CN101298116B - 一种用于激光材料加工的非同轴定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于激光材料加工的非同轴定位方法，属于材料加工领域。包括CCD摄像机、图像采集卡、控制电路、固定装置和计算机。通过固定装置将CCD摄像机、控制电路固定到在激光加工头上。通过在材料废料处预加工，移动激光加工头使CCD摄像机对预加工图案进行成像定位，确定出CCD摄像机与激光加工头的相对位置，之后用CCD摄像机代替激光加工头对需要加工的工件部位进行空走预加工，观察加工路径是否符合要求，如不符合，调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求，最后移动激光加工头到CCD摄像机位置，进行最终的激光加工。该发明无需改变现有激光加工头的构造，装配简易，整个定位过程快速，精度高。

Description

一种用于激光材料加工的非同轴定位方法 

技术领域

本发明涉及一种用于激光材料加工的非同轴定位方法，属于材料加工领域。 

背景技术

对加工点的准确定位，是完成激光加工的基本要求，如激光切割氧化铝镀银电极时需要严格按照所镀电极边缘进行切割，以及在激光焊接中需要将激光束的中心对准焊缝中心。现有激光加工定位方法及装置主要使用同轴He-Ne激光进行加工点定位并进行加工路径的空走，定位精度差，无法完成高质量的激光加工及精密加工，主要原因有：(1)由于定位He-Ne激光亮度高和人眼分辨率的限制，通过人眼不容易同时清晰地观察到材料上激光定位点及其周围的微细图案；(2)由于定位激光具有一定光斑大小，且与实际加工激光光斑不一致，所以很难确定定位激光的中心是否与既定加工路径中心重合，以及激光切割过程中的补偿；(3)实际应用中，同轴定位激光会由于各种原因与实际加工激光发生光轴偏离现象，重新校正过程复杂。因此，目前现行的同轴He-Ne激光的定位方法及装置无法满足对加工材料某一绝对位置的精准定位要求(如印有微电路的非金属电路基板的激光加工)，设计并发明用于激光束对加工点精确定位的方法及装置具有非常重要的实用价值和需求意义。实用新型专利CN2535180中提到了同轴定位系统，该系统通过加入与激光束同轴的CCD成像系统完成精确定位，但这种方法需要改动现有激光加工头的构造，整个定位系统复杂，对现有激光加工头的改装困难，不利于推广。发明专利CN1640607中提出了激光焊接时采用双CCD成像定位系统在焊接前对工件进行校准定位，这种方法无法观测加工路径过程中激光是否按照希望的路径进行加工，不适合复杂图案的激光加工(如切割复杂图案)过程，且该方法仅对具有和标准件相同外形的材料才适用，对材料的外形前期准备 要求高。此外，上述两种装置的投资大，不利于产品推广。 

因此，需要寻找一种操作简单、适用范围广、不必改变现有激光加工头的构造、可直观定位并调整加工路径的精确定位方法及装置是十分必要的，用以满足激光对材料包括切割、焊接以及辐照等各类加工精确定位的工艺要求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光材料加工的非同轴精确定位加工点的方法，利用现有激光加工机床高定位精度和重复定位精度的特点，实现在计算机和激光加工机床的共同控制下对工件进行精确定位。该方法及装置无需改变现有激光加工头的构造，装配简易，整个定位过程快速，精度高，提高了劳动生产率和成品率，减轻了劳动强度。 

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括有CCD摄像机、图像采集卡、能够将计算机的控制指令转换为控制CCD摄像机的指令格式的控制电路、照明光源和与CCD摄像机、控制电路相连接并安装有软件处理模块的计算机。所述的固定装置包括有可调倾斜块、第二转接板、第三转接板和用于与激光加工头固定连接的第一转接板。其中：可调倾斜块的一端与第一转接板固定连接，另一端与第二转接板固定连接。CCD摄像机与第二转接板固定连接；第三转接板固定连接在第二转接板的下侧，照明光源固定连接在第三转接板上。控制电路固定连接在第一转接板上。通过本固定装置可以使CCD摄像机、LED照明光源和控制电路刚性的固定在激光加工头上，随激光加工头一同做X，Y，Z轴的平动以及C轴的转动。控制电路的一端与CCD摄像机的控制接口相连，另一端与计算机相连；计算机还通过图像采集卡与CCD摄像机的图像输出接口相连。 

使用上述的非同轴定位装置的，通过二次定位的方法来完成工件加工点的定位，基本过程是：通过在材料废料处预加工，移动激光加工头使CCD摄像机对预加工图案进行成像定位，确定出CCD摄像机与激光加工头的相对位 置以及激光加工的加工线宽，之后用CCD摄像机代替激光加工头对需要加工的工件部位进行空走预加工，观察加工路径是否符合加工要求并调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求，最后根据CCD摄像机的激光加工头的相对位置移动激光加工头到CCD摄像机的位置，进行最终的激光加工。 

其具体过程如下： 

1)用激光加工头在待加工材料的废料处进行激光预加工“十字”图案，并通过激光加工机床控制系统显示界面读出激光加工头在“十字”图案中心位置时的位置坐标a； 

2)移动激光加工头，将CCD摄像机对准预加工的“十字”图案，计算机通过控制电路控制CCD摄像机的放大倍率和对焦，由图像采集卡采集图像信号传入计算机，得到放大的预加工的“十字”图案；进一步调整激光加工头的位置，使预加工图案的“十字”中心对准计算机屏幕上的中心网格；之后沿z轴移动激光加工头，在计算机屏幕上观察“十字”图案的中心是否保持在中心网格上，如果偏离，调整可调倾斜块，利用“1/2法”使网格中心沿z轴各个高度都对准“十字”图案，完成成像光轴与激光加工头光轴平行的校准；在图像显示模块中心上标记一个直径与预加工线宽相等的圆标记加工线宽，最后通过激光加工机床控制系统显示界面读出此时激光加工头的位置坐标b，将位置坐标a和位置坐标b分别输入到计算机中，计算出CCD摄像机和激光加工头的相对位置坐标c； 

3)将CCD摄像机对准需要加工的工件位置的加工起始点，通过标记的线宽设定激光加工的加工补偿；然后控制激光加工头牵引固定装置以及固定装置上的CCD摄像机、控制电路和照明光源空走加工路径，并进行带有加工线宽标记的实时图像采集，观察整个加工过程中加工路径是否符合加工要求，如不符合，调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求为止； 

4)通过相对位置坐标c将激光加工头移动到CCD摄像机所在的位置，进行最终的激光加工。 

与现有发明相比，本发明具的有益效果是： 

1、可以快速准确定位被加工的工件，提高了生产效率以及加工质量； 

2、无需改变现有激光加工头的构造，只使用一个CCD摄像机，安装简单，成本低，可以作为激光加工机的可选配件进行推广； 

3、可以对任何可成像的材料进行精确定位，对材料没有外形的要求，满足任何图案的加工路径、加工线宽的检测，适用于多种加工要求(切割、焊接和辐照)，可以充分发挥激光加工多样性的特点。 

附图说明

图1为非同轴定位装置装配CCD摄像机后的示意图 

图2为非同轴定位装置的工作原理示意图 

图3为非同轴定位装置对准预加工“十字”图案示意图 

图4为非同轴定位装置检测加工过程示意图 

图中：1、第一转接板，2、可调倾斜块，3、第二转接板，4、CCD摄像机，5、顶针螺丝，6、第三转接板，7、控制接口，8、图像输出接口，9、激光加工头，10、控制电路。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明： 

参阅图1，本发明非同轴定位装置的固定装置分为4个部分，图1中固定装置中第一转接板1与激光加工头9固定连接；可调倾斜块2一端与第一转接板1固定连接，另一端与第二转接板3固定连接；CCD摄像机4与第二转接板3固定连接；第三转接板6固定连接在第二转接板下侧，环形LED照明光源通过其固定螺丝固定在第三转接板6上；控制电路10固定连接在位于可调倾斜块2上面的第一转接板1上。通过该固定装置可以使CCD摄像机4、LED照明光源和控制电路10刚性的固定在激光加工头上，随激光加工头一同做X，Y，Z轴的平动以及C轴的转动。通过调节可调倾斜块2上的两个顶针螺丝5，可以将CCD摄像机4的成像光轴沿A轴和B轴旋转，以调整CCD摄像机4成 像光轴与激光加工头9光轴平行。环形LED照明光源的引入，保证了CCD摄像机可以得到高对比度的图像。 

图1中CCD摄像机4具有一个控制接口7和一个图像输出接口8，控制接口7与控制电路10连接，控制电路又通过RS232电缆与计算机RS232接口连接，控制电路利用AT89S52单片机及其辅助电路将计算机输入的RS232控制信号格式转换为CCD摄像机的控制信号格式，以使计算机软件可以直接远程控制CCD摄像机对焦、调焦等动作的完成。CCD摄像机图像输出接口8连接计算机中图像采集卡，通过图像采集卡将CCD摄像机采集的图象模拟信号转换为数字信号输入到计算机内，以供计算机软件在计算机屏幕上输出采集的图像信息。 

计算机中的软件处理模块包括图像采集模块、图象处理并显示模块，控制CCD摄像机模块和计算模块。图像采集模块运行在程序后台，完成从图像采集卡中读取图像信号；图像处理并显示模块完成CCD采集图像在计算机屏幕上的显示、对采集显示的图像进行亮度和对比度的调整，以及在计算机屏幕上显示的图像上标记等间距网格和圆形加工线宽，为CCD摄像机对准预加工“十字”图案以及监控激光加工头空走时加工路径提供标准；控制CCD摄像机模块是利用通过软件上的操作按钮发送RS232数据，通过控制电路对控制信号的转换，完成对CCD摄像机对焦、调焦功能的控制；计算模块可以根据在预加工时输入的两个位置坐标a和b计算激光加工头相对于CCD摄像机的相对位置坐标c，通过计算出的数据移动激光加工头可以使激光加工头精确的移动到移动激光加工头前CCD摄像机的位置。 

整套装置的工作原理如图2所示。 

在完成非同轴定位装置的装配后，通过二次定位的方法来完成工件加工点的定位，基本过程是通过在材料废料处预加工，移动激光加工头使CCD摄像机对预加工图案进行成像定位，确定出CCD摄像机与激光加工头的相对位置以及激光加工的加工线宽，之后用CCD摄像机代替激光加工头对需要加工 的工件部位进行空走预加工，观察加工路径是否符合加工要求并调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求，最后根据CCD摄像机的激光加工头的相对位置移动激光加工头到CCD摄像机所在的位置，进行最终的激光加工。具体过程如下： 

1)用激光加工头在要加工材料的废料处进行激光预加工“十字”图案，并通过激光加工机床控制系统显示界面读出激光加工头在“十字”图案中心位置时的位置坐标a； 

2)移动激光加工头，如图3所示(只画出定位装置中的CCD摄像机)将CCD摄像机对准预加工的“十字”图案11，由计算机软件通过控制电路直接控制CCD摄像机的放大倍率和对焦，由图像采集卡采集图像信号传入计算机，在计算机屏幕上得到放大的预加工的“十字”图案12。进一步调整激光加工头的X、Y和C坐标，使预加工图案的“十字”中心对准计算机屏幕上图像显示模块中的中心网格13，并使屏幕上的网格与“十字”图案重合。之后沿z轴移动激光加工头，在计算机屏幕上观察“十字”图案的中心是否保持在中心网格上，如果偏离，调整可调倾斜块的顶针螺丝5，利用“1/2法”使网格中心沿z轴各个高度都对准“十字”图案，完成成像光轴与激光加工头光轴平行的校准。利用软件图象处理模块在图像显示模块中心上标记一个直径与预加工线宽相等的圆标记加工线宽14。最后通过激光加工机床控制系统显示界面读出此时激光加工头的位置坐标b，将坐标位置a和坐标位置b分别输入到软件的计算模块中，通过软件计算出CCD摄像机和激光加工头的相对位置坐标c； 

3)将CCD摄像机对准需要加工的工件位置的加工起始点，通过标记的线宽设定激光加工的加工补偿。然后控制激光加工头牵引固定装置以及固定装置上的CCD摄像机、控制电路和环形LED照明光源空走加工路径，并进行带有加工线宽标记的实时图像采集，如图4，观察整个加工过程中加工路径是否符合加工要求15(即是否切割路径按照工件上的图案行进，加工线宽是否在 容差之内)，如不符合，调整加工路径(通过软件处理模块调整激光加工头运动轨迹)、加工补偿和工件位置直至符合加工要求为止； 

4)将相对位置坐标c输入到激光加工机床控制系统中，按此位移移动激光加工头到CCD摄像机的位置，进行最终的激光加工； 

应用实例1： 

玻璃基片上阵列MEMS器件分离切割。在一直径5英寸的玻璃基片上，有尺寸为5.5mm*5.7mm的MEMS器件，以阵列的形式排列，器件阵列之间具有0.5mm的间隔，要求沿MEMS器件电路阵列之间的间隔将整片玻璃上的MEMS器件电路切断分离出来。 

具体步骤： 

(1)将第一转接板与激光切割头固定连接；可调倾斜块一端与第一转接板固定连接，另一端与第二转接板固定连接；控制电路固定连接在位于可调倾斜块上面的第一转接板上；  CCD摄像机固定连接在第二转接板上；LED照明光源固定连接在固定于第二转接板下侧的第三转接板上。CCD摄像机控制接口与控制电路连接，控制电路通过RS232电缆与计算机RS232接口连接，图像输出接口连接计算机中图像采集卡，启动计算机软件； 

(2)用激光切割头在玻璃基片的废料处进行激光预切割“十字”图案，并通过激光加工机床控制系统显示界面读出激光切割头在“十字”图案中心位置时的位置坐标a(3481.676，1523.708)； 

(3)移动激光加工切割头，将CCD摄像机对准预切割的“十字”图案，由计算机软件通过控制电路直接控制CCD摄像机的放大倍率和对焦，由图像采集卡采集图像信号传入计算机，在计算机屏幕上得到放大的预切割的“十字”图案。进一步调整激光切割头的X、Y和C坐标，使预切割图案的“十字”中心对准计算机屏幕上图像显示模块中的中心网格，并使屏幕上的网格与“十字”图案重合。之后沿z轴移 动激光切割头，在计算机屏幕上观察“十字”图案的中心是否保持在中心网格上，如果偏离，调整可调倾斜块的顶针螺丝，利用“1/2法”使网格中心沿z轴各个高度都对准“十字”图案，完成成像光轴与激光切割头光轴平行的校准。利用软件图象处理模块在图像显示模块中心上标记一个直径与预切割线宽相等的圆标记加工线宽。最后通过激光加工机床控制系统显示界面读出此时激光切割头的位置坐标b(3370.909，1440.082)，将坐标位置a和坐标位置b分别输入到软件的计算模块中，通过软件计算出CCD摄像机和激光切割头的相对位置坐标c(110.767，83.626)； 

(4)将CCD摄像机对准需要切割的工件位置的切割起始点，通过标记的线宽设定激光切割的加工补偿。然后控制激光切割头牵引固定装置以及固定装置上的CCD摄像机、控制电路和环形LED照明光源空走切割路径，并进行带有加工线宽标记的实时图像采集，观察整个加工过程中加工路径是否符合加工要求，如不符合，调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求为止； 

(5)将相对位置坐标c(110.767，83.626)输入到激光加工机床控制系统中，按此位移移动激光切割头到CCD摄像机的位置，进行最终的激光切割； 

(6)装配下一个相同的工件，重复(4)(5)过程即可。 

切割结果完全符合加工要求。 

应用实例2 

低碳钢激光对接焊接。将两个350mm*100mm*3mm的铝合金对接焊接，要求激光中心沿对接焊缝进行焊接。 

具体步骤： 

(1)将第一转接板与激光焊接头固定连接；可调倾斜块一端与第一转接板固定连接，另一端与第二转接板固定连接；控制电路固定连接在 位于可调倾斜块上面的第一转接板上；  CCD摄像机固定连接在第二转接板上；LED照明光源固定连接在固定于第二转接板下侧的第三转接板上。CCD摄像机控制接口与控制电路连接，控制电路通过RS232电缆与计算机RS232接口连接，图像输出接口连接计算机中图像采集卡，启动计算机软件； 

(2)用激光焊接头在低碳钢的废料处进行激光预焊接“十字”图案，并通过激光加工机床控制系统显示界面读出激光焊接头在“十字”图案中心位置时的位置坐标a(2761.520，1332.642)； 

(3)移动激光焊接头，将CCD摄像机对准预焊接的“十字”图案，由计算机软件通过控制电路直接控制CCD摄像机的放大倍率和对焦，由图像采集卡采集图像信号传入计算机，在计算机屏幕上得到放大的预焊接的“十字”图案。进一步调整激光焊接头的X、Y和C坐标，使预焊接图案的“十字”中心对准计算机屏幕上图像显示模块中的中心网格，并使屏幕上的网格与“十字”图案重合。之后沿z轴移动激光焊接头，在计算机屏幕上观察“十字”图案的中心是否保持在中心网格上，如果偏离，调整可调倾斜块的顶针螺丝，利用“1/2法”使网格中心沿z轴各个高度都对准“十字”图案，完成成像光轴与激光焊接头光轴平行的校准。由于激光焊接无需进行加工补偿，因此不必标记与加工线宽相等的圆来标记加工线宽。最后通过激光加工机床控制系统显示界面读出此时激光焊接头的位置坐标b(2650.753，1249.016)，将坐标位置a和坐标位置b分别输入到软件的计算模块中，通过软件计算出CCD摄像机和激光焊接头的相对位置坐标c(110.767，83.626)； 

(4)将CCD摄像机对准需要焊接的工件位置的焊接起始点，控制激光焊接头牵引固定装置以及固定装置上的CCD摄像机、控制电路和环形LED照明光源空走焊接路径，并进行实时图像采集，观察整个加工过 程中加工路径是否符合加工要求，如不符合，调整加工路径和工件位置直至符合加工要求为止； 

(5)将相对位置坐标c(110.767，83.626)输入到激光加工机床控制系统中，按此位移移动激光焊接头到CCD摄像机的位置，进行最终的激光焊接； 

(6)装配下一个相同的工件，重复(4)(5)过程即可。 

焊接结果完全符合加工要求。 

Claims (1)

1.一种用于激光材料加工的非同轴定位方法，其特征在于，该方法使用一种非同轴定位装置进行定位，该非同轴定位装置包括有CCD摄像机(4)、图像采集卡、能够将计算机的控制指令转换为控制CCD摄像机(4)的指令格式的控制电路(10)、照明光源和与CCD摄像机、控制电路相连接并安装有软件处理模块的计算机及一固定装置，通过本固定装置使CCD摄像机(4)、照明光源和控制电路(10)刚性的固定在激光加工头上；所述的固定装置包括有可调倾斜块(2)、第二转接板(3)、第三转接板(6)和用于与激光加工头(9)固定连接的第一转接板(1)；其中：可调倾斜块(2)的一端与第一转接板(1)固定连接，另一端与第二转接板(3)固定连接；CCD摄像机(4)与第二转接板(3)固定连接；第三转接板(6)固定连接在第二转接板(3)的下侧，照明光源固定连接在第三转接板(6)上；控制电路(10)固定连接在第一转接板(1)上；控制电路(10)的一端与CCD摄像机(4)的控制接口(7)相连，另一端与计算机相连；计算机还通过图像采集卡与CCD摄像机(4)的图像输出接口(8)相连；

应用如上所述的非同轴定位装置进行定位的方法包括以下步骤：

1)用激光加工头(9)在待加工材料的废料处进行激光预加工“十字”图案，并通过激光加工机床控制系统显示界面读出激光加工头(9)在“十字”图案中心位置时的位置坐标a；

2)移动激光加工头(9)，将CCD摄像机(4)对准预加工的“十字”图案(11)，计算机通过控制电路(10)控制CCD摄像机(4)的放大倍率和对焦，由图像采集卡采集图像信号传入计算机，得到放大的预加工的“十字”图案(12)；进一步调整激光加工头(9)的位置，使预加工图案的“十字”中心对准计算机屏幕上的中心网格(13)；之后沿z轴移动激光加工头，在计算机屏幕上观察“十字”图案的中心是否保持在中心网格上，如果偏离，调整可调倾斜块(2)，利用“1/2法”使网格中心沿z轴各个高度都对准“十字”图案，完成成像光轴与激光加工头光轴平行的校准；在图像显示模块中心上标记一个直径与预加工线宽相等的圆标记加工线宽(14)，最后通过激光加工机床控制系统显示界面读出此时激光加工头的位置坐标b，将位置坐标a和位置坐标b分别输入到计算机中，计算出CCD摄像机(4)和激光加工头(9)的相对位置坐标c；

3)将CCD摄像机(4)对准需要加工的工件位置的加工起始点，通过标记的线宽设定激光加工的加工补偿；然后控制激光加工头(9)牵引固定装置以及固定装置上的CCD摄像机、控制电路和照明光源空走加工路径，并进行带有加工线宽标记的实时图像采集，观察整个加工过程中加工路径是否符合加工要求，如不符合，调整加工路径、加工补偿和工件位置直至符合加工要求为止；

4)通过相对位置坐标c将激光加工头移动到CCD摄像机所在的位置，进行最终的激光加工。

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