本發(fā)明涉及一種激光熔覆工具頭及其加工表面感測方法，特別是涉及一種具有熱溫計及攝影鏡頭的激光熔覆工具頭及其加工表面感測方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有計算器數(shù)值控制加工機通過替換不同的刀具頭可以進行各種的切削加工，然而由于只能進行切削加工，在需要進行焊接(或焊補)或熱處理作業(yè)時必須使用其他工具機來操作，因此增加了加工作業(yè)的步驟及加工時間。

特別是針對使用激光的加工方式，例如使用激光熔覆加工時，則必須使用專用的激光工具機來處理。因此，當(dāng)整個金屬加工過程中有使用到這些激光加工工具機時，需要將被加工的工件在不同的工具機中搬動、固定、加工，然后再重復(fù)地拆卸、搬動、固定、加工，因此這樣的加工流程會使加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間大幅的增加。因此，若將一激光熔覆工具頭使用于一復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機，使用者可于單一機臺內(nèi)一次完成工件的切削與激光熔覆作業(yè)，不需要將工件在不同的工具機中搬移，因此可大幅簡化加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間。

然而，一般現(xiàn)有的激光熔覆工具頭并不具有感測加工表面的功能，無法根據(jù)實際加工表面的狀況來調(diào)整激光功率；或者僅提供單一的感測功能，無法作出綜合性的加工表面狀況的反饋及判斷。

為了改進上述的缺點，有必要提供一種改良的激光熔覆工具頭及其加工表面感測方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目在于提供一種激光熔覆工具頭及其加工表面感測方法，所述激光熔覆工具頭同時具有一熱溫計及一攝影鏡頭的感測模塊，以將加工 表面情形提供至一計算器數(shù)值控制單元進行回饋控制。

為達上述的目的，本發(fā)明提供一種激光熔覆工具頭，用于一復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機，包含：一機殼；一刀柄部，設(shè)于所述機殼的頂面，可替換地與所述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機的一刀具夾頭結(jié)合；及一激光模塊，包含一激光輸入部、一激光輸出部及一分光鏡組件，其中所述激光輸入部呈水平設(shè)置于所述分光鏡組件的一側(cè)面，所述激光輸出部呈垂直設(shè)置于所述分光鏡組件的底面，所述分光鏡組件具有一分光鏡，一外部激光源通過所述激光輸入部水平輸入一激光光束，所述激光光束通過所述分光鏡向下反射，并通過所述激光輸出部輸出所述激光光束至一加工件；其中，所述激光熔覆工具頭另包含：一第一感測模塊，具有一第一光學(xué)組件及一第一感測部件，所述第一光學(xué)組件具有一半反射鏡設(shè)于所述激光模塊的分光鏡組件上方，所述第一感測部件設(shè)于所述第一光學(xué)組件的一側(cè)邊，通過所述半反射鏡向下反射并穿過所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形；及一第二感測模塊，具有一第二光學(xué)組件及一第二感測部件，所述第二光學(xué)組件具有一全反射鏡設(shè)于所述第一感測模塊的第一光學(xué)組件上方，所述第二感測部件設(shè)于所述第二光學(xué)組件的一側(cè)邊，通過所述全反射鏡向下反射并穿過所述半反射鏡及所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形。

在本發(fā)明的一實施例中，所述第一感測模塊的第一感測部件為一熱溫計，所述第二感測模塊的第二感測部件為一攝影鏡頭。

在本發(fā)明的一實施例中，所述第一感測模塊的第一感測部件為一攝影鏡頭，所述第二感測模塊的第二感測部件為一熱溫計。

在本發(fā)明的一實施例中，所述激光輸入部的一端連接所述分光鏡組件的一側(cè)面，其另一端設(shè)于所述機殼的一側(cè)面形成一激光入口；所述激光輸出部的一端連接所述分光鏡組件的底面，其另一端連接所述機殼的一底面形成一激光出口。

在本發(fā)明的一實施例中，所述第一光學(xué)組件的半反射鏡呈45度傾斜設(shè)置；所述第二光學(xué)組件的全反射鏡呈45度傾斜設(shè)置。

為達上述的目的，本發(fā)明另提供一種激光熔覆工具頭的加工表面感測方法，所述方法包含以下步驟：提供一激光熔覆工具頭，所述激光熔覆工具頭包含：一激光模塊、一第一感測模塊及一第二感測模塊，所述激光模塊包含一分光鏡組件，所述分光鏡組件具有一分光鏡，一外部激光源水平輸入一激光光束，所述激光光束通過所述分光鏡向下反射至一加工件；所述第一感測模塊具有一第一光學(xué)組件及一第一感測部件，所述第一光學(xué)組件具有一半反射鏡設(shè)于所述激光模塊的分光鏡組件上方，所述第一感測部件設(shè)于所述第一光學(xué)組件的一側(cè)邊；及所述第二感測模塊具有一第二光學(xué)組件及一第二感測部件，所述第二光學(xué)組件具有一全反射鏡設(shè)于所述第一感測模塊的第一光學(xué)組件上方，所述第二感測部件設(shè)于所述第二光學(xué)組件的一側(cè)邊；操作所述第一感測模塊，使其通過所述半反射鏡向下反射并穿過所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形；及操作所述第二感測模塊，使其通過所述全反射鏡向下反射并穿過所述半反射鏡及所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形。

在本發(fā)明的一實施例中，所述第一感測模塊的第一感測部件為一熱溫計，所述第二感測模塊的第二感測部件為一攝影鏡頭；或者所述第一感測模塊的第一感測部件為一攝影鏡頭，所述第二感測模塊的第二感測部件為一熱溫計。

在本發(fā)明的一實施例中，當(dāng)所述激光熔覆加工件的表面進行一熔覆作業(yè)時，以所述熱溫計對所述加工表面進行熔池溫度感測，并將感測到的熔池溫度提供至一計算器數(shù)值控制單元，若熔池溫度未達一默認(rèn)溫度則加強所述激光熔覆工具頭的功率；若熔池溫度超過所述默認(rèn)溫度則減少所述激光熔覆工具頭的功率。

在本發(fā)明的一實施例中，當(dāng)所述激光熔覆加工件的表面進行一熔覆作業(yè) 時，以所述攝影鏡頭對所述加工表面進行熔池亮度及外形感測，并將感測到的熔池亮度及外形提供至所述計算器數(shù)值控制單元，若熔池亮度及外形未達一預(yù)設(shè)狀態(tài)則加強所述激光熔覆工具頭的功率；若熔池亮度及外形超過所述預(yù)設(shè)狀態(tài)則減少所述激光熔覆工具頭的功率。

在本發(fā)明的一實施例中，當(dāng)所述激光熔覆加工件的表面進行一熔覆作業(yè)時，先以所述熱溫計對所述加工表面進行熔池溫度感測，并將感測到的熔池溫度提供至一計算器數(shù)值控制單元，若熔池溫度未達一默認(rèn)溫度則加強所述激光熔覆工具頭的功率；若熔池溫度超過所述默認(rèn)溫度則減少所述激光熔覆工具頭的功率；再以所述攝影鏡頭對所述加工表面進行熔池亮度及外形感測，并將感測到的熔池亮度及外形提供至所述計算器數(shù)值控制單元，若熔池亮度及外形未達一預(yù)設(shè)狀態(tài)則加強所述激光熔覆工具頭的功率；若熔池亮度及外形超過所述預(yù)設(shè)狀態(tài)則減少所述激光熔覆工具頭的功率。

綜上所述，本發(fā)明激光熔覆工具頭同時具有一熱溫計及一攝影鏡頭的感測模塊，其可于熔覆作業(yè)時感測熔池的溫度、亮度與外形，并提供至一計算器數(shù)值控制單元進行回饋控制，因此可進一步地提高工件加工效率與質(zhì)量。

【附圖說明】

圖1：本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算機數(shù)值控制加工機的構(gòu)造示意圖。

圖2：本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算機數(shù)值控制加工機的加工方法的流程圖。

圖3A-3B：在本發(fā)明第一實施例中對一加工表面進行熔池亮度及外形感測的示意圖。

圖4：本發(fā)明第二實施例的復(fù)合式計算機數(shù)值控制加工機的加工方法的流程圖。

圖5：本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的構(gòu)造示意圖。

圖6：本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的運作示意圖。

圖7：本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的加工表面感測方法的流程圖。

【具體實施方式】

為讓本發(fā)明上述目的、特征及優(yōu)點更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明。為讓本發(fā)明上述目的、特征及優(yōu)點更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。再者，本發(fā)明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內(nèi)」、「外」、「側(cè)面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發(fā)明，而非用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明所稱的計算器數(shù)值控制(CNC，Computer Numerical Control)加工機可以是一種具有單一加工軸向或多個加工軸向的CNC加工機，其具有至少一刀庫用以收納多個加工具頭，例如一種五軸的銑削/車削CNC加工機，本發(fā)明并不加以限制，下文將詳細說明本發(fā)明的一種復(fù)合式(Hybrid)的計算器數(shù)值控制加工機的構(gòu)造及其加工方法。

請同時參照圖1及圖2所示，圖1是本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機的構(gòu)造示意圖；圖2是本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機的加工方法的流程圖。本發(fā)明的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100包含：至少一切削工具頭10、一激光熔覆工具頭20、一激光表面熱處理工具頭30及一計算器數(shù)值控制單元40，其中所述切削工具頭10、所述激光熔覆工具頭20及所述激光表面熱處理工具頭30可輪流替換地設(shè)于所述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的一刀具夾頭50；所述切削工具頭10用于對一工件200的至少一加工表面進行切削加工；所述激光熔覆工具頭20用于對所述加工表面進行熔覆；及所述激光表面熱處理工具頭30用于對所述加工表面進行表面熱處理。

詳細來說，所述切削工具頭10可以是銑削或車削的加工刀具，屬于一種 減法式的金屬加工方式；所述激光熔覆工具頭20使用的是一種激光熔覆(Laser Cladding)的金屬加工方式，屬于一種加法式的金屬加工方式，其是以積層制造迭層增加材料的原理進行加法制作過程的制造，利用激光熔融金屬粉末的方式堆棧材料，可應(yīng)用于模具及航天葉片的直接制造與缺陷修補；所述激光表面熱處理工具頭30則是使用激光照射加工表面使局部的金屬加工表面達到金屬熱處理的效果，其具備激光表面改質(zhì)技術(shù)，以進行表面熱處理，有效提升機械組件的表面硬度或調(diào)質(zhì)處理，可應(yīng)用于零件的表面熱處理，提升表面硬度以抵抗磨損。其中，所述激光熔覆工具頭20及所述激光表面熱處理工具頭30可分別通過一軟管(未繪示)連接至外部的至少一激光源內(nèi)(未繪示)，所述軟管內(nèi)設(shè)有光纖組件以傳輸激光線及作業(yè)所需的材料至所述激光熔覆工具頭20及所述激光表面熱處理工具頭30。

請參照第1圖及圖2所示，本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的加工方法，主要包含以下步驟：

S11：提供一復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100，其包含至少一切削工具頭10、一激光熔覆工具頭20、一激光表面熱處理工具頭30及一計算器數(shù)值控制單元40，其中所述切削工具頭10、所述激光熔覆工具頭20及所述激光表面熱處理工具頭30可輪流替換地設(shè)于所述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的一刀具夾頭50；

S12：進行一第一切削作業(yè)，使用所述切削工具頭10對一工件200的至少一加工表面進行切削加工；

S13：進行一熔覆作業(yè)，使用所述激光熔覆工具頭20對所述加工表面進行熔覆；

S14：進行一第二切削作業(yè)，使用所述切削工具頭10對所述熔覆后的加工表面進行切削加工；及

S15：進行一表面熱處理作業(yè)，使用所述激光表面熱處理工具頭30對所 述加工表面進行表面熱處理。

優(yōu)選地，所述激光熔覆工具頭20另包含一熱溫計A及一攝影鏡頭B，所述熔覆作業(yè)S13另包含一熔池溫度感測步驟S131及一熔池亮度/外形感測步驟S132，當(dāng)進行所述熔覆作業(yè)S13時，先以所述熱溫計A對所述加工表面進行熔池溫度感測，并將感測到的熔池溫度提供至所述計算器數(shù)值控制單元40，若熔池溫度未達一默認(rèn)溫度則加強所述激光熔覆工具頭20的功率；若熔池溫度超過所述默認(rèn)溫度則減少所述激光熔覆工具頭20的功率；再以所述攝影鏡頭B對所述加工表面進行熔池亮度及外形感測，并將感測到的熔池亮度及外形提供至所述計算器數(shù)值控制單元40，若熔池亮度及外形未達一預(yù)設(shè)狀態(tài)(如圖3A所示，通過所述攝影鏡頭B觀察到的熔池的外形210，虛線表示預(yù)設(shè)的熔池尺寸)則加強所述激光熔覆工具頭20的功率；若熔池亮度及外形超過所述預(yù)設(shè)狀態(tài)(如圖3B所示，通過所述攝影鏡頭B觀察到的熔池的外形220，虛線表示預(yù)設(shè)的熔池尺寸)則減少所述激光熔覆工具頭20的功率。

優(yōu)選地，所述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機另包含一接觸式或非接觸式的探測工具頭60，所述熔覆作業(yè)S13另包含一接觸式或非接觸式探測作業(yè)S133；其中，若所述熔覆加工表面完成度已充足則進行后續(xù)作業(yè)；若所述熔覆加工表面完成度不充足則再次進行所述熔覆作業(yè)(步驟S134)。

優(yōu)選地，所述激光表面熱處理工具頭30另包含一熱溫計31，所述表面熱處理作業(yè)S15另包含一加工表面溫度感測步驟S151，當(dāng)進行所述表面熱處理作業(yè)S15時，以所述熱溫計31對所述加工表面進行溫度感測，并將感測到的加工表面的溫度提供至所述計算器數(shù)值控制單元40，若加工表面的溫度未達一默認(rèn)溫度則加強所述激光表面熱處理工具頭30的功率；若加工表面的溫度超過所述默認(rèn)溫度則減少所述激光表面熱處理工具頭30的功率。

綜上所述，由于本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100同時包含所述切削工具頭10、所述激光熔覆工具頭20及所述激光表面熱處 理工具頭30，因此可輪流替換地進行加工操作。例如針對一模具的局部損壞進行修補時，可先于S12的第一切削作業(yè)中將損壞處削平；再以S13的熔覆作業(yè)補足模具的體積；接著以S14的第二切削作業(yè)完成模具的修補；并且以S15的表面熱處理作業(yè)進行局部的表面熱處理。因此，通過上述加工方法，使用者可于單一機臺內(nèi)一次完成整個模具的局部修補，不需要將工件在不同的工具機中搬移，因此可大幅簡化加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間。

另外，由于本發(fā)明第一實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的所述激光熔覆工具頭20同時包含一熱溫計A及一攝影鏡頭B，其可于熔覆作業(yè)時感測熔池的溫度、亮度與外形，并提供至所述計算器數(shù)值控制單元40進行回饋控制，因此可進一步地提高工件加工效率與質(zhì)量。

請參照圖4所示，圖4是本發(fā)明第二實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機的加工方法的流程圖。本發(fā)明第二實施例的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機的加工方法主要包含以下步驟：

S21：提供一復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100，其包含至少一切削工具頭10、一激光熔覆工具頭20及一計算器數(shù)值控制單元40，其中所述切削工具頭10及所述激光熔覆工具頭20可輪流替換地設(shè)于所述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的一刀具夾頭50；

S22：進行一切削作業(yè)，使用所述切削工具頭10對一工件200的至少一加工表面進行切削加工；

S23：進行一熔覆作業(yè)，使用所述激光熔覆工具頭20對所述加工表面進行熔覆。

通過上述加工方法，使用者可于單一機臺內(nèi)一次完成切削作業(yè)及熔覆作業(yè)，不需要將工件在不同的工具機中搬移，因此可大幅簡化加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間。再者，用戶可依使用需求彈性地加入本發(fā)明第一實施例的加工方法中的其他步驟，以有效提高加工效率與質(zhì)量。

通過上述加工方法，使用者可于單一機臺內(nèi)一次完成切削作業(yè)及熔覆作業(yè)，不需要將工件在不同的工具機中搬移，因此可大幅簡化加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間。再者，用戶可依使用需求彈性地加入本發(fā)明第一實施例的加工方法中的其他步驟，以有效提高加工效率與質(zhì)量。

通過上述的復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100及其加工方法，使用者可于單一機臺內(nèi)一次完成工件的切削與激光熔覆及/或激光表面熱處理作業(yè)，不需要將工件在不同的工具機中搬移，因此可大幅簡化加工作業(yè)的步驟及加工所需的時間。

請參照圖5所示，圖5是本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的構(gòu)造示意圖。在本發(fā)明的上述實施例中，所述激光熔覆工具頭20進一步包含一機殼21、一刀柄部22及一激光模塊23，其中所述刀柄部22設(shè)于所述機殼21的頂面，可替換地與上述復(fù)合式計算器數(shù)值控制加工機100的一刀具夾頭50結(jié)合；所述激光模塊23包含一激光輸入部231、一激光輸出部232及一分光鏡組件233，其中所述激光輸入部231呈水平設(shè)置于所述分光鏡組件233的一側(cè)面，所述激光輸出部232呈垂直設(shè)置于所述分光鏡組件233的底面。

請參照圖6所示，圖6是本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的運作示意圖，為使說明能夠簡潔，圖中僅選擇性地呈現(xiàn)所述激光熔覆工具頭的相關(guān)部件。如圖6所示，所述分光鏡組件233具有一分光鏡2330，所述分光鏡2330可以是一具有分光功能的菱鏡或半反射鏡的光學(xué)組件。此外，所述激光熔覆工具頭另包含：一第一感測模塊24及一第二感測模塊25，分別設(shè)置于所述激光模塊23的分光鏡組件233上方。

如圖6所示，所述第一感測模塊24具有一第一光學(xué)組件241及一第一感測部件242，所述第一光學(xué)組件241具有一半反射鏡2410設(shè)于所述激光模塊23的分光鏡組件233上方，所述第一感測部件242設(shè)于所述第一光學(xué)組件241的一側(cè)邊。此外，所述第二感測模塊25具有一第二光學(xué)組件251及一第二感 測部件252，所述第二光學(xué)組件251具有一全反射鏡2510設(shè)于所述第一感測模塊24的第一光學(xué)組件241上方，所述第二感測部件252設(shè)于所述第二光學(xué)組件251的一側(cè)邊。

如圖6所示，當(dāng)一外部激光源(未繪示)通過所述激光輸入部231水平輸入一激光光束R1，所述激光光束R1通過所述分光鏡2330向下反射為一激光光束R2，并通過所述激光輸出部232輸出所述激光光束R2至一加工件200。此時，所述第一感測模塊24通過所述半反射鏡2410向下反射并穿過所述分光鏡2330(意即所述加工件200表面向上反射一光線L1，先穿透過所述分光鏡2330，再通過所述半反射鏡2410的反射，成為一光線L2傳至所述第一感測模塊24)，因此使所述第一感測模塊24可感測所述加工件200的加工表面的情形；同時，所述第二感測模塊25通過所述全反射鏡2510向下反射并依序穿過所述半反射鏡2410及所述分光鏡2330(意即所述加工件200表面向上反射所述光線L1，先穿透過所述分光鏡2330，并穿透所述半反射鏡2410，再通過所述全反射鏡2510的反射，成為一光線L3傳至所述第二感測模塊25)，因此使所述第二感測模塊25可感測所述加工件200的加工表面的情形。

具體來說，所述激光輸入部231的一端連接所述分光鏡組件233的一側(cè)面，其另一端設(shè)于所述機殼21的一側(cè)面形成一激光入口211；所述激光輸出部232的一端連接所述分光鏡組件233的底面，其另一端連接所述機殼21的一底面形成一激光出口212。另外，所述第一光學(xué)組件的半反射鏡優(yōu)選呈45度傾斜設(shè)置；以及所述第二光學(xué)組件的全反射鏡優(yōu)選呈45度傾斜設(shè)置。

再者，在本發(fā)明的一可能實施例中，所述第一感測模塊24的第一感測部件242為一熱溫計，即本發(fā)明第一實施例的熱溫計A，所述第二感測模塊25的第二感測部件252為一攝影鏡頭，即本發(fā)明第一實施例的攝影鏡頭B；或者，在本發(fā)明的另一可能實施例中，所述第一感測模塊24的第一感測部件242為一攝影鏡頭，即本發(fā)明第一實施例的攝影鏡頭B，所述第二感測模塊 25的第二感測部件252為一熱溫計，即本發(fā)明第一實施例的熱溫計A。

請參照圖7所示，圖7是本發(fā)明第三實施例的激光熔覆工具頭的加工表面感測方法的流程圖。所述激光熔覆工具頭20的加工表面感測方法，包含步驟如下：

S31：提供一激光熔覆工具頭20，所述激光熔覆工具頭20具有本發(fā)明上述實施例的構(gòu)造。

S32：操作所述第一感測模塊24，使其通過所述半反射鏡向下反射并穿過所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形。

S33：操作所述第二感測模塊，使其通過所述全反射鏡向下反射并穿過所述半反射鏡及所述分光鏡，感測所述加工件的加工表面的情形。

在本發(fā)明的一可能實施例中，上述第一感測模塊24可為一熱溫計感測模塊，所述第二感測模塊25可為一攝影鏡頭感測模塊；或者，在本發(fā)明的另一可能實施例中，所述第一感測模塊24為一攝影鏡頭感測模塊，所述第二感測模塊25為一熱溫計感測模塊。并且，上述步驟S32和S33的順序也可以調(diào)換實施或者單獨實施，使用者可依實際需要進行調(diào)整，并應(yīng)用于本發(fā)明的第一及第二實施例中，本發(fā)明并不加以限制。

綜上所述，本發(fā)明提供一種激光熔覆工具頭及其加工表面感測方法，通過使所述激光熔覆工具頭同時具有一熱溫計及一攝影鏡頭的感測模塊，其可于熔覆作業(yè)時感測熔池的溫度、亮度與外形，并提供至一計算器數(shù)值控制單元進行回饋控制，因此可進一步地提高工件加工效率與質(zhì)量。

本發(fā)明已由上述相關(guān)實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發(fā)明的范例。必需指出的是，已公開的實施例并未限制本發(fā)明的范圍。相反地，包含于權(quán)利要求書的精神及范圍的修改及均等設(shè)置均包括于本發(fā)明的范圍內(nèi)。