激光加工系统及激光加工方法

专利名称：激光加工系统及激光加工方法
技术领域：
本发明涉及一种激光加工系统及一种激光加工方法，尤其涉及一 种能够利用可见激光来高度准确并有效地确定加工用激光的焦点位置 的激光加工系统及激光加工方法。
背景技术：
在激光加工中，有一种所谓的远程焊接方法，该方法用于在相对 于激光振荡器的远距离之处聚集激光束以完成焊接，同时利用具有长 焦点的聚光透镜。即使位置稍微地偏离于焦点位置，由具有长焦点的 聚光透镜所聚集的加工用激光也能够执行与在焦点位置处的加工程度 相同的加工。换句话说，因为可以在工件的厚度方向上保证较长的焦 深，所以不必执行精确的焦点位置管理。
顺便提及，为了在相对于激光振荡器的远距离之处聚集加工用激 光，品质较高的激光振荡器是必要的。然而，在过去，主要采用的是 用于照射二氧化碳激光的激光振荡器。因为二氧化碳激光不能由光纤 来引导，所以当试图从车辆外部的激光振荡器在类似于车辆中的焊接 部位的远距离之处聚集碳气体激光时，就不得不提供很多反光镜。因 此，存在的问题就是需要花费时间来调节反光镜并且增大了成本。对 于用于照射二氧化碳激光的激光振荡器来说，已经开发出了一种用于 利用光纤来引导激光的技术。根据这个技术，即使是在远距离的类似 于车辆中的焊接部位之中聚集激光时，仍有可能利用光纤的自由灵活 性来引导激光，不需要调节反光镜等等，而且有可能降低成本。
在由这种光纤光引导型的激光束来施加远程焊接方法的加工中， 与过去相比需要更加精确地进行焦点位置管理。其原因之一在于，在
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聚集光纤光引导型激光束(optical fiber light-guide type laser beam)的过
程中，由于形成了对光纤的发射纤维端面进行聚焦的光学系统，所以 光束形状在焦点位置与在焦点位置的周围是不同的。
在激光加工的过程中，无论施加二氧化碳激光束和光纤光引导型 激光束中的哪一种，都不能在视觉上辨认出加工用激光的焦点位置。 因此，目前的情况下，把多束可见激光的可视觉辨认的焦点位置预先 与加工用激光的焦点位置相重合，通过在视觉上聚焦各可见激光来模 拟加工用激光的焦点位置，然后进行激光加工。
为了改进可见激光的视觉聚焦操作，专利文献1中公开了一种激 光束机(laserbeammachine)中的训练方法及装置的技术，所述激光束机 用于通过相同的聚光透镜照射一条辅助激光束(可见激光)和用于进行 加工作业的主激光束，并且把这两个激光束彼此重合的点设置为焦点 位置。此外，专利文献2中公开了一种激光加工装置及远距离调节方 法的技术，所述远距离调节方法用于在由两个可见光的交叉所形成的 指示图像的基础上对作业的印字面(print surface)与激光束(印字光 (print light))之间的间隔进行调节。
专利文献1
日本专利公开(Kokai)号为No.lO-58169A
专利文献2
日本专利公开(Kokai)号为No.2005-131668A

发明内容
根据如上所述的专利文献1中所描述的激光束机中的训练方法及 装置，与过去用于视觉上聚焦可见激光的技术相比有可能把主激光束 准确地聚焦在作业的表面上。然而，利用仅根据辅助激光束(可见激光) 与用于加工的主激光束之间的空间关系来判断进行聚焦的可能性的方 法，不可能妥善地处理需要较高的聚焦准确度的激光加工。
根据如上所述的专利文献2中所公开的激光加工装置及远距离调
节方法，有可能把具有所期望的能量密度的激光束照射到作业上。此 时，为了确定激光束及可见光是否聚焦于相同的照射位置，必要时工 人进行可见光的指示图像的调节，并且在对作业表面摄像并且检验显 示单元屏幕上的作业表面的同时，在激光束与作业之间进行距离调节。
因此，激光束与作业之间的距离调节最终并不比依赖于视觉上辩认屏 幕的工人的身体官能的距离调节更好。仍然难以高度准确地进行激光 束与作业的位置调节。
本发明是鉴于这些问题而设计的，本发明的目的在于提供一种能 够不依赖于身体官能、利用可见激光来高度准确并有效地确定加工用 激光的焦点位置的激光加工系统和激光加工方法。
为了达到这一目的，根据本发明的激光加工系统是用于把激光束 照射到工件的表面上以进行激光加工的激光加工系统，该激光加工系 统包括加工用激光振荡器、包括聚光透镜的聚光光学系统、两个或多 个可见激光振荡器、用于调节聚光透镜和可见激光振荡器以使两者彼 此同步地向前及向后移动的移动调节装置、用于对在工件表面上的可 见激光的光点摄像的摄像装置、以及用于对所摄像的视频实施图像处
理并在处理之后显示图像的图像处理装置，其特征在于加工用激光 及可见激光都经由聚光透镜而被照射到工件上；以及激光加工系统还 包括计算装置和控制装置，所述计算装置用于在各可见激光聚焦于加 工用激光的焦点位置上的状态下根据聚光透镜的移动来计算形成于工 件表面之上的各可见激光的光点的重心位置以及重心间的距离，所述 重心间的距离是那些重心位置之间的距离，所述控制装置用于控制移 动调节装置以便把重心间的距离调节为零或基本上为零。
根据本发明的激光加工系统是用于通过向其施加适当的激光来对 任意工件实施激光焊接、激光打孔、激光打标等等的系统。当在此处
施加加工用激光时，除二氧化碳激光之外，还有YAG激光、YAG-SHG
激光等等。
通过以适当间隔布置例如两个或多个聚光透镜、 一个准直透镜及 一个聚光透镜等等来构成该聚光光学系统。在根据本发明的激光加工 系统中，两个或多个可见激光振荡器位于与工件最接近的聚光透镜的 与所述工件相对的一侧(加工用激光振荡器侧)上。这个聚光透镜及所述 两个或多个可见激光振荡器受移动调节装置的移动控制以便聚光透镜 及可见激光振荡器能彼此同步地向前及向后移动预定移动量。加工用 激光及可见激光都经由与工件最接近的聚光透镜而被照射到工件上。
在利用这种激光加工系统的过程中，通过设置各组件的姿势以便 把各可见激光聚焦在加工用激光的焦点位置上，即使多个可见激光的 聚焦位置发生改变，也有可能通过确定此类聚焦位置来确定加工用激 光的焦点位置。这种初始设置是通过利用公知的焦点监视器预先设置 加工透镜的焦点位置、进行聚光透镜及可见激光的分离以及进行各可 见激光的角度调节以便把各可见激光聚焦在加工用激光的焦点位置上 来进行的。
提供了一个用于对在工件表面上的可见激光的焦点光摄像的摄像 装置。所摄影的视频在由图像处理装置进行图像处理之后可以进行屏 幕显示。作为这种摄像装置，例如可应用CCD相机。图像处理装置例 如由个人计算机来构成并且连接到该CCD相机。这种摄像装置例如位 于聚光光学系统的后端侧即工件的相对侧上。因此，有可能对通过聚 光透镜照射、并在工件表面上反射的可见激光(的光点)摄像。换句话说， 对这种摄像装置的布置位置进行设置以便构成该摄像装置的摄像屏幕 与可见激光自工件上的反射光的光轴方向正交。
根据本发明的激光加工系统还包括计算装置，用于根据聚光透 镜的移动来计算形成于工件表面之上的各可见激光的光点的重心位
置，以及计算重心间的距离；以及控制装置，用于控制该移动调节装 置以便重心间的距离被调节为零或基本上为零。计算装置及控制装置 与如上所述的、例如移动调节装置一起被安装于个人计算机内。作为 这种控制装置，可以应用公知的CPU，所述CPU用于对各装置进行执 行控制。光点的形状表现为不仅是圆形而且在例如工件表面是倾斜的 时可以是诸如椭圆形之类的任意形状。在由摄像装置读取各可见激光 的光点的形状的阶段，由计算装置计算各光点的重心位置。在计算了 各光点的重心位置之后，还由计算装置执行重心间的距离的计算。
当重心间的距离为零时，各可见激光被聚焦并且这个聚集点已经 被设定于加工用激光的焦点位置中。因而，可以确定聚光透镜(及可见 激光振荡器)相对于工件的当前位置就是适合进行激光加工的位置。还 可以设置重心间的距离的任意容许误差(目标值)，并且当重心间的距离 在容许值范围内时转入激光加工。
当重心间的距离不为零且不在容许范围内时，由移动调节装置把 聚光透镜及可见激光振荡器彼此同步地移动预定量以便把重心间的距 离调节为零或基本上为零。由控制装置(例如，CPU)来执行移动调节装 置的这种移动量控制，所述控制装置安装于计算机内并且基于来自计 算装置的重心间的距离的数据而向移动调节装置传送移动命令信号。 如所描述的那样，由于加工用激光的焦点位置和各可见激光的聚焦位 置已经被调节成彼此重合，所以可以通过把聚光透镜移动预定量来把 焦点位置(聚焦位置)设置于工件表面上的预定位置。
根据发明人的验证，已经证明了通过确定这种可见激光的光点的 重心位置和计算重心间的距离并且对聚光透镜实施移动控制以把重心 间的距离调节为零或基本上为零，可以在小于例如0.5mm的极高的误 差准确度下把加工用激光的焦点位置设置于工件的表面上。这是因为 无论工件采取何种姿势(例如，倾斜工件)，都可以通过计算形成于工件 表面之上的多个光点的重心来客观且定量地确定在聚光透镜的当前位
置上加工用激光的焦点位置与工件表面之间的偏差。简单通过移动聚 光透镜就能够把重心间的距离调节为零，这是因为可见激光以固定的 角度经过聚焦点并且被照射于工件之上，以及因为在首先调节可见激 光振荡器的角度以及可见激光振荡器与聚光透镜的相对位置的阶段， 多个可见激光的光点的重心间的距离与聚光透镜的移动量成比例关 系。因此，在根据本发明的激光加工系统中，能够高度精确地在激光 加工位置上设定加工用激光的焦点位置以及自动且迅速地执行这种位 置设定。这使得制造产率得到改善。
根据本发明的激光加工系统的优选实施例的特征在于两个或多个 可见激光振荡器被控制为彼此交替接通。
在确定工件表面上的各可见激光的光点的重心位置的过程中，在 单独地照射可见激光束以形成光点并确定各光点的重心位置时、而不 是在每次照射两个光点时，不会发生两个光点重叠并且使之难以确定 重心位置这样的问题。因此，各可见激光振荡器的可见激光的照射被 控制为彼此交替接通，并且在确定了一个光点的重心位置之后，进行 另一个光点的照射和确定另一个光点的重心位置。
在根据本发明的激光加工系统中，优选以下实施例，其中在各光 点的重心间的距离已被调节为零或基本上为零的阶段，加工用激光振 荡器被控制为被接通。例如，由计算装置计算重心间的距离，移动调 节装置基于这个重心间的距离的数据来操作以便使聚光透镜和可见激 光振荡器被移动调节预定的量，以及加工用激光振荡器在聚光透镜等 等移动了预定量的阶段被接通。因此，有可能把加工用激光的焦点位 置精确地设置在工件的表面上。
在根据本发明的激光加工系统的另一个实施例中，激光加工系统 的特征在于在加工用激光振荡器和聚光光学系统之间插入了用于引 导加工用激光束的光纤，并且激光加工系统还包括操纵装置，所述操
纵装置安装有至少包括聚光光学系统和摄像装置的单元。
通过把聚光光学系统、可见激光振荡器以及由CCD相机等等构成 的摄像装置结合成一个单元，利用光纤来连接加工用激光振荡器和该 单元，经由光纤把加工用激光照射在聚光光学系统上，以及把该单元 安装在诸如多关节机械臂等等之类的操纵装置上来构成这个系统。
在根据本发明的激光加工系统中，即使是在不能直接视觉辨认的 车辆的部位进行激光加工、在狭小的加工空间中进行激光加工、对位 于产品深处的加工部位进行激光加工，仍然能够实现高度精确的激光 加工。
此外，根据本发明的激光加工方法是采用了激光加工系统的激光
加工方法，所述激光加工系统包括加工用激光振荡器、包括聚光透 镜的聚光光学系统、第一和第二可见激光振荡器、用于调节聚光透镜 和可见激光振荡器以使两者彼此同步地向前和向后移动的移动调节装 置、用于对在工件表面上的可见激光的光点摄像的摄像装置、以及用 于对所摄像的视频实施图像处理并在处理之后显示图像的图像处理装 置，该激光加工系统被配置成使得加工用激光和可见激光都经由聚光 透镜而照射在工件上，激光加工方法的特征在于包括第一步，进行 各可见激光的照射角度的调节和聚光透镜与可见激光振荡器的定位调 节，以便使各可见激光聚焦在加工用激光的焦点位置上；第二步，接 通第一可见激光振荡器以对在工件表面上的可见激光的光点摄像并且 计算光点的重心位置；第三步，接通第二可见激光振荡器以对在工件 表面上的可见激光的光点摄像并且计算光点的重心位置；第四步，计 算两个光点的重心间的距离；第五步，彼此同步地移动聚光透镜和可 见激光振荡器以便把重心间的距离调节为零；以及第六步，在重心间 的距离已被调节为零的阶段接通加工用激光振荡器。
本发明涉及其中应用了所描述的激光加工系统的激光加工方法。 此处所采用的激光加工系统仅必须包括如可见激光振荡器那样的两个 振荡器(第一和第二可见激光振荡器)。然而，激光加工系统可以是包括 三个或更多可见激光振荡器的加工系统。
首先，作为初始设定，进行各可见激光的照射角度的调节以及聚 光透镜和可见激光振荡器的定位调节以便使各可见激光聚焦在加工用 激光的焦点位置上(第一步)。如已经描述的那样，通过这种初始设定 使得加工用激光的焦点位置与各可见激光的聚焦位置彼此重合。即使 聚光透镜移动，聚光透镜也能够在焦点位置与聚焦位置彼此重合的状 态下进行移动。
在第二步和第三步中，进行来自各可见激光振荡器的可见激光的 照射以及进行光点的重心位置的计算。每个可见激光振荡器进行激光 照射的原因正如所描述的那样。
随后，进行重心间的距离的计算(第四步)。当重心间的距离不为零 时(或当重心间的距离不在容许范围内时)，基于重心间的距离的数据而 把聚光透镜和可见激光振荡器彼此同步地移动预定量以便把重心间的 距离调节为零(第五步)。
在重心间的距离已被调节为零的阶段，接通加工用激光振荡器并 执行加工用激光的照射，以及执行所需的激光焊接、激光打孔、激光 打标等等(第六步)。重复执行包括第二步到第六步在内的一系列步骤直 到重心间的距离满足目标值，由此也有可能进行与工件表面上的位置 处的细微变化相对应的焦点位置的微调。可通过在系统中引入反馈控 制机制来执行流程的这种重复。
在根据本发明的激光加工方法中，由两个可见激光的光点的重心 间的距离来确定加工用激光的焦点位置与工件表面的重合度。因而， 无论工件的表面形状和姿势(倾斜)如何，都能够非常高度准确并有效地
进行焦点位置的设置。因此，尤其是，即使在非常难以设定加工用激 光的焦点位置的远程焊接中，也可以实现高度精确且有效地设置焦点 位置。因而，能够同时解决这种远程焊接中的加工准确度下降和产率 下降的问题。
如根据上述描述所理解的那样，在根据本发明的激光加工系统和 激光加工方法中，计算由多个可见激光在工件表面上所形成的各光点 的重心位置，以及在重心间的距离已被调节为零或基本为零的状态下 进行加工用激光的照射。因此，能够极高度准确且有效地进行激光加工。
附图的简要说明
图l是根据本发明的激光加工系统的实施例的示意图2是用于阐明通过移动聚光透镜来调节两个可见激光的光点的
重心间的距离的状态的示意在图3中，3A是沿图2中的in-III箭头的视图，而3B是其中重
心间的距离被调节为零的示意图4是显示椭圆形的光点的示意图5是激光加工系统的控制机构的方框图6是显示激光加工系统的控制流程的实施例的示意图7是阐明重心间的距离与聚光透镜位置之间关系的图8是显示激光加工系统的控制流程的另一个实施例的示意图9是阐明重心间的距离与聚光透镜位置之间关系的图IO是聚光光学系统的另一个实施例的示意图；以及


图11是激光加工系统的另一个实施例的示意图。
附图中，附图标记1表示加工用激光振荡器；2，光纤；3和3a，
聚光光学系统；31，准直透镜；32，聚光透镜；41和42，折射透镜 (refractive lens); 51、 52、 53、及54，可见激光振荡器；6， CCD相机;
7，个人计算机；8，移动轨道；9，外壳；10，多关节机械臂；100和
IOOA，激光加工系统；W，工件；Ll，加工用激光；L2，可见激光；
SO、 Sl、 S2、 S0'、 Sl'及S2'，光点；以及Sla、 S2a、 Sl'a及S2'a，重心。
具体实施例方式
在下文中参考附图阐明了本发明的实施例。图1显示了根据本发 明的激光加工系统的实施例的示意图，图2显示了用于阐明通过移动 聚光透镜来调节两个可见激光的光点的重心间的距离的状态的示意 图，图3A是沿图2中的III-III箭头的视图，而图3B是其中重心间的 距离被调节为零的示意图。图4显示了椭圆形的光点的示意图，图5 显示了激光加工系统的控制机构的方框图，图6显示了激光加工系统 的控制流程的实施例的示意图，以及图7显示了用于阐明重心间的距 离与聚光透镜位置之间关系的图。图8显示了激光加工系统的控制流 程的另一个实施例的示意图，图9显示了阐明重心间的距离与聚光透 镜位置之间关系的图，图IO显示了聚光光学系统的另一个实施例的示 意图，以及图11显示了激光加工系统的另一个实施例的示意图。
图1显示了激光加工系统的实施例的示意图。激光加工系统100 通常包括用于照射诸如YAG激光或YAG-SHG激光之类的加工用激 光L1的加工用激光振荡器l，用于引导加工用激光L1的光纤2，用于 折射从光纤2照射的激光束的折射透镜41，对由折射透镜41所折射的 光进行聚光的聚光光学系统3，把由聚光光学系统3聚光的加工用激光 Ll折射到工件侧的折射透镜42，用于振荡可见激光L2的可见激光振 荡器51和52， CCD相机6，以及控制该系统的个人计算机7。折射透 镜41、聚光光学系统3、可见激光振荡器51和52以及折射透镜42被 装在外壳9中。光纤2和CCD相机6装在这个外壳的预定位置上。
聚光光学系统3包括准直透镜31和聚光透镜32，所述准直透镜 31把经由折射透镜41所折射的加工用激光Ll改变成平行光，所述聚 光透镜32对该平行光进行聚光。这个聚光透镜32的准直透镜侧，通
过聚光透镜32及铰链51a和52a而一体地安装可见激光振荡器51和 52。安装在可见激光振荡器52的下表面上的轮52b可在移动轨道8上 进行移动(在Y方向)。可见激光振荡器51和52能够利用铰链51a和 52a来调节其角度(在XI方向和X2方向)。进行可见激光振荡器的角度 调节以便使各可见激光L2和L2的聚焦位置与加工用激光LI的焦点位 置相重合。
形成于工件W表面上的各可见激光束L2和L2的光点的视频经由 折射透镜42由CCD相机6来拍摄。所拍摄的图像被传送到个人计算 机7并在个人计算机7中实施图像处理。在图像处理之后，在计算机 中计算各可见激光L2和L2的光点的重心位置之间的距离(重心间的距 离)(如稍后描述的那样)。
图2是示意图，示意性地示出了首先设置的加工用激光LI的焦点 位置与可见激光L2和L2的聚焦位置的重合点Q、形成于任意工件W 表面之上的两个可见激光的光点SI和S2，以及在光点的重心间的距离 被调节为零时的光点S0。
在执行激光加工的过程中，在这个系统中，首先为了使加工用激 光的焦点位置与各可见激光的聚焦位置重合，由公知的聚焦监视器等 等预先设置加工透镜的焦点位置，进行聚光透镜与可见激光的分离以 及各可见激光的角度调节以便使各可见激光的聚焦位置与加工用激光 的焦点位置相重合。在这样的初始设定状态下照射在任意工件W的表 面上的可见激光L2和L2是由图2中的实线所表示的激光。由这种可 见激光L2和L2形成于工件W的表面之上的两个圆形光点SI和S2被 示于图3A的平面图中。
各光点的重心是Sla和S2a，其重心间的距离是L1。此时，如图 2中所显而易见的那样，由于折射之后可见激光角度根据聚光透镜32 的位置而无条件地确定，所以也可以无条件地确定出由这种激光角度
所确定的重心间的距离和到工件的距离。通过利用这一关系来移动聚
光透镜32的位置(例如，在X3方向上移动到图2中由交替排列的一长 两短的划线所表示的位置)，能够把重心间的距离调节为零(两光点如图 3B中所示那样移动(在X4方向上)，并且形成重心间的距离为零的光点 S0)。
当工件W呈任意的倾斜姿势时，形成于工件表面之上的光点表现 为图4所示的椭圆形。虽然该附图中没有显示，但是有时一个光点是 椭圆的而另一个光点是圆形的。用这种方法，即使各光点的形状是任 意形状，通过计算各光点的重心位置并且移动聚光透镜以把重心间的 距离调节为零或在容许范围之内，也可以把加工用激光的焦点位置设 置于工件的表面上，而无需考虑工件的姿势。图4显示了一种状态， 其中通过在X4方向上移动两个椭圆的光点Sl'和S2'(重心Sl'a和S2'a) 而形成了其重心间的距离为零的光点S0'。
图5显示了激光加工系统100的控制机构的方框图。把由拍摄单 元(CCD相机6)所拍摄的可见激光的光点的拍摄图像传送给个人计算 机7中的I/F电路71a并且由图像处理单元72来实施图像处理。图像 处理之后的图像以图3A和3B所示的形式显示于显示单元74上。另一 方面，从键盘等等输入关于重心间的距离的初始设定值(零或任意容许 值)的数据。输入数据经由I/F电路71b而被存储在容许值存储单元76 中。
在描述过的初始设定之后，从各可见激光振荡器中照射可见激光， 在工件表面上所反射的反射光(光点)经由折射透镜42、聚光透镜32、 准直透镜31以及折射透镜41而由CCD相机6来拍摄，拍摄数据经由 I/F电路71a被传送到图像处理单元72并实施图像处理。处理过的数据 被传送到显示单元74并以例如图3A所示的形式显示于屏幕上。另一 方面，处理过的数据也被传送到计算单元73。在这个计算单元73中， 计算各光点的重心位置并且计算其重心间的距离。计算结果被传送给显示单元74并显示于屏幕上。
由计算单元73所计算的重心间的距离的数据被传送到判断单元 75。关于重心间的距离的目标值(例如，零)数据从容许值存储单元76 被传送到这个判断单元75。对这个目标值与重心间的距离进行辨别。
作为辨别的结果，当重心间的距离满足目标值时，说明了在聚光 透镜的当前位置下加工用激光的焦点位置被设定于工件的表面上。把 表示聚光透镜32的移动量零(不需要移动)的信号传送到移动调节单 元78。另一方面，当重心间的距离不满足目标值时，把关于聚光透镜 32的移动量的信号传送到移动调节单元78。这种移动量信号经由I/F 电路71c被传送到未示出的驱动单元，所述驱动单元驱动所述轮52b。 可见激光振荡器51和52和聚光透镜32在移动轨道8上彼此同步地被 移动(沿Y方向)。例如，轮52b根据从移动调节单元78传送来的固定 移动量脉冲信号而移动固定量，随后，可见激光振荡器51和52被再 次接通并且计算各光点的重心以及重心间的距离，对重心间的距离和 目标值进行辨别，当满足目标值时，在那一点执行用于停止驱动所述 轮52b的反馈控制。在停止驱动轮52b之后，加工用激光振荡器被接 通并且转入期望的激光加工。
由用作中央控制单元的CPU 78来控制显示单元74、判断单元75、 计算单元73、移动调节单元78以及图像处理单元72的各个操作。由 进给螺杆机构来进行可见激光振荡器51和52与聚光透镜32的同步移 动，所述进给螺杆机构包括诸如伺服电动机之类的致动器。
图6是显示激光加工系统的控制流程的实施例的示意图。图7是 阐明重心间的距离与聚光透镜位置之间关系的图。
首先，在如上所述的初始设定之后，CPU78接通一个可见激光振 荡器(步骤S200)。随后，CPU78计算这个可见激光在工件表面上的光
点的重心位置(X1， Y1)(步骤S201)。同样地，CPU78接通另一个可见 激光振荡器(步骤S202)并且计算这个可见激光在工件表面上的光点的 重心位置(X2， Y2)(步骤S203)。
CPU 78根据这两个重心位置计算重心间的距离L(步骤S204)并 且判断L是否满足目标值，即，L=0或L在容许值范围之内(步骤S205)。 当重心间的距离满足目标值时，CPU78直接接通加工用激光振荡器并 且转入激光加工(步骤S207)。另一方面，当重心间的距离不满足目标 值时，CPU78把聚光透镜移动预定量(步骤S206),再次执行步骤S200 到S205(反馈控制)，并且在步骤S205中的重心间的距离满足目标值阶 段转入激光加工(步骤S207)。
用于阐明如上所述流程中的步骤S206的示意图是图7中的图。如 所描述的那样，重心间的距离L满足与聚光透镜位置P相对应的任意 线性函数(L-kP)。因此，当所计算的聚光透镜位置是P且所计算的重心 间的距离是L时，能够通过把聚光透镜移动预定量(移动到聚光透镜位 置PO处)而把重心间的距离调节为零。
图8是显示激光加工系统的控制流程的另一个实施例的示意图 以及图9是用于阐明重心间的距离与聚光透镜之间关系的图。首先， 在所描述的初始设定之后，CPU 78接通一个可见激光振荡器(步骤 S300)。随后，CPU78计算这个可见激光在工件表面上的光点的重心位 置(X1， Y1)(步骤S301)。同样地，CPU78接通另一个可见激光振荡器 (步骤S302)并且计算这个可见激光在工件表面上的光点的重心位置 (X2， Y2)(步骤303)。中央处理器78在重心间的距离为L1时根据这两 个重心位置来计算重心间的距离Ll和聚光透镜位置Pl(步骤S304)。
随后，在把聚光透镜32移动了任意量(步骤S305)之后，同样地， CPU 78接通一个可见激光振荡器(步骤S306)，计算光点的重心位置 (Xr， Y1')(步骤S307)，接通另一个可见激光振荡器(步骤S308),计算
光点的重心位置(X2'， Y2')(步骤S309)，以及在重心间的距离为L2时 计算重心间的距离L2和聚光透镜位置P2(步骤S310)。
CPU 78根据两个点(P1， L1)和(P2， L2)来确定其中重心间的距离 L为零的聚光透镜位置P0(步骤S311)。根据图9所显示的图，用于确 定聚光透镜位置PO的方法是非常清楚的。因为重心间的距离L满足与 聚光透镜位置P相对应的任意线性函数(I^kP)，所以如果确定了这两个 点，那么就能够根据这两个点而自动地确定重心间的距离是零的聚光 透镜位置PO。
CPU 78把聚光透镜移动至该聚光透镜位置PO(步骤S312)，然后， 接通加工用激光振荡器并转入激光加工(步骤S313)。
在如上所述的两个控制流程中，两个可见激光振荡器彼此交替地 被控制为被接通，在重心间的距离满足目标值的阶段，加工用激光振 荡器被控制为被接通。因此，很容易确定重心位置并且可实现有效的 激光加工。
图10是显示聚光光学系统的另一个实施例的示意图。在该实施例 中，图中所示的聚光光学系统3a中，在折返镜33和34中分别对从两 个可见激光振荡器53和54中所照射的可见激光实施角度调节。因为 要对各可见激光实施专用于该可见激光的折返镜的初始角度调节，所 以能够更容易地进行初始设定。
图11是显示激光加工系统的另一个实施例的示意图。这个激光加 工系统100A是通过把外壳9和CCD相机6附加在多关节机械臂10的 顶部来构成的。利用这个激光加工系统IOOA，外壳9和CCD相机6 可由该多关节机械臂IO移动到图中所示的车辆C中的适当激光加工部 位，测量可见激光的位置偏差量，按要求来移动和调节聚光透镜等等， 然后执行由可见激光所进行的激光加工。
根据该激光加工系统IOOA，能够使多关节机械臂10延长光纤2 的长度，并且容易在工人无法到达的车辆部位中进行激光加工。因此， 提供了一种具有更广泛的应用范围及更高工作效率的系统。该系统适 用于远程焊接。
利用附图详细地描述了本发明的实施例。然而，特定的结构不局 限于所述实施例。即使在不脱离本发明的精神上进行设计更改等等， 该设计更改等等也是包含于本发明之内的。例如，代替确定光点的重 心位置和计算重心间的距离以确定加工用激光的焦点位置，可采用下 述的方法，即预先创建相关性图以便使两个或多个可见激光的焦点位 置重合于加工用激光的焦点位置或使可见激光的焦点位置在容许偏差 量的范围内准确地重合于加工用激光的焦点位置、以及基于这个相关 性图来确定焦点位置与各可见激光的重合度。在这种情况下，在可见 激光和最靠近于工件的聚光透镜按要求彼此同步地被移动的同时，进 行焦点位置的调节。此时，在创建相关图的过程中，创建了这样一个 相关图，其中当两个或多个可见激光的焦点位置彼此完全重合时相关 值是100%、并且根据两个焦点位置的平面偏差量相关值下降。在这个 相关图中，相关值和偏差量以如下方式彼此对应，即当两个焦点位置 彼此偏离1 mm时相关值是95%。当加工中所需的容许偏差量是1 mm 时，各可见激光(及聚光透镜)被调节以便在95%的相关值范围内向前和 向后移动。作为创建相关图的方法，即计算相关值的方法，可以对相 关图施加例如公知的相关系数(CC)和通过进一步放大相关系数而获得 的选择性相关系数。
还可以采用两个或多个能够照射具有不同波长的可见激光束的可 见激光振荡器。当在图像监视器上视觉上地辨认两个或多个可见激光 的焦点位置的重合度的过程中，通过把具有不同波长的激光应用于各 可见激光上，由于焦点光的色彩不同所以能够更清楚地确定焦点位置 的重合度。通过对具有不同色彩的可见激光的焦点光实施摄影/图像处
理、在屏幕上测量两个可见激光的位置偏差量以及把该位置偏差量读 入到所创建的相关图中，有可能更准确地判断位置偏差量是否在容许
偏差量的范围内。还能够在可见激光振荡器中提供适当的掩模(mask) 并且采用不是圆形的形状来形成图像，所述图像是通过对焦点光实施 图像处理而得到的。例如，在一个可见激光中配备了其中焦点位置是 十字形交叉的掩模图案，并且判断具有不同色彩的另一个可见激光的 圆形焦点光是否与该十字形交叉相重合。
权利要求
1.一种把激光束照射在工件表面上以进行激光加工的激光加工系统，所述激光加工系统包括加工用激光振荡器、包括聚光透镜的聚光光学系统、两个或多个可见激光振荡器、用于调节所述聚光透镜和所述可见激光振荡器以使两者彼此同步地向前和向后移动的移动调节装置、用于对在所述工件表面上的可见激光的光点摄像的摄像装置、以及用于对所摄像的视频实施图像处理并且在所述处理之后显示图像的图像处理装置，加工用激光和所述可见激光都经由所述聚光透镜而照射在所述工件上，其特征在于所述激光加工系统还包括计算装置和控制装置，所述计算装置用于在所述各可见激光聚焦在所述加工用激光的焦点位置上的状态下根据所述聚光透镜的所述移动来计算形成于所述工件表面之上的所述各可见激光的光点的重心位置以及重心间的距离，所述重心间的距离是那些重心位置之间的距离，所述控制装置用于控制所述移动调节装置以便把重心间的所述距离调节为零或基本上为零。
2. 如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述两个或 多个可见激光振荡器被控制为彼此交替接通。
3. 如权利要求1或2所述的激光加工系统，其特征在于，在所述 各光点的重心间的所述距离已被调节为零或基本上为零的阶段，加工 用激光振荡器被控制为被接通。
4. 如权利要求1到3中任一项所述的激光加工系统，其中在所 述加工用激光振荡器和所述聚光光学系统之间插入了引导加工用激光 束的光纤，并且所述激光加工系统还包括操纵装置，所述操纵装置安 装有至少包括所述聚光光学系统和所述摄像装置的单元。
5. —种采用了激光加工系统的激光加工方法，所述激光加工系统 包括加工用激光振荡器、包括聚光透镜的聚光光学系统、第一和第 二可见激光振荡器、用于调节所述聚光透镜和所述可见激光振荡器以 使两者彼此同步地向前和向后移动的移动调节装置、用于对在工件表 面上的可见激光的光点摄像的摄像装置、以及用于对所摄像的视频实 施图像处理并在所述处理之后显示图像的图像处理装置，所述激光加 工系统被配置成使得所述加工用激光和所述可见激光都经由所述聚光 透镜而照射在所述工件上，所述激光加工方法的特征在于包括第一步，进行所述各可见激光的照射角度的调节和所述聚光透镜 与所述可见激光振荡器的定位调节，以便使所述各可见激光聚焦在所 述加工用激光的焦点位置上；第二步，接通所述第一可见激光振荡器以对在所述工件表面上的 所述可见激光的所述光点摄像并且计算所述光点的重心位置；第三步，接通所述第二可见激光振荡器以对在所述工件表面上的 所述可见激光的所述光点摄像并且计算所述光点的重心位置；第四步，计算两个所述光点的重心间的距离；第五步，彼此同步地移动所述聚光透镜和所述可见激光振荡器以 便把重心间的所述距离调节为零；以及第六步，在重心间的所述距离已被调节为零的阶段接通所述加工 用激光振荡器。
全文摘要
提供了一种能够利用可见激光来高度准确且有效地确定加工用激光的焦点位置的激光加工系统和激光加工方法。为了达到这个目的，激光加工系统(100)包括加工用激光振荡器(1)、包括聚光透镜(32)的聚光光学系统(3)、两个可见激光振荡器(51)和(52)、用于对聚光透镜(32)及可见激光振荡器(51)和(52)进行调节以使两者彼此同步地向前和向后移动的移动调节单元、对在工件(W)上的可见激光的光点摄像的摄像单元、对所摄像的视频实施图像处理并在处理之后显示图像的图像处理单元、用于在各可见激光聚焦在加工用激光的焦点位置上的状态下根据聚光透镜(32)的移动来计算形成于工件(W)表面上的各可见激光的光点的重心位置并且计算重心间的距离的计算单元、以及用于控制移动调节单元以便把重心间的距离调节为零或基本为零的控制单元。
文档编号H01S3/00GK101351294SQ200780001050
公开日2009年1月21日 申请日期2007年7月10日 优先权日2006年7月19日
发明者佐藤彰生, 坪井昭彦, 铃木裕之 申请人:丰田自动车株式会社;株式会社雷塞库司