用于進行結合的激光加工和計量的機器人系統及相關方法與流程

本公開內容總體上涉及激光加工，并且更具體地，涉及用于能夠優化(one-up)組裝工件的結合的(integrated，整體的，一體的)激光加工和計量(metrology)的方法和系統。

背景技術：

當前，存在兩種常規技術用于在多材料層疊物或者由兩層或更多層不同材料制成的組件中鉆孔。在一種技術中，當層疊物的各層彼此分離時，在這些層中鉆孔。例如，在第一層中鉆一個孔，并且在第二層中鉆對應的孔。然后這些層組裝在一起，其中孔一起排齊(line up)。然而，由于孔在層中是各自鉆出的，而不是共同穿過這些層，因此當將層組裝在一起時，可能在孔的排列、尺寸和方位上產生誤差。

在稱為匹配式鉆孔的第二技術中，可在各層保持在一起時，穿過層疊物鉆取一個孔。更具體地，首先這些層可組裝并結合在一起，然后可穿過整個層疊物進行鉆孔。盡管消除了孔排列、尺寸和方位的問題，但是匹配式鉆孔仍可能產生非理想的孔。例如，匹配式鉆孔可在金屬轉角上產生毛刺并且可在碳纖維增強的聚合材料中形成撕裂。

為了在匹配式鉆孔之后清潔這些孔，該層疊物被拆卸，并且每個層中的孔都要經受修整過程。修整過程之后，這些層被重新組裝以形成層疊物。為了實現高質量的孔，對組裝、拆卸并且重新組裝該層疊物的需要在生產期間導致成本和流程時間的明顯增加。因此，存在對提供用于加工多材料層疊物的成本有效的、高效的方法以及系統的需要。

技術實現要素：

根據一個實施方式，公開了混合式激光加工和計量方法，能夠優化組裝工件。混合式加工和計量方法可包括使從工件中去除材料的第一激光輸出與測量從工件中去除的材料的第二激光輸出交錯。

在改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括發射第二激光輸出的計量激光脈沖以測量到工件上的位置的距離。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括將測量的到工件的距離與到工件上的位置的理想距離進行比較，以確定該位置的表面偏差值。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括基于所確定的該位置的表面偏差值將第一激光輸出的加工激光脈沖發射至工件上的該位置。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括確定工件上的多個位置中的每個位置的表面偏差值。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括使用工件上的多個位置中的每個位置的表面偏差值生成輪廓映射。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括基于所生成的輪廓映射產生加工激光脈沖的激光脈沖樣式。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括根據最小下降的方法使計量激光脈沖交錯作為激光脈沖樣式的一部分。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括使用第一激光源產生第一激光輸出，并且使用第二激光源產生第二激光輸出，第二激光源是與第一激光源分離的激光源。

在另一改進的實施方式中，激光加工和計量方法可進一步包括調節單個激光源的脈沖能量以產生第一激光輸出和第二激光輸出中的每一個。

根據另一實施方式，公開了用于進行結合的激光加工和計量的機器人系統，能夠優化組裝工件。機器人系統可包括：激光源，構造成產生第一激光輸出以從工件去除材料；以及控制器，與激光源通信。控制器可構造成調節激光源的能級以產生第二激光輸出，以測量從工件去除的材料。

在改進的實施方式中，控制器可進一步構造成根據最小下降的方法使第二激光輸出交錯在第一激光輸出的脈沖中間。

在另一改進的實施方式中，激光源可以是飛秒激光器。

在另一改進的實施方式中，機器人系統可進一步包括與控制器通信的檢測器，該檢測器構造成在第二激光輸出從激光源發射到工件上之后檢測從工件散射回來的光的量。

在另一改進的實施方式中，控制器可進一步構造成基于使用第二激光輸出進行的測量來確定第一激光輸出的脈沖樣式。

根據另一實施方式，公開了用于進行結合的激光加工和計量的機器人系統，能夠優化組裝工件。機器人系統可包括：第一激光源，構造成生成第一激光輸出以從工件去除材料；第二激光源，構造成生成第二激光輸出以測量從工件去除的材料；以及控制器，與第一激光源和第二激光源通信。控制器可構造成協調第二激光輸出與第一激光輸出。

在改進的實施方式中，第一激光源可以是飛秒激光器，并且第二激光源可以是激光二極管。

在另一改進的實施方式中，機器人系統可進一步包括末端執行器，該末端執行器構造成引導第一激光輸出和第二激光輸出在工件上的位置，末端執行器包括用于第一激光源的第一組光學器件和用于第二激光源的第二組光學器件。

在另一改進的實施方式中，機器人系統可進一步包括與控制器通信的檢測器，該檢測器可構造成檢測從工件散射回來的光的量，控制器構造成基于從檢測器接收的數據生成工件的表面的輪廓映射。

在另一改進的實施方式中，控制器可進一步構造成基于所生成的輪廓映射控制末端執行器的位置。

根據結合附圖時的以下詳細說明，這些和其他方面以及特征將變得更加易于清晰可見。此外，盡管關于具體示例性實施方式公開了各種特征，應理解的是，各種特征可以彼此結合、或者單獨使用，在沒有偏離本公開內容的范圍的情況下，具有任何各種示例性實施方式。

附圖說明

圖1是根據本公開內容的一個實施方式的機器人系統的示意圖；

圖2是根據另一實施方式的機器人系統的示意圖；

圖3是圖2的機器人系統的末端執行器的前視圖；

圖4是圖3的末端執行器的側視圖；

圖5是示出了根據另一實施方式的交錯的加工激光脈沖和計量激光脈沖的激光脈沖樣式的時序圖；

圖6是示出了根據另一實施方式的交錯的加工激光脈沖和計量激光脈沖的另一激光脈沖樣式的時序圖；

圖7是示出了根據另一實施方式的使用測量優化策略的交錯的加工激光脈沖和計量激光脈沖的激光脈沖樣式的時序圖；

圖8是根據另一實施方式的工件中的孔的內表面的表面輪廓映射(profile map)的圖解視圖；

圖9是根據另一實施方式的工件的位于兩個層之間的具有斜切交叉部的孔的內表面的剖視圖；

圖10是根據另一實施方式的機器人系統的示意圖；

圖11是圖10的機器人系統的末端執行器的前視圖；

圖12是圖11的末端執行器的側視圖；

圖13是根據另一實施方式的機器人系統的示意圖；

圖14是圖13的機器人系統的末端執行器的前視圖；

圖15是圖14的末端執行器的側視圖；以及

圖16是示出了根據另一實施方式的能夠優化組裝工件的混合式激光機械加工和計量過程的流程圖。

盡管本公開內容易進行各種修改和可替換的構造，但是本公開內容的某些示例性實施方式將在以下示出并進行詳細地描述。本公開內容不限于所公開的特定實施方式，而是包括所有修改、可替換的構造及其等效物。

具體實施方式

現將詳細地參考特定實施方式或者特征，它們的實例示出在附圖中。總體上，貫穿附圖，相應的參考標號將用于指代相同或相應的部件。

圖1示意性地示出了根據本公開內容的實施方式的能夠優化組裝工件22的結合的激光加工和計量的機器人系統20。工件22可包括層疊物，諸如，用在航天器、飛機的本體以及許多其他應用中的層疊物。該層疊物可包括組裝在一起的多個層。應理解的是，機器人系統20除了層疊物之外還可用在各種類型的工件上。

在實例中，工件22可以是包括第一層24和第二層26的多材料層疊物，每個層具有不同的材料。例如，第一層24可由金屬組成，并且第二層26可由碳纖維增強的聚合材料組成。然而，可以使用其他類型的材料和材料的組合。此外，工件22可包括多于或少于兩層的層。在另一實例中，該層疊物可以不是多材料的，并且可包括相同材料的層。

機器人系統20可在工件22上執行混合式加工和計量過程。機器人系統20可在單個操作中加工并測量工件22上的特征28。更具體地，機器人系統20可與特征28的測量操作基本上同時地執行特征28的加工操作。通過將加工過程和計量過程結合到單個過程中，在工件22的制造期間可實現明顯的時間和成本節約。此外，結合的加工和計量不僅消除了對拆卸層疊物以執行修整過程的需要，而且增加了加工過程的精確性。這樣做， 機器人系統20允許層疊物的優化組裝，或者在制造期間僅組裝層疊物一次。

機器人系統20可包括與激光源32和末端執行器34操作通信的控制系統30。控制系統30可被構造成控制激光源32和末端執行器34，以便加工并測量工件22中的特征28。例如，激光源32可以是經由啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification)而放大的超短脈沖激光器，諸如飛秒激光器。然而，可以使用其他類型的激光器以及其他類型的放大技術。

末端執行器34可連接至機器人系統20的機器人臂的端部。末端執行器34可被構造成將來自激光源32的激光輸出36引導到工件22上的精確位置上。控制系統30可與致動器38通信，該致動器被構造成使末端執行器34移動并旋轉。例如，致動器38可以是蝸輪電機(worm gear motor)，但是可以使用其他類型的致動器。

控制系統30可包括控制器40，該控制器使用處理器、微處理器、微控制器、數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FGPA)和基于處理器的裝置中的一個或多個來執行，該控制器可包括或可與非暫時性計算機可讀存儲介質(在其上存儲有計算機可執行指令)相關聯，或者可包括或可與用于電子控制激光源32和末端執行器34的致動器38的功能的任何其他合適的設備相關聯。

控制器40可被構造成根據用于操作激光源32和定位末端執行器34的預定算法或指令組來進行操作。這種算法或指令組可被編程或結合到存儲器42中，該存儲器與控制器40相關聯或者至少對于控制器40是可訪問的。存儲器42可設置在控制器40內和/或控制器40外，并且可包括非易失性存儲器。應理解的是，控制系統30和控制器40可包括其他硬件、軟件、固件及其組合。

此外，控制系統30可包括多于一個的控制器40。例如，控制器40可以是控制系統30的主控制器，而激光源32可具有相關的控制器44，并且末端執行器34的致動器38也可具有相關的控制器46。然而，當然還可以使用其他構造。控制器40可與激光源控制器44和致動器控制器46通信，以便控制激光源32和致動器38的操作。例如，控制系統30可控制激光源32的時序、激光脈沖樣式、脈沖能量、脈沖持續時間和其他屬性、以及致動器38的移動，并且因此，可控制末端執行器34的位置。

在一個實例中，機器人系統20可用于對已經加工到工件22中的特征28的修整過程。然而，機器人系統20還可用于將新特征或結構加工到工件22中。特征28可以是孔48，盡管還可以由機器人系統20形成其他類型的特征或結構。孔48可沿著中央軸線50從第一端表面52至第二端表 面54延伸穿過工件22。例如，孔48可以是上述鉆取或者加工到層疊物中的尺寸過小的導向孔。

如圖1所示，機器人系統20的末端執行器34可插入在孔48內。末端執行器34的中央軸線56可以與孔48的中央軸線50平行、對準和/或重合。末端執行器34可集中并引導來自激光源32的激光輸出36，垂直于或橫向于孔48的內表面58傳遞激光輸出36。

這樣做，機器人系統20可在孔48的內表面58上執行混合式加工和計量過程，以便符合該特征的規格。例如，機器人系統20可測量孔48的尺寸，諸如，針對內表面58的整個區域的從末端執行器34至內表面58的距離。然后激光源32可激活，以加工內表面58的某些位置以便符合孔48的規格容差。

更具體地，激光源32可布置為鄰近末端執行器34的第一端60，并且可引導激光輸出36通過末端執行器34的第一端60。盡管在圖1中未示出，但是激光源32還可布置為鄰近末端執行器34的第二端62，并且還可引導激光輸出36通過末端執行器34的第二端62。然而，可以使用用于激光源32、激光輸出36和末端執行器34的其他構造。

末端執行器34可移動激光源32，以在分別基本上橫向于或垂直于孔48的內表面58和/或孔48和末端執行器34的軸線50、56的方向上將激光輸出36聚焦并引導到孔48的內表面58上。此外，控制系統30可被構造成經由致動器38移動末端執行器34，使得可以測量和/或加工內表面58的整個表面區域。例如，致動器38可使末端執行器34圍繞中央軸線56旋轉并且使末端執行器34豎直沿著中央軸線56移動。此外，致動器38可包括或者與傳感器和指示器相關聯，以分別檢測并顯示末端執行器34的位置，諸如，角位置、豎直位置等。

現在參考圖2至圖4，繼續參考圖1，末端執行器34可包括具有總體上為柱形形狀的本體70，盡管可以使用其他形狀的本體70。一組光學器件72和檢測器74可安裝至末端執行器34的本體70的內部。該組光學器件72可包括透鏡76和鏡子78。透鏡76可將來自激光源32的激光輸出36聚焦在鏡子78上，并且鏡子78可引導激光輸出36通過本體70的側面84中的孔口80離開末端執行器34。然而，可以使用用于末端執行器34的其他波束傳遞構造。

更具體地，如圖4所示，支架82可將鏡子78定位為相對于末端執行器34的中央軸線56呈角度α。例如，鏡子78可安裝為相對于末端執行器34的中央軸線56大約四十五度(45°)，但是鏡子78的角度α還可使用其他數值。鏡子78可使激光輸出36偏轉離開末端執行器34的側面84上的孔口80。

在圖2中示出的實例中，激光輸出36可遵循末端執行器34的中央軸線56從激光源32射出。激光輸出36可通過透鏡76聚焦在鏡子78上。鏡子78可引導激光輸出36在垂直于末端執行器34的中央軸線56的方向上通過孔口80以偏轉角度β離開末端執行器34的側面84。例如，偏轉角度β可為相對于末端執行器34的中央軸線56大約為九十度(90°)，但是β也可以大于或小于九十度(90°)。可以使用除了示出和描述的末端執行器34的該組光學器件72和孔口80之外的其他構造。

為了加工工件22，激光源32可提供第一激光輸出，該第一激光輸出具有的能量足以從工件22去除材料。為了測量從末端執行器34的中央軸線56至內表面58的距離，激光源32可提供第二激光輸出，該第二激光輸出具有的能量足以執行干涉測量式的(interferometric)距離測量。干涉測量式的距離測量可以使用時域或頻域干涉法獲取。干涉測量式的距離測量可以校準，以使用標準的計量方法產生從末端執行器34的中央軸線56至孔48的內表面58的距離。然而，可以使用測量從末端執行器34的中央軸線56至內表面58的其他構造和方法。

現在參考圖5至圖7，繼續參考圖1至圖4，在一個實施方式中，為了從孔48的內表面58去除材料，第一激光輸出可實現為多個加工激光脈沖64。更具體地，激光源32可以通過限定激光脈沖64的預定脈沖能量實現預定激光脈沖樣式。例如，加工激光脈沖64可產生超過10¹²每平方厘米瓦特(W/cm²)的輻照度，但是還可以使用其他輻照度值。第一激光輸出的加工激光脈沖64的預定脈沖能量可大于第二激光輸出的計量激光脈沖66的預定脈沖能量。更具體地，計量激光脈沖66的預定脈沖能量可小于加工激光脈沖64的預定脈沖能量，這是因為第二激光輸出僅需要足夠的脈沖能量來測量到內表面58的距離，而不需要從工件22去除材料。

為了實現混合式加工和計量過程，控制器40可被構造成使計量激光脈沖66與加工激光脈沖64交錯(interleave)。在一個實例中，控制器40可被構造成調節激光源32的能量，以便產生加工激光脈沖64和計量激光脈沖66兩者。例如，計量激光脈沖66的預定脈沖能量可小于加工激光脈沖64的預定脈沖能量，使得在孔48的內表面58處產生的輻照度減少約一千(1000)倍(factor)。然而，還可以使用除了一千(1000)之外的數值。

因此，如果激光源32預設為生成加工激光脈沖64以從工件22去除材料，則控制器40可減小激光源32的脈沖能量，以便為工件22的計量生成計量激光脈沖66。相反地，如果激光源32預設為計量以測量工件22的特征28，則控制器40可增加激光源32的脈沖能量，以便生成用于加工工件22的加工激光脈沖64。此外，如圖5至圖7的實例所示，控制器40 可改變激光源32的脈沖能量，以便使第二激光輸出的計量激光脈沖66與第一激光輸出的加工激光脈沖64相互穿插(intersperse)。

例如，在圖5的實例中，激光源32可實現這樣的激光脈沖樣式67，其中加工激光脈沖64和計量激光脈沖66交錯，使得在另一個脈沖類型出現之前僅出現每個脈沖類型中的一個。在圖6中示出的另一實例中，激光源32可實現這樣的激光脈沖樣式68，其中在計量激光脈沖66之前出現兩個或更多個加工激光脈沖64，在這一點上，該樣式自身重復。在另一示例性激光脈沖樣式(未示出)中，在計量激光脈沖66之前出現的加工激光脈沖64的數量可以是隨機整數。然而，還可以使用使加工激光脈沖64和計量激光脈沖66交錯的其他樣式。

再次參考圖2，檢測器74可被構造成通過計量激光脈沖66記錄從工件22散射回來的光，并且將相應的信號發送至控制器40。例如，檢測器74可包括高速光電二極管，但是還可以使用其他類型的檢測器。此外，控制器40可將來自檢測器74的數據存儲到控制器40的存儲器42中。控制器40可使用來自檢測器74和激光源控制器44的數據，以使用干涉測量式的距離測量技術確定從末端執行器34的中央軸線56至內表面58的距離。此外，校準數據可存儲在控制器40的存儲器42中，以用于產生距離測量。

例如，使用來自檢測器74的數據，控制器40可生成孔48的內表面58的表面輪廓映射88(圖8中示出)。輪廓映射88可包括從末端執行器34的中央軸線56至孔48的內表面58上的每個加工位置的徑向距離r。更具體地，孔48的內表面58上的位置(z，θ)可根據柱面坐標系統進行繪制，其中，z表示中央軸線56的方向上的坐標，并且θ表示圍繞中央軸線56的角位置。可以從中央軸線56至內表面58上的每個位置(z，θ)測量徑向距離r，并且該徑向距離可存儲在控制器40的存儲器42中。

此外，孔48的包括理想的或預定的預定規格容差、整個內表面58的徑向距離和容差可被預編程到控制器40的存儲器42中。控制器40可被構造成將所測量的徑向距離r_m與每個位置(z，θ)的理想徑向距離r_i進行比較，并且產生每個位置(z，θ)處的表面偏差值Δr_(z，θ)。例如，控制器40可使用以下等式確定每個位置處(z，θ)的表面偏差值：

Δr_(z,θ)＝r_i–r_m

其中，Δr_(z，θ)表示表面偏差值，r_i表示理想徑向距離，并且r_m表示所測量的徑向距離。

基于表面偏差值Δr_(z，θ)，控制器40可確定每個位置(z，θ)的下一個加工操作。例如，如果表面偏差值Δr_(z，θ)小于或者等于位置(z，θ) 的預定規格容差，則控制器40可確定加工操作無須在位置(z，θ)處執行。如果表面偏差值Δr_(z，θ)大于位置(z，θ)的預定規格容差，則控制器40可在位置(z，θ)處執行進一步加工。此外，控制器40可利用輪廓映射88的假色(false-color)輸出構造以在內表面58的每個位置(z，θ)處表示表面偏差值Δr_(z，θ)的范圍。然而，可通過控制器40生成輪廓映射88的其他構造，可以利用其他數據顯示方案。

在一個實例中，控制器40可被構造成從激光源32發射初始計量激光脈沖66，以便獲取從末端執行器34的中央軸線56至孔48的內表面58上的位置(z，θ)的初始測量距離。基于初始測量距離，控制器40可確定表面偏差值Δr_(z，θ)，并且可執行用于位置(z，θ)的第一激光輸出的加工激光脈沖64的預定脈沖樣式。預定脈沖樣式可以是這樣的加工激光脈沖64的樣式，即，被構造成從內表面58去除材料，以便將表面偏差值Δr_(z，θ)減少到預定規格容差內。例如，控制器40可執行圖5至圖7中示出的任何示例性激光脈沖樣式67-69，但是還可以使用其他激光脈沖樣式。

此外，貫穿第一激光輸出的預定脈沖樣式，控制器40可使第二激光輸出的計量激光脈沖66交錯，以便監控進程并且保證加工操作的精確性。例如，如圖7中的示例性激光脈沖樣式69所示，控制器40可被構造成根據測量優化策略(諸如最小下降(least descent)的方法)使第二激光輸出的計量激光脈沖66交錯在第一激光輸出的加工激光脈沖64中間。交錯的加工激光脈沖64和計量激光脈沖66的激光脈沖樣式69可根據最小下降的方法進行優化，以便迅速地實現孔48的預定規格容差。然而，可以使用交錯的加工激光脈沖64和計量激光脈沖66的其他優化方法或者預定樣式。

在一個實施方式中，如圖7所示，控制器40可根據最小下降的方法將計量激光脈沖66結合到第一激光輸出的預定脈沖樣式中，以使得某些加工激光脈沖64由計量激光脈沖66代替。例如，如果預定脈沖樣式包括一百(100)個加工激光脈沖64以將表面偏差值Δr_(z，θ)減少到預定規格容差內，則控制器40可生成第一脈沖，該第一脈沖可以是加工激光脈沖64或者計量激光脈沖66。繼續該實例，隨后的五十(50)個脈沖每個都可以是由另一個計量激光脈沖66跟隨的加工激光脈沖64。

繼續該實例，控制器40可生成隨后的二十五(25)個脈沖，每個都是由另一個計量激光脈沖66跟隨的加工激光脈沖64。控制器40然后可生成另外十(10)個加工激光脈沖64，其由另一個計量激光脈沖66跟隨，等等。然而，還可以使用加工激光脈沖64和計量激光脈沖66的其他預定脈沖樣式、序列和量。

因此，控制器40可使用單個激光源32并且保持相同的脈沖樣式、時間、脈沖持續時間等，只改變脈沖能量，以便分別生成加工激光脈沖64和計量激光脈沖66兩者。基于使用交錯的計量激光脈沖66獲取的測量，控制器40可以在預定脈沖樣式中修改加工激光脈沖64或者繼續該預定脈沖樣式。更具體地，基于從計量激光脈沖66接收的數據，控制器40可修改樣式中的加工激光脈沖64的數量或者加工激光脈沖64的能量，并且因此，修改孔48的內表面58處的輻照度。這樣做，控制器40可實時開發混合式加工和計量激光脈沖樣式。

因此，機器人系統20可監控內表面58上的加工操作并且如有必要則改變至預定脈沖樣式。因此，控制系統30保證表面偏差值Δr_(z，θ)降低到位置的預定規格容差，同時仍然進行加工操作。此外，機器人系統20在無需拆卸工件22的情況下產生完美的或近乎完美的特征。例如，機器人系統20可以適當設置孔48的尺寸，保證孔48內的高質量表面光潔度，使孔48的任何邊緣去除毛邊，并且形成專門的細部，諸如，在兩個層24、26在孔48內或者在孔48的其他邊緣上接觸的位置處的倒角89(圖9)。

在一個實例中，機器人系統20最初可通過在內表面58的整個表面區域上發射計量激光脈沖66而生成輪廓映射88。然后控制系統30可在內表面58上引導激光源32和末端執行器34，從而發射混合式加工和計量激光脈沖樣式，以便實現預定規格容差。此外，機器人系統20可在一個位置(z，θ)上工作，在移動至內表面58上的下一位置之前，將其表面偏差值Δr_(z,θ)減小到預定規格容差。

然而，機器人系統20也可集中在內表面58的多個位置上工作，逐漸減小內表面58上的表面偏差值Δr_(z,θ)，直到整個表面區域處于預定規格容差內。例如，末端執行器34可在激光脈沖中間旋轉和/或豎直轉移。在一個實例中，機器人系統20最初可在整個內表面58上發射計量激光脈沖66，遵循末端執行器34的預定移動樣式以生成映射88。

預定移動樣式可實現末端執行器34的角旋轉(改變θ的值)和豎直轉移(改變z的值)，使得可通過機器人系統20在內表面58的每個位置(z，θ)上工作。在實例中，在生成映射88之后，機器人系統20可繼續執行預定移動樣式并且在內表面58上將加工激光脈沖64發射至需要進一步加工的不同位置。機器人系統20可根據預定移動樣式保持橫過(traverse，來回移動)內表面58，同時為每個位置協調預定脈沖樣式。

此外，在最初將加工激光脈沖64從激光源32發射至內表面58之前，無需為內表面58的整個表面區域生成映射88。機器人系統20可在發射計量激光脈沖66以測量內表面58上的其他位置之前將加工激光脈沖64發 射至一個或多個位置。隨著末端執行器34橫過內表面58，可動態生成映射88，并且機器人系統20在多個位置上工作。

例如，機器人系統20可在內表面58上逐行工作，使得在機器人系統20移動至內表面58的下一行并且在該下一行上工作之前，內表面58的整行(即，具有共同的z值的位置)在預定規格容差內。機器人系統可以各種方式構造、實現并協調移動樣式和脈沖樣式。例如，機器人系統可在內表面58上逐列(即，具有共同的θ值的位置)或者根據其他布置工作。因此，機器人系統20可使用多種不同的方法實現特征28的預定規格容差。

此外，除了交錯的計量激光脈沖66之外，還可以使用其他測量技術，以便精確地測量從內表面58去除的材料的量。在一個實例中，機器人系統20可監控來自加工操作的噴出物。例如，機器人系統20可監控熒光噴射的材料，以便將反饋提供至控制系統30，諸如，在激光誘導擊穿光譜(LIBS)、激光誘導熒光(LIF)等中。然而，也可以使用其他測量技術。

現在參考圖10至圖12，繼續參考圖1至圖9，示出了根據另一實施方式的機器人系統120。機器人系統120可包括第一激光源132、第二激光源190、致動器138和末端執行器134。末端執行器134可具有大體柱形本體170，該柱形本體具有安裝在其中的第一組光學器件172和第二組光學器件192。第一組光學器件172可包括第一透鏡176和第一鏡子178，而第二組光學器件192可包括光學纖維194、第二透鏡196和第二鏡子198。

第一激光源132可用于為加工激光脈沖64提供第一激光輸出200，而第二激光源190可用于為計量激光脈沖66提供第二激光輸出202。第一激光源132可以是經由啁啾脈沖放大而放大的超短脈沖激光器，諸如，飛秒激光器。然而，可以使用其他類型的加工激光器以及其他類型的放大技術。

第二激光源190可以是用于至孔48的內表面58的距離測量的納秒激光器，諸如，激光二極管。然而，可以使用其他類型的激光器或半相干光源以及測量技術。此外，第二激光源190可具有諸如在激光二極管中的嵌入式檢測器174。檢測器174可被構造成記錄從工件22散射回來的光，并且將相應信號發送至控制器140。然而，可以使用其他類型的檢測器以及檢測器174的構造。

來自第一激光源132的第一激光輸出200可通過第一透鏡176聚焦至第一鏡子178。第一鏡子178可引導第一激光輸出200通過孔口180離開末端執行器134并且引導在孔48的內表面58上。來自第二激光源190的第二激光輸出202可通過光學纖維194(或者經由其他裝置)從末端執行器134的第一端160傳輸至鄰近第二透鏡196的位置。第二激光輸出202然后可以通過第二透鏡196聚焦在第二鏡子198上。

第二鏡子198可將第二激光輸出202引導到孔48的內表面58上引導第一激光輸出200的同一位置。例如，光學纖維194的端部204可以一角度裂開(cleave)，并且光柵可沉積在光學纖維194的端部204上，以便通過第二透鏡196傳遞第二激光輸出202并且傳遞到第二鏡子198上。此外，第二鏡子198可被放置為相對于光學纖維194的端部204以及第二透鏡196的方位成一角度，其將第二激光輸出202反射到引導第一激光輸出200的同一位置上。然而，可以使用其他構造、布置和光學元件。

此外，控制系統130可被構造成使第二激光輸出202的計量激光脈沖66交錯在第一激光輸出200的加工激光脈沖64中間。更具體地，控制器140可實現來自第一激光源132的加工激光脈沖64的預定脈沖樣式。控制器140可進一步被構造成協調來自第二激光源190的計量激光脈沖66與加工激光脈沖64，以使得加工激光脈沖64的預定脈沖樣式不間斷。此外，控制器140可根據諸如最小下降的方法的測量優化策略來實現計量激光脈沖66，但是還可以使用交錯的加工激光脈沖64和計量激光脈沖66的其他優化方法或者預定樣式。

控制器140可設置來自第二激光源190的計量激光脈沖66的時間，以使得它們在預定脈沖樣式中不取代任何加工激光脈沖64，并且反而，在不干擾預定脈沖樣式的情況下，在來自第一激光源132的加工激光脈沖64中間進行發射。這樣做，控制器140無需調節第一激光源132的脈沖能量。使分離的第二激光源190生成計量激光脈沖66允許第一激光源132繼續加工操作而不中斷，同時仍然提供結合的計量。

現在轉至圖13至圖15，繼續參考圖1至圖12，示出了根據另一實施方式的機器人系統320。機器人系統320可包括第一激光源332、第二激光源390、致動器338和末端執行器334。末端執行器334可具有大體柱形本體370，該柱形本體具有安裝在其中的第一透鏡376、第二透鏡396和雙側鏡子378。與圖10至圖12示出并描述的實施方式相似，第一激光源332可用于為加工激光脈沖64提供第一激光輸出400，而第二激光源390可用于為計量激光脈沖66提供第二激光輸出402，并且第二激光源可包括檢測器374。

來自第一激光源332的第一激光輸出400可通過第一透鏡376聚焦到雙側鏡子378的第一側364。鏡子378的第一側364可引導第一激光輸出400通過本體370的側面384上的第一孔口380離開末端執行器334并且引導到孔48的內表面58上。例如，第二激光源390可布置為鄰近末端執行器334的第二端362，并且第二激光輸出402可通過第二透鏡396聚焦至雙側鏡子378的第二側366。第二激光源390可連接至控制器340，例如，經由沿著末端執行器334的長度在內部或外部延伸的引線，但是還可 以使用其他連接件。在另一實例中，第二激光源390可布置為鄰近第一端360，并且第二激光輸出402可通過光學纖維沿著末端執行器334的長度被引導，該光學纖維然后通過第二透鏡396將第二激光輸出402傳遞至鏡子378的第二側366。

鏡子378的第二側366可引導第二激光輸出402通過位于本體370的與第一孔口380相對的側面406上的第二孔口368而離開末端執行器334，并且引導到孔48的內表面58上。更具體地，計量激光脈沖66可圍繞孔48的周緣以相對于加工激光脈沖64一百八十度(180°)的偏移而引導在內表面58上。因此，第二激光輸出402的計量激光脈沖66可被引導至的內表面58上的與第一激光輸出400的加工激光脈沖64引導在內表面58上的位置不同的位置上。

控制系統330可將兩個位置之間的偏移或空間關系轉換(translate)到過去加工激光脈沖樣式或未來加工激光脈沖樣式的記錄中。更具體地，基于計量激光脈沖66與加工激光脈沖64的兩個位置之間的偏移，控制器340可在存儲器342中存儲測量的距離并且在內表面58上追蹤加工激光脈沖64。這樣做，機器人系統320可同時測量并加工孔48的內表面58。

可以使用計量激光脈沖66的位置與加工激光脈沖64的位置之間的除了一百八十度(180o)之外的其他偏移。此外，可以使用除了示出和描述之外的其他構造和光學元件。例如，計量激光脈沖66的位置可在末端執行器334的旋轉方向上圍繞孔48的周緣在加工激光脈沖64的位置前面被引導為在θ上偏移一度(1°)。在另一實例中，計量激光脈沖66可在z上偏移并且對準，使得它們沿著末端執行器334在孔48內移動的方向為加工激光脈沖64前面的一行。計量激光脈沖66與加工激光脈沖64的位置之間的各種偏移可通過末端執行器334進行構造。

工業實用性

總體上，上述公開內容在有關機器人系統的各種應用中具有效用。具體地，所公開的機器人系統可用于在工件上提供混合式加工和計量過程。更具體地，所公開的機器人系統在單個操作中同時加工和測量工件上的特征。

通過將加工過程和計量過程結合到單個過程中，可生產出高質量特征，其滿足可能的最嚴格的規格容差。此外，在工件的制造期間可以實現明顯的時間和成本節約。結合的加工和計量消除了對拆卸層疊物以執行修整過程的需要，從而提供層疊物的優化組裝或在制造期間僅需組裝層疊物一次。例如，所公開的機器人系統可適當地設置孔的尺寸，保證高質量的表面光潔度，使孔的邊緣去除毛邊，并且在無需拆卸工件的情況下在孔內形成專門細部。結合的加工和計量還使在組件上的加工位置處加工和計量 設備之間的切換時間最小化，并且使加工和計量設備之間的共同調準(co-alignment)最小化。

現在轉至圖16，繼續參考圖1至圖15，示出了根據本公開內容的另一實施方式的能夠優化組裝工件的混合式激光加工和計量過程510。在框512中，控制器發射第二激光輸出的計量激光脈沖以測量到工件中的孔的內表面的初始距離。在框514中，控制器基于從計量激光脈沖獲得的測量距離確定第一激光輸出的加工激光脈沖樣式，以從工件中的孔的內表面去除材料。在框516中，控制器使去除材料的第一激光輸出的加工激光脈沖與測量去除的材料的第二激光輸出的計量激光脈沖交錯，以便滿足工件的孔的預定規格容差。

應理解的是，圖16中的流程圖示出并描述為僅幫助公開所公開的系統的特征的實例，并且在不偏離本公開內容的范圍的情況下，除了示出的步驟之外的更多或更少的步驟可包括在與用于所公開系統的上述各種特征對應的過程中。

進一步地，本公開內容包括根據下列項的實施方式：

項1.一種激光加工和計量方法，能夠優化組裝工件，該方法包括：

使從工件去除材料的第一激光輸出與測量從工件去除的材料的第二激光輸出交錯。

項2.根據項1所述的激光加工和計量方法，進一步包括發射第二激光輸出的計量激光脈沖以測量到工件上的位置的距離。

項3.根據項2所述的激光加工和計量方法，進一步包括將到工件的所測量的距離與到工件上的位置的理想距離進行比較，以便確定位置的表面偏差值。

項4.根據項3所述的激光加工和計量方法，進一步包括基于所確定的位置的表面偏差值將第一激光輸出的加工激光脈沖發射至工件上的位置。

項5.根據項3所述的激光加工和計量方法，進一步包括確定工件上的多個位置中的每一個位置的表面偏差值。

項6.根據項5所述的激光加工和計量方法，進一步包括使用用于工件上的多個位置中的每一個位置的表面偏差值生成輪廓映射。

項7.根據項6所述的激光加工和計量方法，進一步包括基于所生成的輪廓映射產生加工激光脈沖的激光脈沖樣式。

項8.根據項7所述的混合式激光加工和計量方法，進一步包括根據最小下降的方法使計量激光脈沖交錯(interleave，交織，穿插)作為激光脈沖樣式的一部分。

項9.根據項1所述的混合式激光加工和計量方法，進一步包括使用第一激光源產生第一激光輸出，并且使用第二激光源產生第二激光輸出，第二激光源是與第一激光源分離的激光源。

項10.根據項1所述的混合式激光加工和計量方法，進一步包括調節單個激光源的脈沖能量以產生第一激光輸出和第二激光輸出中的每個。

項11.一種用于進行結合的激光加工和計量的機器人系統，能夠優化組裝工件，該機器人系統包括：

激光源，被構造成產生第一激光輸出以從工件去除材料；以及

控制器，與激光源通信，所述控制器被構造成：

調節激光源的能級以產生第二激光輸出以測量從工件去除的材料。

項12.根據項11所述的機器人系統，其中，控制器進一步被構造成根據最小下降的方法使第二激光輸出交錯在第一激光輸出的脈沖中間。

項13.根據項11所述的機器人系統，其中，激光源是飛秒激光器(femtosecond laser)。

項14.根據項11所述的機器人系統，進一步包括與控制器通信的檢測器，該檢測器被構造成在第二激光輸出從激光源發射到工件上之后檢測從工件散射回來的光的量。

項15.根據項14所述的機器人系統，其中，控制器進一步被構造成基于使用第二激光輸出進行的測量來確定第一激光輸出的脈沖樣式。

項16.一種用于進行結合的激光加工和計量的機器人系統，能夠優化組裝工件，該機器人系統包括：

第一激光源，被構造成生成第一激光輸出以從工件去除材料；

第二激光源，被構造成生成第二激光輸出以測量從工件去除的材料；以及

控制器，與第一激光源和第二激光源通信，該控制器被構造成協調第二激光輸出與第一激光輸出。

項17.根據項16所述的機器人系統，其中，第一激光源是飛秒激光器，并且第二激光源是激光二極管。

項18.根據項17所述的機器人系統，進一步包括末端執行器，該末端執行器被構造成引導第一激光輸出和第二激光輸出在工件上的位置，末端執行器包括用于第一激光源的第一組光學器件和用于第二激光源的第二組光學器件。

項19.根據項18所述的機器人系統，進一步包括與控制器通信的檢測器，該檢測器被構造成檢測從工件散射回來的光的量，控制器被構造成基于從檢測器接收的數據生成工件的表面的輪廓映射。

項20.根據項19所述的機器人系統，其中，控制器進一步被構造成基于所生成的輪廓映射控制末端執行器的位置。

盡管已經關于某特定實施方式給出并提供了上述詳細說明，但是應理解的是，本公開內容的范圍不應局限于這些實施方式，而是為了實現和最佳模式的目的簡單地提供相同的實施方式。本公開內容的寬度和精神比具體公開的實施方式更寬并且包含在所附權利要求內。此外，盡管結合某些特定實施方式描述了一些特征，但是這些特征不局限于僅使用它們描述的實施方式，但是反而可與結合交替實施方式公開的其他特征一起使用或者與這些特征分開使用。