CN114929424A - 用于从工件中切割开口的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于从工件中切割开口的装置和方法。所述装置(1)包括第一发射器(10)和第二发射器(20)、激光头(60)、图像传感器(30)和处理单元。所述激光头(60)被耦接至所述第一发射器和第二发射器(10、20)，并且适于在工件(40)的第一侧(41)附近移动并且将所述第一激光和第二激光引导到所述第一侧(41)。所述图像传感器(30)被布置在所述工件(40)的与所述第一侧(41)相对的第二侧(42)附近，并且被配置为接收所述第一激光以形成所述第一激光的图像。所述处理单元被耦接至所述图像传感器(30)，并且被配置为确定所述第一激光的所述图像的轮廓与要从所述工件(40)中切割的开口(45)的预定轮廓之间的差异，并且如果所述差异低于预定义阈值，则使所述第二发射器(20)发射所述第二激光以切割所述开口(45)。

Description

用于从工件中切割开口的装置和方法
技术领域
本公开的示例实施例大体上涉及激光切割的改进，更具体地涉及一种用于从工件中切割开口的装置及其方法。
背景技术
在激光切割领域中，激光头被附接至多关节机器人以执行激光切割。一个关键任务是实现切割特征的高形状准确性，例如开口的圆度。当多关节机器人的移动速度较高时，切口的形状可能总是让用户不满意。如何以简单的方式从具有预期轮廓的工件中切割开口成为设计人员面临的挑战。
常规来说，提供了使用机器人来切割具有期望形状的开口的多种方法。例如，多关节机器人的结构刚度可以被提高，以确保激光切割的准确性。作为另一示例，微动平台可以被考虑。然而，这些方法既复杂又昂贵。例如，在CN108673005中，提出了一种通过校正自动追踪焊缝的解决方案。然而，该方法不适于切割开口，因此切割开口的准确性无法被实现。
因此，需要一种更简单且更便宜的设计以能够从工件移除开口。
发明内容
本公开的示例实施例提出了一种用于提高形状调谐的准确性的解决方案。
在第一方面中，提供了一种装置。该装置包括：第一发射器和第二发射器，由第一发射器发射的第一激光的功率小于由第二发射器发射的第二激光的功率；激光头，被耦接至第一发射器和第二发射器，并且适于在工件的第一侧附近移动并且将第一激光和第二激光引导到第一侧；图像传感器，被布置在工件的与第一侧相对的第二侧附近，并且被配置为接收第一激光以形成第一激光的图像；以及处理单元，被耦接至图像传感器，并且被配置为确定第一激光的图像的轮廓与要从工件中切割的开口的预定轮廓之间的差异，并且如果差异低于预定义阈值，则使第二发射器发射第二激光以切割开口。
根据本发明的实施例，开口可以以快速且准确的方式从工件中切割。因此，可以提高高速激光切割的效率。
在一些实施例中，该装置还包括激光降低器，该激光降低器被布置在工件的第二侧与图像传感器之间，并且被配置为降低发射到图像传感器上的第一激光的功率。
在一些实施例中，图像传感器是没有透镜的传感器。
在一些实施例中，图像传感器包括布置为阵列的多个成像单元。
在一些实施例中，第一激光的路径与第二激光的路径重合。
在一些实施例中，开口是柱形的，并且开口的中心轴线平行于第一激光和第二激光的路径。
在一些实施例中，开口沿着垂直于第一激光的方向的大小基本上等于图像传感器沿着该方向的大小。
在一些实施例中，图像传感器被配置为以不同的曝光时间接收第一激光。
在一些实施例中，激光降低器是激光滤波器或激光反射器。
在一些实施例中，激光降低器和图像传感器被包含在外壳内，并且外壳利用耦接器被耦接至工件。
在第二方面中，提供了一种方法。该方法包括：提供第一发射器和第二发射器，由第一发射器发射的第一激光的功率小于由第二发射器发射的第二激光的功率；提供激光头，该激光头被耦接至第一发射器和第二发射器，并且适于在工件的第一侧附近移动并且将第一激光和第二激光引导到第一侧；将图像传感器布置在工件的与第一侧相对的第二侧附近，并且被配置为接收第一激光以形成第一激光的图像；以及提供处理单元，该处理单元被耦接至图像传感器，并且被配置为确定第一激光的图像的轮廓与要从工件中切割的开口的预定轮廓之间的差异，并且如果差异低于预定义阈值，则使第二发射器发射第二激光以切割开口。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本文公开的示例实施例的以上和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，本文公开的若干示例实施例将在示例中以非限制性方式图示，其中：
图1图示了根据本公开的示例实施例的用于从工件中切割开口的装置的截面图；
图2图示了具有从中切割的开口的示例性工件的顶视图；以及
图3图示了根据本公开的一些示例实施例的从工件中切割开口的方法。
在整个附图中，相同或对应的附图标记指代相同或对应的部分。
具体实施方式
本文描述的主题现在将参照多个示例实施例来讨论。这些实施例被讨论仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解并因此实施本文描述的主题，而不是暗示对主题范围的任何限制。
术语“包括”或“包含”及其变型应被读取为开放术语，其表示“包括但不限于”。除非上下文另有清晰指示，否则术语“或者”应被读取为“和/或”。术语“基于”应被读取为“至少部分地基于”。术语“可操作”是指可以通过用户或外部机制诱发的操作来实现的功能、动作、运动或状态。术语“一个实施例”和“实施例”应被读取为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应被读取为“至少一个其他实施例”。
除非另有指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变化被广泛使用，并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不被限于物理或机械连接或耦接。在以下描述中，相同的附图标记和标签被用于描述附图中的相同、类似或对应部分。其他定义(显式和隐式的)可以在下面被包括在内。
本发明的实施例在下文中将参照图1至图2详细描述。
图1图示了根据本公开的示例实施例的用于从工件40中切割开口45的装置1的截面图。图2图示了具有从中切割的开口45的示例性工件40的顶视图。
如所示，装置1总体上包括第一发射器10和第二发射器20、激光头60和图像传感器30。两个发射器10、20发射具有不同功率的不同激光。换言之，第一发射器10和第二发射器20分别发射第一激光和第二激光，其中第一激光的功率小于第二激光的功率。
如所图示的，工件40具有彼此相对的第一侧41和第二侧42。激光头60被耦接至两个发射器10、20，并且能够在工件40的第一侧41附近移动。激光头60将第一激光和第二激光引导到工件40的第一侧41。如图1所图示的，被配置为接收第一激光的图像传感器30被布置在第二侧42附近。因此，可以形成第一激光的图像。
装置1还包括被耦接至图像传感器30的处理单元。处理单元被配置为将第一激光的图像的轮廓与要被切割的开口45的预期轮廓进行比较，然后确定两个轮廓之间的差异。在差异低于预定义阈值的情况下，处理单元被配置为使第二发射器20发射第二激光以切割开口45。
因此，通过激光头60和图像传感器30被布置在工件40的不同侧，由激光头60发射的激光可以直接撞击图像传感器30而没有任何反射。通过这种方式，开口45可以快速且准确地从工件40中切割。而且，由于图像传感器30是市售的，整个装置1的成本保持较低。
在一些实施例中，该装置还可以包括被布置在工件40的第二侧42与图像传感器30之间的激光降低器50。激光降低器50可以被配置为降低发射到图像传感器30上的第一激光的功率。例如，由激光头60发射的激光可以是毫瓦数量级，并且对于图像传感器30可接受的激光功率是只有几微瓦。因此，利用激光降低器50，激光的功率可以被降低到适合图像传感器的水平。
在一些实施例中，激光降低器50可以将激光的功率降低数千倍。要理解的是，上面列出的值仅是说明性的，而不是限制性的。在一些实施例中，激光降低器50可以备选地将激光的功率降低一万倍甚至更多，这取决于用户的实际需要。激光降低器50可以根据由激光头60发射的激光的功率和图像传感器30可以承受的激光的功率来选择。通过这种方式，由激光头60发射的激光的功率可以被扩展，因此装置1的用途可以被扩展。
在一些实施例中，图像传感器30可以是没有透镜的传感器。通过这种方式，对第一激光的预期路径的确定可以在没有任何失真的情况下执行。而且，光学传输的复杂性可以被避免，从而更容易获得第一激光的预期路径。
在一些实施例中，图像传感器30可以包括布置为阵列的多个成像单元。
在一些实施例中，第一激光的路径可以与第二激光的路径重合。通过这种方式，一旦激光的预期路径被确定，开口45就可以用更大功率的激光从工件40中切割。通过这种方式，激光切割开口的准确性可以被保证。
在一些实施例中，处理单元可以被配置为基于迭代学习控制来执行形状调谐。利用迭代学习控制，当第一激光的图像轮廓已经被获得时，处理单元可以将轮廓与开口的预定轮廓进行比较。如果两个轮廓之间的差异高于预定义的阈值，则第一激光将被调整以形成新的轮廓。然后处理单元重复比较，并且图像的轮廓逐渐接近预定义的阈值。如果差异低于预定义阈值，则激光切割开口45的路径已被确定。随后，第一激光被停用，并且图像传感器40和激光降低器50被移除。然后工件40被新的工件替代。具有更大功率的第二激光被激活，以从新工件中切割开口45，以基本上遵循轮廓的预定路径。
在一些实施例中，第一激光的功率可以是毫瓦数量级。在一些实施例中，第二激光的功率可以是一百瓦甚或更高的数量级。在其他实施例中，第二激光的功率可以是千瓦数量级。
在一些实施例中，如图2所图示的，开口45可以是柱形的，并且开口45的中心轴线可以平行于第一激光和第二激光的路径。通过这种方式，具有预期圆度的小圆圈可以从工件40中切割。圆圈开口45的切割可以以非常方便的方式被执行。
尽管图2图示了开口45是圆形的，但是要理解的是，这仅仅是示例，并不意味着对本公开的范围的任何限制。在替代实施例中，开口45可以是椭圆形的。
在一些实施例中，开口45沿着垂直于第一激光的方向D的大小L1可以基本上等于图像传感器30沿着方向D的大小L2。通过这种方式，由于开口45和图像传感器30的大小基本相同，因此透镜可以被省略。
在一些实施例中，图像传感器30还可以被配置为接收第一激光，以形成具有不同曝光时间的不同类型的图像。
在一些实施例中，曝光时间相对较长，使得第一激光的图像的完整轮廓可以被获得。在一些实施例中，曝光时间可以大于1秒。通过这种方式，由于图像可以利用复杂的后处理仅使用一次拍摄来捕获，因此装置1的费用保持较低。
在一些实施例中，曝光时间相对较短，使得仅图像的分段而不是整个轮廓可以被获得。在这种情况下，图像的整个轮廓可以通过结合由图像传感器30捕获的不同图像来导出。在一些实施例中，曝光时间可以大于1/250秒。通过这种方式，由于曝光时间短，图像轮廓的分段清晰。因此，激光切割的准确性可以被进一步提高。
要理解的是，上面列出的曝光时间的值只是说明性的，而不是限制性的。在一些实施例中，曝光时间可能与列出的值不同，这可能取决于用户的实际需要。
在一些实施例中，激光降低器50可以是激光滤波器。要理解的是，激光降低器50的具体形式在本文中未被限制。激光降低器50可以采用已知的或将来开发的任何其他形式，例如激光反射器，只要穿过激光降低器50的激光的功率可以被降低到图像传感器30可以接受的水平即可。在其他实施例中，通过使用激光降低器50，激光可以针对具体波长带通滤波。
在一些实施例中，激光降低器50和图像传感器30可以被包含在外壳70内。通过这种方式，激光降低器50和图像传感器30可以根据用户的实际需要被定制为集成组件。
在一些实施例中，外壳70可以利用耦接器80被耦接至工件40。图像传感器30与工件40之间的相对移动可以利用耦接器80消除。通过这种方式，测量准确性可以以高速保证。
在一些实施例中，耦接器80可以是磁体。在替代实施例中，耦接器80可以是真空吸盘。
在一些实施例中，处理单元可以与图像传感器30集成。在替代实施例中，处理单元可以是单独的组件。要理解的是，具体的连接方式在本文中未被限制，它可以根据装置1的具体工作环境来确定。
图3图示了根据本公开的一些示例实施例的从工件40中切割开口45的方法300。
在框302中，第一发射器10和第二发射器20被提供。由第一发射器10发射的第一激光的功率小于由第二发射器20发射的第二激光的功率。
在框304中，激光头60被提供。激光头60被耦接至第一发射器和第二发射器10、20，并且适于在工件40的第一侧41附近移动并且将第一激光和第二激光引导到第一侧41。
在框306中，图像传感器30被布置在工件40的与第一侧41相对的第二侧42附近，并且被配置为接收第一激光以形成第一激光的图像。
在框308中，处理单元被耦接至图像传感器30。处理单元被配置为确定第一激光的图像的轮廓与要从工件40中切割的开口45的预定轮廓之间的差异，并且如果差异低于预定义阈值，则使第二发射器20发射第二激光以切割开口45。
在一些实施例中，返回参照图1和2，方法300还可以包括提供激光降低器50。激光降低器50被布置在工件40的第二侧42与图像传感器30之间，并且还被配置为降低发射到图像传感器30上的第一激光的功率。
在一些实施例中，在框308中，图像传感器30可以是没有透镜的传感器。
在一些实施例中，在框308中，图像传感器30可以包括布置为阵列的多个成像单元。
在一些实施例中，在框308中，开口45可以是柱形的，并且开口45的中心轴线可以平行于第一激光和第二激光的路径。
在一些实施例中，方法300还可以包括提供外壳70以容纳激光降低器50和图像传感器30。耦接器80可以被提供，以将外壳70耦接至工件40。
要理解，图3中涉及的装置、结构或过程已经在上面参照图1至2描述，并且为了简洁起见，细节在下文中将不再描述。
进一步地，虽然操作以特定顺序描绘，但是这不应该被理解为要求这种操作按照所示的特定顺序或者按照相继顺序来执行，或者所有图示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。同样地，尽管多个具体的实施细节被包含在以上讨论中，但是这些不应该被解释为对本公开范围的限制，而应该解释为可能特定于特定实施例的特征的描述。在单独实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地被实施在单个实施例中。另一方面，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或者按照任何合适的子组合被实施在多个实施例中。
与从工件中切割开口的常规方法相比，通过在工件40的与激光头60相对的一侧简单地设置图像传感器30，切割可以被更容易地进行，并且准确性可以被提高。此外，无需改变微动平台或机器人系统的刚度。因此，成本可以被降低。
尽管主题已经用特定于结构特征和/或方法行动的语言描述，但是要理解的是，在所附权利要求中限定的主题并不一定被限于上述具体特征或行动。相反，上述具体特征和行动被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (11)

1.一种装置(1)，包括：
第一发射器(10)和第二发射器(20)，由所述第一发射器(10)发射的第一激光的功率小于由所述第二发射器(20)发射的第二激光的功率；
激光头(60)，被耦接至所述第一发射器(10)和第二发射器(20)，并且适于在工件(40)的第一侧(41)附近移动并且将所述第一激光和所述第二激光引导到所述第一侧(41)；
图像传感器(30)，被布置在所述工件(40)的与所述第一侧(41)相对的第二侧(42)附近，并且被配置为接收所述第一激光以形成所述第一激光的图像；以及
处理单元，被耦接至所述图像传感器(30)，并且被配置为确定所述第一激光的所述图像的轮廓与要从所述工件(40)中切割的开口(45)的预定轮廓之间的差异，并且如果所述差异低于预定义阈值，则使所述第二发射器(20)发射所述第二激光以切割所述开口(45)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，还包括：
激光降低器(50)，被布置在所述工件(40)的所述第二侧(42)与所述图像传感器(30)之间，并且被配置为降低发射到所述图像传感器(30)上的所述第一激光的所述功率。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，所述图像传感器(30)是没有透镜的传感器。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，所述图像传感器(30)包括布置为阵列的多个成像单元。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中所述第一激光的路径与所述第二激光的路径重合。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中所述开口(45)是柱形的，并且所述开口(45)的中心轴线平行于所述第一激光和所述第二激光的路径。
7.根据权利要求1所述的装置(1)，其中所述开口(45)沿着垂直于所述第一激光的方向(D)的大小(L1)实质上等于所述图像传感器(30)沿着所述方向(D)的大小(L2)。
8.根据权利要求1所述的装置(1)，其中所述图像传感器(30)被配置为以不同的曝光时间来接收所述第一激光。
9.根据权利要求2所述的装置(1)，其中所述激光降低器(50)是激光滤波器或者激光反射器。
10.根据权利要求2所述的装置(1)，其中所述激光降低器(50)和所述图像传感器(30)被包含在外壳(70)内，并且所述外壳(70)利用耦接器(80)被耦接至所述工件(40)。
11.一种方法，包括：
提供第一发射器(10)和第二发射器(20)，由所述第一发射器(10)发射的第一激光的功率小于由所述第二发射器(20)发射的第二激光的功率；
提供激光头(60)，所述激光头(60)被耦接至所述第一发射器(10)和所述第二发射器(20)，并且适于在工件(40)的第一侧(41)附近移动并且将所述第一激光和所述第二激光引导到所述第一侧(41)；
将图像传感器(30)布置在所述工件(40)的与所述第一侧(41)相对的第二侧(42)附近，并且被配置为接收所述第一激光以形成所述第一激光的图像；以及
提供处理单元，所述处理单元被耦接至所述图像传感器(30)，并且被配置为确定所述第一激光的所述图像的轮廓与要从所述工件(40)中切割的开口(45)的预定轮廓之间的差异，并且如果所述差异低于预定义阈值，则使所述第二发射器(20)发射所述第二激光以切割所述开口(45)。
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