CN109652620A - 激光工具中心点标定装置、激光淬火设备及激光淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光工具中心点标定装置、激光淬火设备及激光淬火方法，属于机器人激光淬火加工领域。上述标定装置包括安装板、指示板和指示针，安装板与激光头固定连接；指示板与安装板垂直连接，并能够沿激光头的光路相对于激光头做远离或靠近的运动。指示针通过转轴与安装板可转动连接，转轴平行于指示板，并能够沿指示板滑动。使用时，调整指示板与激光头之间的距离；使得该距离等于激光头上标注的焦距，此时，激光投射在指示板上的光斑为矩形状。通过测量矩形光斑的长度和宽度能够确定矩形光斑的中心点，并通过调整指示针尖端的位置能够使得尖端与矩形光斑的中心点接触。从而能够通过物理结构确定激光工具中心点的位置。

Description

激光工具中心点标定装置、激光淬火设备及激光淬火方法

技术领域

本发明涉及机器人激光淬火加工领域，具体而言，涉及一种激光工具中心点标定装置、激光淬火设备及激光淬火方法。

背景技术

模具激光淬火热处理是一种新型表面热处理技术，能够显著提高表面硬度，由于淬火时其热输入比较少，模具受热变小，因而在汽车制造领域有广泛的应用。激光淬火热处理所使用的激光头发射出宽带激光束，在淬火过程中，激光头由工业机器人带动，保持激光束始终垂直于淬火表面，同时保持激光焦点沿淬火表面运动，以便获得最佳的淬火效果。因此激光淬火对激光束焦点与淬火表面之间的距离、激光束与淬火表面之间的垂直度要求较高。在淬火之前需要对激光束工具中心点(Tool Center Point，TCP)通过机器人多姿态示教进行设定。

激光淬火运动编程传统是通过示教编程，对TCP所需要到达的每个点的位置和姿态逐点测量进行示教，效率低下，难以满足工业生产的需要，而离线编程是在计算机中通过软件对点进行自动指定，形成运动路径，编程效率高，效果好，是未来的发展应用趋势，但离线编程要求有高精度的工具中心点和工件坐标系。由于淬火宽带激光束焦点为矩形，理想的工具中心点应位于此矩形焦点的中心，但此处没有物理结构作指示，在设定工具中心点的时候难以获得较为精确的工具中心点位置。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种激光工具中心点标定装置，其能够帮助获得比较精确的工具中心点位置。

本发明的另一目的在于提供一种激光淬火设备，其采用了上述激光工具中心点标定装置。

本发明的另一目的在于提供一种激光淬火方法，其采用了上述激光淬火设备，能够比较准确地确定激光工具中心点和工件坐标系。

本发明是这样实现的：

一种激光工具中心点标定装置，包括：

安装板；

指示板，所述指示板与所述安装板垂直连接，并能够沿参考方向相对于所述安装板滑动，所述参考方向垂直于所述指示板的板面；

指示针，所述指示针通过转轴与所述安装板可转动连接，所述转轴平行于所述指示板设置，所述转轴能够沿所述安装板沿所述参考方向移动。

进一步；

所述指示板上设置有第一刻度层和第二刻度层，所述第一刻度层和所述第二刻度层分别沿相互垂直的两个方向延伸。

进一步；

所述指示板通过连接板与所述安装板连接，所述连接板与所述指示板垂直连接，所述连接板与所述安装板滑动连接。

进一步；

所述指示板上还设置有测距仪，用于检测激光头与所述指示板之间的距离。

进一步；

所述指示针能够沿所述转轴滑动。

进一步；

还包括寻位尺，所述寻位尺与所述安装板滑动连接，所述寻位尺沿所述参考方向延伸并能够沿所述参考方向滑动。

进一步；

所述安装板上设置有滑道，所述寻位尺设置在所述滑道中，所述滑道和所述寻位尺上均设置有0刻度标志。

进一步；

所述寻位尺的下端为尖端。

一种激光淬火设备，所述激光淬火设备包括激光头和所述的激光工具中心点标定装置；

所述安装板与所述激光头连接，所述指示板位于所述激光头的光路上。

一种工件激光淬火方法，其采用了所述的激光淬火设备，包括以下步骤：

a.确定工具中心点；

调整指示板与激光头之间的距离，使得该距离等于激光头本身的焦距，并使得激光头在指示板上形成矩形光斑；移动指示针使得其尖端与矩形光斑的中心点接触；然后固定指示针，并将指示板拆除；利用指示针的尖端来确定工具中心点；

b.确定工件坐标系；

将寻位尺的0刻度与滑道的0刻度对齐，然后以寻位尺的尖端为基准指定三个不共线点X1,X2和Y1,则由X1、X2两点即可确定工件坐标系X轴的方向，而工件坐标系原点位置即被定位于通过Y1点向X轴作垂线，垂线与X轴相交的位置处。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述设计得到的激光工具中心点标定装置，使用时，激光头将淬火用激光投射到指示板上，调整指示板与激光头之间的距离；使得该距离等于激光头上标注的焦距，此时，激光投射在指示板上的光斑为矩形状。通过测量矩形光斑的长度和宽度能够确定矩形光斑的中心点，并通过调整指示针尖端的位置能够使得尖端与矩形光斑的中心点接触。从而能够通过物理结构确定激光工具中心点的位置。此时，可以将指示板拆除。

本发明通过上述设计得到的激光淬火设备，其采用了上述标定装置，因此能够准确地确定激光工具的中心点。

本发明通过上述设计得到的激光淬火方法，其采用了上述激光淬火设备；能够准确确定激光工具的中心点和工件坐标系，为下一步加工做准备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的标定装置在第一视角下的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的标定装置在第二视角下的结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的标定装置在第三视角下的结构示意图。

图标：10-标定装置；11-安装板；12-指示板；13-连接板；14-测距仪；15-寻位尺；16-指示针；17-转轴；20-激光头。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

请参考图1，本实施例提供了一种激光工具中心点标定装置10，其能够用于标定激光工具中心点和工件坐标系，即用于标定激光焦平面的中心点。上述标定装置10包括安装板11、指示板12和指示针16，安装板11与激光头20固定连接；指示板12与安装板11垂直连接，并能够沿激光头20的光路相对于激光头20做远离或靠近的运动。指示针16通过转轴17与安装板11可转动连接，转轴17平行于指示板12，并能够沿指示板12滑动。

具体的，请继续参考图1和图2，标定装置10包括安装板11、指示板12和指示针16。安装板11为矩形板，其用于安装激光头20和指示板12等零部件。激光头20设置在安装板11的一端，指示板12设置在安装板11的另一端，并与安装板11垂直设置。指示板12与激光头20的端面平行设置，使得激光头20发出的激光与指示板12垂直。另外，指示板12与安装板11的正面滑动连接；当指示板12相对于安装板11滑动时，其与激光头20的距离会相应改变，使得激光头20投射在指示板12上的矩形光斑的尺寸相应改变。指示针16设置在安装板11的正面，并通过转轴17与安装板11可转动连接。转轴17平行于指示板12设置，其两端设置有滑块，转轴17能够通过滑块相对于指示板12滑动。

对于确定的一个激光头20，其焦距是固定不变的，当指示板12与激光头20之间的距离等于其焦距时，指示板12所在的平面刚好为激光头20的焦平面；激光头20投在指示板12上的矩形光斑中心即为工具的中心点。通过测量矩形光斑的长和宽，即可确定矩形光斑的中心。通过上下移动指示针16的转轴17并转动指示针16，能够使得指示针16的尖端与矩形光斑的中心点接触；此时，拆除指示板12后，指示针16能够指示工具中心点；从而便于利用工具中心点对待淬火表面进行激光淬火。

为了便于测量矩形光斑的尺寸，本实施例中的指示板12上还设置了刻度层；上述刻度层包括第一刻度层和第二刻度层，两者分别沿相互垂直的两个方向延伸，分别用于测量矩形光斑的长和宽。

为了便于测量指示板12与激光头20的距离，指示板12上设置了高精度测距仪14，其能够对上述距离进行实时测量。

为了减小指示板12与安装板11之间垂直度误差导致的工具中心点的位置误差，指示板12通过连接板13与安装板11滑动连接，并且连接板13与指示板12垂直设置。连接板13与设置在安装板11上的导轨滑动连接。上述设计使得，当连接板13沿导轨滑动时，指示板12与安装板11之间的垂直度保持不变。相对于指示板12的通过侧边直接与安装板11滑动连接，工具中心点的位置误差大大减小。

上述标定装置10确定工具中心点的的工作原理与使用方法如下：

使用时，打开激光头20，使得激光直射在指示板12上；此时，激光在指示板12上形成矩形光斑。调整指示板12相对于激光头20的距离，使得该距离等于激光头20固有的焦距。此时，焦平面位于指示板12所在的平面上。通过测量矩形光斑的长宽，即可确定矩形光斑的中心点。此时，移动指示针16使得指示针16的尖端与矩形光斑的中心点接触或临近，并固定指示针16的位置，然后对指示针的尖端进行多姿态示教，示教之后机器人系统能够识别工具中心点的位置即TCP位置。当机器人系统识别工具中新点的位置后，将指示板12和指示针16拆除，以便于对待加工面进行加工。

另外，为了确定工件坐标系，在安装板11的背面设置有滑道，滑道内设置有寻位尺15。寻位尺15竖直设置，并在滑道内滑动。滑道和寻位尺15上均设置有0刻度标志，寻位尺15的下端设置有尖端。

利用上述寻位尺15标定工件坐标系的方法如下：

需要标定工件坐标系时将寻位尺15下拉抽出，使用完毕将尺上滑隐藏，尺上有0刻度，滑道上也有0刻度。首次使用时将寻位尺15抽出，使寻位尺15尺的0刻度跟滑道0刻度对齐，锁定寻位尺15，利用寻位尺15尺尖进行多姿态示教，获取尺尖相对于机器人腕部关节坐标系的空间位置。此操作只需在初次安装寻位尺15时设定一次，尺尖的位置可以长期反复使用。每次在标定工件坐标系时，只需将寻位尺15抽出，使尺的0刻度跟滑道0刻度对齐，然后利用尺尖，指定三个不共线点X1,X2和Y1,则由X1、X2两点即可确定工件坐标系X轴的方向，而工件坐标系原点位置即被定位于通过Y1点向X轴作垂线，垂线与X轴相交的位置处，而工件坐标系原点位置即被定位于通过Y1点向X轴作垂线，垂线与X轴相交的位置处，也即意味着在每次指定工件坐标系时，只需通过寻位尺15尺尖在需要确定的工件上设定三个点即可，标定方法极其方便而且标定位置精度高。

只有获取到高精度工具中心点和工件坐标系后，通过离线编程获得的机器人加工路径才能准确地在实际工件表面进行淬火处理。此装置在标定工具中心点和工件坐标系时精度高，标定方便，易于掌握使用，为采用离线编程方法激光淬火处理大型汽车模具带来更高的效率、更好的淬火效果。

实施例2：

本实施例提供了一种激光淬火设备，其包括激光头20和实施例1中提供的标定装置10，激光头20设置在安装板11上，指示板12与激光头20的镜头平行设置。

实施例3：

本实施例提供了一种激光淬火加工方法，其采用了实施例2提供的激光淬火设备，包括以下步骤：

a.确定工具中心点；

调整指示板12与激光头20之间的距离，使得该距离等于激光头20本身的焦距，并使得激光头20在指示板12上形成矩形光斑；移动指示针16使得其尖端与矩形光斑的中心点接触；然后固定指示针16，并将指示板拆除；利用指示针16的尖端来确定工具中心点；

b.确定工件坐标系；

将寻位尺15的0刻度与滑道的0刻度对齐，然后以寻位尺15的尖端为基准指定三个不共线点X1,X2和Y1,则由X1、X2两点即可确定工件坐标系X轴的方向，而工件坐标系原点位置即被定位于通过Y1点向X轴作垂线，垂线与X轴相交的位置处。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光工具中心点标定装置，其特征在于，包括：

安装板；

指示板，所述指示板与所述安装板垂直连接，并能够沿参考方向相对于所述安装板滑动，所述参考方向垂直于所述指示板的板面；

指示针，所述指示针通过转轴与所述安装板可转动连接，所述转轴平行于所述指示板设置，所述转轴能够沿所述安装板沿所述参考方向移动。

2.根据权利要求1所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：

所述指示板上设置有第一刻度层和第二刻度层，所述第一刻度层和所述第二刻度层分别沿相互垂直的两个方向延伸。

3.根据权利要求1所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：

所述指示板通过连接板与所述安装板连接，所述连接板与所述指示板垂直连接，所述连接板与所述安装板滑动连接。

4.根据权利要求1所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：

所述指示板上还设置有测距仪，用于检测激光头与所述指示板之间的距离。

5.根据权利要求1所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：所述指示针能够沿所述转轴滑动。

6.根据权利要求1所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：

还包括寻位尺，所述寻位尺与所述安装板滑动连接，所述寻位尺沿所述参考方向延伸并能够沿所述参考方向滑动。

7.根据权利要求6所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：

所述安装板上设置有滑道，所述寻位尺设置在所述滑道中，所述滑道和所述寻位尺上均设置有0刻度标志。

8.根据权利要求6所述的激光工具中心点标定装置，其特征在于：所述寻位尺的下端为尖端。

9.一种激光淬火设备，其特征在于，所述激光淬火设备包括激光头和权利要求1至8任一项所述的激光工具中心点标定装置；

所述安装板与所述激光头连接，所述指示板位于所述激光头的光路上。

10.一种工件激光淬火方法，其采用了权利要求9所述的激光淬火设备，其特征在于，包括以下步骤：

a.确定工具中心点；

调整指示板与激光头之间的距离，使得该距离等于激光头本身的焦距，并使得激光头在指示板上形成矩形光斑；移动指示针使得其尖端与矩形光斑的中心点接触；然后固定指示针，并将指示板拆除；利用指示针的尖端来确定工具中心点；

b.确定工件坐标系；

将寻位尺的0刻度与滑道的0刻度对齐，然后以寻位尺的尖端为基准指定三个不共线点X1,X2和Y1,则由X1、X2两点即可确定工件坐标系X轴的方向，而工件坐标系原点位置即被定位于通过Y1点向X轴作垂线，垂线与X轴相交的位置处。