用于进行结合的激光加工和计量的机器人系统及相关方法与流程

本公开内容总体上涉及激光加工，并且更具体地，涉及用于能够优化(one-up)组装工件的结合的(integrated，整体的，一体的)激光加工和计量(metrology)的方法和系统。

背景技术：

当前，存在两种常规技术用于在多材料层叠物或者由两层或更多层不同材料制成的组件中钻孔。在一种技术中，当层叠物的各层彼此分离时，在这些层中钻孔。例如，在第一层中钻一个孔，并且在第二层中钻对应的孔。然后这些层组装在一起，其中孔一起排齐(line up)。然而，由于孔在层中是各自钻出的，而不是共同穿过这些层，因此当将层组装在一起时，可能在孔的排列、尺寸和方位上产生误差。

在称为匹配式钻孔的第二技术中，可在各层保持在一起时，穿过层叠物钻取一个孔。更具体地，首先这些层可组装并结合在一起，然后可穿过整个层叠物进行钻孔。尽管消除了孔排列、尺寸和方位的问题，但是匹配式钻孔仍可能产生非理想的孔。例如，匹配式钻孔可在金属转角上产生毛刺并且可在碳纤维增强的聚合材料中形成撕裂。

为了在匹配式钻孔之后清洁这些孔，该层叠物被拆卸，并且每个层中的孔都要经受修整过程。修整过程之后，这些层被重新组装以形成层叠物。为了实现高质量的孔，对组装、拆卸并且重新组装该层叠物的需要在生产期间导致成本和流程时间的明显增加。因此，存在对提供用于加工多材料层叠物的成本有效的、高效的方法以及系统的需要。

技术实现要素：

根据一个实施方式，公开了混合式激光加工和计量方法，能够优化组装工件。混合式加工和计量方法可包括使从工件中去除材料的第一激光输出与测量从工件中去除的材料的第二激光输出交错。

在改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括发射第二激光输出的计量激光脉冲以测量到工件上的位置的距离。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括将测量的到工件的距离与到工件上的位置的理想距离进行比较，以确定该位置的表面偏差值。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括基于所确定的该位置的表面偏差值将第一激光输出的加工激光脉冲发射至工件上的该位置。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括确定工件上的多个位置中的每个位置的表面偏差值。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括使用工件上的多个位置中的每个位置的表面偏差值生成轮廓映射。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括基于所生成的轮廓映射产生加工激光脉冲的激光脉冲样式。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括根据最小下降的方法使计量激光脉冲交错作为激光脉冲样式的一部分。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括使用第一激光源产生第一激光输出，并且使用第二激光源产生第二激光输出，第二激光源是与第一激光源分离的激光源。

在另一改进的实施方式中，激光加工和计量方法可进一步包括调节单个激光源的脉冲能量以产生第一激光输出和第二激光输出中的每一个。

根据另一实施方式，公开了用于进行结合的激光加工和计量的机器人系统，能够优化组装工件。机器人系统可包括：激光源，构造成产生第一激光输出以从工件去除材料；以及控制器，与激光源通信。控制器可构造成调节激光源的能级以产生第二激光输出，以测量从工件去除的材料。

在改进的实施方式中，控制器可进一步构造成根据最小下降的方法使第二激光输出交错在第一激光输出的脉冲中间。

在另一改进的实施方式中，激光源可以是飞秒激光器。

在另一改进的实施方式中，机器人系统可进一步包括与控制器通信的检测器，该检测器构造成在第二激光输出从激光源发射到工件上之后检测从工件散射回来的光的量。

在另一改进的实施方式中，控制器可进一步构造成基于使用第二激光输出进行的测量来确定第一激光输出的脉冲样式。

根据另一实施方式，公开了用于进行结合的激光加工和计量的机器人系统，能够优化组装工件。机器人系统可包括：第一激光源，构造成生成第一激光输出以从工件去除材料；第二激光源，构造成生成第二激光输出以测量从工件去除的材料；以及控制器，与第一激光源和第二激光源通信。控制器可构造成协调第二激光输出与第一激光输出。

在改进的实施方式中，第一激光源可以是飞秒激光器，并且第二激光源可以是激光二极管。

在另一改进的实施方式中，机器人系统可进一步包括末端执行器，该末端执行器构造成引导第一激光输出和第二激光输出在工件上的位置，末端执行器包括用于第一激光源的第一组光学器件和用于第二激光源的第二组光学器件。

在另一改进的实施方式中，机器人系统可进一步包括与控制器通信的检测器，该检测器可构造成检测从工件散射回来的光的量，控制器构造成基于从检测器接收的数据生成工件的表面的轮廓映射。

在另一改进的实施方式中，控制器可进一步构造成基于所生成的轮廓映射控制末端执行器的位置。

根据结合附图时的以下详细说明，这些和其他方面以及特征将变得更加易于清晰可见。此外，尽管关于具体示例性实施方式公开了各种特征，应理解的是，各种特征可以彼此结合、或者单独使用，在没有偏离本公开内容的范围的情况下，具有任何各种示例性实施方式。

附图说明

图1是根据本公开内容的一个实施方式的机器人系统的示意图；

图2是根据另一实施方式的机器人系统的示意图；

图3是图2的机器人系统的末端执行器的前视图；

图4是图3的末端执行器的侧视图；

图5是示出了根据另一实施方式的交错的加工激光脉冲和计量激光脉冲的激光脉冲样式的时序图；

图6是示出了根据另一实施方式的交错的加工激光脉冲和计量激光脉冲的另一激光脉冲样式的时序图；

图7是示出了根据另一实施方式的使用测量优化策略的交错的加工激光脉冲和计量激光脉冲的激光脉冲样式的时序图；

图8是根据另一实施方式的工件中的孔的内表面的表面轮廓映射(profile map)的图解视图；

图9是根据另一实施方式的工件的位于两个层之间的具有斜切交叉部的孔的内表面的剖视图；

图10是根据另一实施方式的机器人系统的示意图；

图11是图10的机器人系统的末端执行器的前视图；

图12是图11的末端执行器的侧视图；

图13是根据另一实施方式的机器人系统的示意图；

图14是图13的机器人系统的末端执行器的前视图；

图15是图14的末端执行器的侧视图；以及

图16是示出了根据另一实施方式的能够优化组装工件的混合式激光机械加工和计量过程的流程图。

尽管本公开内容易进行各种修改和可替换的构造，但是本公开内容的某些示例性实施方式将在以下示出并进行详细地描述。本公开内容不限于所公开的特定实施方式，而是包括所有修改、可替换的构造及其等效物。

具体实施方式

现将详细地参考特定实施方式或者特征，它们的实例示出在附图中。总体上，贯穿附图，相应的参考标号将用于指代相同或相应的部件。

图1示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的能够优化组装工件22的结合的激光加工和计量的机器人系统20。工件22可包括层叠物，诸如，用在航天器、飞机的本体以及许多其他应用中的层叠物。该层叠物可包括组装在一起的多个层。应理解的是，机器人系统20除了层叠物之外还可用在各种类型的工件上。

在实例中，工件22可以是包括第一层24和第二层26的多材料层叠物，每个层具有不同的材料。例如，第一层24可由金属组成，并且第二层26可由碳纤维增强的聚合材料组成。然而，可以使用其他类型的材料和材料的组合。此外，工件22可包括多于或少于两层的层。在另一实例中，该层叠物可以不是多材料的，并且可包括相同材料的层。

机器人系统20可在工件22上执行混合式加工和计量过程。机器人系统20可在单个操作中加工并测量工件22上的特征28。更具体地，机器人系统20可与特征28的测量操作基本上同时地执行特征28的加工操作。通过将加工过程和计量过程结合到单个过程中，在工件22的制造期间可实现明显的时间和成本节约。此外，结合的加工和计量不仅消除了对拆卸层叠物以执行修整过程的需要，而且增加了加工过程的精确性。这样做， 机器人系统20允许层叠物的优化组装，或者在制造期间仅组装层叠物一次。

机器人系统20可包括与激光源32和末端执行器34操作通信的控制系统30。控制系统30可被构造成控制激光源32和末端执行器34，以便加工并测量工件22中的特征28。例如，激光源32可以是经由啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification)而放大的超短脉冲激光器，诸如飞秒激光器。然而，可以使用其他类型的激光器以及其他类型的放大技术。

末端执行器34可连接至机器人系统20的机器人臂的端部。末端执行器34可被构造成将来自激光源32的激光输出36引导到工件22上的精确位置上。控制系统30可与致动器38通信，该致动器被构造成使末端执行器34移动并旋转。例如，致动器38可以是蜗轮电机(worm gear motor)，但是可以使用其他类型的致动器。

控制系统30可包括控制器40，该控制器使用处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FGPA)和基于处理器的装置中的一个或多个来执行，该控制器可包括或可与非暂时性计算机可读存储介质(在其上存储有计算机可执行指令)相关联，或者可包括或可与用于电子控制激光源32和末端执行器34的致动器38的功能的任何其他合适的设备相关联。

控制器40可被构造成根据用于操作激光源32和定位末端执行器34的预定算法或指令组来进行操作。这种算法或指令组可被编程或结合到存储器42中，该存储器与控制器40相关联或者至少对于控制器40是可访问的。存储器42可设置在控制器40内和/或控制器40外，并且可包括非易失性存储器。应理解的是，控制系统30和控制器40可包括其他硬件、软件、固件及其组合。

此外，控制系统30可包括多于一个的控制器40。例如，控制器40可以是控制系统30的主控制器，而激光源32可具有相关的控制器44，并且末端执行器34的致动器38也可具有相关的控制器46。然而，当然还可以使用其他构造。控制器40可与激光源控制器44和致动器控制器46通信，以便控制激光源32和致动器38的操作。例如，控制系统30可控制激光源32的时序、激光脉冲样式、脉冲能量、脉冲持续时间和其他属性、以及致动器38的移动，并且因此，可控制末端执行器34的位置。

在一个实例中，机器人系统20可用于对已经加工到工件22中的特征28的修整过程。然而，机器人系统20还可用于将新特征或结构加工到工件22中。特征28可以是孔48，尽管还可以由机器人系统20形成其他类型的特征或结构。孔48可沿着中央轴线50从第一端表面52至第二端表 面54延伸穿过工件22。例如，孔48可以是上述钻取或者加工到层叠物中的尺寸过小的导向孔。

如图1所示，机器人系统20的末端执行器34可插入在孔48内。末端执行器34的中央轴线56可以与孔48的中央轴线50平行、对准和/或重合。末端执行器34可集中并引导来自激光源32的激光输出36，垂直于或横向于孔48的内表面58传递激光输出36。

这样做，机器人系统20可在孔48的内表面58上执行混合式加工和计量过程，以便符合该特征的规格。例如，机器人系统20可测量孔48的尺寸，诸如，针对内表面58的整个区域的从末端执行器34至内表面58的距离。然后激光源32可激活，以加工内表面58的某些位置以便符合孔48的规格容差。

更具体地，激光源32可布置为邻近末端执行器34的第一端60，并且可引导激光输出36通过末端执行器34的第一端60。尽管在图1中未示出，但是激光源32还可布置为邻近末端执行器34的第二端62，并且还可引导激光输出36通过末端执行器34的第二端62。然而，可以使用用于激光源32、激光输出36和末端执行器34的其他构造。

末端执行器34可移动激光源32，以在分别基本上横向于或垂直于孔48的内表面58和/或孔48和末端执行器34的轴线50、56的方向上将激光输出36聚焦并引导到孔48的内表面58上。此外，控制系统30可被构造成经由致动器38移动末端执行器34，使得可以测量和/或加工内表面58的整个表面区域。例如，致动器38可使末端执行器34围绕中央轴线56旋转并且使末端执行器34竖直沿着中央轴线56移动。此外，致动器38可包括或者与传感器和指示器相关联，以分别检测并显示末端执行器34的位置，诸如，角位置、竖直位置等。

现在参考图2至图4，继续参考图1，末端执行器34可包括具有总体上为柱形形状的本体70，尽管可以使用其他形状的本体70。一组光学器件72和检测器74可安装至末端执行器34的本体70的内部。该组光学器件72可包括透镜76和镜子78。透镜76可将来自激光源32的激光输出36聚焦在镜子78上，并且镜子78可引导激光输出36通过本体70的侧面84中的孔口80离开末端执行器34。然而，可以使用用于末端执行器34的其他波束传递构造。

更具体地，如图4所示，支架82可将镜子78定位为相对于末端执行器34的中央轴线56呈角度α。例如，镜子78可安装为相对于末端执行器34的中央轴线56大约四十五度(45°)，但是镜子78的角度α还可使用其他数值。镜子78可使激光输出36偏转离开末端执行器34的侧面84上的孔口80。

在图2中示出的实例中，激光输出36可遵循末端执行器34的中央轴线56从激光源32射出。激光输出36可通过透镜76聚焦在镜子78上。镜子78可引导激光输出36在垂直于末端执行器34的中央轴线56的方向上通过孔口80以偏转角度β离开末端执行器34的侧面84。例如，偏转角度β可为相对于末端执行器34的中央轴线56大约为九十度(90°)，但是β也可以大于或小于九十度(90°)。可以使用除了示出和描述的末端执行器34的该组光学器件72和孔口80之外的其他构造。

为了加工工件22，激光源32可提供第一激光输出，该第一激光输出具有的能量足以从工件22去除材料。为了测量从末端执行器34的中央轴线56至内表面58的距离，激光源32可提供第二激光输出，该第二激光输出具有的能量足以执行干涉测量式的(interferometric)距离测量。干涉测量式的距离测量可以使用时域或频域干涉法获取。干涉测量式的距离测量可以校准，以使用标准的计量方法产生从末端执行器34的中央轴线56至孔48的内表面58的距离。然而，可以使用测量从末端执行器34的中央轴线56至内表面58的其他构造和方法。

现在参考图5至图7，继续参考图1至图4，在一个实施方式中，为了从孔48的内表面58去除材料，第一激光输出可实现为多个加工激光脉冲64。更具体地，激光源32可以通过限定激光脉冲64的预定脉冲能量实现预定激光脉冲样式。例如，加工激光脉冲64可产生超过10¹²每平方厘米瓦特(W/cm²)的辐照度，但是还可以使用其他辐照度值。第一激光输出的加工激光脉冲64的预定脉冲能量可大于第二激光输出的计量激光脉冲66的预定脉冲能量。更具体地，计量激光脉冲66的预定脉冲能量可小于加工激光脉冲64的预定脉冲能量，这是因为第二激光输出仅需要足够的脉冲能量来测量到内表面58的距离，而不需要从工件22去除材料。

为了实现混合式加工和计量过程，控制器40可被构造成使计量激光脉冲66与加工激光脉冲64交错(interleave)。在一个实例中，控制器40可被构造成调节激光源32的能量，以便产生加工激光脉冲64和计量激光脉冲66两者。例如，计量激光脉冲66的预定脉冲能量可小于加工激光脉冲64的预定脉冲能量，使得在孔48的内表面58处产生的辐照度减少约一千(1000)倍(factor)。然而，还可以使用除了一千(1000)之外的数值。

因此，如果激光源32预设为生成加工激光脉冲64以从工件22去除材料，则控制器40可减小激光源32的脉冲能量，以便为工件22的计量生成计量激光脉冲66。相反地，如果激光源32预设为计量以测量工件22的特征28，则控制器40可增加激光源32的脉冲能量，以便生成用于加工工件22的加工激光脉冲64。此外，如图5至图7的实例所示，控制器40 可改变激光源32的脉冲能量，以便使第二激光输出的计量激光脉冲66与第一激光输出的加工激光脉冲64相互穿插(intersperse)。

例如，在图5的实例中，激光源32可实现这样的激光脉冲样式67，其中加工激光脉冲64和计量激光脉冲66交错，使得在另一个脉冲类型出现之前仅出现每个脉冲类型中的一个。在图6中示出的另一实例中，激光源32可实现这样的激光脉冲样式68，其中在计量激光脉冲66之前出现两个或更多个加工激光脉冲64，在这一点上，该样式自身重复。在另一示例性激光脉冲样式(未示出)中，在计量激光脉冲66之前出现的加工激光脉冲64的数量可以是随机整数。然而，还可以使用使加工激光脉冲64和计量激光脉冲66交错的其他样式。

再次参考图2，检测器74可被构造成通过计量激光脉冲66记录从工件22散射回来的光，并且将相应的信号发送至控制器40。例如，检测器74可包括高速光电二极管，但是还可以使用其他类型的检测器。此外，控制器40可将来自检测器74的数据存储到控制器40的存储器42中。控制器40可使用来自检测器74和激光源控制器44的数据，以使用干涉测量式的距离测量技术确定从末端执行器34的中央轴线56至内表面58的距离。此外，校准数据可存储在控制器40的存储器42中，以用于产生距离测量。

例如，使用来自检测器74的数据，控制器40可生成孔48的内表面58的表面轮廓映射88(图8中示出)。轮廓映射88可包括从末端执行器34的中央轴线56至孔48的内表面58上的每个加工位置的径向距离r。更具体地，孔48的内表面58上的位置(z，θ)可根据柱面坐标系统进行绘制，其中，z表示中央轴线56的方向上的坐标，并且θ表示围绕中央轴线56的角位置。可以从中央轴线56至内表面58上的每个位置(z，θ)测量径向距离r，并且该径向距离可存储在控制器40的存储器42中。

此外，孔48的包括理想的或预定的预定规格容差、整个内表面58的径向距离和容差可被预编程到控制器40的存储器42中。控制器40可被构造成将所测量的径向距离r_m与每个位置(z，θ)的理想径向距离r_i进行比较，并且产生每个位置(z，θ)处的表面偏差值Δr_(z，θ)。例如，控制器40可使用以下等式确定每个位置处(z，θ)的表面偏差值：

Δr_(z,θ)＝r_i–r_m

其中，Δr_(z，θ)表示表面偏差值，r_i表示理想径向距离，并且r_m表示所测量的径向距离。

基于表面偏差值Δr_(z，θ)，控制器40可确定每个位置(z，θ)的下一个加工操作。例如，如果表面偏差值Δr_(z，θ)小于或者等于位置(z，θ) 的预定规格容差，则控制器40可确定加工操作无须在位置(z，θ)处执行。如果表面偏差值Δr_(z，θ)大于位置(z，θ)的预定规格容差，则控制器40可在位置(z，θ)处执行进一步加工。此外，控制器40可利用轮廓映射88的假色(false-color)输出构造以在内表面58的每个位置(z，θ)处表示表面偏差值Δr_(z，θ)的范围。然而，可通过控制器40生成轮廓映射88的其他构造，可以利用其他数据显示方案。

在一个实例中，控制器40可被构造成从激光源32发射初始计量激光脉冲66，以便获取从末端执行器34的中央轴线56至孔48的内表面58上的位置(z，θ)的初始测量距离。基于初始测量距离，控制器40可确定表面偏差值Δr_(z，θ)，并且可执行用于位置(z，θ)的第一激光输出的加工激光脉冲64的预定脉冲样式。预定脉冲样式可以是这样的加工激光脉冲64的样式，即，被构造成从内表面58去除材料，以便将表面偏差值Δr_(z，θ)减少到预定规格容差内。例如，控制器40可执行图5至图7中示出的任何示例性激光脉冲样式67-69，但是还可以使用其他激光脉冲样式。

此外，贯穿第一激光输出的预定脉冲样式，控制器40可使第二激光输出的计量激光脉冲66交错，以便监控进程并且保证加工操作的精确性。例如，如图7中的示例性激光脉冲样式69所示，控制器40可被构造成根据测量优化策略(诸如最小下降(least descent)的方法)使第二激光输出的计量激光脉冲66交错在第一激光输出的加工激光脉冲64中间。交错的加工激光脉冲64和计量激光脉冲66的激光脉冲样式69可根据最小下降的方法进行优化，以便迅速地实现孔48的预定规格容差。然而，可以使用交错的加工激光脉冲64和计量激光脉冲66的其他优化方法或者预定样式。

在一个实施方式中，如图7所示，控制器40可根据最小下降的方法将计量激光脉冲66结合到第一激光输出的预定脉冲样式中，以使得某些加工激光脉冲64由计量激光脉冲66代替。例如，如果预定脉冲样式包括一百(100)个加工激光脉冲64以将表面偏差值Δr_(z，θ)减少到预定规格容差内，则控制器40可生成第一脉冲，该第一脉冲可以是加工激光脉冲64或者计量激光脉冲66。继续该实例，随后的五十(50)个脉冲每个都可以是由另一个计量激光脉冲66跟随的加工激光脉冲64。

继续该实例，控制器40可生成随后的二十五(25)个脉冲，每个都是由另一个计量激光脉冲66跟随的加工激光脉冲64。控制器40然后可生成另外十(10)个加工激光脉冲64，其由另一个计量激光脉冲66跟随，等等。然而，还可以使用加工激光脉冲64和计量激光脉冲66的其他预定脉冲样式、序列和量。

因此，控制器40可使用单个激光源32并且保持相同的脉冲样式、时间、脉冲持续时间等，只改变脉冲能量，以便分别生成加工激光脉冲64和计量激光脉冲66两者。基于使用交错的计量激光脉冲66获取的测量，控制器40可以在预定脉冲样式中修改加工激光脉冲64或者继续该预定脉冲样式。更具体地，基于从计量激光脉冲66接收的数据，控制器40可修改样式中的加工激光脉冲64的数量或者加工激光脉冲64的能量，并且因此，修改孔48的内表面58处的辐照度。这样做，控制器40可实时开发混合式加工和计量激光脉冲样式。

因此，机器人系统20可监控内表面58上的加工操作并且如有必要则改变至预定脉冲样式。因此，控制系统30保证表面偏差值Δr_(z，θ)降低到位置的预定规格容差，同时仍然进行加工操作。此外，机器人系统20在无需拆卸工件22的情况下产生完美的或近乎完美的特征。例如，机器人系统20可以适当设置孔48的尺寸，保证孔48内的高质量表面光洁度，使孔48的任何边缘去除毛边，并且形成专门的细部，诸如，在两个层24、26在孔48内或者在孔48的其他边缘上接触的位置处的倒角89(图9)。

在一个实例中，机器人系统20最初可通过在内表面58的整个表面区域上发射计量激光脉冲66而生成轮廓映射88。然后控制系统30可在内表面58上引导激光源32和末端执行器34，从而发射混合式加工和计量激光脉冲样式，以便实现预定规格容差。此外，机器人系统20可在一个位置(z，θ)上工作，在移动至内表面58上的下一位置之前，将其表面偏差值Δr_(z,θ)减小到预定规格容差。

然而，机器人系统20也可集中在内表面58的多个位置上工作，逐渐减小内表面58上的表面偏差值Δr_(z,θ)，直到整个表面区域处于预定规格容差内。例如，末端执行器34可在激光脉冲中间旋转和/或竖直转移。在一个实例中，机器人系统20最初可在整个内表面58上发射计量激光脉冲66，遵循末端执行器34的预定移动样式以生成映射88。

预定移动样式可实现末端执行器34的角旋转(改变θ的值)和竖直转移(改变z的值)，使得可通过机器人系统20在内表面58的每个位置(z，θ)上工作。在实例中，在生成映射88之后，机器人系统20可继续执行预定移动样式并且在内表面58上将加工激光脉冲64发射至需要进一步加工的不同位置。机器人系统20可根据预定移动样式保持横过(traverse，来回移动)内表面58，同时为每个位置协调预定脉冲样式。

此外，在最初将加工激光脉冲64从激光源32发射至内表面58之前，无需为内表面58的整个表面区域生成映射88。机器人系统20可在发射计量激光脉冲66以测量内表面58上的其他位置之前将加工激光脉冲64发 射至一个或多个位置。随着末端执行器34横过内表面58，可动态生成映射88，并且机器人系统20在多个位置上工作。

例如，机器人系统20可在内表面58上逐行工作，使得在机器人系统20移动至内表面58的下一行并且在该下一行上工作之前，内表面58的整行(即，具有共同的z值的位置)在预定规格容差内。机器人系统可以各种方式构造、实现并协调移动样式和脉冲样式。例如，机器人系统可在内表面58上逐列(即，具有共同的θ值的位置)或者根据其他布置工作。因此，机器人系统20可使用多种不同的方法实现特征28的预定规格容差。

此外，除了交错的计量激光脉冲66之外，还可以使用其他测量技术，以便精确地测量从内表面58去除的材料的量。在一个实例中，机器人系统20可监控来自加工操作的喷出物。例如，机器人系统20可监控荧光喷射的材料，以便将反馈提供至控制系统30，诸如，在激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光诱导荧光(LIF)等中。然而，也可以使用其他测量技术。

现在参考图10至图12，继续参考图1至图9，示出了根据另一实施方式的机器人系统120。机器人系统120可包括第一激光源132、第二激光源190、致动器138和末端执行器134。末端执行器134可具有大体柱形本体170，该柱形本体具有安装在其中的第一组光学器件172和第二组光学器件192。第一组光学器件172可包括第一透镜176和第一镜子178，而第二组光学器件192可包括光学纤维194、第二透镜196和第二镜子198。

第一激光源132可用于为加工激光脉冲64提供第一激光输出200，而第二激光源190可用于为计量激光脉冲66提供第二激光输出202。第一激光源132可以是经由啁啾脉冲放大而放大的超短脉冲激光器，诸如，飞秒激光器。然而，可以使用其他类型的加工激光器以及其他类型的放大技术。

第二激光源190可以是用于至孔48的内表面58的距离测量的纳秒激光器，诸如，激光二极管。然而，可以使用其他类型的激光器或半相干光源以及测量技术。此外，第二激光源190可具有诸如在激光二极管中的嵌入式检测器174。检测器174可被构造成记录从工件22散射回来的光，并且将相应信号发送至控制器140。然而，可以使用其他类型的检测器以及检测器174的构造。

来自第一激光源132的第一激光输出200可通过第一透镜176聚焦至第一镜子178。第一镜子178可引导第一激光输出200通过孔口180离开末端执行器134并且引导在孔48的内表面58上。来自第二激光源190的第二激光输出202可通过光学纤维194(或者经由其他装置)从末端执行器134的第一端160传输至邻近第二透镜196的位置。第二激光输出202然后可以通过第二透镜196聚焦在第二镜子198上。

第二镜子198可将第二激光输出202引导到孔48的内表面58上引导第一激光输出200的同一位置。例如，光学纤维194的端部204可以一角度裂开(cleave)，并且光栅可沉积在光学纤维194的端部204上，以便通过第二透镜196传递第二激光输出202并且传递到第二镜子198上。此外，第二镜子198可被放置为相对于光学纤维194的端部204以及第二透镜196的方位成一角度，其将第二激光输出202反射到引导第一激光输出200的同一位置上。然而，可以使用其他构造、布置和光学元件。

此外，控制系统130可被构造成使第二激光输出202的计量激光脉冲66交错在第一激光输出200的加工激光脉冲64中间。更具体地，控制器140可实现来自第一激光源132的加工激光脉冲64的预定脉冲样式。控制器140可进一步被构造成协调来自第二激光源190的计量激光脉冲66与加工激光脉冲64，以使得加工激光脉冲64的预定脉冲样式不间断。此外，控制器140可根据诸如最小下降的方法的测量优化策略来实现计量激光脉冲66，但是还可以使用交错的加工激光脉冲64和计量激光脉冲66的其他优化方法或者预定样式。

控制器140可设置来自第二激光源190的计量激光脉冲66的时间，以使得它们在预定脉冲样式中不取代任何加工激光脉冲64，并且反而，在不干扰预定脉冲样式的情况下，在来自第一激光源132的加工激光脉冲64中间进行发射。这样做，控制器140无需调节第一激光源132的脉冲能量。使分离的第二激光源190生成计量激光脉冲66允许第一激光源132继续加工操作而不中断，同时仍然提供结合的计量。

现在转至图13至图15，继续参考图1至图12，示出了根据另一实施方式的机器人系统320。机器人系统320可包括第一激光源332、第二激光源390、致动器338和末端执行器334。末端执行器334可具有大体柱形本体370，该柱形本体具有安装在其中的第一透镜376、第二透镜396和双侧镜子378。与图10至图12示出并描述的实施方式相似，第一激光源332可用于为加工激光脉冲64提供第一激光输出400，而第二激光源390可用于为计量激光脉冲66提供第二激光输出402，并且第二激光源可包括检测器374。

来自第一激光源332的第一激光输出400可通过第一透镜376聚焦到双侧镜子378的第一侧364。镜子378的第一侧364可引导第一激光输出400通过本体370的侧面384上的第一孔口380离开末端执行器334并且引导到孔48的内表面58上。例如，第二激光源390可布置为邻近末端执行器334的第二端362，并且第二激光输出402可通过第二透镜396聚焦至双侧镜子378的第二侧366。第二激光源390可连接至控制器340，例如，经由沿着末端执行器334的长度在内部或外部延伸的引线，但是还可 以使用其他连接件。在另一实例中，第二激光源390可布置为邻近第一端360，并且第二激光输出402可通过光学纤维沿着末端执行器334的长度被引导，该光学纤维然后通过第二透镜396将第二激光输出402传递至镜子378的第二侧366。

镜子378的第二侧366可引导第二激光输出402通过位于本体370的与第一孔口380相对的侧面406上的第二孔口368而离开末端执行器334，并且引导到孔48的内表面58上。更具体地，计量激光脉冲66可围绕孔48的周缘以相对于加工激光脉冲64一百八十度(180°)的偏移而引导在内表面58上。因此，第二激光输出402的计量激光脉冲66可被引导至的内表面58上的与第一激光输出400的加工激光脉冲64引导在内表面58上的位置不同的位置上。

控制系统330可将两个位置之间的偏移或空间关系转换(translate)到过去加工激光脉冲样式或未来加工激光脉冲样式的记录中。更具体地，基于计量激光脉冲66与加工激光脉冲64的两个位置之间的偏移，控制器340可在存储器342中存储测量的距离并且在内表面58上追踪加工激光脉冲64。这样做，机器人系统320可同时测量并加工孔48的内表面58。

可以使用计量激光脉冲66的位置与加工激光脉冲64的位置之间的除了一百八十度(180o)之外的其他偏移。此外，可以使用除了示出和描述之外的其他构造和光学元件。例如，计量激光脉冲66的位置可在末端执行器334的旋转方向上围绕孔48的周缘在加工激光脉冲64的位置前面被引导为在θ上偏移一度(1°)。在另一实例中，计量激光脉冲66可在z上偏移并且对准，使得它们沿着末端执行器334在孔48内移动的方向为加工激光脉冲64前面的一行。计量激光脉冲66与加工激光脉冲64的位置之间的各种偏移可通过末端执行器334进行构造。

工业实用性

总体上，上述公开内容在有关机器人系统的各种应用中具有效用。具体地，所公开的机器人系统可用于在工件上提供混合式加工和计量过程。更具体地，所公开的机器人系统在单个操作中同时加工和测量工件上的特征。

通过将加工过程和计量过程结合到单个过程中，可生产出高质量特征，其满足可能的最严格的规格容差。此外，在工件的制造期间可以实现明显的时间和成本节约。结合的加工和计量消除了对拆卸层叠物以执行修整过程的需要，从而提供层叠物的优化组装或在制造期间仅需组装层叠物一次。例如，所公开的机器人系统可适当地设置孔的尺寸，保证高质量的表面光洁度，使孔的边缘去除毛边，并且在无需拆卸工件的情况下在孔内形成专门细部。结合的加工和计量还使在组件上的加工位置处加工和计量 设备之间的切换时间最小化，并且使加工和计量设备之间的共同调准(co-alignment)最小化。

现在转至图16，继续参考图1至图15，示出了根据本公开内容的另一实施方式的能够优化组装工件的混合式激光加工和计量过程510。在框512中，控制器发射第二激光输出的计量激光脉冲以测量到工件中的孔的内表面的初始距离。在框514中，控制器基于从计量激光脉冲获得的测量距离确定第一激光输出的加工激光脉冲样式，以从工件中的孔的内表面去除材料。在框516中，控制器使去除材料的第一激光输出的加工激光脉冲与测量去除的材料的第二激光输出的计量激光脉冲交错，以便满足工件的孔的预定规格容差。

应理解的是，图16中的流程图示出并描述为仅帮助公开所公开的系统的特征的实例，并且在不偏离本公开内容的范围的情况下，除了示出的步骤之外的更多或更少的步骤可包括在与用于所公开系统的上述各种特征对应的过程中。

进一步地，本公开内容包括根据下列项的实施方式：

项1.一种激光加工和计量方法，能够优化组装工件，该方法包括：

使从工件去除材料的第一激光输出与测量从工件去除的材料的第二激光输出交错。

项2.根据项1所述的激光加工和计量方法，进一步包括发射第二激光输出的计量激光脉冲以测量到工件上的位置的距离。

项3.根据项2所述的激光加工和计量方法，进一步包括将到工件的所测量的距离与到工件上的位置的理想距离进行比较，以便确定位置的表面偏差值。

项4.根据项3所述的激光加工和计量方法，进一步包括基于所确定的位置的表面偏差值将第一激光输出的加工激光脉冲发射至工件上的位置。

项5.根据项3所述的激光加工和计量方法，进一步包括确定工件上的多个位置中的每一个位置的表面偏差值。

项6.根据项5所述的激光加工和计量方法，进一步包括使用用于工件上的多个位置中的每一个位置的表面偏差值生成轮廓映射。

项7.根据项6所述的激光加工和计量方法，进一步包括基于所生成的轮廓映射产生加工激光脉冲的激光脉冲样式。

项8.根据项7所述的混合式激光加工和计量方法，进一步包括根据最小下降的方法使计量激光脉冲交错(interleave，交织，穿插)作为激光脉冲样式的一部分。

项9.根据项1所述的混合式激光加工和计量方法，进一步包括使用第一激光源产生第一激光输出，并且使用第二激光源产生第二激光输出，第二激光源是与第一激光源分离的激光源。

项10.根据项1所述的混合式激光加工和计量方法，进一步包括调节单个激光源的脉冲能量以产生第一激光输出和第二激光输出中的每个。

项11.一种用于进行结合的激光加工和计量的机器人系统，能够优化组装工件，该机器人系统包括：

激光源，被构造成产生第一激光输出以从工件去除材料；以及

控制器，与激光源通信，所述控制器被构造成：

调节激光源的能级以产生第二激光输出以测量从工件去除的材料。

项12.根据项11所述的机器人系统，其中，控制器进一步被构造成根据最小下降的方法使第二激光输出交错在第一激光输出的脉冲中间。

项13.根据项11所述的机器人系统，其中，激光源是飞秒激光器(femtosecond laser)。

项14.根据项11所述的机器人系统，进一步包括与控制器通信的检测器，该检测器被构造成在第二激光输出从激光源发射到工件上之后检测从工件散射回来的光的量。

项15.根据项14所述的机器人系统，其中，控制器进一步被构造成基于使用第二激光输出进行的测量来确定第一激光输出的脉冲样式。

项16.一种用于进行结合的激光加工和计量的机器人系统，能够优化组装工件，该机器人系统包括：

第一激光源，被构造成生成第一激光输出以从工件去除材料；

第二激光源，被构造成生成第二激光输出以测量从工件去除的材料；以及

控制器，与第一激光源和第二激光源通信，该控制器被构造成协调第二激光输出与第一激光输出。

项17.根据项16所述的机器人系统，其中，第一激光源是飞秒激光器，并且第二激光源是激光二极管。

项18.根据项17所述的机器人系统，进一步包括末端执行器，该末端执行器被构造成引导第一激光输出和第二激光输出在工件上的位置，末端执行器包括用于第一激光源的第一组光学器件和用于第二激光源的第二组光学器件。

项19.根据项18所述的机器人系统，进一步包括与控制器通信的检测器，该检测器被构造成检测从工件散射回来的光的量，控制器被构造成基于从检测器接收的数据生成工件的表面的轮廓映射。

项20.根据项19所述的机器人系统，其中，控制器进一步被构造成基于所生成的轮廓映射控制末端执行器的位置。

尽管已经关于某特定实施方式给出并提供了上述详细说明，但是应理解的是，本公开内容的范围不应局限于这些实施方式，而是为了实现和最佳模式的目的简单地提供相同的实施方式。本公开内容的宽度和精神比具体公开的实施方式更宽并且包含在所附权利要求内。此外，尽管结合某些特定实施方式描述了一些特征，但是这些特征不局限于仅使用它们描述的实施方式，但是反而可与结合交替实施方式公开的其他特征一起使用或者与这些特征分开使用。