TWI674165B - 具有用於掃描欲加工之管件或異形段部的掃描系統之用於雷射加工管件及異形段部的機器 - Google Patents

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Abstract

一種機器包括：一加工頭(12)，設有一聚焦裝置(18)，配置成將一雷射光束聚焦於欲加工之管件及異形段部(T)的表面上，一載架(28)，該加工頭(12)安裝於其上，及一掃描系統(20)，配置成掃描管件或異形段部(T)之剖面輪廓的至少一部分。載架(28)能夠在與管件或異形段部(T)縱向軸一致之一縱向方向(x)、及一橫向方向(y)二者上相關於管件或異形段部(T)平移。掃描系統(20)包括至少一雷射掃描模組(20)，該雷射掃描模組包括一雷射放射器(22)，配置成放射一光刃(L)，藉以照射管件或異形段部(T)之一部分，及一照相機(24)，配置成擷取由光刃(L)照射之管件或異形段部(T)之部分的一影像。加工頭(12)及至少一雷射掃描模組(20)係安裝於載架(28)上驅動地連接，而與載架(28)在縱向方向(x)及橫向方向(y)二者上平移。

Description

具有用於掃描欲加工之管件或異形段部的掃描系統之用於雷 射加工管件及異形段部的機器
本發明大體上關於一種用於雷射加工管件及異形段部的雷射加工機器，明確地係一種具有用於掃描欲加工之管件或異形段部之剖面輪廓的掃描系統之用於雷射切割管件及異形段部的機器。
在以下之說明及申請專利範圍中，「管件」及「異形段部」之術語欲指具有沿工件縱向軸呈一致(除製造公差以外)、且可具封閉(譬如圓形、矩形、或正方形)或開放(譬如L型、C型、U型等)等任何外型之剖面的任何細長形工件。此外，「縱向」與「橫向」之術語分別用於識別管件或異形段部之縱向軸的方向、與正交於縱向方向的一方向。
已知在用於雷射加工管件及異形段部之機器上使用掃描系統，以偵測欲加工之管件或異形段部的剖面幾何。更明確地，已知立體雷射掃描系統，其包括一對雷射掃描模組、亦以縮寫LSM為名，每一該等模組包括配置成放射一光刃於欲加工之管件或異形段部上的一雷射放射器，配置成擷取由各 別雷射放射器所放射光刃照射的欲加工之管件或異形段部之部分的一影像之一照相機，及配置成處理每一照相機所擷取之影像以重建欲加工之管件或異形段部之剖面的整個輪廓、或至少其一部分的一處理單元。藉使用此種雷射掃描系統，可能即時偵測欲加工之管件或異形段部之剖面的實際輪廓，該實際輪廓可根據製造公差而與標準者或多或少顯著不同。是以，可能譬如參考管件或異形段部之剖面的實際輪廓而對欲執行之加工定心。
在目前已知的解決方案中，雷射掃描模組係安裝於機器基座上之一固定位置，且因此在欲加工之管件或異形段部沿進給方向(與管件或異形段部之縱向方向一致)朝前運動的同時，逐步地掃描欲加工的該管件或異形段部。然而，藉由此種安裝雷射掃描模組之方式，經掃描的欲加工之管件或異形段部剖面通常與執行加工者不同。這明顯地將在欲執行加工之剖面的幾何與已藉由掃描系統重建其輪廓之剖面者不同時(因管件或異形段部據以製造的尺寸及/或幾何公差)造成誤差。再者，已知的掃描系統典型地調整成適應於，偵測具有外型及尺寸已定之剖面的管件及異形段部之幾何。
本發明之一目的係提供一種具有掃描系統之用於雷射加工管件及異形段部的雷射加工機器，其能夠偵測具有外型及尺寸不同之剖面的管件及異形段部之幾何，且其較以上討論之先前技藝更精確。
依據本發明，藉由一種具有隨附申請專利範圍獨 立項第1項中所提出特徵之用於雷射加工管件及異形段部的機器，將充分達成該及其他目的。
本發明之較優實施例係在申請專利範圍附屬項中界定，欲使此等申請專利範圍之標的形成以下說明之整體及一體的部分。
簡言之，本發明係以提供一種用於雷射加工管件及異形段部的機器之構想為基礎，該機器包括一加工頭，配置成藉由一聚焦雷射光束而在一管件或異形段部上執行加工，一載架，該加工頭係安裝於其上，及一掃描系統，配置成偵測欲加工之管件或異形段部的剖面輪廓至少一部分之幾何，其中該載架能夠在一縱向方向及一橫向方向二者上相對於欲加工之管件或異形段部平移，其中該掃描系統包括至少一雷射掃描模組，該雷射掃描模組包含一雷射放射器，配置成放射一光刃，以照射欲加工之管件或異形段部之一部分，一照相機，配置成擷取由該光刃照射之管件或異形段部之部分的一影像，及一處理單元，佈設成處理每一照相機所擷取之影像，以重建欲加工之管件或異形段部之剖面的整個輪廓、或至少其一部分，及其中該加工頭及該至少一雷射掃描模組係安裝於該載架上驅動地連接，而與其在該縱向方向及該橫向方向二者上平移。
由於安裝成驅動地連接而與該加工頭安裝所在之載架一同在該縱向方向及該橫向方向二者上平移，因此該至少一雷射掃描模組將擷取欲加工之管件或異形段部之一剖面輪廓(或至少其一部分)的影像，其恆與相關於該加工頭之一參考平面、譬如相關於通過該加工頭所放射聚焦雷射光束之光學軸 的一橫向垂直平面，位在相同位置。當然，這將確保較先前技藝者高之精確度。此外，藉由該至少一雷射掃描模組驅動地連接而與該加工頭安裝所在之載架一同在該橫向方向上平移，依據本發明之機器的掃描系統將能夠掃描具有外型及/或尺寸不同之剖面的管件或異形段部。
較佳地，該雷射掃描系統包括二個或更多雷射掃描模組。
較佳地，該等雷射掃描模組配置成，使雷射放射器所生成之光刃位於一相同平面中。該平面較佳地係一橫向垂直平面、即正交於欲加工之管件或異形段部之縱向軸的一平面。
較佳地，該機器係用於雷射切割管件或異形段部的一機器。
依據一實施例，該等雷射掃描模組之雷射放射器配置成放射具有相同波長之光刃。在此情形下，由該等雷射掃描模組之照相機在不同時間下擷取影像，以避免該等光刃之非期望重疊效應，特別在具有小尺寸剖面之管件或異形段部的情況下尤然，此效應可能對擷取之影像的品質造成負面影響。另一選擇，該等雷射掃描模組之雷射放射器配置成放射具有不同波長之光刃，以容許該等照相機同時擷取欲加工之管件或異形段的數個影像。
較佳地，每一雷射掃描模組之雷射放射器及照相機皆安裝成，使該雷射放射器之光學軸位於一垂直平面中，且相對於水平傾斜一給定角度，同時該照相機之光學軸位於與該 雷射放射器光學軸者相同的平面中，且相對於該雷射放射器光學軸傾斜一給定角度。
10‧‧‧基座
12‧‧‧加工頭
14‧‧‧進給裝置
16‧‧‧導引裝置
18‧‧‧聚焦裝置
20‧‧‧雷射掃描模組
22‧‧‧雷射放射器
24‧‧‧照相機
26‧‧‧加工頭運載結構
28‧‧‧載架
30‧‧‧支持結構
32‧‧‧橫構件
34‧‧‧對側臂
36‧‧‧安裝凸緣
38‧‧‧安裝凸緣
40‧‧‧螺釘
T‧‧‧管件
t‧‧‧傾斜軸
x‧‧‧縱向軸
y‧‧‧橫向方向
z‧‧‧垂直方向
oL‧‧‧光學軸
o1‧‧‧光學軸
o2‧‧‧光學軸
L‧‧‧光刃
α‧‧‧給定孔徑角
β‧‧‧給定角度
由參考隨附圖式僅作為非限制用範例所提供之以下詳細說明，將產生本發明之進一步特徵及優點。
第1圖係局部顯示依據本發明之實施例的具有掃描系統之用於雷射加工管件或異形段部的雷射加工機器透視圖；第2圖係第1圖之機器的前視圖；第3圖係第1圖之機器的側視圖；及第4圖及第5圖分別概略顯示雷射掃描模組相關於欲在第1圖機器中加工之管件或異形段部的配置之透視圖及前視圖。
此中參考在加工管件上之應用來說明及闡述依據本發明之用於雷射加工管件及異形段部的機器，但其當然同樣可應用至加工異形段部。能夠由該機器加工的管件及異形段部可具有外型及尺寸互不相同的剖面。
請參考圖式，依據本發明實施例之用於雷射加工管件的機器依就其本身而言屬已知的方式包括大致以10指示之一基座，配置成在一管件T上執行一雷射加工(譬如切割加工)的一加工頭12，配置成致使管件T沿一縱向方向x(與管件T之縱向軸的方向一致)朝前運動的一進給裝置14，配置成在管件T藉進給裝置14而朝前運動的同時導引該管件T之一導引裝置16，配置成掃描管件T剖面輪廓至少一部分(譬如一上方部分)的一掃描系統。
加工頭12依就其本身而言屬已知的方式包括一聚焦裝置18，配置成將一聚焦雷射光束放射至管件T之表面上。該掃描系統包括二雷射掃描模組20(或更一般地，至少一雷射掃描模組)，其每一個又各包括一雷射放射器22及一照相機24，該雷射放射器22配置成放射一光刃L以照射欲加工之管件T的一部分，該照相機24配置成擷取由雷射放射器22所放射出光刃L照射的欲加工之管件T部分的一影像。儘管在圖示出之實施例中，該雷射掃描系統包括二雷射掃描模組20，然其亦可包括超過二模組。
加工頭12係由一加工頭運載結構26運載。加工頭運載結構26、及因此加工頭12亦安裝於一載架28上，以能夠在垂直方向(方向z)上平移。載架28又安裝成能夠相關於該機器之基座10而在一橫向方向(方向y)上平移。儘管在圖示出之實施例中，橫向方向y係一水平方向，然其甚至可為相對於水平傾斜達一給定角度的一方向(且明顯地亦位在正交於管件T縱向軸之一平面中)。加工件12因此可在橫向垂直平面中、即在正交於管件T縱向軸x之一平面中，以二自由度、亦即以一垂直方向z中平移自由度及以一橫向方向y中平移自由度運動。此外，如圖示出之實施例中所提供者，加工頭12可安裝於加工頭運載結構26上，以能夠圍繞朝橫向定向之一傾斜軸t(或者，依據未顯示之另一實施例，圍繞相互正交之二傾斜軸)傾斜。
進給裝置14較佳地配置成，不僅控制管件T沿縱向軸x之方向的平移(前向運動)，且亦控制管件T圍繞縱向軸 x之旋轉。在用於雷射切割管件的機器中，可能藉適當地控制加工頭12之運動的自由度(沿垂直方向z之平移、沿橫向方向y之平移、圍繞傾斜軸t之旋轉、及可能地沿縱向軸x之方向的平移)、及管件T之運動的自由度(沿縱向軸x之方向的平移及圍繞縱向軸x之旋轉)，而沿任何期望之切割線來切割管件T之壁。
二雷射掃描模組20係安裝於一支持結構30上，該支持結構又連附至載架28。雷射掃描模組20因此與載架28一同、且因此亦與加工頭12一同在橫向方向y上運動。依據又一實施例(未顯示)，該雷射掃描模組安裝其上的支持結構係連附至加工頭運載結構、或更一般地至該加工頭安裝其上的一載架，藉此將驅動地連接該等雷射掃描模組，以與該加工頭在橫向方向y及垂直方向z二者上平移。
在圖示出之實施例中，支持結構30具有一大致C型架構，其具有連附至載架28之一橫構件32且具有自橫構件32之對立末端起沿縱向延伸的一對側臂34。各別安裝凸緣36緊固地連接至側臂34之自由端。相似之安裝凸緣38各緊固地連接至各別雷射掃描模組20之一末端。是以，可譬如藉螺釘40等連接各別安裝凸緣38與各別側臂34之安裝凸緣36，而輕易地將每一雷射掃描模組20安裝於支持結構30上。
每一雷射放射器22皆配置成，生成具有一給定孔徑角(一般以扇角為名)α之一光刃L，該給定孔徑角等於譬如20°。較佳地，每一雷射放射器22皆依就其本身而言屬已知的方式設有一光學系統，該光學系統佈設成，在跨越全部之光刃 孔徑、或至少跨越其最大部分上，容許均勻之光線分佈。較佳地，每一雷射放射器22皆安裝成，使其光學軸(以o1指示)位於一垂直平面中。此外，每一雷射放射器22之光學軸o1皆相對於水平傾斜達一給定角度β，如第5圖中所示者。較佳地，數個雷射放射器22之光學軸o1皆位於一相同垂直平面中。較佳地，雷射放射器22之光學軸o1所在的垂直平面通過加工頭12之聚焦裝置18所放射雷射光束的光學軸oL。如此，該掃描系統將恰在該加工頭放射之雷射光束於加工期間作用所在的剖面處，掃描管件或異形段部的輪廓。這明顯地容許確保最高的可能精確度。
依據一實施例，選擇雷射掃描模組20之雷射放射器22，以放射具有相同波長之光刃L。在此情形下，數個照相機24應擷取不同時間(較佳地，相互非常接近之時間)的光刃所照射之管件T部分的影像，以避免可能降低照相機所擷取影像之品質的非期望光刃重疊效應，特別對具有小尺寸剖面之管件尤然。另一選擇，將雷射掃描模組20之雷射放射器22配置成放射具有不同波長的光刃L。在此情形下，數個照相機24可同時擷取管件T之數個影像。
每一照相機24皆安裝成，使其光學軸(以o2指示)位於與同一雷射掃描模組20之雷射放射器22光學軸o1者相同的平面中，且相對於後者光學軸傾斜，以能夠擷取由雷射放射器22所放射光刃L照射的欲加工之管件T部分表面之影像。此等照相機24係藉一適當資料傳輸線路(未顯示，但呈就其本身而言屬已知的型態)而連接至一處理單元(亦未顯示且亦 呈就其本身而言屬已知的型態)，該處理單元係佈設成處理每一照相機所擷取之影像，以重建欲加工之管件T剖面之整個輪廓、或至少其一部分的幾何。
如上述任一個之雷射掃描系統，容許利用雷射掃描模組在橫向方向上(且可能地亦在垂直方向上)之平移自由度、及欲加工之管件或異形段部圍繞其縱向軸之旋轉自由度，以重建呈任何外型及尺寸之管件或異形段部剖面輪廓至少一部分的幾何。再者，如上述任一個之雷射掃描系統，容許相關於譬如欲加工之管件或異形段部標稱縱向軸等一參考軸來偵測輪廓(或雷射掃描模組所擷取輪廓之至少部分)的實際定位。
當然，在本發明之原理保持不變下，實施例及結構之細部設計可由僅作為非限制範例來說明及闡述者作大幅改變，而不致脫離隨附申請專利範圍中所界定之發明範疇。

Claims (11)

  1. 一種用於雷射加工異形段部的雷射加工機器，包括：一加工頭，設有一聚焦裝置，配置成放射一聚焦雷射光束於欲加工之該異形段部之一表面上；一載架，該加工頭安裝於其上；以及一掃描系統，配置成掃描該異形段部之剖面輪廓的至少一部分，其中安裝該載架使之能夠在與該異形段部縱向軸一致之一縱向方向(x)及一橫向方向(y)二者上相對於該異形段部平移，其中該掃描系統包括至少一雷射掃描模組，該雷射掃描模組具有一雷射放射器、一照相機及一處理單元，其中該雷射放射器，配置成放射一光刃(L)，藉以照射該異形段部之一部分；該照相機，配置成擷取由該光刃(L)照射之該異形段部之部分的一影像；該處理單元，佈設成處理該照相機所擷取之影像，以重建該異形段部之剖面的整個輪廓或至少其一部分，以及其中該加工頭及該至少一雷射掃描模組係安裝於該載架上驅動地連接，而與其在該縱向方向(x)及該橫向方向(y)二者上平移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之機器，其中該掃描系統包括二個或更多雷射掃描模組。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之機器，其中該等雷射掃描模組配置成，使該等各別雷射放射器所生成之光刃(L)位於一 相同平面中。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之機器，其中該平面係一垂直平面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之機器，其中該平面通過該加工頭之聚焦裝置所放射之聚焦雷射光束的光學軸(oL)。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之機器，其中該等雷射掃描模組之雷射放射器配置成放射具有相同波長之光刃(L)。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之機器，其中該等雷射掃描模組之雷射放射器配置成放射具有不同波長之光刃(L)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之機器，其中該至少一雷射掃描模組之雷射放射器及照相機皆安裝成，使該雷射放射器之光學軸(o1)位於一垂直平面中，且相對於水平平面傾斜一給定角度(β)，同時該照相機之光學軸(o2)位於與該雷射放射器光學軸(o1)相同的平面中，且相對於該雷射放射器光學軸傾斜。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之機器，其中該載架亦安裝成，能夠相對於該異形段部，在一垂直方向(z)上平移。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之機器，尚包括一進給裝置，配置成控制該異形段部沿其縱向軸(x)之平移、及該異形段部圍繞其縱向軸(x)之旋轉。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之機器，其中該加工頭配置成執行該異形段部之雷射切割。
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