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  • 用于监管能量束的扫描的方法和系统与流程

    文档序号:26492550发布日期:2021-08-31 23:18
    用于监管能量束的扫描的方法和系统与流程

    本发明涉及用提供能量束的设备(例如激光设备)加工零件或工件。更具体地,本发明涉及对用于这种设备的扫描器所遵循的扫描图案的监管。



    背景技术:

    发射能量束的设备(例如激光设备)早已为人所知并且广泛用于处理不同的物体,这尤其归功于精确性和它们用来处理物体的能量。例如,激光可以用于物体(例如金属片材、像曲轴那样的车辆部件等等)的增材制造、焊接、切割、硬化。

    最近,已经对能量束辐射进行了改进。这些改进包括通过根据图案高速扫描能量束来提供能量束的有效光斑。可以通过改变扫描图案来调节和控制有效光斑的能量分布。在专利文献wo-2014/037281-a2和wo-2016/026706-a1中披露了这种改进的示例。

    高速扫描要求提供这样的扫描器,该扫描器可以被操作以使其根据扫描图案并以所需速度扫描能量束。然而,在许多情形下,例如,当扫描图案或者轨迹要求扫描器内的反射镜的旋转很小时,和/或当通过以所支持的最大速度旋转反射镜来扫描能量束时,现有的扫描器技术不能以如此要求的条件扫描能量束。因此,由于扫描器的限制,预定扫描图案(即,希望的扫描图案)与实际扫描图案(即,由能量束发射设备提供的光斑所遵循的图案)之间存在差异。

    此外,在一些场合,扫描器不能应付所需的速度,并且在某一时间段内(例如几毫秒、数十或数百毫秒或者甚至几秒)停止工作。即使当扫描器在几毫秒内不工作时,由能量束发射设备所处理的物体也可能被不正确地处理,这意味着该物体的质量不足以使其进行使用。

    一般情况下,这种设备的能量束发射源,例如激光源,提供具有高功率(例如1kw以上)的能量束。如果扫描器由于能量束的高功率而损坏,例如其反射镜发生破损,则会造成严重的安全问题,因为能量束可能会不希望地瞄准工作区域外部,例如瞄准房屋内的人或者机器。

    出于安全和由设备所处理的物体的质量两方面的原因,需要知道提供能量束的设备的扫描器是否根据所预期的扫描器承载力来扫描能量束。



    技术实现要素:

    本发明的第一方面涉及一种用于监管能量束的扫描的方法,所述方法包括:提供被配置以提供能量束的设备;提供被配置以扫描能量束的扫描器,所述扫描器包括第一反射镜和第二反射镜;操作所述设备和所述扫描器,以提供能量束同时根据预定扫描图案扫描能量束;在操作所述设备和所述扫描器两者时,由计算装置或系统的至少一个处理器通过处理由第一反射镜和第二反射镜的编码器所提供的测量值来确定实际扫描图案;由所述至少一个处理器将实际扫描图案与预定阈值区域(predeterminedthresholdarea)进行比较。

    被配置以提供能量束的设备可以是用于发射能量束的设备。所述设备可以是用于发射激光束的激光设备。

    扫描器被命令以根据预定扫描图案扫描能量束。预定扫描图案可以是想要用其辐射待被所述设备加工的物体的任何扫描图案。例如,预定扫描图案可以是用于在物体上提供能量分布以提供能量束的有效光斑的图案。可以具有各种各样的扫描图案,例如,扫描图案包括多条平行线,扫描图案包括曲线,其中有效光斑遵循涉及方向突变(方向突变对应于图案中的尖锐的拐角,例如,方向改变90°)的路径的扫描图案,以及扫描图案包括不连续的线或者甚至没有形成一条或多条线的一组散点。随着能量束的扫描,存储在物体上的能量累积起来,从而提供了能量束的有效光斑。重复这样的图案数次,同时,要么图案通过扫描器而在物体的表面上移动,即,具有叠加的移动用以加工物体的不同部分,要么提供的图案仍维持静止(即,扫描器不使图案在物体的表面上移动),而能量束发射设备的轴线进行移动以加工物体的不同部分。

    在优选的实施例中,能量束是电磁辐射束或光束,例如,激光束。在优选的实施例中,能量束的功率大于例如1kw,例如2kw、3kw、5kw等等,并且小于例如20kw,例如小于15kw或者小于10kw。

    即使扫描器被命令以根据预定扫描图案扫描能量束,由于扫描器的限制,所扫描的能量束的实际扫描图案不同于预定扫描图案。这是很多因素造成的,例如,反射镜的重量和惯性矩、反射镜的转速、反射镜的旋转的精确度等等。基于预定扫描图案和扫描器,例如通过进行实验测试,可以确定所扫描的能量束的预期扫描图案,由于前述原因,该预期扫描图案不同于预定扫描图案。例如,可以进行多个实验测试,以统计学地确定能量束的光斑偏离了其通常照射的表面的位置多远;也就是说,由于能量束的光斑不能在每个周期精确地重复图案,可以根据在多次根据预定扫描图案扫描能量束时的最大照射表面确定预期扫描图案。

    然而,在一些情况下,扫描器甚至不能根据预期扫描图案扫描能量束,更不必说根据预定扫描图案扫描能量束了,因此,由于扫描器的限制所造成的扫描器的性能不良,或者由于扫描器本身的故障,例如,反射镜不再工作或者反射镜破损,都会造成预期扫描图案或者预定扫描图案与实际扫描图案之间的任何差异。这可能导致物体的不正确加工,和/或能量束瞄准在工作区域之外的风险。

    在操作用于发射能量束的设备期间,在扫描能量束的同时,扫描器的反射镜的编码器提供反射镜在扫描器内的绝对位置、反射镜的角度和反射镜的移动中的一者的测量值。因此,这些测量值提供扫描器在扫描能量束时的操作相关的信息,特别是可以确定实际扫描图案是什么样的。通常市场上购买的用于能量束辐射设备的扫描器已经设置有编码器。

    实际扫描图案与预定阈值区域的比较可以揭示扫描是否有问题。在这点上,如果比较结果是实际扫描图案的至少一部分落入预定阈值区域内或者位于预定阈值区域之外,则可以确定扫描是异常的。

    在一些实施例中,预定阈值区域(或其大部分)不包括预期扫描图案,如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之外,则由至少一个处理器确定能量束的扫描是异常的。在这些实施例的一些中,预定阈值区域包括预定扫描图案。在这些实施例中,优选地,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之内,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之外,则确定扫描没有异常。

    在一些实施例中,预定阈值区域包括预期扫描图案,如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之内,则由至少一个处理器确定能量束的扫描是异常的。在这些实施例中,优选地,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之外,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之内,则确定扫描没有异常。

    对于确定扫描是异常的,实际扫描图案是应该位于预定阈值区域之内还是之外,取决于如何限定预定阈值区域:是限定为阈值区域对应于预期扫描图案(因此,希望实际扫描图案落入阈值区域内),还是限定为阈值区域对应于与预期扫描图案的偏离(因此,不希望实际扫描图案落入阈值区域内,因为阈值区域表示与预期扫描图案的偏离)。换言之,当限定不希望实际扫描图案落入阈值区域内时,阈值区域也可以看作是禁区,或者当限定希望实际扫描图案落入阈值区域内时,阈值区域也可以看作是表示正确扫描的区域。此外,在后者的情况下,预定阈值区域可以包括预定扫描图案,即,向扫描器命令的希望的扫描图案。这是因为实际扫描图案与预定扫描图案越接近,越有可能扫描器有问题:例如,在反射镜破损时,反射镜的重量和惯性矩改变时,从而使其不那么遵循预定扫描图案。

    预期扫描图案由预定扫描图案限定或者基于预定扫描图案进行限定。在这个意义上说,可以通过在优选地与将要用能量束发射设备加工物体时的条件相同或相似的条件下,根据预定扫描图案扫描能量束来提供预期扫描图案并且测量实际扫描图案或能量所遵循的轨迹。

    在一些实施例中,所述方法还包括:如果确定能量束的扫描是异常的,则指示由所述设备加工的物体没有被正确地加工。

    当确定扫描是异常的时,认为物体在异常扫描发生的加工期间没有被正确地加工。因此,指示物体不正确,因为物体的质量可能不满足质量要求,从而可以避免使用或销售该物体。

    在一些实施例中,所述方法还包括如果确定能量束的扫描是异常的,则停止用于发射能量束的设备。

    当确定扫描是异常的时,存在能量束没有瞄准或者将不能瞄准工作区域的风险。因此,操作用于辐射能量束的设备是不安全的,所以停止该设备以避免任何可能的损伤。

    在一些实施例中,第一反射镜和第二反射镜的编码器以等于或大于10khz的频率提供测量值。

    更准确地确定扫描是异常的可能需要编码器每秒提供更多数量的测量值。取决于扫描器的反射镜的转速,测量值的数量必须更高,以便以足够的分辨率比较实际扫描图案和预定阈值区域。为此,由第一反射镜和第二反射镜的编码器所提供的测量值的数量优选地是10khz或更大,例如20khz、30khz、50khz、100khz等等,并且小于150khz,和/或小于100khz。

    在一些实施例中,实际扫描图案通过进一步处理由所述设备的轴线的编码器所提供的测量值来确定。

    有时候,基于设备的轴线的移动来调节向扫描器命令的预定扫描图案。因此,向至少一个处理器提供轴线的编码器的测量值可以用于确定实际扫描图案,然后实际扫描图案将与预定阈值区域进行比较。

    在一些实施例中,实际扫描图案通过进一步处理由设备所加工的物体的几何结构的数据来确定。

    与物体的几何结构相关的数据也有助于确定实际扫描图案。例如,如果至少一个处理器具有关于物体存在不规则表面、物体的表面上存在空洞、凹陷、凸起以及类似物等等的信息,则可以将该信息与所接收的测量值相结合来确定实际扫描图案,该实际扫描图案可能会受所述几何结构的影响。数据可以以多种形式提供,例如表示物体的3d几何结构的数字化3d模型、以2d表示物体的表面或者周长的数字化图像等等。

    在一些实施例中,提供并扫描能量束以使得能量束在被设备所加工的物体的表面上产生能量束的有效光斑,能量束的有效能量光斑以二维能量分布为特征。

    在一些实施例中,操作扫描器以使得第一方向上的最大角覆盖范围和第二方向上的最大角覆盖范围中的每一个大于0°并且等于或小于45°,第一方向垂直于第二方向。在这些实施例的一些中,最大角覆盖范围等于或小于20°,和/或等于或小于10°,和/或等于或小于7°,和/或等于或小于5°,和/或等于或小于3°,和/或等于或小于1°。

    异常扫描的问题随着最大角覆盖范围的减小而加剧,由于扫描期间反射镜必须进行小角度旋转,导致扫描激光束所需的精确度增加。

    最大角覆盖范围减小的预定扫描图案使得能够控制被加工的物体的小部分表面上的能量分布,因此加工会更加精确。

    在一些实施例中,所述方法进一步包括:获得指示不同于预定扫描图案的实际扫描图案的数据,并且基于所述指示不同于预定扫描图案的实际扫描图案的数据来修改预定扫描图案。

    在一些实施例中,所述方法包括识别和/或追踪异常扫描。例如,可以标记一个或多个点,实际扫描图案在该一个或多个点处落入预定阈值区域之内或之外(视情况而定)。可以稍后检查标记的点,以确定质量误差或加工误差。质量误差可以是没有被正确加工的物体。

    在一些实施例中,所述方法还包括:当追踪到一定量的异常扫描时,触发警报。一定量的异常扫描可以是一个或多个异常扫描。

    本发明的第二方面涉及用于监管能量束的扫描的系统,包括:被配置以提供能量束的设备;被配置以扫描能量束的扫描器,扫描器包括第一反射镜和第二反射镜,每一个反射镜至少包括编码器,扫描器和设备被配置以提供能量束,同时根据预定扫描图案扫描能量束;和包括至少一个处理器的计算装置或系统;所述至少一个处理器被配置以:在操作所述设备和所述扫描器两者时,通过处理由第一反射镜和第二反射镜的编码器所提供的测量值来确定能量束的实际扫描图案;和将实际扫描图案与预定阈值区域进行比较。

    被配置以提供能量束的设备可以是用于发射能量束的设备。所述设备可以是用于发射激光束的激光设备。

    扫描器被命令以根据预定扫描图案扫描由所述设备提供的能量束,预定扫描图案例如是用于在物体上提供能量分布以提供能量束的有效光斑的图案。因此,物体用有效光斑以可控的方式来加工。

    由于扫描器的限制,扫描器遵循实际扫描图案而非遵循命令的预定扫描图案来扫描能量束。因此,可以根据预定扫描图案和扫描器(因此,考虑了反射镜的一般性操作)来限定预期扫描图案。然而,用扫描器扫描的能量束通常会偏离预期扫描图案,这会导致物体的不正确加工,和/或使能量束瞄准工作区域之外的可能性。

    反射镜的编码器提供扫描器内的反射镜的绝对位置、反射镜的角度和反射镜的移动中的一者的测量值。这些测量值提供关于扫描器在其扫描能量束时的操作的信息,并且这些测量值使得能够确定实际扫描图案是什么样的。

    通过将实际扫描图案与预定阈值区域进行比较,可以确定扫描是否异常。

    在一些实施例中,预定阈值区域(或其大部分)不包括预期扫描图案,至少一个处理器还被配置以确定:如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之外,则能量束的扫描是异常的。在这些实施例中,优选地,至少一个处理器确定,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之内,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之外,则扫描没有异常。

    预定阈值区域被限定为对应于与预期扫描图案的偏离的阈值区域(因此,不希望实际扫描图案落入阈值区域内,因为阈值区域表示与预期扫描图案的偏离)。

    在这些实施例的一些中,预定阈值区域包括预定扫描图案。

    在一些实施例中,预定阈值区域包括预定扫描图案,至少一个处理器还被配置为确定:如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之内,则能量束的扫描是异常的。在这些实施例中,优选地,至少一个处理器确定,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之外,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之内,则扫描没有异常。

    预定阈值区域被限定为与预期扫描图案对应的阈值区域(因此,希望实际扫描图案落入该阈值区域内)

    预期扫描图案由预定扫描图案限定或者基于预定扫描图案进行限定,例如通过当扫描器被命令以根据预定扫描图案扫描时,测量能量束所遵循的实际扫描图案或轨迹来限定。

    在一些实施例中,至少一个处理器还被配置为:如果确定能量束的扫描是异常的,则指示由所述设备加工的物体没有被正确地加工。

    在一些实施例中,至少一个处理器还被配置为:如果确定能量束的扫描是异常的,则停止用于发射能量束的设备。

    在一些实施例中,第一反射镜和第二反射镜的编码器被配置以用等于或大于10khz的频率提供测量值。

    在一些实施例中,至少一个处理器通过进一步处理由激光设备的轴线的编码器所提供的测量值来确定实际扫描图案。

    在一些实施例中,至少一个处理器通过进一步处理待被所述设备加工的物体的几何结构的数据来确定实际扫描图案。

    在一些实施例中,提供并扫描能量束以在待被所述设备加工的物体的表面上产生能量束的有效光斑,有效光斑以二维能量分布为特征。

    在一些实施例中,扫描器被配置以扫描能量束,以使得第一方向上的最大角覆盖范围和第二方向上的最大角覆盖范围中的每一个大于0°并且等于或小于45°,第一方向垂直于第二方向。在这些实施例的一些中,最大角覆盖范围等于或小于20°,和/或等于或小于10°,和/或等于或小于7°,和/或等于或小于5°,和/或等于或小于3°,和/或等于或小于1°。

    在一些实施例中,至少一个处理器获得指示不同于预定扫描图案的实际扫描图案的数据,并且根据所述数据修改预定扫描图案。

    与参照本发明的第一方面所描述的优点类似的优点也适用于本发明的这一方面。

    本发明的第三方面涉及一种计算机程序产品,该计算机程序产品具有指令,当该指令被计算装置或系统执行时,使得所述计算装置或系统执行以下步骤:操作设备和扫描器,以提供其能量束,同时根据预定扫描图案扫描所述能量束;在操作所述设备和所述扫描器两者时,通过处理由扫描器的第一反射镜和第二反射镜的编码器所提供的测量值来确定能量束的实际扫描图案;和将实际扫描图案与预定阈值区域进行比较。

    在一些实施例中,预定阈值区域(或其大部分)不包括预期扫描图案,所述指令使得计算装置或系统确定:如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之外,则能量束的扫描是异常的。在这些实施例的一些中,预定阈值区域包括预定扫描图案。在这些实施例中,优选地,计算装置确定,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之内,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之外,则扫描没有异常。

    在一些实施例中,预定阈值区域包括预期扫描图案,所述指令使得计算装置或系统确定:如果实际扫描图案的至少一部分位于预定阈值区域之内,则能量束的扫描是异常的。在这些实施例中,优选地,计算装置确定,在相反情况下,即,如果实际扫描图案位于预定阈值区域之外,即,实际扫描图案没有任何部分位于预定阈值区域之内,则扫描没有异常。

    在一些实施例中,如果确定能量束的扫描是异常的,所述指令还使得计算装置或系统指示由所述设备加工的物体没有被正确地加工。

    在一些实施例中,如果确定能量束的扫描是异常的,所述指令还使得计算装置或系统停止用于发射能量束的设备。

    在一些实施例中,所述指令还使得计算装置或系统:接收第一反射镜和第二反射镜的编码器以等于或大于10khz的频率提供的测量值。

    所述指令可以使得计算装置或系统:接收第一反射镜和第二反射镜的编码器以10khz或更大,例如20khz、30khz、50khz、100khz,并且小于150khz,和/或小于100khz的频率提供的测量值。

    在一些实施例中,所述指令使得计算装置或系统:通过进一步处理由所述设备的轴线的编码器所提供的测量值来确定实际扫描图案。

    在一些实施例中,所述指令使得计算装置或系统:通过进一步处理正在被所述设备加工的物体的几何结构的数据来确定能量束的实际扫描图案。

    在一些实施例中,所述指令使得扫描器扫描能量束,以在待被所述设备加工的物体的表面上产生能量束的有效光斑,有效光斑以二维能量分布为特征。

    在一些实施例中,所述指令使得扫描器扫描能量束,以使得第一方向上的最大角覆盖范围和第二方向上的最大角覆盖范围中的每一个大于0°并且等于或小于45°,第一方向垂直于第二方向。在这些实施例的一些中,最大角覆盖范围等于或小于20°,和/或等于或小于10°,和/或等于或小于7°,和/或等于或小于5°,和/或等于或小于3°,和/或等于或小于1°。

    本发明的第四方面涉及数据流,该数据流表示根据本发明的第三方面的计算机程序产品。

    与参照本发明的第一和第二方面所描述的优点类似的优点也适用于本发明的第三和第四方面。

    附图说明

    为了完成描述并且为了提供对本发明更佳的理解,提供了一组附图。所述附图形成说明书的不可分割的部分,并且示出了本发明的实施例,其不应被解释为限定本发明的范围,而是仅是怎样实施本发明的示例。所述附图包括以下的图:

    图1示意性地示出具有被配置以提供能量束的设备和用于根据预定扫描图案扫描能量束的系统。

    图2a-2d示意性地示出当将要扫描能量束时图1的预定扫描图案如何变化。

    图3示意性地示出图1的系统及其预期扫描图案。

    图4a-4d示意性地示出当图2a-2d的预定扫描图案变化时,图3的预期扫描图案如何变化。

    图5示意性地示出预定扫描图案和预期扫描图案之间的不同。

    图6-8示意性地示出根据本公开的预定阈值区域。

    图9示意性地示出实际扫描图案和图8的预定阈值区域之间的对比。

    图10概略地示出根据一个实施例的系统。

    图11-12概略地示出根据多个实施例的方法。

    具体实施方式

    图1示意性地示出具有设备2的系统,该系统用于根据预定扫描图案8扫描其能量束3a,3b。

    系统包括:用于发射激光束的设备2,该设备包括用于提供激光束3a的激光源(未示出);扫描器4,其具有反射镜(未示出),用于在物体50的表面51上扫描激光束3b,物体50例如是具有润滑孔52的曲轴的圆柱形轴颈;计算装置6;以及壳体5,设备2和计算装置6均可以包含在壳体5中。

    计算装置6操作设备2以使得设备2提供激光束3a,并且还操作扫描器4以使得扫描器4的反射镜在工作区域内扫描激光束3b,更具体地,在物体50的表面51上扫描激光束3b,以使激光光斑7处于表面51上。计算装置6命令扫描器4根据预定扫描图案8(仅用于说明性目的,用虚线示出)扫描激光束3b,预定扫描图案8在物体50加工期间是变化的或者可以进行变化。为此,计算装置6连接至设备2,以与设备2通信地联接,并且联接至扫描器4,例如用线缆67和68进行联接。在系统操作期间,激光设备2和扫描器4可以相对于待加工的物体50进行移动,或者待加工的物体50相对于激光设备2和扫描器4进行移动。

    当以高速扫描激光束3b时,例如,速度在每秒重复预定扫描图案30或更多次,优选地,50或更多次,甚至更优选地,每秒90次至120次(两个端点均包含在该范围内),提供有效激光光斑,使得可以更精确地加工物体50,因为可以更好地控制存储在物体上的能量。因此,即使预定扫描图案8显示为静态的,物体50的整个表面51也可以用设备2例如硬化,并且因此在表面51的不同部分根据预定扫描图案8扫描激光束3b,例如通过将移动叠加至预定扫描图案8,以具有预定扫描轨迹,或者通过产生物体50和设备2或者扫描器之间的相对移动来进行。进一步地,在照射表面51的不同部分时,预定扫描图案8可以变化,以使得在表面51的不同部分上根据需要存储能量,如在图2a-2d中所示例性示出的。

    图2a-2d示意性地以二维示出在将要扫描激光束时图1的预定扫描图案8是如何变化的。叠加在预定扫描图案8a-8c上的箭头表示要遵循图案扫描激光束的方向;很明显在本公开的范围内,可以在不同的方向扫描激光束。

    图2a示出了向扫描器4命令的用于扫描激光束3b的第一预定扫描图案8a。第一预定扫描图案8a类似于数字化形式的数字八(即,直线和尖锐变化的方向)。

    图2b示出了当激光束3b根据预定扫描轨迹到达油润滑孔52时,向扫描器4命令的第二预定扫描图案8b。为了不照射油润滑孔52,第二预定扫描图案8b具有两个端点9a、9b,在这两个端点处,往回扫描激光束,如图2c所示,其中当激光束到达第二端点9b时,以反方向扫描激光束,直至激光束到达第一端点9a,在第一端点9a处,激光束又反向,以此类推。

    当激光束因预定扫描轨迹前进时,油润滑孔52落入第三预定扫描图案8c中,第三预定扫描图案8c与第一预定扫描图案8a相同。可以在不进行如用第二预定扫描图案8b所发生的反转方向的情况下扫描激光束。

    图3示意性地示出了根据预期扫描图案18扫描激光束3a、3b的图1的系统。

    虽然扫描器4被命令以根据预定扫描图案8(在该示例中,预定扫描图案8如参照图2a-2d所描述的那样进行变化)扫描激光束3b,但是扫描器4不能精确地扫描激光束3b,因此,激光光斑7可能会遵循类似于预期扫描图案18的图案。

    很多因素都会影响扫描器4实际中根据希望的扫描图案(图1和2a-2d的预定扫描图案8)扫描激光束3b的能力,例如反射镜的重量、反射镜的惯性矩、反射镜的转速和扫描器被配置以覆盖的最大角覆盖范围(在两个方向上,为了清晰起见,仅用虚线示出一个方向上的最大角覆盖范围90)或最大角区域覆盖范围。因此,预期扫描图案18的特点是曲线和平滑的拐角。

    图4a-4d示意性地以二维示出当图2a-2d的预定扫描图案8a-8c变化时,图3的预期扫描图案是如何变化的。

    扫描器4被命令以根据图2a-2d的预定扫描图案8a-8c进行扫描,然而,预期激光光斑7会遵循图4a-4d所示的图案。

    图4a中示出的第一预期扫描图案18a是连续的图案,并且油润滑孔52在该图案之外。在图4b-4c两个图中示出的第二预期扫描图案18b使激光束在第一和第二端点19a、19b处停止(从而使得油润滑孔52不被照射),并且在每次到达这两个端点19a、19b中的一者时往相反的方向走。第三预期扫描图案18c与第一预期扫描图案18a相同,如图4d所示。

    图5示意性地以二维示出预定扫描图案10和预期扫描图案20之间的不同。

    可以看出,预期扫描图案20具有曲线和圆形拐角,而预定扫描图案10(扫描器根据预定扫描图案10操作)具有直线和形成90°角的尖锐的拐角。

    叠加在预定扫描图案10和预期扫描图案20上的箭头表示将遵循图案扫描激光束的方向。很明显在本公开的范围内,可以在不同的方向扫描激光束。

    图6示意性地以二维示出根据本公开的预定阈值区域30-32。

    仅为了清晰起见,预定阈值区域30-32被示出为叠加在预定扫描图案10和预期扫描图案20之上。预定阈值区域30-32包括多个彼此不连接的区域。可以以若干方式限定预定阈值区域。例如,多个区域中的每一个区域都可以基于预定扫描图案10进行限定,更优选地,基于预期扫描图案20进行限定,因为预期激光束所遵循的图案通常被认为是扫描器的正常操作;在后者的情况下,如果预期扫描图案20由统计学上确定在根据预定扫描图案10进行扫描时激光束偏离的概率(likeliness)来限定,则预定阈值区域30-32可以被限定用于扫描偏离合计小于某个值,例如小于所扫描的激光束的高斯分布的20%或者10%或者5%。预定阈值区域30-32可以更大或更小,这取决于允许的或者容许的扫描误差范围,相应地,激光束扫描异常的确定将允许更大或者更小的误差。

    将实际扫描图案,即,激光束实际上遵循的图案,与预定阈值区域30-32进行比较。在本例中,希望的是实际扫描图案或者实际扫描图案的至少一部分(优选地,实际扫描图案的大部分)位于预定阈值区域30-32之外,因为预定阈值区域表示实际扫描图案的过度偏离。

    如果实际扫描图案与预期扫描图案20重合(这几乎不会发生),则实际扫描图案的任何部分都没有落入预定阈值区域30-32内。这意味着为了确定激光束扫描的异常,可以进行即时确定(instantaneousdetermination)(即,根据至少一个处理的测量值,实际扫描图案在一个时刻落入阈值区域30-32内就足以确定扫描是异常的)或范围确定(rangeddetermination)(根据多个测量值,实际扫描图案在多个时刻落入预定阈值区域30-32内,确定扫描是异常的)。

    范围确定通常是优选的,因为在扫描中可能会发生偶然误差,而扫描器中并不存在会导致更多误差或者导致频繁或持续异常扫描的问题。取决于在一段时间内或一系列比较中的偶然误差的数量,或者取决于偶然误差相对于一系列比较的百分比(例如,一系列比较中的至少3%的比较位于预定阈值区域之内或之外,在本例中,位于预定阈值区域之内;其他示例性值可以是例如至少5%、至少7%、至少10%等),可以指示物体没有被准确地加工,但是激光设备和扫描器不停止,以便其他物体可以被加工。

    在这些和其他实施例中,一系列比较可以包括:扫描轨迹(其可以包括单个扫描图案、扫描图案的多次重复、多个扫描图案等等)内的若干比较、一个单个扫描图案中的若干比较、多次扫描图案重复中的若干比较等等。优选地,若干比较包括若干连续的比较,即,实际扫描轨迹的连续的点与预定阈值区域的比较。

    图7示意性地以二维示出根据本公开的预定阈值区域33。

    仅为了清晰起见,预定阈值区域33被示出为叠加在预定扫描图案10和预期扫描图案20上。可以以若干方式限定预定阈值区域33。例如,可以基于预定扫描图案10限定预定阈值区域33,或者更优选地,基于预期扫描图案20来限定预定阈值区域33。预定阈值区域33可以更大或更小,这取决于允许的或者容许的扫描误差范围。

    将实际扫描图案与预定阈值区域33进行比较。在本例中,希望实际扫描图案的至少一部分(优选地,实际扫描图案的大部分)位于预定阈值区域33之外,因为预定阈值区域表示实际扫描图案的过度偏离。

    然而,在本例中,预定阈值区域33包括在中心与预定扫描图案10和预期扫描图案20两者重叠的区域(在其他示例中,它可以仅与其中一者重叠,例如与预定扫描图案10重叠)。预期且希望(根据预定扫描图案10)激光束的激光光斑在该最中心的区域中照射物体的表面。

    为了确定激光束的扫描是否异常,进行了范围确定,因为在某些时刻,预期激光光斑位于预定阈值区域33内。因此,如果实际扫描图案和预定阈值区域33的若干比较或比较的百分比超过预定阈值,则确定扫描是异常的。

    可以基于扫描器的反射镜的编码器向执行比较和确定扫描是否异常的计算装置或系统提供测量值的频率,以及还基于每秒预定扫描图案10的命令的重复次数(影响扫描器的反射镜的转速的因素)来确立预定阈值。从频率和所命令的重复次数,可以确定每次重复可以进行多少比较,以及预期实际扫描图案将多少次由于所述区域33和预期扫描图案20的重叠而落入预定阈值区域33内。因此,预定阈值应当大于所预期的实际扫描图案落入预定阈值区域33内的次数,以确定可能的异常扫描。

    与图6的预定阈值区域30-32相比,图7的预定阈值区域33可能不那么优选,因为预定阈值区域33没有预期扫描图案20的最外面的部分(例如图6的区域30)。在最外面的部分的这种区域便于确定引起对于人的安全而言有较大的风险的扫描是异常的,主要因为瞄准所述最外面的部分的激光束可以瞄准离预期扫描图案20更远之处,并因此瞄准工作区域之外。

    在一些其他实施例中,预定阈值区域仅包括预期扫描图案20的最外面的部分处的区域(例如图6的区域30)。此外,在一些其他实施例中,预定阈值区域可以被提供为不与预期扫描图案20和/或预定扫描图案10重叠的图6的区域31、32。在这种实施例中,激光束的扫描为异常的确定可以按照即时确定进行(因为预期扫描图案20不与形成预定阈值区域的区域30或者区域31、32重叠)或者按照范围确定进行。

    图8示意性地以二维示出根据本公开的预定阈值区域35。

    仅为了清晰起见,预定阈值区域35被示出为叠加在预定扫描图案10和预期扫描图案20上。可以以若干方式限定预定阈值区域35。例如,可以基于预定扫描图案10限定预定阈值区域35,或者更优选地,基于预期扫描图案20来限定预定阈值区域35。预定阈值区域35可以更大或更小,这取决于允许的或者可接受的扫描误差范围。

    实际扫描图案与预定阈值区域35进行比较。在本例中,希望实际扫描图案或者实际扫描图案的至少一部分(优选地,实际扫描图案的大部分)位于预定阈值区域35之内,因为预定阈值区域35表示实际扫描图案没有偏离。

    激光束的扫描为异常的确定可以按照即时确定或者按照范围确定进行,这取决于哪个或多个比较应该在预定阈值区域35之外以确定实际扫描图案已经偏离,因此扫描可能是异常的。

    当预定扫描图案和预期扫描图案在物体加工期间变化时,例如,如参照图2a-2d和4a-4d所描述的那样,预定阈值区域也进行变化,从而使得实际扫描图案和预定阈值区域之间的比较相一致。举例而言,如果考虑第二预定扫描图案8b和第二预期扫描图案18b,则预定阈值区域将会受端点9a、9b、19a、19b的影响,因此,相对于油润滑孔52的位置,在那部分加工期间的实际扫描图案将必须位于预定阈值区域之外(如果该区域如图6-7那样限定)或者预定阈值区域之内(如果该区域如图8那样限定)。

    即使预期扫描图案20已经被表示为线,在一些实施例中,预期扫描图案20可以表示为具有一定厚度(因此,具有一定面积)的线,该厚度示出了当预期扫描图案20以静态确定的方式限定时,预期能量束的光斑所到之处。该厚度可以基于例如正态分布的标准偏差进行选择。

    图9示意性地以二维示出实际扫描图案和图8的预定阈值区域35之间的比较。

    扫描器的反射镜的编码器感测扫描器内的反射镜的绝对位置、反射镜的角度或者反射镜的移动。然后通过计算装置或系统处理所感测到的值,以确定激光束的实际扫描图案25。然后将实际扫描图案25与预定阈值区域35进行比较,以确定扫描是否异常。

    如在图9中可以观察到的,实际扫描图案25有两个部分26a、26b落在预定阈值区域35之外。取决于确定扫描异常的标准(例如位于预定阈值区域35之外的点的百分比或点的数量),这两个部分26a、26b的存在可以导致确定扫描实际上是异常的,或者不是异常的(即,必需有更大百分比或更多数量的点位于预定阈值区域35之外)。因此,如果确立一个或两个点足以确定扫描是异常的,则在图9的示例中可以确定扫描实际上是异常的;如果是多于两个点,取决于部分26a、26b中的点的数量,也可以做出相同的确定。

    虽然所示出的实际扫描图案被示为连续的线,显然由编码器提供的测量值是离散的,因此由计算装置或系统所确定的实际扫描图案25是离散点云而非连续的线,可以将点云中的每个点与预定阈值区域35相比较。在一些实施例中,计算装置或系统可以连接连续的离散点以提供连续的实际扫描图案25,以便进行比较,然而,这通常不是必需的。

    图10概略地示出根据一个实施例的系统200。

    系统200包括计算装置或系统60、激光设备2和扫描器4,激光设备2具有激光源(未示出),用于提供功率大于例如1kw,例如2kw、3kw、5kw等等,并且小于例如20kw,例如15kw或10kw的激光束。计算装置或系统60连接至激光设备2和扫描器4,例如通过例如线缆67、68连接,或者通过可编程逻辑控制器连接,可编程逻辑控制器又连接至激光设备2和/或扫描器4,或者通过交换机或路由器用以太网连接等等。

    扫描器4包括第一反射镜42、第二反射镜44、检测并提供第一反射镜42的测量的至少第一编码器46以及检测并提供第二反射镜44的测量的至少第二编码器48。第一和第二反射镜42、44根据扫描图案或轨迹扫描由激光设备提供的激光束。

    计算装置或系统60包括至少一个处理器62、至少一个存储器64和用于传送和接收数据的装置66。计算装置或系统60可以包括输入装置和用户界面,该输入装置和用户界面使得操作者能够调节和控制计算装置或系统60的操作,某些操作也可以通过借由装置66向计算装置或系统60传送数据和从计算装置或系统60接收数据来远程执行。

    至少一个处理器62与至少一个存储器64和装置66一起处理由至少第一和第二编码器46、48所提供的测量值以确定所扫描的激光束的实际扫描图案、将实际扫描图案与预定阈值区域(其可以包括多个彼此不连接的区域)进行比较,以及确定扫描是否异常。进一步地,至少一个处理器62可以操作激光设备2和/或扫描器4以改变所提供的激光束,例如激光束的功率、激光光斑的直径等等,和/或改变激光束的扫描,例如预定扫描图案、反射镜的转速等等。

    在本公开中,计算装置或系统60可以是单个装置,即,计算装置,或者可以是通信地联接的多个计算装置,即,计算系统,每一个计算装置执行一个或多个计算操作,或者所有计算装置以分布式方式执行一个或多个计算操作。

    图11概略地示出根据一个实施例的方法100。

    方法100包括步骤:提供102被配置以提供待用扫描器扫描的能量束(例如激光束)的设备(例如图1、3、10的设备2)。方法100还包括步骤:提供104被配置以扫描由所述设备提供的能量束的扫描器(例如,图1、3、10的扫描器4)。

    方法100还包括步骤:操作106所述设备和所述扫描器,以提供能量束,同时根据预定扫描图案扫描能量束。在一些实施例中,该步骤由计算装置或系统(例如,图1、3的计算装置6或者图10的计算装置或系统60)的至少一个处理器执行。

    方法100还包括步骤:当操作所述设备和所述扫描器两者时,通过处理由扫描器的第一反射镜和第二反射镜的编码器所提供的测量值来确定108能量束的实际扫描图案(例如,图9的实际扫描图案25)。该步骤由计算装置或系统的至少一个处理器执行。

    方法100还包括步骤:比较110实际扫描图案与预定阈值区域(例如,图6-9的预定阈值区域30-33、35中的任一个)。该步骤由计算装置或系统的至少一个处理器执行。

    方法100还可以包括步骤:如果实际扫描图案的至少一部分位于预定界限区域之内或之外,则确定112能量束的扫描是异常的。该步骤由计算装置或系统的至少一个处理器执行。

    图12概略地示出根据一个实施例的方法101。

    方法101包括图11的方法100的相同的步骤,并且还包括以下步骤中的一者或两者:如果确定112能量束的扫描是异常的,则指示114被所述设备加工的物体没有被正确地加工;和如果确定112能量束的扫描是异常的,则停止116用于发射能量束的设备。在一些实施例中,这些步骤可以由计算装置或系统的至少一个处理器执行。

    在一些实施例中,所述方法包括:获得指示不同于预定扫描图案的实际扫描图案的数据,和基于所述数据修改预定扫描图案。这可能涉及基于指示实际扫描图案的数据对系统进行重新编程并因此进行优化,例如通过命令扫描器更符合实际扫描图案地操作来进行,也就是说,通过向扫描器提供比原始指令更符合扫描器的实际操作的新指令来进行。

    指示实际扫描图案的数据可以例如包括来自于扫描器的编码器的数据,例如来自于指示扫描器的反射镜或类似物的实际移动的编码器的数据。因此,一旦检测到反射镜所遵循的实际移动,相应的数据就可以用来优化扫描器4的操作,以不是根据预定扫描图案10而是根据实际扫描图案或者根据更类似或不那么类似的扫描图案来进行操作。因此,包括扫描器4的系统最终可以用更佳地反映扫描器4的实际操作的方式进行编程。由此,扫描器在操作时可以经受更少的操作压力。这用于最小化扫描器4损坏的风险,或者当扫描器以其操作极限(例如,被迫以高速遵循包括突变的扫描图案)进行操作时容易出现的这类操作失败。获得指示不同于预定扫描图案的实际扫描图案的数据以及基于指示实际扫描图案的数据修改预定扫描图案的步骤可以重复数次,例如尽可能多,直到达到编程的(预定)扫描图案和由能量束遵循的实际扫描图案之间的所需的符合度,以确保具有扫描器的系统最终用与其实际操作基本符合的方式进行编程,从而使得操作压力最小化。虽然已经描述了根据示例性预定扫描图案扫描激光束的实施例,显然可以根据其他不同的扫描图案扫描激光束,其也落入本公开的范围内。举例而言,当扫描器根据预定扫描图案扫描能量束时,一旦确定如本文所揭示的预期扫描图案,可以命令扫描器用基于所确定的预期扫描图案而限定的预定扫描图案来扫描能量束,因此,扫描器在操作时可以经受更少的操作压力,而随后再确定预期扫描图案和一个或多个预定阈值区域,以便操作如本文所揭示的机器。

    在本文中,术语“实际扫描图案”和“实际扫描轨迹”是指分别基于所处理的测量值而确定的扫描图案和扫描轨迹。因此,对于本领域技术人员明显的是,处理过程中的误差会导致扫描图案和扫描轨迹的确定不同于由激光束及其激光光斑所实际遵循的那样。因此,这些术语也可以分别是指,例如而非限制地,“确定的扫描图案”和“确定的扫描轨迹”。

    在本文中,术语“包括”及其衍生词(例如“包含”等)不应被理解为是排除的意义,即,这些词语不应被解释为排除所描述和限定的事物可以包括其他元素、步骤等等的可能性。

    另一方面,本发明显然不限于本文所描述的具体实施例,而是还涵盖在权利要求所限定的发明的总体范围内本领域技术人员可以考虑到的任何变形(例如,关于材料的选择、尺寸、部件、构造等等)。

    再多了解一些
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