使用耦合至流体射流中的激光束利用激光-喷嘴自动对准加工工件的设备、对准该激光束的方法技术

本发明专利技术涉及利用耦合至流体射流中的激光束(101)加工工件的设备(100)。设备(100)包括：用于提供激光束(101)的激光单元(101a)；具有孔(102a)的用于产生流体射流的喷嘴单元(102)；配置成将来自激光单元(101a)的激光束(101)提供到喷嘴单元(102)上的光学单元(103)。另外，设备(100)包括配置成控制(108，110)光学单元(103)和/或喷嘴单元(102)以改变激光束(101)在喷嘴单元(102)上的入射点(109)的控制单元(104)。设备(100)还包括配置成感测从喷嘴单元(102)的表面(102b)反射的激光(106)并基于感测到的反射的激光(106)产生感测信号(107)的感测单元(105)。控制单元(104)特别配置成评估感测信号(107)并在感测信号(107)中确定定义的指示激光束(101)与孔(102a)完全和/或部分对准的感测图案。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用耦合至流体射流中的激光束利用激光-喷嘴自动对准加工工件的设备、对准该激光束的方法
本专利技术涉及一种用于利用耦合至流体射流中的激光束对工件进行加工的设备。根据本专利技术，该设备被特别地配置成自动地将激光束和用于产生流体射流的喷嘴单元的孔对准(激光-喷嘴自动对准(automaticlaser-nozzlealignment))。本专利技术还涉及一种对准用于对工件进行加工的激光束的方法、特别是将激光束和喷嘴单元的孔对准的方法。
技术介绍
传统的用于利用耦合至流体射流中的激光束对工件进行加工的设备是普遍已知的。为了利用激光束对工件进行加工，在流体射流中借助于全内反射将激光束引导至工件上。流体射流由具有孔或类似孔的流体射流生成喷嘴生成。然后，激光束由至少一个光学元件通过喷嘴孔耦合至流体射流中。因此，在开始工件加工过程之前，必须将激光束与喷嘴孔对准。为此目的，在传统的设备中，激光束通常散焦，然后被引导至流体射流生成喷嘴上。因此，流体射流生成喷嘴可以由传统设备的使用者例如借助于摄像机来观察，以便在视觉上识别喷嘴孔。随后，激光束可以朝向孔移动，并且可以最终聚焦以使其通过孔并耦合至流体射流中。该过程相当耗时且容易出错。由于散焦的激光束照亮了整个流体射流生成喷嘴，因此激光束和孔的自动对准效果不佳。一个原因是在这种照亮的情况下相对难以确定喷嘴孔本身的位置。另一个原因是，孔位置的确定及其与激光束的对准可能会更加复杂，例如，由于存在于流体射流生成喷嘴上的点污染物(dotcontaminations)。这种点污染物可能具有与孔类似的尺寸和形状，即它们例如在摄像机图像上可能看起来是类似的，因此增加了错误对准激光束的可能性。鉴于这些问题和挑战，本专利技术旨在改进传统的设备，特别是在将激光束与流体射流生成喷嘴对准方面进行改进。因此，本专利技术的目的是提供一种用于自动且精确地将激光束和流体射流生成喷嘴单元的孔对准的设备和方法。特别地，这种激光-喷嘴自动对准的成功率应当很高，极少或甚至没有错误。另外，激光-喷嘴自动对准所需的时间应当尽可能短。特别地，与上述的传统设备相比，应当更快且更精确地将激光束与流体射流生成喷嘴对准。因此，本专利技术还旨在一种简单且紧凑的设备实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过所附的独立权利要求中提供的解决方案来实现的。在从属权利要求中限定了本专利技术的有利实施方式。特别地，本专利技术提出了一种激光-喷嘴自动对准过程，该过程基于光学地感测来自喷嘴的激光束反射，并计算地评估这些反射以获得完美的对准。本专利技术的第一方面提供了一种用于利用耦合至流体射流中的激光束对工件进行加工的设备，该设备包括：激光单元，该激光单元用于提供激光束；喷嘴单元，该喷嘴单元具有用于产生流体射流的孔；光学单元，该光学单元被配置成将激光束从激光单元提供到喷嘴单元上；控制单元，该控制单元被配置成控制光学单元和/或喷嘴单元来改变激光束在喷嘴单元上的入射点；感测单元，该感测单元被配置成感测从喷嘴单元的表面反射的激光并基于感测到的所述反射的激光产生感测信号；其中，所述控制单元被配置成评估感测信号，并在感测信号中确定定义的指示激光束与孔完全地和/或部分地对准的感测图案。第一方面的设备使得能够进行精确的激光-喷嘴自动对准。该设备的一个主要改进是感测单元能够检测和区分来自喷嘴单元的不同部分的反射激光。该设备的另一个改进是控制单元一方面能够控制感测单元并实时评估其感测信号，另一方面能够精确地控制激光束(通常作为光点)在喷嘴单元上的位置(入射点)。特别地，设备的控制单元、感测单元和光学单元的紧密的交互使得激光-喷嘴自动对准快速且精确。例如，控制单元可以通过相应地控制光学单元来控制利用激光束对喷嘴单元表面的至少一部分的自动扫描，从而基于感测信号并且尤其是感测图案的外观(利用激光束)精确地检测喷嘴孔。感测图案的外观指示激光束与喷嘴孔至少部分地对准，即，激光束(例如光点)显示与(通常是圆形的)孔至少部分地横向重叠。可选地，控制单元还可以在感测信号中确定其它特征信号图案，例如，指示激光束撞击喷嘴单元上的和/或喷嘴单元的点污染物或其它结构的信号图案，以便支持喷嘴孔的更精确的检测。“激光单元”可以是设备的激光源，该激光源被配置成生成激光束并将该激光束提供给光学单元。可替选地，激光单元可以是设备的激光端口或入口，该激光端口或入口被配置成接收例如来自外部激光源的激光束并将其(优选地朝向光学单元)耦合至该设备中。“入射点”可以是喷嘴单元表面上的被激光束照射的点或区域，即，激光束撞击在喷嘴单元上的点或区域。当激光束至少部分地进入孔时，入射点也可以是孔的至少一部分或者包括孔的至少一部分。换句话说，入射点可以是喷嘴单元的表面和/或孔中的任何点或区域。例如，取决于激光束的直径和/或取决于激光束是聚焦还是散焦在喷嘴单元上，入射点可以是喷嘴单元上的较小或较大的点或区域。通常，入射点由通过将激光束聚焦在喷嘴单元上产生的光点限定。“感测图案”可以是感测信号的特征强度、形状或定时显影(time-development)。例如，如果在感测单元上的反射的激光的图像从较小和/或较亮的光点变为较大和/或较暗的光点(反之亦然)，则感测图案可以是由感测单元输出的感测信号。感测图案可以指示在感测单元上的反射的激光的图像与在感测单元上的喷嘴孔的图像的全部和/或部分的横向重叠。指示激光束与孔“完全地和/或部分地”对准的感测图案可以是指一旦激光束显示出与孔的任何重叠就出现在感测信号中的感测图案。其也可以是指具体指示完全对准的第一感测图案的出现和/或具体指示部分对准的第二感测图案的出现。特别地，当入射点连续地改变或至少多次改变时，感测信号中的一个或多个感测图案可能出现/消失、发展或改变，例如，在出现第二感测图案之后可能出现第一感测图案。例如，“感测单元”是能够将落在其感测表面上的反射的激光(即，激光束在喷嘴单元上的图像)转换为(电)感测信号的传感器或光电检测器。感测单元可以是摄像机的一部分，该摄像机还可以包括成像装置，例如显示单元，以可视化感测信号，例如，以在感测单元上再现反射的激光的图像。例如，“喷嘴单元”可以是由喷嘴材料制成的实体块或石头，该喷嘴材料例如是蓝宝石或金刚石、或金属、陶瓷和/或绝缘体材料。喷嘴孔例如是穿过实体块或石头的孔，即穿过喷嘴材料的孔。喷嘴孔的直径例如为10μm-200μm，并且流体射束的直径例如为喷嘴孔的直径的约0.6倍-1倍。因此，该流体射流特别是压力为例如50bar-800bar的加压的流体射流。特别地，“喷嘴孔”是“喷嘴表面”的一部分。感测单元至少被配置成感测从喷嘴表面的实体部分反射(即从喷嘴材料的表面反射)的激光。然而，感测单元还可以被配置成感测从“喷嘴孔”反射的激光，例如，当激光从喷嘴孔中的流体反向反射/反向散射时。“控制单元”可以是微控制器、处理单元、处理器和/或通过软件操作的个人计算机。该软件可以具体地被配置成基于在成像装置上输出的感测信号来记录和/或评估感测信号、和/或分析图像。在所述设备的一实施形式中，控制单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于利用耦合至流体射流中的激光束(101)对工件进行加工的设备(100)，所述设备(100)包括：/n激光单元(101a)，所述激光单元(101a)用于提供所述激光束(101)，/n喷嘴单元(102)，所述喷嘴单元(102)具有用于产生所述流体射流的孔(102a)，/n光学单元(103)，所述光学单元(103)被配置成将来自所述激光单元(101a)的所述激光束(101)提供到所述喷嘴单元(102)上，/n控制单元(104)，所述控制单元(104)被配置成控制(108，110)所述光学单元(103)和/或所述喷嘴单元(102)以改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)，/n感测单元(105)，所述感测单元(105)被配置成感测从所述喷嘴单元(102)的表面(102b)反射的激光(106)，并基于感测到的所述反射的激光(106)产生感测信号(107)，/n其中，所述控制单元(104)被配置成评估所述感测信号(107)并在所述感测信号(107)中确定定义的感测图案，所述感测图案指示所述激光束(101)与所述孔(102a)完全地和/或部分地对准。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180301 EP 18159471.41.一种用于利用耦合至流体射流中的激光束(101)对工件进行加工的设备(100)，所述设备(100)包括：
激光单元(101a)，所述激光单元(101a)用于提供所述激光束(101)，
喷嘴单元(102)，所述喷嘴单元(102)具有用于产生所述流体射流的孔(102a)，
光学单元(103)，所述光学单元(103)被配置成将来自所述激光单元(101a)的所述激光束(101)提供到所述喷嘴单元(102)上，
控制单元(104)，所述控制单元(104)被配置成控制(108，110)所述光学单元(103)和/或所述喷嘴单元(102)以改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)，
感测单元(105)，所述感测单元(105)被配置成感测从所述喷嘴单元(102)的表面(102b)反射的激光(106)，并基于感测到的所述反射的激光(106)产生感测信号(107)，
其中，所述控制单元(104)被配置成评估所述感测信号(107)并在所述感测信号(107)中确定定义的感测图案，所述感测图案指示所述激光束(101)与所述孔(102a)完全地和/或部分地对准。


2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中，
所述控制单元(104)被配置成控制(108，110)所述光学单元(103)以产生所述激光束(101)相对于所述喷嘴单元(102)的横向位移。


3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，
所述光学单元(103)的至少一部分是可移动的，特别是可旋转的，并且
所述控制单元(104)被配置成控制(108a，108b)所述光学单元(103)的所述至少一部分的移动、特别是旋转，以改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(100)，其中，
所述喷嘴单元(102)是可移动的，并且
所述控制单元(104)被配置成控制(110)所述喷嘴单元(102)的移动，以改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(100)，其中，
所述控制单元(104)被配置成：控制(108，110)所述光学单元(103)和/或所述喷嘴单元(102)来根据所确定的移动图案连续地和/或逐步地改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)，并连续地和/或反复地评估所述感测信号(107)。


6.根据权利要求5所述的设备(100)，其中，
所述控制单元(104)被配置成当所述控制单元(104)在所述感测信号(107)中确定了所述感测图案时，中断以下：控制(108，110)所述光学单元(103)和/或所述喷嘴单元(102)来改变所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(100)，其中，
所述反射的激光(106)穿过所述光学单元(103)的至少一部分和/或由所述光学单元(103)提供给所述感测单元(105)。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(100)，其中，
所述光学单元(103)包括第一偏转元件(401)和第二偏转元件(402)，
所述第一偏转元件(401)被配置成将来自所述激光单元(101a)的所述激光束(101)提供给所述第二偏转元件(402)，并且
所述第二偏转元件(402)被配置成将来自所述第一偏转元件(401)的所述激光束(101)提供给所述喷嘴单元(102)。


9.根据权利要求8所述的设备(100)，其中，
所述第一偏转元件(401)和/或所述第二偏转元件(402)是可旋转的，以产生所述激光束(101)在所述喷嘴单元(102)上的入射点(109)的改变。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(100)，还包括：
至少一个光学元件(501，5...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·马佐尔，M·埃普勒，金姆·赫，H·迪厄，B·里彻兹哈根，
申请(专利权)人：辛诺瓦有限公司，株式会社牧野铣床制作所，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH