[发明专利]用于加工工件的光束或射束的检测和定位方法装置

说明书

本发明涉及用于加工工件的光束或射束的监测和定位方法及其装置，在其中用设在光束或射束前面的第一传感器(在使用光束时例如是一个接缝检测系统)和/或一个预定值来确定光束或射束应该跟随的路径，并且用设在光束或射束后面的第二传感器来监测光束或射束的作用。本发明还涉及到实现这种方法的装置。

在大量的重工业中，光束或射束的机械加工必须受到监测和定位。特别是在例如激光束切削和水射束切削的情况下。在这两种情况下，光束或射束的路径通常是由电子系统来确定的。而光束或射束必须跟随这一路径。切削质量取决于(除了其他因素之外)光束或射束对预定路径的跟随精度。

在更大的范围内，对光束焊接特别是激光焊接也是一样的。如果不能在部件的几何公差，切削边缘质量以及激光器辐射特性等方面满足工艺的严格要求，用激光束的对焊工艺来成批量生产金属板部件(这在汽车工业中被称为“机缝半成品”)的优势就不能得到充分的利用。

在0.2到0.4mm正常聚焦直径下，激光束在需要接合到一起的两个工件之间的接合线上精确地定位是重要的，以便实现高质量的焊接。对于技术上的“零”间隙，最大定位公差不应超过0.1mm。另外，如果必须用熔池来拼合边缘，这种公差就需要进一步缩小。

由于激光束定位误差造成的熔合缺陷在仅有局部渗透的焊接中是非常关键的，这种局部的渗透会被焊接时较宽的上层熔化所隐蔽。即使在全部渗透的焊接中，轻微的焊缝缺口也会导致明显的内部熔合缺陷。

目前已经利用光电子学传感器或是图象处理系统实现了足够高的定位精度，用这种系统可以把光束前面的接合线的实际轨迹，也就是工件的邻接边缘的轨迹作为一系列校正坐标直接发送给机械控制系统。通过这种手段，激光头可以按照大约0.05mm的精度相对于接缝对齐。例如在DE-OS 4312241中就公开了一种此类的接缝检测系统。

这些方法的主要缺点在于这样的事实，即这类接合线检测系统必须从一个预定的固定激光束位置开始检测。而光束的实际位置不能参照检测的位置坐标。这一点可以通过按照预定的间隔执行校准程序，并且在每次调整光通路之后取最小值而获得部分的补救，但是这样做会造成生产的中断。由于激光束的热效应会使激光束的位置发生变化，因而引导系统仍然完全得不到补偿。其结果是降低了焊接操作的精度。

从理论上来说，可以通过把一个光束位置检测系统装入现有的已作为光束检测系统一部分的光束引导系统来解决这些问题。然而，这类检测系统往往不适合用于在线的操作，并且这样做至少会导致费用的明显增加。

另一方面，也可以在光束后面监测焊缝。然而，这种方式并不是为了解决接合线的位置，而仅是为了确定焊缝的质量。

本发明的目的是提供一种解决上述问题的方法及其装置，利用它可以对光束或是射束，特别是一个激光束进行连续的监测和定位并且将其校正到一个基准位置。

这一目的可以通过以下的方式来实现，即把第一传感器根据光束或射束所需位置获得的预定值或是读数与第二传感器根据光束或射束实际位置获得的读数相比较，考虑到光束或射束与工件之间与速度有关的相对位移，并且在实际位置偏离了所需位置时把光束或射束校正到一个基准位置。

这就意味着光束后面的接缝，特别是焊缝的轨迹是由第二传感器确定的，并且与光束前面的轨迹或是所需的轨迹相比较。最好是将此与焊缝本身的质量检查相结合。

按照本发明的这种系统不仅限于在两个工件之间产生的焊接接合，也不仅限于上述激光焊接的特定情况，它还可以应用于采用光束或射束路径导向的所有加工方式。这些加工方式主要是采用高能辐射的切削工艺。

如果相对于检测接合线位置的图象处理系统产生一个坐标参考系统，就可以初步解决上述问题。假如图象产生检测系统相对于共同的刚性安装面是固定的并且在彼此间得到校准，在这个坐标参考系统上可以增加第二图象处理系统。

在很多场合下，例如在激光焊接装置中，为了对所产生的接缝的几何形状进行自动探测，应该使第二检测系统的位置紧靠在焊接位置之后，这一第二检测系统的价格很低。对第二检测系统的光学图象记录和扫描速度的要求与用于检测接合线的第一系统是一样的，因此就可以方便地采用几乎相同的结构。