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CN102430858A - 一种激光加工自动调焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光加工自动调焦装置，该装置包括Z轴移动系统、激光聚焦系统、控制系统和激光位移检测系统，控制系统与Z轴移动系统及激光位移检测系统电连接，激光位移检测系统与激光聚焦系统刚性连接在一起固定在Z轴移动系统上，随Z轴移动系统沿Z轴方向上下移动；控制系统根据激光位移检测系统提供的电信号的符号和幅值控制Z轴移动系统的位移。本发明具有如下优点：不受材料性质的限制，即：金属和非金属均可应用，应用范围广；由于是非接触测量，不受材料表面情况限制，不会损坏材料表面；检测精度高，可达纳米级精度，故可用于纳米级的激光自动调焦高进度应用；结构简单，价格低廉、稳定性好。

Description

一种激光加工自动调焦装置
技术领域
本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种激光加工自动调焦装置。
背景技术
在激光加工应用中，用于加工的激光束通过光学聚焦系统将激光束聚焦为较小的光斑，获得极高的功率密度或能量密度使材料被加热、熔化或蒸发，实现所需的加工应用功能(如激光热处理、熔覆、焊接、切割、钻孔和刻蚀等加工应用)。同时，利用激光可聚焦尺寸小的优势来实现高精度尺寸加工。然而，在激光加工过程中，被加工工件自身表面不平和激光加工过程中被加工间受热变形以及聚焦激光束行走轨迹波动都会造成激光焦点位置的偏移。当激光聚焦点位置产生偏移大于焦深时，将会导致激光功率密度或能量密度以及激光光斑尺寸的较大变化(如当激光聚焦点位置偏离材料加工表面时，会导致激光在材料加工表面上的功率密度或能量密度较大下降以及光斑尺寸增加)，其结果会造成激光加工质量和尺寸精度的不一致。为了确保激光加工质量和尺寸的稳定性和一致性，要求激光焦点位置的波动范围应小于激光聚焦焦深范围以内。目前达到以上要求的方法是采用激光加工自动调焦技术，其基本原理是采用一种传感器来检测焦点位置的偏移量，一旦检测到焦点位置偏离原位置，则立即输出信号给控制系统，控制系统调节Z轴移动系统将激光焦点调回到原来位置，实现保持激光焦点位置不变的功能。当前激光加工系统焦点位置的检测多基于接触式传感器或者电容式和电感式传感器。如在“激光切割非接触式高度自动控制装置”(组合机床与自动化加工技术期刊.1992(10).-9-12)文献中采用了电容式传感器检测激光焦点位置。当激光焦点位置发生偏移时，将输出信号给信号处理电路、单片机控制器和伺服驱动系统，调节Z轴移动系统将激光焦点调回到原来位置。但电容式或电感式传感器只能应用于金属工件的激光加工中，不能用于非金属工件的激光加工中，从而限制了应用范围，并且结构复杂，价格较高。而接触式传感器具有精度误差较大和易损坏加工表面覆盖的功能薄膜，并且触头容易磨损影响精度，响应频率不会很高等缺点。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种激光加工自动调焦装置，不但可用于金属工件和非金属工件的激光加工之中，而且具有结构简单、成本低廉和精度高的特点。
本发明提供的一种激光加工自动调焦装置，该装置包括Z轴移动系统、激光聚焦系统和控制系统；其特征在于，该装置还包括激光位移检测系统，控制系统与Z轴移动系统及激光位移检测系统电连接，激光位移检测系统与激光聚焦系统刚性连接在一起固定在Z轴移动系统上，随Z轴移动系统沿Z轴方向上下移动；控制系统根据激光位移检测系统提供的电信号的符号和幅值控制Z轴移动系统的位移。
本发明的基本原理是采用了激光三角测量原理，由激光位移检测系统的激光器对激光加工工件发射一束检测激光束，工件表面将检测激光束以一定角度反射回到激光位移检测系统的接收端，穿过透镜，聚焦成像在光线收集器(由CCD或CMOS组成的光线收集矩阵)上形成光斑。再通过电荷耦合器件将光线信号传入微处理器，将测量结果以模拟电信号的形式输出。改变激光位移检测系统和激光加工工件表面之间的距离，检测激光束的反射光线夹角和光线收集器上的光斑位置都会随之变化。由于激光线反射后的角度和被测工件的距离成比例，因此，在处理获得角度后，激光位移检测系统通过计算便可得到实际距离的变化值大小。当距离的变化值不为零时；即焦点发生偏移，将通过控制系统来调节Z轴移动系统，消除该变化值，使焦点重新回到原来位置，从而达到自动调焦的目的。如当加工激光聚焦平面在工件表面上时，设定激光位移检测系统将检测激光束反射回到接收端的光线角度产生的输出信号为零，故激光位移检测系统对控制系统输出信号为零，控制系统保持Z轴移动系统不移动。当因某种原因导致激光聚焦平面向下偏离工件表面某一距离时，激光位移检测系统的接收端测得的反射回激光线发生负角度和光线收集器上的光斑位置的变化，通过计算激光线负角度和光线收集器上的光斑位置的变化大小，将输出给控制系统一个相应幅值的负电信号(负电压或电流)，控制系统将根据电信号的符号和幅值来调节Z轴移动系统向上移动相同的某一距离，使加工激光聚焦平面重新回到工件表面上，反之亦然，从而达到激光自动调焦的目的。本发明具有如下优点：
1.不受材料性质的限制，即：金属和非金属均可应用，应用范围广；
2.由于是非接触测量，不受材料表面情况限制，不会损坏材料表面；
3.检测精度高，可达纳米级精度，故可用于纳米级的激光自动调焦高进度应用；
4.结构简单，价格低廉、稳定性好。
附图说明
图1为激光加工自动调焦一种具体实施方式的结构示意图；
图2为加工激光焦点向下偏移时，检测激光束检测光线的反射光线夹角和聚焦成像在光线收集器的变化；
图3为加工激光焦点向上偏移时，检测激光束检测光线的反射光线夹角和聚焦成像在光线收集器的变化。
图4为激光加工自动调焦第二种具体实施方式的结构示意图；
图5为加工激光焦点向下偏移时，检测激光束检测光线的反射光线夹角和聚焦成像在光线收集器的变化的示意图；
图6为加工激光焦点向上偏移时，检测激光束检测光线的反射光线夹角和聚焦成像在光线收集器的变化的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明。
实现上述方法的装置之一，如图1所示，本发明装置包括Z轴移动系统1、激光聚焦系统3、激光位移检测系统7和控制系统9。
激光位移检测系统7包括激光器10、透镜12和光线收集器11，透镜12和光线收集器11依次位于激光器10发射的激光束在工件表面上产生反射光的可视范围内。激光器10所发射的检测激光束5的功率以不破坏平面工件8为限，通常只有几瓦、几毫瓦甚至几个微瓦。
激光位移检测系统7与激光聚焦系统3刚性连接在一起固定在Z轴移动系统1上，随Z轴移动系统1沿Z轴方向上下移动。加工激光束2经激光聚焦系统3聚焦后形成聚焦激光束4，并聚焦在被加工平面工件8的表面上。激光位移检测系统7中的激光器10对激光加工平面工件8发射一束检测激光束5，平面工件8的表面将检测激光束5以α0角度反射，形成激光束6反射回到激光位移检测系统7的接收端，穿过透镜12，聚焦成像在光线收集器11(由CCD或CMOS组成的光线收集器)的a处上形成光斑。设定聚焦激光束4聚焦在被加工平面工件8的表面时，激光位移检测系统7的检测激光束5反射回到接收端激光束6所产生角度和位置的输出信号为零，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9保持Z轴移动系统1不移动。
实例1：
当因某种原因使加工激光聚焦点4向下偏离工件8表面h1距离时(如图2所示)，激光位移检测系统和工件表面之间的距离变短，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角增加为α1，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从a处向下移动到e处。此时激光位移检测系统7将向控制系统9输出一定幅值的负电压或电流信号，幅值的大小与工激光聚焦点4的偏移距离大小呈线性比例。控制系统9根据激光位移检测系统7输入信号的符号和幅值大小调节Z轴移动系统1向上移动，激光位移检测系统和工件表面之间的距离也同时增加。当Z轴移动系统1向上移动相同的h1距离时，加工激光聚焦点4重新回到工件8表面上，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角也重新回到α0，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从e处向上移动到a处，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9将停止Z轴移动系统1移动，完成激光自动调节过程。
实例2：
当因某种原因使加工激光聚焦点4向上偏离工件8表面h2距离时(如图3所示)，激光位移检测系统和工件表面之间的距离变长，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角减小为α2，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从a处向下移动到f处，此时激光位移检测系统7将向控制系统9输出一定幅值的正电压或电流信号，幅值的大小与工激光聚焦点4的偏移距离大小呈线性比例。控制系统9根据激光位移检测系统7输入信号的符号和幅值大小调节Z轴移动系统1向下移动，激光位移检测系统和工件表面之间的距离也同时减小。当Z轴移动系统1向下移动相同的h2距离时，加工激光聚焦点4重新回到工件8表面上，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角也重新回到α0，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从f处向上移动到a处，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9将停止Z轴移动系统1移动，完成激光自动调节过程。
实现上述方法的装置之二，如图4所示，用于激光曲面加工情况下的自动调焦方法及装置。由Z轴移动系统1、激光聚焦系统3、激光位移检测系统7和控制系统9组成。激光位移检测系统7与激光聚焦系统3刚性连接在一起固定在Z轴移动系统1上，随Z轴移动系统1沿Z轴方向上下移动。加工激光束2经激光聚焦系统3聚焦后形成聚焦激光束4，并聚焦在被加工曲面工件15的表面上。激光位移检测系统7中的激光器10对激光加工曲面工件15发射一束检测激光束5，与聚焦激光束4之间的夹角θ不大于40°，在激光加工曲面工件15上与聚焦激光束4焦点的空间位置重合，确保精确的测量激光焦点的偏移量。曲面工件15表面将检测激光束5以δ0角度反射，形成激光束6反射回到激光位移检测系统7的接收端，穿过透镜12，聚焦成像在光线收集器11(由CCD或CMOS组成的光线收集器)的a处上形成光斑。设定聚焦激光束4聚焦在被加工曲面工件15的表面时，激光位移检测系统7的检测激光束5反射回到接收端激光束6所产生角度和位置的输出信号为零，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9保持Z轴移动系统1不移动。
实例3：
当因某种原因使加工激光聚焦点4向下偏离曲面工件9表面h3距离时(如图5所示)，激光位移检测系统和工件表面之间的距离变短，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角增加为δ1，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从a处向下移动到d处。此时激光位移检测系统7将向控制系统9输出一定幅值的负电压或电流信号，幅值的大小与工激光聚焦点4的偏移距离大小呈线性比例。控制系统9根据激光位移检测系统7输入信号的符号和幅值大小调节Z轴移动系统1向上移动，激光位移检测系统和工件表面之间的距离也同时增加。当Z轴移动系统1向上移动相同的h3距离时，加工激光聚焦点4重新回到曲面工件15表面上，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角也重新回到δ0，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从d处向上移动到a处，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9将停止Z轴移动系统1移动，完成激光自动调节过程。
实例4：
当因某种原因使加工激光聚焦点4向上偏离曲面工件15表面h4距离时(如图6所示)，激光位移检测系统和工件表面之间的距离变长，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角减小为δ2，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从a处向下移动到g处，此时激光位移检测系统7将向控制系统9输出一定幅值的正电压或电流信号，幅值的大小与工激光聚焦点4的偏移距离大小呈线性比例。控制系统9根据激光位移检测系统7输入信号的符号和幅值大小调节Z轴移动系统1向下移动，激光位移检测系统和工件表面之间的距离也同时减小。当Z轴移动系统1向下移动相同的h2距离时，加工激光聚焦点4重新回到曲面工件15表面上，反射激光线6与检测激光束5之间的夹角也重新回到δ0，并穿过透镜12聚焦成像在光线收集器上的光斑位置从g处向上移动到a处，此时激光位移检测系统7对控制系统输出信号为零，控制系统9将停止Z轴移动系统1移动，完成激光自动调节过程。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的技术方案和思路，做一些简单的变化或更改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种激光加工自动调焦装置，该装置包括Z轴移动系统(1)、激光聚焦系统(3)和控制系统(9)；其特征在于，该装置还包括激光位移检测系统(7)，控制系统(9)与Z轴移动系统(1)及激光位移检测系统(7)电连接，激光位移检测系统7与激光聚焦系统(3)刚性连接在一起固定在Z轴移动系统(1)上，随Z轴移动系统(1)沿Z轴方向上下移动；控制系统(9)根据激光位移检测系统(7)提供的电信号的符号和幅值控制Z轴移动系统(1)的位移。
2.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于，所述激光位移检测系统(7)包括激光器(10)、透镜(12)和光线收集器(11)，透镜(12)和光线收集器(11)依次位于激光器(10)发射的激光束在工件表面上产生反射光的可视范围内，激光器(10)发射的检测激光束经工作反射后，再经透镜(12)进入光线收集器(11)。
3.根据权利要求2所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于，激光器(10)发射的检测激光束(5)与聚焦激光束(4)平行。
4.根据权利要求2所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于，激光器(10)发射的检测激光束(5)与聚焦激光束(4)之间的夹角小于等于40度。
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