CN109834384A - 使用飞行体的激光加工机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供激光加工机，与以往的激光加工机相比，加工对象物的尺寸、形状的制约少。激光加工机具备：能够漂浮并在空间中移动的飞行体；构成为搭载于飞行体并且照射激光的加工头；检测加工头相对于工件的位置以及姿势的位置姿势检测部；基于位置姿势检测部所检测到的加工头的位置以及姿势，能够改变从加工头照射的激光的照射位置的照射位置改变部；以及向加工头供给激光的激光振荡器。

Description

使用飞行体的激光加工机
技术领域
本发明涉及使用飞行体的激光加工机，尤其涉及生产工序中用于部件加工的激光加工机。
背景技术
已知在无人航空器等无人飞行的飞行体具有激光束的照射功能的系统(例如参照日本特开2014－126299号公报、日本特开2014－126468号公报)。
另外，已知将直升机等滞空无人机用作激光束中继机，来对目视范围外的目标物照射激光束的系统(例如参照日本特开2009－162453号公报)。
再有，已知使用搭载于多直升机的激光扫描器从上空测量对象物的三维形状的装置(例如参照日本特开2016－107843号公报)。
上述的现有技术并没有意向用于生产工序中的部件加工，因此不具有以预定精度扫描部件加工所需的照射位置的功能。另外部件加工所使用的以往的激光加工机构成为使照射激光的加工头与加工对象物(工件)相对移动，具体而言使用具备伺服马达的正交轴型机床、机器人或定位器等。然而，以往的激光加工机在可激光加工的工件的尺寸、加工头对工件的姿势方面存在一定的制约，在越过该制约的范围进行激光加工的情况下，需要单独设计、准备不同的激光加工机。另一方面，没有将在飞行体具有激光照射功能的系统应用于需要较高精度的激光加工的现有技术。
发明内容
本公开的一方案的激光加工机具备：能够漂浮并在空间中移动的飞行体；构成为搭载于飞行体并且照射激光的加工头；检测上述加工头相对于加工对象物的位置以及姿势的位置姿势检测部；基于上述位置姿势检测部所检测到的上述加工头的位置以及姿势，能够改变从上述加工头照射的激光的照射位置的照射位置改变部；以及向上述加工头供给上述激光的激光振荡器。
附图说明
通过与附图关联的以下的实施方式的说明将使本发明的目的、特征以及优点更明确。其中，
图1是表示一实施方式的激光加工机的基本结构例的图。
图2a是激光加工的一例子，简单地表示出切割的图。
图2b是激光加工其他的例子，简单地表示出焊接的图。
图3是表示激光加工机的具体的结构例的图。
图4a是表示通过位置姿势检测部对加工头的位置或姿势进行测定、修正的例子的图。
图4b是表示通过位置姿势检测部对加工头的位置或姿势进行测定、修正的例子的图。
图5是表示检流计机构的一例的图。
图6是表示改变加工头的位置或姿势的附加轴的结构例的图。
图7a是表示加工头的姿势改变机构的一例的图。
图7b是表示加工头从图4a的状态进行姿势改变的例子的图。
图8是表示进入飞行体进入的场所进行激光加工的例子的图。
图9是表示光纤切换器的一例的图。
具体实施方式
图1是表示本申请的一实施方式的激光加工机10的基本结构例的图。激光加工机10具备：无人机、多直升机等通过远程控制而飞行的飞行体12；搭载于飞行体12，并且构成为照射激光的加工头14；检测加工头14相对于加工对象物(工件)16的位置以及姿势的位置姿势检测部18；基于位置姿势检测部18所检测到的加工头14的位置以及姿势，而能够改变从加工头14照射的激光19的照射位置(照射方向)的照射位置改变部20；以及向加工头14供给激光的激光振荡器22。此外本申请说明书中的“激光加工”通常是工厂内的生产工序或检查工序中使用激光进行的部件的加工，例如除标记、焊接、钻孔、切割、烧结、包覆等之外，还包含被照射物的外观、形状不变化的加工(例如淬火、退火等热处理)。
利用激光的部件加工通常以能够将能量聚集在小斑点的激光束的特性带来的高精度加工为目的，因此对于照射位置要求预定的精度。例如图2a所例示的切割加工中，为了从工件16切下指定形状17a，需要沿形状17a的轮廓从加工头14扫描激光19。另外，在图2b所例示的焊接中，工件16是由多个部件16a以及16b组成的接合部，一般的需要沿表现为线的指定形状(接合部)17b准确地扫描来自加工头14的激光19的照射。这样本申请的激光加工机不是简单地向工件的整体照射激光，而是构成为以预定的精度沿指定形状扫描激光。
飞行体12例如是多直升机等的能够悬停(停止飞行)的飞行体，除加工头14之外，还能够具有多个螺旋桨等的叶片24、旋转驱动该螺旋桨的发动机26、向该发动机供给电力的电池28、接收来自地上(设置在地上的无线发送机等)的指令而控制飞行体12的飞行的飞行控制器30、以及将这些要素连结、保持的主体(框架)32等，这些要素中，对可以与以往相同的部分省略详细的说明。但这只是一例，飞行体12只要能够搭载加工头并能够移动(飞行)到预定位置则可以使用任何部件。另外飞行体12优选具有悬停功能，但这并不是必须的。此外图示例的飞行体12虽然构成为通过远程控制而无人飞行，但并不限定于此，例如也可以在飞行体12搭载处理器等控制部(未图示)。
图示例中激光振荡器22不是设置在飞行体12而是设置在工厂内的地面等预定的位置，经由光纤34而连接于加工头14。然而在激光振荡器22是比较小型，或飞行体12的可搬重量比较大的情况下，也可以将激光振荡器22搭载于飞行体12，这种情况下激光振荡器22经由电源线缆等而与设置于地面等的电源(未图示)连接。一般情况下电源线缆比光纤可挠性高，所以通过将激光振荡器22搭载于飞行体12能够扩大飞行体12的可动范围。
或者，向激光振荡器22供给电力的电源也能够(像电池28一样)小型化的情况下，该电源也能够搭载于飞行体12。在这种情况下，以无线控制飞行体12，或者在飞行体12搭载控制部，无需在飞行体12连接来自地上的线缆等，所以能够大幅扩大飞行体12的可动范围。
以往，已知在搭载于车辆等的激光振荡器连接飞行体，向处于目视范围外的远方的静止目标物照射激光的技术，并没有在工厂内的生产线等的部件的激光加工中使用飞行体的技术。在图1所示的激光加工机中，使用搭载于飞行体12的位置姿势检测部18，求出加工头14相对于工件16的位置以及姿势，以相对于工件16的预定部位照射激光19的方式改变激光19的照射方向，所以能够以与以往在机器人搭载加工头而进行的那种激光加工相同精度进行加工。另外加工头14的位置能够由位置姿势检测部18而逐次(以适当的控制周期)测定、修正，所以即使工件16以及飞行体12的一方或双方在移动中，也能够进行维持预定精度的激光加工。另外，即使在工件16的实际的位置、姿势与预先设定的位置、姿势产生误差的情况下，也能够进行维持预定精度的激光加工。再有，飞行体12能够进入机器人等不能进入访问的场所，所以能够从各种角度进行工件16的激光加工。
供部件的制造、加工的以往的激光加工机大多由伺服马达驱动加工头或工件，更具体而言使用正交轴型机床、机器人、定位器等。在这种加工机中，使机械无用地变大、复杂等是不合理的，因此相对于工件的加工头的可动范围、姿势等按照工件的尺寸、形状被限制在预先设计的范围内。因此，在工件的尺寸、形状超出预先设计的范围的异常情况下需要另外设计、准备加工机。对此，在本申请公开的激光加工机10中，能够相对于工件从任意的位置以任意的姿势进行激光照射，所以能够以1个系统(激光加工机)对各种尺寸、形状的工件进行加工。另外，在机械加工(研磨、切削等)中在工具等作用有相当量的加工反力，所以若在飞行体搭载研磨工具等来进行加工，则因加工反力而产生飞行体的位置偏移从而导致加工精度恶化，但在激光加工中相对于加工头几乎没有加工反力，所以即使在飞行体搭载加工头也不会产生因加工反力产生的加工头的位置偏移等，能够进行高精度的激光加工。
图3是表示激光加工机10的具体的结构例的图。位置姿势检测部18的合适的具体例包含：安装于飞行体12的拍摄装置(例如二维或三维照相机)18；以及通过无线等接收照相机18的测定数据(图像数据)，并对照相机18得到的图像进行处理的图像处理装置36。图像处理装置36的图像处理结果被发送至控制飞行体12的飞行的主控制装置38。主控制装置38基于该图像处理结果求得加工头14相对于工件16的位置以及姿势，再基于求得的位置以及姿势和预定的加工程序等，控制飞行体12的飞行(位置以及姿势)，并且向扫描器控制装置40发送与加工头14的位置以及姿势相关的数据。扫描器控制装置40基于发送的数据，控制照射位置改变部20来适当改变激光照射方向。通过使用照相机和图像处理装置检测位置姿势，从而相比使用GPS、陀螺传感器的情况，能够以高精度且高响应性来对加工头的位置以及姿势进行改变、修正。
图4a以及图4b表示进行图2a所示那样的激光加工(切割)时的位置姿势检测部18进行的测定、修正的例子。位置姿势检测部18通过对工件16进行拍摄，能够以预定精度检测加工头14相对于工件16的相对的位置以及姿势。主控制装置38或扫描器控制装置40使用由检测而得的信息对激光19的照射位置进行修正，由此实现维持预定的精度扫描激光的部件加工。此外，图4a和图4b中，加工头14相对于工件16的位置或姿势不同，但通过进行利用位置姿势检测部(照相机)18进行的测定、修正，由此在任一种情况下都能够以预定的精度将激光照射在工件16的指定部位17a。
另外，主控制装置38基于加工程序等，将与激光照射有关的指令发送至控制激光振荡器22的激光控制装置42。具体而言，从主控制装置38向激光控制装置42的指令能够包含作为激光的照射条件的功率、频率、任务。或者，在激光控制装置42内的存储器等预先保存多个照射条件，来自主控制装置38的指令也可以包含是否使用该存储器内任一照射条件的指示和与照射开始、结束的时间相关的指示。
本实施方式的激光振荡器22是向加工头14供给激光的激光源，激光振荡器22产生的激光的种类例如有光纤激光、CO2激光、YAG激光等，但也可以使用其他种类的激光。在上述控制装置间，通过以适当的控制周期进行指令的发送接收，能够实用地进行足够精度的激光加工。此外图2中，分别将图像处理装置36、主控制装置38、扫描器控制装置40、激光控制装置42作为单独的运算处理装置(处理器)等进行记载，但也能够将它们几个集成而作为实质一个装置。例如，能够将扫描器控制装置40(的功能)组装入主控制装置38。或者，将这些控制装置的至少一个搭载于飞行体12。
图5是表示加工头14为激光扫描器、作为照射位置改变部20具有检流计扫描器的例子的图。具体而言，在加工头14内，作为激光照射位置可变机构，组装有能够将激光的照射方向向任意的方向改变的检流计机构44，检流计机构44具备至少1组(图示例中为2组)的检流计发动机46以及镜子48。更具体而言，在检流计发动机46的各个前端部安装使激光反射的镜子48，通过调整检流计发动机46的旋转角度，能够任意改变从激光振荡器22入射的激光的反射角度。如图示例所示，通过使用2个检流计发动机46以及镜子48的组，能够任意调整平面上的激光照射位置。
通过电压控制驱动检流计机构，所以能够进行响应性极高的动作。因此，即使不改变飞行体12的位置、加工头14的方向，也能够迅速改变激光照射方向，轮廓加工等的激光加工也能够以高精度进行。但是照射方向改变部并不限于检流计机构，例如也可以使用共振扫描器、任意改变激光的焦距的棱镜机构。另外也能够在加工头14设置附加轴，通过改变加工头14的位置以及姿势的一方或双方而改变照射位置以及照射方向的一方或双方。
图6表示通过附加轴来改变激光的照射位置的扫描以及使改变成为可能的结构例。飞行体12具有：相对于主体(框架)32向第一方向49可动地安装的第一附加轴51、以及相对于第一附加轴51向与第一方向49不同的(优选与第一方向正交)第二方向53可动地安装的第二附加轴55，并在第二附加轴55安装加工头14。这样，使用至少1个(优选2个以上)的附加轴，并使加工头相对于飞行体的主体在预定的范围内可动，由此能够基于用于部件加工的激光照射位置的扫描、位置姿势检测部的信息而进行修正。
图7a以及图7b是对使加工头14相对于飞行体12的主体(框架32等)的姿势改变的姿势改变机构进行说明的图。在加工头14为激光扫描器的情况、具有附加轴的情况下，即使不改变飞行体12的位置、姿势，也能够在一定范围内改变激光的照射方向，但在想要大幅改变激光照射方向(例如使照射方向的铅垂方向分量从朝下改变为朝上)等情况下，在扫描器的可变范围内存在难以对应的情况。例如飞行体12为多直升机的情况下，飞行体12不能维持上下颠倒的姿势。
因此例如图7a所示，能够将加工头14相对于主体32绕沿大致水平方向延伸的轴线50旋转驱动的驱动机构52作为姿势改变机构而设置。例如图7b所示，使用姿势改变机构52使加工头14绕轴线50旋转90度以上，由此能够使激光照射方向54的铅垂方向分量从朝下改变为朝上，例如180度旋转，从而能够使激光照射方向颠倒。通过使用这种姿势改变机构52，即使不改变飞行体12的姿势，也能够将激光照射方向设定为所有方向，激光加工的自由度大幅提高。
图8表示能够供飞行体12进入的部位的多角度的加工的例子。在使用通用的机床、机器人的情况下，难以进入工件内部深处进行加工，实施上需要将臂的长度、把持加工头的角度按照加工内容单独设计、设定。然而图8的例中，即使工件16具有复杂的形状，通过在工件16设置飞行体12能够进入内部的开口部62，使飞行体12接近预定的加工部位64，使用上述的照射位置改变部、姿势改变机构对来自加工头14的激光照射方向54进行适当改变，也能够进行期望的激光加工。因此通过使用飞行体12，无需事先进行加工机的设计、设定。
图9是表示由光纤连接多个飞行体和激光振荡器时，在光纤设置光纤切换器(束切换器)的例子的图。例如，使用光纤34从1个激光振荡器22向2个飞行体12a以及12b供给激光的情况下，通过在光纤34设置光纤切换器56，能够构成工作效率更高的加工系统、能够构成与宽度更广的加工方法对应的加工系统。
例如，在光纤切换器56为将来自激光振荡器22的激光分时地仅向任一方的飞行体供给(所谓的分时)式的情况下，使用飞行体12a进行激光加工期间、或者飞行体12b向下一次进行激光加工的场所移动(飞行)而待机，由此在飞行体12a的加工结束之后，能够开始正在待机的飞行体12b的加工，从而能够缩短整体的周期时间。
或者，在光纤切换器56将来自激光振荡器22的激光以预定的比例供给双方的飞行体(所谓的能量配额)的方式的情况下，2个飞行体同时进行不同的激光加工之外，还能够由2个飞行体对1个工件从不同方向同时进行激光照射，缩短周期时间之外，还能够进行对工件两面同时进行激光照射等由1个加工头无法进行的激光加工。
此外，图示例的光纤切换器56具备连接于激光振荡器22的1个输入端口58和分别连接于飞行体12a以及12b的2个输出端口60a以及60b，当然也能够使用具备3个以上的输出端口的光纤切换器，同时操作3个以上的飞行体。
根据本申请公开的方案，提供激光加工机，进行利用从飞行体照射的激光以预定的精度扫描激光束的加工，相比以往的激光加工机，加工对象物的尺寸、形状的制约少。

Claims (10)

1.一种激光加工机，其特征在于，具备：
能够漂浮并在空间中移动的飞行体；
构成为搭载于所述飞行体并且照射激光的加工头；
检测所述加工头相对于加工对象物的位置以及姿势的位置姿势检测部；
基于所述位置姿势检测部所检测到的所述加工头的位置以及姿势，能够改变从所述加工头照射的激光的照射位置的照射位置改变部；以及
向所述加工头供给所述激光的激光振荡器。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
所述位置姿势检测部包含搭载于所述飞行体的拍摄装置以及对该拍摄装置所获得的图像进行处理的图像处理装置。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，
所述加工头具有激光扫描器。
4.根据权利要求3所述的激光加工机，其特征在于，
所述激光扫描器具有具备多个镜子的检流计机构。
5.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，
所述照射位置改变部为安装于所述加工头的至少1个附加轴。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的激光加工机，其特征在于，
具有改变所述加工头相对于所述飞行体的主体的姿势的姿势改变机构。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的激光加工机，其特征在于，
所述激光振荡器由光纤连接于所述加工头。
8.根据权利要求7所述的激光加工机，其特征在于，
具有多台所述飞行体，在所述光纤设置有光纤切换器。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的激光加工机，其特征在于，
所述激光振荡器搭载于所述飞行体。
10.根据权利要求9所述的激光加工机，其特征在于，
向所述激光振荡器供给电力的电源搭载于所述飞行体。
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