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CN107717211B - 机器人系统和激光加工方法 - Google Patents

机器人系统和激光加工方法 Download PDF

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CN107717211B CN201710684898.2A CN201710684898A CN107717211B CN 107717211 B CN107717211 B CN 107717211B CN 201710684898 A CN201710684898 A CN 201710684898A CN 107717211 B CN107717211 B CN 107717211B
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Abstract

本发明涉及激光加工机器人系统和激光加工方法，使机器人的动作精度提高，从而能够进行高精度的激光加工。机器人系统构成为：执行使激光照射装置移动到规定的指令位置的第一机器人动作，测定第一机器人动作中的激光照射装置的实际的三维空间内的位置，在第一机器人动作中，求出激光照射装置的实测位置与指令位置之间的偏差，将该偏差保存为时间序列上的偏差数据，执行第二机器人动作，该第二机器人动作为，基于保存的偏差数据来进行校正以使激光照射位置成为所期望的位置并且进行与第一机器人动作相同的机器人动作。

Description

机器人系统和激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种机器人系统和激光加工方法，使用具备激光照射装置的机器人来进行激光加工。
背景技术
作为使用激光照射装置进行激光加工的系统之一，已知有一种利用机器人的激光加工机器人系统。例如在日本特开2007-098416号公报中记载有如下一种激光焊接装置，其具有：机器人；激光射出单元，其安装于机器人，用于射出激光；测定单元，其测定机器人的当前位置；以及控制单元，其基于由测定单元测量出的机器人的当前位置对从激光射出单元射出的激光的朝向进行控制以使激光的照射位置成为预先决定的照射位置。
另外，在日本特开2012-139711号公报中记载有如下一种激光加工系统，其具备：机器人，在其前端部安装有激光扫描器；以及控制装置，其具有机器人控制系统和激光扫描器控制系统。
日本特开2007-098416号公报或日本特开2012-139711号公报的记载的技术在机器人臂的前端安装用于照射激光束的激光照射装置，使机器人臂移动并且还改变来自激光照射装置的激光束照射方向，由此进行工件的焊接、切断、钻孔等。这样的激光加工由于工件与激光照射装置之间较分离，因此也称作“远程激光器”。
在远程激光器中，能够进行高精度的加工，但由于将激光照射装置安装于机器人来使用，因此该加工精度取决于机器人的动作精度。例如在日本特开2007-098416号公报中公开了一种实时测量用于把持照射装置的机器人的三维位置，并且校正照射位置的方法，但除了在实时的校正中发生控制延迟以外，还需要系统常备测量装置，且需要与系统的数量相应的测量装置。另外，还存在以下问题：当在系统的使用中测量装置出现故障时，无法进行校正。
另一方面，日本特开2012-139711号公报的技术想要通过预先对机器人动作进行模拟实验来消除日本特开2007-098416号公报中提到的校正延迟。但是，通常模拟实验自身也包括一定的误差，有时该模拟实验误差导致加工精度的下降。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种激光加工机器人系统和激光加工方法，能够提高机器人的动作精度，从而进行高精度的激光加工。
为了达成上述目的，本申请发明的一个方式提供一种机器人系统，该机器人系统具备：机器人，其具备可动部；以及激光照射装置，其被设置于所述机器人的所述可动部，该激光照射装置具有能够在至少一个方向上变更激光照射位置的激光照射位置可变机构，所述机器人系统通过向对象物的规定的位置进行激光照射来进行激光加工，所述机器人系统具备：第一机器人动作执行部，其执行使所述激光照射装置移动到规定的指令位置的第一机器人动作；激光照射装置位置测定部，其测定所述第一机器人动作中的所述激光照射装置在实际的三维空间内的位置；偏差保存部，其求出在所述第一机器人动作中由所述激光照射装置位置测定部测定出的所述激光照射装置在实际的三维空间上的位置与所述指令位置之间的偏差，将该偏差保存为时间序列上的偏差数据；激光照射位置校正部，其基于由所述偏差保存部保存的所述偏差数据来进行校正以使所述激光照射位置成为所期望的位置；以及第二机器人动作执行部，其执行第二机器人动作，该第二机器人动作为，一边进行所述激光照射位置校正部的激光照射位置的校正一边进行与所述第一机器人动作同样的机器人动作。
机器人系统还具备激光照射装置性能判定部，在控制所述激光照射装置的所述激光照射位置可变机构时，该激光照射装置性能判定部判别该激光照射位置可变机构的动作性能是否具有规定的余量。
机器人系统还具备：电动机信息比较部，其将所述第一机器人动作中的所述机器人的各轴的电动机的旋转角度或转矩的第一反馈信息与所述第二机器人动作中的所述机器人的各轴中的电动机的位置或转矩的第二反馈信息进行比较；以及判断部，当在所述电动机信息比较部中所述第一反馈信息与所述第二反馈信息之间存在超过规定的容许值的差异时，该判断部判断为所述激光照射位置的校正无效。
另外，本申请发明的其它方式提供一种激光加工方法，该激光加工方法使用机器人以及激光照射装置，该机器人具备可动部，该激光照射装置被设置于所述机器人的所述可动部，该激光照射装置具有能够在至少一个方向上变更激光照射位置的激光照射位置可变机构，所述激光加工方法通过向对象物的规定的位置进行激光照射来进行激光加工，所述激光加工方法包括以下步骤：执行使所述激光照射装置移动到规定的指令位置的第一机器人动作；测定所述第一机器人动作中的所述激光照射装置在实际的三维空间内的位置；求出在所述第一机器人动作中测定出的所述激光照射装置的实际的三维空间上的位置与所述指令位置之间的偏差，将该偏差保存为时间序列上的偏差数据；以及执行第二机器人动作，该第二机器人动作为，基于所保存的所述偏差数据来进行校正以使所述激光照射位置成为所期望的位置并且进行与所述第一机器人动作同样的机器人动作。
附图说明
本发明的上述或其它目的、特征以及优点通过参照附图来说明以下的优选的实施方式会变得更加明确。
图1是表示本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工机器人系统的一个结构例的图。
图2是表示激光照射装置所包含的检电机构的概略结构的图。
图3是表示图1的机器人系统中的处理的一例的流程图。
图4是表示在针对机器人规定的坐标系中，激光照射装置的位置的轨迹的例子的图。
图5是表示在针对激光照射装置规定的坐标系中，激光照射位置的轨迹的例子的图。
图6是表示某个时刻下的激光照射装置与加工对象物之间的位置关系的图。
图7是表示偏差数据的具体例的图。
图8是表示某个时刻下的激光照射装置与加工对象物之间的位置关系，并且表示校正了激光照射装置的例子的图。
具体实施方式
图1是表示本发明的优选的实施方式所涉及的激光加工机器人系统10的一个结构例的图。机器人系统10构成为，具有：激光照射装置12，其具有能够在至少一个方向上任意地变更激光照射位置的激光照射位置可变机构(参照后述的图2)；机器人14，其搭载激光照射装置12；以及机器人控制装置16，其控制机器人14，其中，所述机器人系统10通过向被保持或载置于操作台18的加工对象物(工件)20的规定的位置进行激光照射来进行切断、焊接、做标记等规定的激光加工。
机器人14例如为6轴的多关节机器人，具备机器人臂等可动部22，从而能够使安装于机器人臂22的前端的激光照射装置12移动到操作空间内的任意的位置。
激光照射装置12构成为从其激光照射口26输出从激光光源24输入的激光束。在激光照射装置12内能够组装有能够任意地改变激光束的焦点距离的透镜机构(未图示)和如图2例示的那样的能够将激光束的照射方向改变为任意的方向的检电机构28中的一方或两方来作为激光照射位置可变机构。
如图2所示，检电机构28具备至少一组(在图示例中为两组)检电电动机30和镜32。更具体地说，在检电电动机30的各前端部安装使激光束反射的镜32，通过调整检电电动机30的旋转角度能够任意地变更从激光光源24入射来的激光束的反射角度。如图示例那样，通过使用两个检电电动机30和镜32的组，能够任意地调整平面上的激光照射位置。
本实施方式中的激光光源24为对激光照射装置12供给激光束的激光光源，具体地说为进行激光振荡的激光振荡器。作为由该激光振荡器振荡产生的激光的种类例举有光纤激光、CO2激光、YAG激光等，但也能够使用其它种类的激光。
机器人控制装置16基于规定的操作程序生成用于控制机器人14的指令来进行机器人14的动作控制。另外，如图1所示，机器人系统10具有用于控制激光光源24的激光光源控制装置34，机器人控制装置16能够对激光光源控制装置34发送与激光束的照射有关的指令。具体地说，从机器人控制装置16向激光光源控制装置34的指令能够包括作为激光的照射条件的功率、频率、占空比。或者，也可以预先在激光光源控制装置34内的存储器等中保存多个照射条件，来自机器人控制装置16的指令包括使用该存储器内的哪个照射条件的指示以及与照射开始、结束的定时有关的指示。此外，在图1中，将机器人控制装置16和激光光源控制装置34作为分体的装置进行图示，但也能够将激光光源控制装置34(的功能)组装到机器人控制装置16中。
如图1所示，机器人系统10具有激光照射装置用控制装置36，该激光照射装置用控制装置36进行激光照射装置12的控制，更具体地说是进行激光照射装置12的机构内的透镜、镜的位置调整。此外，在图1中，将机器人控制装置16和激光照射装置用控制装置36作为分体的装置进行图示，但也能够将激光照射装置用控制装置36(的功能)组装到机器人控制装置16中。
如图1所示，机器人系统10具有三维位置检测元件38，该三维位置检测元件38固定于机器人臂22的前端或激光照射装置12来测定激光照射装置12在实际的三维空间内的位置。作为三维位置检测元件38的具体例能够举出GPS、陀螺仪传感器等。在图1的例子中，位置检测元件38通过有线方式与三维位置测定装置40(后述)连接，但也可以通过无线方式连接。另外，作为测定激光照射位置的其它装置的例子，存在基于激光跟踪器构成的三维位置测定系统，在该情况下，将激光跟踪器用的受光元件固定于机器人臂22的前端或激光照射装置12来使用。此外，也可以是，将位置检测元件38的安装位置预先设为相对于机器人臂前端(例如工具前端点)的位置的相对位置，来进行校准。
如图1所示，机器人系统10具有通过有线或无线方式与位置检测元件38连接的三维位置测定装置40，在本实施方式中，三维位置检测元件38和三维位置测定装置40构成激光照射装置位置测定部。三维位置测定装置以从三维位置检测元件38得到的数据为基础求出激光照射装置12在三维空间上的位置，将该位置数据发送到机器人控制装置16。此外，在图1中，将机器人控制装置16和三维位置测定装置40作为分体的装置进行图示，但也能够将三维位置测定装置40(的功能)组装到机器人控制装置16中。或者，也可以在三维位置测定装置40的主体比较小型且与位置检测元件38一体化(单元化)的情况下，将单元化的装置固定于机器人的前端或激光照射装置。
在本实施方式中，上述的第一机器人动作执行部、第二机器人动作执行部、电动机信息比较部和判断部的功能设为由机器人控制装置16(例如其CPU)担当，偏差保存部的功能设为由机器人控制装置16或激光照射装置用控制装置36的存储器等担当，激光照射位置校正部和激光照射装置性能判定部的功能设为由激光照射装置用控制装置36(例如其CPU)担当。
接着，参照图3的流程图来说明由机器人系统10进行的激光加工方法，更具体地说是机器人14使激光照射装置12移动到规定的操作点来进行激光照射操作的处理的一例。在此，对如图4所示那样的情况进行说明：在机器人操作空间中规定的坐标系Ow中，一边使机器人14从A点到B点直线地进行动作，一边同样地从A点到B点进行激光照射。
首先，基于规定的程序进行第一机器人动作，即进行使安装于机器人臂22的激光照射装置12不照射激光地移动到规定的指令位置(在此为从A点到B点)的处理(步骤S1)。此时，如图4所示，激光照射装置12在坐标系Ow中在指令上从A点到B点沿着相当于虚线(直线)42的轨迹进行动作。另外，如图5所示，以如下方式控制激光照射装置12：在针对激光照射装置规定的坐标系Ot中，以与第一机器人动作相同的时间序列从A点到B点沿着相当于虚线(直线)44的轨迹进行激光照射。更具体地说，激光照射装置用控制装置36进行控制，控制激光照射装置12内部的焦点调整用的透镜机构、检电机构28，以使激光照射位置成为预先确定的位置。
在此，实际上，机器人14受到由于如下所述因素等机器人自身的控制、构造而引起的误差的影响因而有时不能准确地沿着如指令所示的轨迹移动而是例如沿着图4的实线46所示的那样蛇形行进，所述因素包括：作为该机器人的各轴的驱动要素所使用的伺服电动机的控制跟踪延迟、减速机的间隙、弹性变形、机器人臂的弯曲等。
图6表示某个时刻i下的激光照射装置12与工件20之间的位置关系。激光照射装置12的实际的位置(实线)由于上述的影响而从本来的指令上的位置(虚线)偏离相当于偏差E[i]的距离，从而工件20上的激光照射位置也同样地从作为目标的激光照射位置48偏离相当于E[i]的距离。在这样的情况下，当激光照射装置12进行激光照射时，激光加工线也受到机器人的轨迹误差(蛇形行进)的影响，与图4的实线46同样地蛇形行进，使得激光加工的质量下降。
因此，在接下来的步骤S2中，使用三维位置测定装置40和三维位置检测元件38测定在第一机器人动作执行中安装于机器人14的激光照射装置12在三维空间的实际的位置。在此，作为测定的基点的位置基本为三维位置检测元件38的安装位置，预先相对于机器人前端位置校准该安装位置，即该位置是已知的。能够使用相对于三维位置检测元件38的安装位置而具有固定的关系的部位例如激光照射装置12的激光照射口26来作为测定对象即激光照射装置12的具体的部位(检测位置)。
由三维位置测定装置40和三维位置检测元件38测定出的位置数据被发送到机器人控制装置16。数据的发送既可以是与激光照射操作并行地实时进行，也可以是基于与机器人控制装置16内的时间序列共有的同步时钟来将位置数据事先记录在三维位置测定装置40内，按每个规定的时间范围来汇集数据并发送到机器人控制装置16。在该情况下，发送来的位置数据与同步时钟同时进行保存，因此在机器人控制装置16中能够容易地复原为时间序列的数据。
在机器人控制装置16中，按相同时间序列将测定、发送的位置数据与安装于机器人14的激光照射装置12的指令上的三维空间上的位置进行比较，求出两者的差(偏差)，将该差保存在存储器等恰当的存储装置中(步骤S3)。具体地说，将某个采样时刻i下的实际的测定位置(实测位置)与指令上的位置(指令位置)进行比较，求出实测位置相对于指令位置的偏差E[i]，以E[0]、E[1]、···、E[Nmax]这样的方式保存为时间序列上的数据。此外，与各时刻对应的偏差包括操作空间内的X、Y和Z方向的各个分量，因此能够保存为例如图7所示那样的表格形式的数据组50。
关于上述的偏差数据，既可以从机器人控制装置16发送到激光照射装置用控制装置36，也可以在将该偏差数据暂时保存在机器人控制装置16的存储器之后，由激光照射装置用控制装置36以任意的定时参照该存储器的内容。
在接下来的步骤S4中，进行第二机器人动作，即进行与步骤S1相同的第一机器人动作并且从激光照射装置12朝向工件20进行激光照射操作。此时，激光照射装置用控制装置36在为了使激光照射位置成为预先确定的位置而控制激光照射装置12内部的焦点调整用的透镜机构、检电机构28时，参照事先在步骤S3中保存的偏差数据，基于与机器人动作的时间序列相匹配的偏差数据来校正激光照射位置。即，在针对激光照射装置12规定的坐标系Ot中，以与机器人动作相同的时间序列来校正E[i]，以此方式来照射激光。
图8是表示某个时刻i下的激光照射的状态，并且说明激光照射位置的校正的具体例的图。如图6所示，激光照射装置12的实际的位置从本来的指令上的位置偏离相当于偏差E[i]的距离，但通过将激光照射位置朝向目标位置48校正E[i]的量，能够准确地向作为目标的(所期望的)激光照射位置48照射激光。
通过像这样进行校正，如图5的实线52所示，在针对激光照射装置规定的坐标系Ot中，激光加工线为相对于直线AB与图4的实线(蛇形行进轨迹)左右对称的轨迹。其结果是，实际的激光照射位置(激光加工线)能够排除因机器人自身的控制、构造引起的误差，而在坐标系Ow上成为沿着直线AB的轨迹，从而能够进行准确的激光加工。
此外，在本实施方式中，对机器人的动作轨迹和加工线为直线的情况进行了说明，但应该明白的是能够对任意形状的轨迹、加工线进行如上述那样的时间序列上的位置校正。
激光照射装置用控制装置36还能够在考虑了上述的校正的情况下的激光照射装置12的控制中任意地判别、评价该透镜机构、检电机构28等激光照射位置可变机构的动作性能是否具有余量。此处的动作性能包括用于控制最终的激光照射位置的照射位置可变机构的速度、加速度和动作范围，对于检电机构28而言，相当于是使镜32旋转的电动机30的旋转速度、旋转加速度和镜32的旋转角度的范围。例如，在上述的例子中，激光照射装置12将激光照射位置校正了相当于E[i]的距离，但如果激光照射装置12的可照射范围比E[i]大，则到可照射范围为止所剩余的距离相当于动作范围的余量，能够判断为在校正量比E[i]大的情况下也能够进行校正。
另外，在上述的例子中，激光照射装置12要求在规定的采样时间内将激光照射位置变更相当于E[i-1]与E[i]之差的距离，因此照射位置在该采样时间内能够移动的量即照射位置可变更速度必须比((E[i-1]-E[i])/采样时间)(＝所需校正速度)大。如果与作为对象的操作中的所需校正速度相比，照射位置可变更速度足够快，则能够判断为在该情况下能够以更大的校正速度进行校正。关于加速度也同样。
一般来讲，机器人的指令上的位置(指令位置)与实际的位置(实测位置)之间的偏差很大程度上取决于由于实际机器人的控制、构造引起的误差(伺服电动机的控制跟踪延迟、减速机的间隙、弹性变形、机器人臂的弯曲等)，因此随着机器人的动作变得高速则偏差也变大。随着机器人的指令位置与实测位置之间的偏差变大，激光照射位置所需的校正量也变大，另外，如果机器人高速化，则单位时间所需的校正量即校正速度、校正加速度也增加。
因此，优选为，在判断为激光照射装置12的动作性能具有富余(即有足够的余量)的情况下，以规定的比例使机器人的动作速度进行高速化，再次进行上述的步骤S1到S3。然后，在判断为在步骤S3中求出的偏差能够通过激光照射装置12的动作性能来进行校正的情况下，能够一边恰当地进行激光照射位置的校正一边进行激光加工。
上述的机器人的高速化也能够阶段性地进行。例如，如果高速化前的机器人速度为1000mm/s、机器人的最高速度为2000mm/s，则首先使机器人速度增加到1100mm/s，进行上述的激光照射装置的动作性能的余量的评价。如果在该阶段中余量也充分，则进一步使机器人速度增加到1200mm/s，再次进行激光照射装置的动作性能的余量的评价。像这样，反复实施机器人的高速化和动作性能的余量的评价直到最终机器人的动作速度达到了上限(2000mm/s)、或判断为激光照射装置的动作性能不足以进行偏差的恰当的校正为止。通过这样的处理，能够在激光照射装置的动作性能的范围内实现以最高的机器人速度进行激光加工。
另外，在测定激光照射装置12的三维位置时，也可以事先记录机器人14的动作中的该机器人的各轴的电动机的旋转角度、转矩的反馈量。能够将记录的反馈信息与校正激光照射位置时的机器人动作中的各轴的电动机的旋转角度、转矩的反馈量进行比较。如果两者间具有显著的(具体为超过规定的容许值的)差异，则判断为机器人14在三维位置的测定时和激光照射位置的校正时进行了不同的动作。例如，在电动机的旋转角度不同的情况下，能够容易地判断为机器人14的前端部的位置也不同。
在本实施方式中优选的是，以测定激光照射装置的三维位置时的动作与校正激光照射位置时的动作相同为前提，因此在各动作(第一机器人动作与第二机器人动作)中的反馈量(第一反馈信息与第二反馈信息)具有显著的差的情况下，照射位置的校正中使用预先得到的偏差数据是不恰当的。因而，在这样的情况下，通过显示、警报等向操作者通知校正无效，来督促修正机器人的异常部位。但是，如果机器人的异常部位轻微，则能够再次测定激光照射装置的三维位置，获取新的偏差数据。
在本实施方式中，预先测定加工动作中的机器人的实际的位置，获取与指令上的机器人位置之间的误差，由此能够在实际的加工时考虑校正误差地控制照射装置(所谓的前馈控制)，因此能够排除以往技术所涉及的校正延迟、模拟实验误差的影响，从而能够构建高精度的激光照射机器人系统。另外，三维位置的测量预先进行一次就足够了，因此不需使机器人系统总是装备有测量装置，在具有多个同样的机器人系统的情况下，还能够以在多个机器人系统间共有测量装置的方式进行使用，从而也使得整体的成本削减。另外，在实际的激光加工中不使用测量装置，因此不需担心加工中的测量装置的故障，这使得机器人系统的可靠性提高。
根据本发明，将第一机器人动作执行时测定出的激光照射装置的位置偏差使用于第二机器人动作中的激光照射位置的校正，由此能够高精度地进行激光照射位置的校正。另外，在实际的加工中不需测定激光照射装置的位置，因此不需担心在持续进行加工动作时激光照射位置的测定装置的故障等无法正常实施激光照射位置的测定装置的情况，从而系统的可靠性提高。

Claims (4)

1.一种机器人系统，具备：机器人，其具备可动部；以及激光照射装置，其被设置于所述机器人的所述可动部，该激光照射装置具有能够在至少一个方向上变更激光照射位置的激光照射位置可变机构，所述机器人系统通过向对象物的规定的位置进行激光照射来进行激光加工，
所述机器人系统具备：
第一机器人动作执行部，其控制所述机器人执行使所述激光照射装置移动到规定的指令位置的第一机器人动作；
激光照射装置位置测定部，其测定所述第一机器人动作中的所述激光照射装置在实际的三维空间内的位置；
偏差保存部，其求出在所述第一机器人动作中由所述激光照射装置位置测定部测定出的所述激光照射装置在实际的三维空间上的位置与所述指令位置之间的偏差，将该偏差保存为时间序列上的偏差数据；
激光照射位置校正部，其基于由所述偏差保存部保存的所述偏差数据来控制所述激光照射位置可变机构对所述激光照射位置进行校正，以使所述激光照射位置成为所期望的位置；以及
第二机器人动作执行部，其控制所述机器人执行第二机器人动作，该第二机器人动作为，一边进行所述激光照射位置校正部的激光照射位置的校正一边进行与所述第一机器人动作同样的机器人动作。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，
所述机器人系统还具备激光照射装置性能判定部，在控制所述激光照射装置的所述激光照射位置可变机构时，该激光照射装置性能判定部判别该激光照射位置可变机构的动作性能是否具有规定的余量。
3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其特征在于，
所述机器人系统还具备：电动机信息比较部，其将所述第一机器人动作中的所述机器人的各轴的电动机的旋转角度或转矩的第一反馈信息与所述第二机器人动作中的所述机器人的各轴中的电动机的位置或转矩的第二反馈信息进行比较；以及判断部，当在所述电动机信息比较部中所述第一反馈信息与所述第二反馈信息之间存在超过规定的容许值的差异时，该判断部判断为所述激光照射位置的校正无效。
4.一种激光加工方法，该激光加工方法具备机器人以及激光照射装置，该机器人具备可动部，该激光照射装置被设置于所述机器人的所述可动部，该激光照射装置具有能够在至少一个方向上变更激光照射位置的激光照射位置可变机构，所述激光加工方法通过向对象物的规定的位置进行激光照射来进行激光加工，
所述激光加工方法包括以下步骤：
控制所述机器人执行使所述激光照射装置移动到规定的指令位置的第一机器人动作；
测定所述第一机器人动作中的所述激光照射装置在实际的三维空间内的位置；
求出在所述第一机器人动作中测定出的所述激光照射装置的实际的三维空间上的位置与所述指令位置之间的偏差，将该偏差保存为时间序列上的偏差数据；以及
控制所述机器人执行第二机器人动作，该第二机器人动作为，基于所保存的所述偏差数据来控制所述激光照射位置可变机构对所述激光照射位置进行校正以使所述激光照射位置成为所期望的位置并且进行与所述第一机器人动作同样的机器人动作。
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