集成体
62 主体部
64 凸缘部
68 板
100 激光加工机
108 工作台
110 操作盘
112 显示器

Claims (5)

1.一种激光加工机，所述激光加工机使载置于工作台的工件和照射激光的光学头相对移动，通过对工件照射激光来加工工件，其特征在于，所述激光加工机具备：
光学传感器，所述光学传感器固定于所述光学头；
探针，所述探针固定于所述光学头；以及
校准单元，所述校准单元具有利用所述光学传感器以及所述探针来测定位置的测定基准和利用所述激光来形成加工痕迹的加工部。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述校准单元具备：
接触式开关，所述接触式开关被设置成能够供所述光学头接触；以及
校准环集成体，所述校准环集成体具有圆筒状的主体部以及凸缘部，所述圆筒状的主体部提供用于所述探针的测定基准，所述凸缘部在所述圆筒状的主体部的内侧沿半径方向扩展，并提供用于所述光学传感器的测定基准，
所述加工部具备能够装卸地插入于所述主体部的板。
3.根据权利要求2所述的激光加工机，其特征在于，
所述凸缘部形成为具有与所述校准环集成体的圆筒状的主体部同心的圆形的内周的环状。
4.根据权利要求3所述的激光加工机，其特征在于，
作为用于所述探针的测定基准，在所述主体部的外周面选择三个测定点，
作为用于所述光学传感器的测定基准，在所述凸缘部的内周选择三个测定点。
5.一种激光加工方法，所述激光加工方法使载置于工作台的工件和照射激光的光学头相对移动，通过对工件照射激光来加工工件，其特征在于，
准备固定于所述工作台侧并具有测定基准以及加工部的校准单元，
利用所述激光在所述校准单元的加工部加工出加工痕迹，
利用固定于所述光学头的光学传感器测定所述加工部的加工痕迹的位置以及所述校准单元的测定基准的位置，
利用固定于所述光学头的探针测定所述校准单元的测定基准的位置，
根据由所述光学传感器测定出的加工痕迹的位置以及测定基准的位置和由所述探针测定出的测定基准的位置，计算所述激光的加工位置与所述探针的测定位置的偏移量，
根据计算出的所述激光的加工位置与所述探针的测定位置的偏移量以及由所述探针测定出的所述工件的位置，对所述工件与所述激光的加工位置的相对位置进行求解，
基于求解出的所述工件与所述激光的加工位置的所述相对位置，使所述工作台与所述光学头相对移动，对工件进行加工。
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