CN107107263A - 借助用于扫描待加工的管件或成型部件的扫描***而对管件和成型部件进行激光加工的机器 - Google Patents

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Abstract

一种机器包括：加工头(12)，具有被布置成将激光束聚焦在待加工的管件或成型部件(T)的表面上的聚焦装置(18)；托架(26)，加工头(12)安装在该托架上；以及扫描***(20)，被布置成扫描管件或成型部件(T)的横截面的轮廓的至少部分。托架(26)在与管件或成型部件(T)的纵向轴线一致的纵向方向(x)上和在横向方向(y)上均能够相对于管件或成型部件(T)平移。扫描***(20)包括至少一个激光扫描模块(20)，该至少一个激光扫描模块包括激光发射器(22)和摄像机(24)，该激光发射器布置成发射用于照射管件或成型部件(T)的部分的光刀(L)，该摄像机被布置成获取由光刀(L)照射的管件或成型部件(T)的部分的图像。加工头(12)和至少一个激光扫描模块(20)安装在托架(26)上，以便被驱动地连接，从而在纵向方向(x)和在横向方向(y)这两个方向上与所述托架(26)一起平移。

Description

借助用于扫描待加工的管件或成型部件的扫描***而对管件 和成型部件进行激光加工的机器
本发明总体上涉及用于对管件和成型部件进行激光加工的激光加工机器，特别涉及用于激光切割管件和成型部件的机器，该机器设置有用于扫描待加工管件或成型部件的横截面轮廓的扫描***。
在下面的描述和权利要求中，术语“管件(tube)”和“成型部件(profiledsection)”旨在指具有横截面的任何细长工件，该横截面沿着工件的纵向轴线是一致的(排除制造公差)且可具有闭合(例如圆形、矩形或正方形)或开放(例如L形、C形、U形等)的任何形状。此外，术语“纵向”和“横向”分别用于识别管件或成型部件的纵向轴线方向和垂直于纵向方向的方向。
已知的是，利用在用于激光加工管件和成型部件的机器上的扫描***，以便检测待加工管件或成型部件的横截面的几何形状。更具体地，立体激光扫描***是已知的，其包括一对激光扫描模块，首字母缩略词也称为LSM，其中每个激光扫描模块包括激光发射器、摄像机和处理单元，该激光发射器被布置成将光刀发射到待加工管件或成型部件上，该摄像机被布置成获取由相应激光发射器发射的光刀照射的待加工管件或成型部件的一部分的图像，该处理单元被布置成处理由每个摄像机获取的图像，以重建待加工管件或成型部件的横截面的整个轮廓或其至少一部分。通过使用此类激光扫描***，可以实时地检测待加工管件或成型部件的横截面的实际轮廓，该实际轮廓根据制造公差可与标称轮廓或多或少显著不同。因此，例如可以参考管件或成型部件的横截面的实际轮廓来确定待进行的加工的中心。
在目前已知的解决方案中，激光扫描模块被安装在机器基座上的固定位置中，并且因此在待加工管件或成型部件沿着进给方向(与管件或成型部件的纵向方向一致)向前移动时，逐渐扫描待加工管件或成型部件。然而，在这种安装激光扫描模块的方式下，被扫描的待加工管件或成型部件的横截面通常不同于待进行加工的横截面。这在待进行加工的横截面的几何形状(由于制造管件或成型部件所用的尺寸公差和/或几何公差)与横截面的轮廓已通过扫描***重建的横截面的几何形状不同的情况下可明显导致误差。此外，已知的扫描***通常适于检测具有预定形状和尺寸的横截面的管件和成型部件的几何形状。
本发明的目的在于提供用于激光加工管件和成型部件的激光加工机器，该激光加工机器设置有扫描***，该扫描***能够检测具有不同形状和尺寸的横截面的管件和成型部件的几何形状且比上述现有技术更精确。
根据本发明，该目的和其他目的由具有在所附独立权利要求1中阐述的特性的用于激光加工管件和成型部件的机器来实现。
在从属权利要求中定义本发明的有利实施例，其中权利要求的主题旨在形成以下说明的整体和整合部分。
简而言之，本发明基于提供用于激光加工管件和成型部件的机器的设想，该机器包括被布置成通过经聚焦的激光束在管件或成型部件上进行加工的加工头、加工头安装于其上的托架以及被布置成检测待加工管件或成型部件的横截面的轮廓的至少一部分的几何形状的扫描***，其中托架在纵向方向上和横向方向上均能够相对于待加工管件或成型部件平移；其中扫描***包括至少一个激光扫描模块，该至少一个激光扫描模块包括：激光发射器，被布置成发射光刀以照射待加工管件或成型部件的部分；摄像机，该摄像机被布置用于获取由光刀照射的管件或成型部件的部分的图像；以及处理单元，该处理单元被配置成处理由每个摄像机获取的图像以重建待加工管件或成型部件的横截面的整个轮廓或其至少一部分的几何形状；并且其中加工头和至少一个激光扫描模块被安装在托架上，以便被驱动地连接，以便在纵向方向和横向方向这两个方向上与托架一起平移。
由于至少一个激光扫描模块安装成被驱动地连接以便在纵向方向和横向方向这两个方向上与加工头安装其上的托架一起平移，至少一个激光扫描模块获取待加工管件或成型部件的横截面的轮廓(或至少其一部分)的图像，其总是处于相对于加工头的参考平面的相同位置处，例如相对于穿过由加工头发射的聚焦激光束的光轴的横向竖直平面。自然地，这确保比现有技术更高的精度。此外，由于至少一个激光扫描模块被驱动地连接以便与加工头安装其上的托架一起沿横向方向平移，所以根据本发明的机器的扫描***能够扫描具有不同形状和/或尺寸的横截面的管件或成型部件。
优选地，激光扫描***包括两个或更多个激光扫描模块。
优选地，激光扫描模块以如下方式布置：由激光发射器产生的光刀位于相同平面中。该平面优选为横向竖直平面，即垂直于待加工管件或成型部件的纵向轴线的平面。
优选地，该机器是用于激光切割管件或成型部件的机器。
根据实施例，激光扫描模块的激光发射器被布置成发射具有相同波长的光刀。在这种情况下，由激光扫描模块的摄像机在不同时间获取图像，以避免光刀的重叠的不期望的影响，特别是在具有小尺寸横截面的管件或成型部件的情况下，避免光刀的重叠的不期望的影响，光刀的重叠可不利地影响所获取图像的品质。可替代地，激光扫描模块的激光发射器被布置成发射具有不同波长的光刀，以便允许摄像机同时获取待加工管件或成型部件的图像。
优选地，每个激光扫描模块的激光发射器和摄像机以如下方式安装：激光发射器的光轴位于竖直平面中并且相对于水平线倾斜给定角度，同时摄像机的光轴位于与激光发射器的光轴相同的平面中并且以给定角度相对于激光发射器的光轴倾斜。
本发明另外的特征和优点将通过以下参考附图纯粹通过非限制性示例给出的以下具体实施方式而显现，其中：
图1是部分地示出根据本发明的实施例的设置有扫描***的用于激光加工管件或成型部件的激光加工机器的透视图；
图2是图1的机器的正视图；
图3是图1的机器的侧视图；以及
图4和图5分别是示意性示出激光扫描模块相对于图1的机器中的待加工管件或成型部件的布置的透视图和正视图。
根据本发明的用于激光加工管件和成型部件的机器在本文中参考其对管件加工的应用进行描述和说明，但当然同样适用于成型部件的加工。机器能够加工的管件或成型部件可以具有不同形状和尺寸的横截面。
参考附图，以本身已知的方式，根据本发明的实施例的用于激光加工管件的机器包括：通常标示为10的基座、被布置成进行在管件T上的激光加工(例如切割加工)的加工头12、被布置成使管件T沿着纵向方向x(与管件T的纵向轴线的方向一致)向前移动的进给装置14、被布置成在管件T通过进给装置14向前移动时引导管件T的引导装置16以及被布置成扫描管件T的横截面的轮廓的至少一部分(例如上部)的扫描***。
以本身已知的方式，加工头12包括被布置成将聚焦的激光束发射到管件T的表面上的聚焦装置18。扫描***包括两个激光扫描模块20(或更一般地，至少一个激光扫描模块)，其中每个激光扫描模块又包括激光发射器22和摄像机24，该激光发射器被布置成发射光刀L以照射待加工管件T的部分，该摄像机被布置成获取由激光发射器22发射的光刀L照射的待加工管件T的部分的图像。虽然在所示实施例中，激光扫描***包括两个激光扫描模块20，但激光扫描***也可以包括两个以上的模块。
加工头12由头承载结构26承载。头承载结构26以及因此加工头12也安装在托架28上，以便能够在竖直方向(方向z)上平移。托架28又安装成能够相对于机器的基座10在横向方向(方向y)上平移。虽然在所示实施例中横向方向y是水平方向，但是横向方向甚至可为相对于水平方向倾斜给定角度的方向(并且显然也位于垂直于管件T的纵向轴线的平面中)。因此，加工头12在横向竖直平面中(即在垂直于管件T的纵向轴线x的平面中)可移动，具有两个自由度，即在竖直方向z上的平移自由度和在横向方向y上的平移自由度。此外，如在实施例中提供的那样，加工头12可以安装在头承载结构26上，以便能够围绕横向定向的倾斜轴线t倾斜(或者根据另一个实施例，未示出，围绕彼此垂直的两个倾斜轴线)。
进给装置14优选地被布置成不仅控制管件T沿着纵向轴线x的方向的平移(向前移动)，而且控制管件T围绕纵向轴线x的旋转。在用于激光切割管件的机器的情况下，通过适当地控制加工头10的移动的自由度(沿着竖直方向z的平移，沿着横向方向y的平移，围绕倾斜轴线t的旋转，以及可能沿着纵向轴线x的方向的平移)以及管件T的移动的自由度(沿着纵向轴线x的方向的平移和围绕纵向轴线x的旋转)，可以沿着任何期望的切割线切割管件T的壁。
两个激光扫描模块20安装在支撑结构30上，该支撑结构又附接至托架28。激光扫描模块20因此与托架28一起移动，并且因此在横向方向y上也与加工头10一起移动。根据另一个实施例(未示出)，其上安装激光扫描模块的支撑结构被附接到头承载结构，或者更一般地附接到加工头安装其上的托架，由此激光扫描模块被驱动地连接以与加工头在横向方向y和竖直方向z这两个方向上平移。
在所示的实施例中，支撑结构30具有大致C形的构造，其中横梁32附接到托架28，并且一对侧臂34从横梁32的相对端纵向延伸。相应安装凸缘36牢固地连接至侧臂34的自由端。类似的安装凸缘38各自牢固地连接到相应激光扫描模块20的端部。因此，每个激光扫描模块20可容易地通过相应安装凸缘38与相应侧臂34的安装凸缘36(例如通过螺钉40)的连接而安装在支撑结构30上。
每个激光发射器22被布置成产生具有等于例如20o的给定孔径角(通常称为扇角)α的光刀L。优选地，每个激光发射器22以本身已知的方式设置有光学***，该光学***被配置成允许光在光刀的整个孔径上或至少在其最大部分上均匀扩散。优选地，每个激光发射器22以如下方式安装：其光轴(标示为o1)位于竖直平面中。此外，如图5所示，每个激光发射器22的光轴o1倾斜给定水平角度β。优选地，激光发射器22的光轴o1位于相同竖直平面中。优选地，激光发射器22的光轴o1所在的竖直平面穿过由加工头10的聚焦装置14发射的激光束的光轴oL。以这种方式，扫描***在加工期间扫描正好在由加工头发射的激光束作用的横截面处的管件或成型部件的轮廓。这显然允许确保最高可能的精度。
根据实施例，激光扫描模块20的激光发射器22经选择以便发射具有相同波长的光刀L，在这种情况下，摄像机24将在不同时间(优选地，在彼此非常接近的时间)获取由光刀照射的管件T的部分的图像，以便避免，特别是在具有小尺寸横截面的管件的情况下避免可降低由摄像机获取的图像的品质的光刀重叠的不期望影响。可替代地，激光扫描模块20的激光发射器22被布置成发射具有不同波长的光刀L，在这种情况下，摄像机24可同时获取管件T的图像。
每个摄像机24被安装成使得其光轴(标示为o2)位于与相同激光扫描模块20的激光发射器22的光轴o1相同的平面中，并且向光轴o1倾斜，以便能够获取由激光发射器22发射的光刀L照射的待加工管件T的表面的部分的图像。摄像机24通过合适的数据传输线(未示出，但为本身已知类型)连接到被配置成处理由每个摄像机获取的图像的处理单元(也未示出且也为本身已知类型的)，以重建待加工管件T的横截面的整个轮廓或其至少一部分的几何形状。
利用激光扫描模块在横向方向(也可能在竖直方向上)的平移自由度和待加工管件或成型部件围绕其纵向轴线的旋转自由度，激光扫描***(诸如上述的一个)允许重建任何形状和尺寸的管件或成型部件的横截面的轮廓的至少一部分的几何形状。此外，激光扫描***(诸如上述的一个)允许检测轮廓(或由激光扫描模块获取的轮廓的至少部分)相对于待加工管件或成型部件的参考轴线(例如标称纵向轴线)的实际定位。
自然地，在本发明的原理保持不变的情况下，实施例和构造细节可与仅通过非限制性示例的方式描述和示出的那些不同，而不脱离如所附权利要求中所定义的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于对管件和成型部件(T)进行激光加工的激光加工机器，包括：
加工头(12)，设置有聚焦装置(18)，所述聚焦装置被布置成将聚焦激光束发射到待加工的管件或成型部件(T)的表面上；
托架(26)，所述加工头(12)安装在所述托架上；以及
扫描***(20)，所述扫描***被布置成扫描所述管件或成型部件(T)的横截面的轮廓的至少部分，
其中，所述托架(26)被安装成在与所述管件(T)的纵向轴线一致的纵向方向(x)上和在横向方向(y)上均能够相对于所述管件或成型部件(T)平移，
其中，所述扫描***(20)包括至少一个激光扫描模块(20)，所述至少一个激光扫描模块具有激光发射器(22)，被布置成发射用于照射所述管件或成型部件(T)的部分的光刀(L)；摄像机(24)，被布置成获取由所述光刀(L)照射的所述管件或成型部件(T)的部分的图像；以及处理单元，被配置成处理由每个摄像机(24)获取的所述图像以重建所述管件或成型部件(T)的横截面的整个轮廓或至少部分轮廓，并且
其中，所述加工头(12)和所述至少一个激光扫描模块(20)被安装在所述托架(26)上，以便被驱动地连接，从而在所述纵向方向(x)和所述横向方向(y)这两个方向上与所述托架一起平移。
2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述激光扫描***包括两个或更多个激光扫描模块(20)。
3.根据权利要求2所述的机器，其中，所述激光扫描模块(20)以如下方式布置：由相应的所述激光发射器(22)产生的所述光刀(L)位于相同平面中。
4.根据权利要求3所述的机器，其中，所述平面是竖直平面。
5.根据权利要求4所述的机器，其中，所述平面穿过由所述加工头(12)的所述聚焦装置(18)发射的所述聚焦激光束的光轴(oL)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的机器，其中，所述激光扫描模块(20)的所述激光发射器(22)被布置成发射具有相同波长的光刀(L)。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的机器，其中，所述激光扫描模块(20)的所述激光发射器(22)被布置成发射具有不同波长的光刀(L)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中，所述至少一个激光扫描模块(20)的所述激光发射器(22)和所述摄像机(24)以如下方式安装：所述激光发射器(22)的光轴(o1)位于竖直平面中并且相对于水平平面倾斜给定角度(β)，而所述摄像机(24)的光轴(o2)位于与所述激光发射器(22)的光轴(o1)相同的平面中并且向所述激光发射器的光轴倾斜。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中，所述托架(26)还被安装成能够相对于所述管件或成型部件(T)在竖直方向(z)上平移。
10.根据前述权利要求中任一项所述的机器，还包括进给装置(14)，所述进给装置被布置成控制所述管件或成型部件(T)沿着所述管件或成型部件的纵向轴线(x)的平移以及所述管件或成型部件(T)围绕所述管件或成型部件的纵向轴线(x)的旋转。
11.根据前述权利要求中任一项所述的机器，其中，所述加工头(10)被布置成对管件和成型部件(T)进行激光切割。
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