激光加工控制系统及其控制方法与流程

本发明是有关于一种控制系统与控制方法，特别是有关于一种激光加工控制系统及其控制方法。

背景技术：

激光加工是以激光束照射于待加工物的特定位置上，并使用不同种类的激光光源与不同的输出功率，使待加工物产生不同的加工结果，一般常见的激光加工手段有:焊接、切割、咬花或是表面处理等。

既有激光加工系统，常使用于2D平面加工，但2D平面加工的加工种类范围较为有限，若应用于3D简单曲面(曲率变化小的曲面)加工虽可加工，但其加工的质量、精度较差，若是3D复杂曲面则是无法加工出令人满意的结果，必须藉由3D激光加工才可达成；然目前的3D激光加工控制方法例如是:仅藉由控制承载装置的移动位置，但由于承载装置的移动速度远小于激光加工头的移动速度，故必须等到承载装置到达加工点时，才能进行激光加工，藉由此方式的加工效率相当低；再者既有的3D激光加工控制方法，由于承载装置的运动能力不足，无法使激光加工头的激光出光方向与具有复杂曲面的被加工物的表面之间的夹角保持在适当的角度内，而使3D复杂曲面加工的质量、精度及效率不佳。另有额外设置视觉侦测器达到激光加工路径校正效果，但额外设置视觉侦测器需额外增加成本，上述方式并未能有效解决目前3D激光加工所面临的问题。

技术实现要素：

为了解决先前技术所述的问题，本发明的主要目的在于提供一种激光加工控制系统及其控制方法，藉由激光加工头配置于承载装置上，并由控制装置来规划出承载装置的位置与姿态、激光加工头的焦点位置及激光加工头的输出功率后，而使得激光加工头的激光束方向与被加工物表面保持适合进行激光加工的角度，同时，激光加工头在承载装置移动时能正确加工，因而提升整体加工质量与效率，并且使用三维畸变校正单元校正激光加工头的焦点位置，亦提升激光加工的精准度。

根据上述目的，本发明再一目的在于提供一种激光加工控制系统，是由控制装置、承载装置及激光加工头所组成，所述控制装置连接于所述承载装置与所述激光加工头，所述激光加工头用以输出激光束，其特征在于:所述激光加工头配置于所述承载装置上，所述控制装置用以产生与规划控制命令，所述控制命令包括所述承载装置的控制命令、所述激光束输出功率的控制命令及所述激光束焦点位置的控制命令，藉由所述控制命令控制所述承载装置的位置与姿态及控制所述激光束输出功率与所述激光束焦点位置，并根据所述承载装置的位置、姿态、移动速度及移动方向，补偿所述激光加工头的所述激光束焦点的控制命令，所述控制装置根据补偿后的激光束焦点位置的控制命令调整所述激光加工头的X振镜、Y振镜及聚焦透镜的位置。

根据上述目的，本发明还有一目的在于提供一种激光加工控制方法，用以控制是由控制装置、承载装置及激光加工头所组成的激光加工控制系统，所述激光加工头用以输出激光束，其特征在于，所述控制装置连接于所述承载装置与所述激光加工头，包括:产生加工路径；根据所述加工路径规划控制命令，所述控制命令包括所述承载装置的控制命令、所述激光束输出功率的控制命令及所述激光束焦点位置控制命令；根据所述控制命令控制所述承载装置的位置与姿态、所述激光加工头的激光束输出功率及所述激光束焦点位置；并根据所述承载装置的位置、姿态、速度及移动方向，补偿所述激光加工头的所述激光束焦点位置的控制命令；及根据补偿后的所述激光束焦点位置的控制命令，所述控制装置调整所述激光加工头的X振镜、Y振镜及聚焦透镜的位置。

经上述可知藉由激光加工头配置于承载装置上，并同时规划承载装置的位置与姿态、激光加工头的焦点位置及激光加工头的输出功率，而使得激光加工头的激光束方向与被加工物表面保持适合进行激光加工的角度，同时在承载装置移动时能正确加工，因而提升整体加工质量及效率，并且使用三维畸变校正单元校正激光加工头的焦点位置，亦提升激光加工的精准度。

附图说明

图1是本发明实施例的激光加工控制系统的示意图。

图2是本发明实施例的激光加工控制系统的控制装置的示意图。

图3是本发明另一实施例的激光加工控制系统的控制装置的示意图。

图4是本发明实施例的激光加工控制系统的激光加工头的示意图。

图5是本发明实施例的激光加工控制方法流程图。

图6是本发明另一实施例的激光加工控制方法流程图。

图7是本发明实施例的激光加工路径修正前与修正后的比较图。

具体实施方式

由于本发明揭露一种激光加工控制系统，其中所利用的激光加工头内部产出激光光源的方式及X、Y振镜与聚焦透镜的原理，已为相关技术领域具有通常知识者所能明了，故以下文中的说明，不再作完整描述。同时，以下文中所对照的图式，是表达与本发明的具有换刀功能的数值控制系统特征有关的系统结构及功能示意，并未依据实际尺寸完整绘制，盍先叙明。

本发明是有关于一种激光加工控制系统，特别是有关于包含控制装置、承载装置、激光加工头及加工物承载台的激光加工控制系统。

首先，请同时参阅图1、图2及图4，其中，图1是本发明实施例的激光加工控制系统的示意图；图2是本发明实施例的激光加工控制系统的控制装置的示意图；及图4是本发明实施例的激光加工控制系统的激光加工头的示意图。

如图1所示，本发明实施例的激光加工控制系统是由控制装置1、承载装置2、激光加工头3及加工物承载台4所组成，控制装置1是以有线或无线的方式与承载装置2与加工物承载台4连接，加工物承载台4用以承载待加工物5，待加工物5被放置于加工物承载台4上，激光加工头3配置于承载装置2上；其中，激光加工头3用以输出激光束，承载装置2具有位移与转动的功能，而激光加工头3随着承载装置2相对于待加工物5移动，因此，激光加工头3具有适应待加工物5的表面曲率的能力。

接着，如图2所示，本发明的控制装置1包括加工路径产生单元11、动程规划单元12、三维畸变校正单元13、焦点位置控制单元14、功率控制单元15、位置姿态控制单元16及定位判断单元17，动程规划单元12连接至加工路径产 生单元11、三维畸变校正单元13、功率控制单元15、位置姿态控制单元16及定位判断单元17，三维畸变校正单元13连接至焦点位置控制单元14，位置姿态控制单元16连接至定位判断单元17。

再接着，如图4所示，本发明的激光加工头3包括激光光源31、X振镜32、Y振镜33、聚焦透镜34及驱动马达35，聚焦透镜34具有光轴O，置放待加工物5时，待加工物5的目标加工区域的法向量与聚焦透镜34的光轴O的夹角在适当角度内，在此较佳实施例中，聚焦透镜3的光轴O与待加工物5表面的法向量保持0至15度的夹角，驱动马达35连接至聚焦透镜34，驱动马达35带动聚焦透镜34的移动，激光光源31用以发出激光至X、Y振镜32、33，X、Y振镜32、33反射激光后，激光沿光轴O方向朝聚焦透镜34前进并穿透聚焦透镜34，聚焦透镜34将激光聚焦后发出至待加工物5进行激光加工。

请继续同时参阅图2、图4及图7，其中，图7是本发明实施例的激光加工路径修正前与修正后的比较图。如图2所示，加工路径产生单元11接收用户所输入的加工指令产生加工路径，加工路径包括路径、姿态及激光功率，姿态意指聚焦透镜3的光轴O与待加工物5表面的法向量两者之间的角度，并输出至动程规划单元12，动程规划单元12接收加工路径后，根据加工路径规划出控制命令，控制命令包含承载装置2的控制命令、激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令、激光束焦点Z轴位置的控制命令及激光束输出功率的控制命令，动程规划单元12先将承载装置2的控制命令输出至位置姿态控制单元16，位置姿态控制单元16藉由承载装置2的控制命令控制承载装置2的位置以及姿态，使激光加工头3的激光束方向与待加工物5表面的法向量保持适合进行激光加工的加工角度，在此较佳实施例中，激光束方向与待加工物5表面保持0度至15度的夹角；接着，位置姿态控制单元16输出承载位置2目前所移动到的位置与姿态至定位判断单元17，定位判断单元17藉由承载装置2的位置与姿态讯息判断承载装置2是否完成定位，当定位判断单元17判断承载装置2已完成定位，意即承载装置2的速度为零，定位判断单元17回传第一判断讯息至动程规划单元12，当动程规划单元12接收到第一判断讯息后，确认承载装置2已完成定位，接着，动程规划单元12根据承载装置2的位置、姿态、移动速度及移动方向补偿激光加工头3的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴 位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令，并输出补偿后的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令至三维畸变校正单元13，同时，动程规划单元12将激光束输出功率的控制命令输出至功率控制单元15，三维畸变校正单元13接收动程规划单元12所输出的补偿后的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令后，转换为激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的聚焦透镜34的位移控制命令后输出至焦点位置控制单元14，并输出至焦点位置控制单元14，功率控制单元15接收动程规划单元12所输出的激光束的输出功率的控制命令，用以控制激光束的输出功率，焦点位置控制单元14接收三维畸变校正单元13所输出的激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的驱动马达35的控制命令，驱使X振镜32与Y振镜33进行旋转，并驱使激光加工头3的驱动马达35以带动聚焦透镜34进行位移，用以控制激光束的焦点位置，接着，动程规划单元12判断控制命令是否读取结束，藉以判断是否完成加工，若动程规划单元12判断未完成加工，则再次控制承载装置2的位置与姿态，并再次判断是否完成定位、控制激光束焦点位置及调整激光束功率；另一方面，当定位判断单元17判断承载装置2未完成定位，则传递第二判断讯号至动程规划单元12，动程规划单元12再次输出承载装置2的控制命令至承载装置2，驱使承载装置2进行定位，图7的左图显示为经三维畸变校正单元13校正前的激光束焦点轨迹，其显示校正前的激光束焦点呈畸变图样，图7的右图显示为经三维畸变校正单元13校正过后的激光束焦点轨迹，其显示经过校正后的激光束焦点轨迹较为平整；同时，在激光束加工的同时，可控制激光束的功率，故在待加工物上可得到不同程度的加工效果。

接着，请同时参阅图1、图3及图4，其中，图3是本发明另一实施例的激光加工控制系统的控制装置的示意图。

如图3所示，控制装置1’包括加工路径产生单元11、动程规划单元12’、三维畸变校正单元13、焦点位置控制单元14、功率控制单元15及位置姿态控制单元16，动程规划单元12’连接至加工路径产生单元11、三维畸变校正单元13、功率控制单元15及位置姿态控制单元16，三维畸变校正单元13连接至焦点位 置控制单元14。

本实施所使用的激光加工头3与前述相同，在此不再赘述。

请继续同时参阅图3与图4，加工路径产生单元11接收用户所输入的加工指令产生加工路径，并输出至动程规划单元12’，动程规划单元12’接收加工路径后，根据加工路径规划控制命令，控制命令包含承载装置2的控制命令、激光加工头的3的激光光源31所输出激光束输出功率的控制命令、激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令，位置姿态控制单元16接收动程规划单元12’所输出的承载装置2的控制命令，用以控制承载装置2的位置与姿态，动程规划单元12’根据承载装置2的位置、姿态、移动速度及移动方向，补偿激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令、激光束焦点Z轴位置的控制命令，藉以补偿激光加工头的激光束焦点的移动位置，动程规划单元12’输出补偿后的激光加工头3的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令至三维畸变校正单元13，同时，动程规划单元12’输出激光束输出功率的控制命令至功率控制单元15，三维畸变校正单元13接收动程规划单元12’所输出的补偿后的激光束的焦点X轴位置的控制命令、激光束的焦点Y轴位置的控制命令、激光束的焦点Z轴位置的控制命令后，转换为激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的聚焦透镜34的位移控制命令后输出，功率控制单元15接收动程规划单元12’所输出的激光束输出功率的控制命令，用以控制激光束的输出功率，焦点位置控制单元14接收三维畸变校正单元13所输出的激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的驱动马达35的控制命令，激光加工头3的驱动马达35藉以带动聚焦透镜34，用以控制激光束的焦点位置，接着，动程规划单元12’判断控制命令是否读取结束，藉以判断是否完成加工，若动程规划单元12’判断未完成加工，则再次控制承载装置2的位置与姿态，并再次补偿激光束焦点位置及调整激光束功率；在本实施例中，藉由图3所示的控制装置，可使得承载装置2移动时，激光加工头3可同时进行加工动作，无须等到承载装置2完成定位后才能进行激光加工动作，可节省整体加工时间。

接着，请参阅图5，并同时搭配图1、图2及图4进行说明，其中，图5是 本发明实施例的激光加工控制方法流程图。

步骤S1:加工路径产生单元11接收用户所输入的加工指令产生加工路径，并输出至动程规划单元12，接着，执行步骤S2。

步骤S2:动程规划单元12接收加工路径后，根据加工路径规划出控制命令，控制命令包含承载装置2的控制命令、激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令、激光束焦点Z轴位置的控制命令及激光束输出功率的控制命令，动程规划单元12将承载装置2的控制命令输出至位置姿态控制单元16，接着，执行步骤S3。

步骤S3:位置姿态控制单元16接收动程规划单元12输出的承载装置2的控制命令后，位置姿态控制单元16藉由承载装置2的控制命令控制承载装置2的位置以及姿态，使承载于承载装置2的激光加工头3的激光束方向与被加工物5表面的法向量保持适合进行激光加工的角度，在此较佳实施例中，激光束方向与待加工物5表面保持0度至15度的夹角，接着，执行步骤S4。

步骤S4:位置姿态控制单元16输出承载位置2目前所移动到的位置与姿态至定位判断单元17，定位判断单元17用以判断承载装置2是否完成定位，当判断单元17判断承载装置2已经完成定位，意即承载装置2的速度为零，定位判断单元17回传第一判断讯息至动程规划单元12，当动程规划单元12接收到第一判断讯息后，确认承载装置2已完成定位，接着，执行步骤S5。

另一方面，当步骤S4的定位判断单元17判断承载装置2未完成定位，则传递第二判断讯号至动程规划单元12，并再次执行步骤S3，动程规划单元12再次输出承载装置2的控制命令至承载装置2，驱使承载装置2进行定位，重复步骤S3～S4直到承载装置2完成定位。

步骤S5:当承载装置2已定位完成，动程规划单元12根据承载装置2的位置、姿态、移动速度及移动方向，补偿激光加工头3的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令，并输出补偿后的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令至三维畸变校正单元13，同时，动程规划单元12输出激光束输出功率的控制命令输出至功率控制单元15，接着，同时执行步骤S6与S8。

步骤S6:三维畸变校正单元13接收动程规划单元12所输出的补偿后的激光束的焦点X轴位置的控制命令、激光束的焦点Y轴位置的控制命令及激光束的焦点Z轴位置的控制命令，并转换为激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的聚焦透镜34的位移控制命令后输出至焦点位置控制单元14，接着，执行步骤S7。

步骤S7:焦点位置控制单元14接收旋转控制命令与位移控制命令后，调整X振镜32、Y振镜33及连接于聚焦透镜34的驱动马达35，用以控制激光束的焦点位置，接着，执行步骤S9。

步骤S8:功率控制单元15接收动程规划单元12所输出的激光束的输出功率的控制命令，用以控制激光束的输出功率，接着，执行步骤S9。

步骤S9:动程规划单元12判断控制命令皆已读取完毕，最后，则执行步骤S10，即已完成加工，此外，若动程规划单元12判断控制命令尚未读取结束，则再次执行步骤S3～S9直到完成加工。

本实施例中，藉由激光加工头配置于承载装置上，并同时规划承载装置的位置与姿态、激光加工头的焦点位置及激光加工头的输出功率，而使得激光加工头的激光束方向与被加工物表面保持适合进行激光加工的角度，可增加激光加工的精准度，提升整体激光加工质量，并且使用三维畸变校正单元校正激光加工头的焦点位置，更进一步提升激光加工的精准度。

最后，请参阅图6，并同时搭配图1、图3及图4进行说明，其中，图6是本发明另一实施例的激光加工控制方法流程图。

步骤S’1:加工路径产生单元11接收用户所输入的加工指令产生加工路径，并输出至动程规划单元12’，接着，执行步骤S’2。

步骤S’2:动程规划单元12’接收加工路径后，根据加工路径规划控制命令，控制命令包含承载装置2的控制命令、激光加工头3的激光光源31所输出激光束输出功率的控制命令、激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令，接着，执行步骤S’3。

步骤S’3:位置姿态控制单元16接收动程规划单元12’所输出的承载装置2的控制命令，用以控制承载装置2的位置与姿态，接着，执行步骤S’4。

步骤S’4:动程规划单元12’根据承载装置2的位置、姿态、移动速度及 移动方向，补偿激光加工头3的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令，藉以补偿激光加工头3的激光束焦点的移动位置，并输出补偿后的激光加工头3的激光束焦点X轴位置的控制命令、激光束焦点Y轴位置的控制命令及激光束焦点Z轴位置的控制命令至三维畸变校正单元13，同时，动程规划单元12’输出激光束输出功率的控制命令至功率控制单元15，接着，执行步骤S’5与S’7。

步骤S’5:三维畸变校正单元13接收动程规划单元12’所输出的补偿后的激光束的焦点X轴位置的控制命令、激光束的焦点Y轴位置的控制命令及激光束的焦点Z轴位置的控制命令后，校正并转换为激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的聚焦透镜34的位移控制命令后输出至焦点位置控制单元14，接着，执行步骤S’6。

步骤S’6:焦点位置控制单元14接收三维畸变校正单元13所输出的激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的驱动马达35的控制命令，激光加工头3的驱动马达35藉以带动聚焦透镜34，用以控制激光束的焦点位置，接着，执行步骤S’8。

步骤S’7:功率控制单元15接收动程规划单元12’所输出的激光束的输出功率的控制命令，用以控制激光束的输出功率。

步骤S’8:动程规划单元12’判断控制命令皆已读取完毕，则执行步骤S9，即已完成加工，此外，若动程规划单元12’判断加工命令尚未读取结束，则再次执行步骤S’3～S’8直到完成加工。

本实施例中，藉由激光加工头配置于承载装置上，并同时规划承载装置的位置与姿态、激光加工头的焦点位置及激光加工头的输出功率，且可于承载装置移动的过程中，激光加工头可同时进行激光加工，并使得激光加工头的激光束方向与被加工物表面保持适合进行激光加工的角度，在此较佳实施例中，激光束方向与待加工物5表面保持0度至15度的夹角，如此一来，加工时间不限于承载装置完成定位的时间且能正确加工，因而提升整体加工质量与效率，并且使用三维畸变校正单元校正激光加工头的焦点位置，亦进一步提升激光加工的精准度。

上述本发明实施例中，所使用的激光光源31例如是:二氧化碳激光(CO2Laser)、准分子激光、Nd:YAG激光等，在此本发明并不设限。

上述本发明实施例中，加工路径产生单元11可以是计算机辅助设计与制造软件(Computer Aided Design；Computer Aided Manufacturing)，在此本发明并不设限。

上述本发明实施例中，激光加工控制系统的承载装置例如是:三轴加工机、四轴加工机、五轴加工机、主轴式加工机或至少三轴的机械手臂等，在此本发明并不设限。

上述本发明实施例中，激光加工控制系统的激光加工头可以是具有物镜前扫描功能或物镜后扫描功能的激光加工头，在此以物镜前扫描为例做说明，本发明并不设限。

上述本发明实施例中，三维畸变校正单元13所使用的校正方式，是先量测多笔激光束焦点位置，并储存多笔激光束焦点位置于三维畸变校正单元13，接着，三维畸变校正单元13藉由查询所储存的激光束焦点位置，并用内插法获得校正后的激光加工头3的X振镜32与Y振镜33的旋转控制命令及激光加工头3的聚焦透镜34的位移控制命令，此处所指的内插法例如是:线性内插法或是立方内插法，在此本发明并不设限。

上述本发明实施例中，激光加工包含2D激光加工及3D激光加工等，前述所指3D激光加工可以是3D斜平面激光加工或3D曲面激光加工等，在此本发明并不设限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书中。