CN101913024A - 光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统及方法，本发明针对现有激光扫描焊接系统扫描技术存在的缺陷，采用光纤激光器或碟片激光器、PSD位移传感器、高精度空心轴直线电机驱动的动态聚焦快速扫描头，实现动态调焦模块的闭环和实时控制，在工件上进行快速点轨迹的点扫描加工。加工范围大、质量高，焊接或打点速度快、效率高，有效提高了系统的精度和焊接质量，并可实现3D焊接，在先进制造领域具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统及其方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
以激光扫描焊接为例，激光扫描焊接（Scanner Welding）又称激光远距离焊接（Remote Welding），是一种采用扫描镜组获得光点偏移实现焊接的加工工艺。常规激光焊接系统主要采用固定光束，工件位移或者机器人手持激光焊接头进行焊接加工。与常规激光焊接工艺相比，激光扫描焊接最大的优势在于大幅度提高了生产效率。激光束通过扫描镜的快速偏转移动，光点快速移动，用于定位的时间明显缩减，极大地减少了加工时间。在很大程度上提高了激光的使用率，工件上的焊点数量越多焊点间隔越大，这种扫描焊接方式加工工艺的优势越明显。激光焊接的光束质量对焊接质量控制有着重要作用，目前用于激光焊接的光源主要有Nd：YAG固体激光器和CO2气体激光器。随着激光器件技术进步，以光纤激光器和碟片激光器为代表的新一代全固态激光器相对于传统激光光源具有更高的光束质量，性能稳定，采用光纤输出，体积轻巧，结构简单。
激光扫描时，当扫描扫描镜将激光束向远离工作范围中心的方向引导时，从镜头到工作的距离增加了，畸变导致远离工作中心的位置激光光束离焦。现有的激光扫描焊接设备常采用f-θ透镜（平场镜）来克服像质一致和等角速度入射光实现线性扫描，或采用动态聚焦技术来克服扫描镜扫描中的离焦和等速问题。因f-θ透镜受到镜头大小和扫描镜扫描光束入瞳口径的限制，扫描范围被大大的限制，而且f-θ透镜的入瞳口径越大，成本越高。目前被广泛采用的动态聚焦装置是通过旋转电机和传动机构组成驱动装置来驱动透镜实现直线往复运动，但由于结构松散，稳定性差，响应速度慢，已经远不能满足现代控制系统的要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有激光扫描焊接技术存在的焊接速度慢、工作范围受限、焊接光点能量不稳定、设备整合繁琐、结构松散庞大等的缺陷，提供一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统及方法。
本发明的技术方案是，一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统，包括激光器、准直扩束镜、扫描头、PC控制系统、载物台，其特征在于，所述的激光器为光纤激光器或碟片激光器，所述的光纤激光器或碟片激光器的光纤输出头与准直扩束镜连接，准直扩束镜与扫描头相连接；所述的扫描头由Z轴动态聚焦模块、X轴反射镜片、X轴数字伺服电机、Y轴反射镜片、Y轴数字伺服电机组成，所述的X轴反射镜片安装在X轴数字伺服电机的转轴上，所述Y轴反射镜片安装在Y轴数字伺服电机的转轴上， 所述光纤激光器或碟片激光器输出的光束依次经准直扩束镜、Z轴动态聚焦模块，射到X轴反射镜片上，由X轴反射镜片反射到Y轴反射镜片，经Y轴反射镜片反射将光点聚焦于载物台上的被加工件表面；所述的动态聚焦模块由Z轴空心伺服直线电机、凹透镜和凸透镜组组成，所述Z轴空心伺服直线电机包括镜架、线圈、磁钢、PSD位移传感器、滑轮导轨组成,所述的凹透镜安装于镜架上，镜架绕有线圈，镜架安装有滑轮导轨，改变线圈电流大小使镜架在滑轮导轨上前后移动，调节凹透镜和凸透镜组之间距离，实现动态聚焦；所述PC控制系统包括打标控制卡和转角位置处理器，打标控制卡控制X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机，转角位置处理器将信号发送给Z轴空心伺服直线电机，按照存在PC控制系统中的加工图形点轨迹图扫描的点轨迹运动，同步控制光纤激光器或碟片激光器出光，完成点焊。
利用上述光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统的激光动态聚焦扫描方法为如下步骤：
1.将加工图形点轨迹图输入到PC控制系统；
2.由连接PC控制系统的打标控制卡发出信号，通过X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机控制X轴反射镜片和Y轴反射镜片的转角位置；
3.转角位置处理器对打标控制卡发出的X轴反射镜片和Y轴反射镜片的转角位置信号进行采集，将两点间的偏转角进行等距离的插补，得到各个插补点对应的偏转角度值和动态聚焦的Z轴位移量；
4.转角位置处理器将动态聚焦的Z轴位移量信号发送给Z轴空心伺服直线电机进行直线运动，进而带动凹透镜位移，使凹透镜和凸透镜组间的距离变化；
5.PSD位移传感器获取凹透镜位移的位移量，转角位置处理器通过PSD位移传感器获得反馈实时位移信号，实现闭环连接控制，实现光束的动态聚焦。
本发明的有益效果是：本发明针对现有激光扫描焊接系统扫描技术存在的缺陷，采用光纤激光器或碟片激光器、PSD位移传感器、高精度空心轴直线电机驱动的动态聚焦快速扫描头，实现动态调焦模块的闭环控制和实时控制，在工件上进行快速点轨迹的点扫描加工。加工范围大、质量高，焊接或打点速度快、效率高，有效提高了系统的精度和焊接质量，并可实现3D焊接，在先进制造领域具有广泛的应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统示意图；
图2是凹透镜安装于Z轴空心伺服直线电机上的结构示意图；
图3是光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统控制系统框图。
具体实施方式
由图1和图2所示，一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统，包括激光器1、准直扩束镜2、扫描头21、PC控制系统16、载物台20，其特征在于，所述的激光器1为光纤激光器或碟片激光器，所述的光纤激光器或碟片激光器的光纤输出头与准直扩束镜2连接，准直扩束镜2与扫描头21相连接；所述的扫描头21由Z轴动态聚焦模块3、X轴反射镜片7、X轴数字伺服电机8、Y轴反射镜片9、Y轴数字伺服电机10组成，所述的X轴反射镜片7安装在X轴数字伺服电机8的转轴上，所述Y轴反射镜片9安装在Y轴数字伺服电机10的转轴上， 所述光纤激光器或碟片激光器输出的光束依次经准直扩束镜2、Z轴动态聚焦模块3，射到X轴反射镜片7上，由X轴反射镜片7反射到Y轴反射镜片9，经Y轴反射镜片9反射将光点聚焦于载物台20上的被加工件19表面；所述的动态聚焦模块3由Z轴空心伺服直线电机6、凹透镜4和凸透镜组5组成，所述Z轴空心伺服直线电机6包括镜架11、线圈12、磁钢13、PSD (Position Sensitive Detector)位移传感器14、滑轮导轨15组成,所述的凹透镜4安装于镜架11上，镜架11绕有线圈12，镜架11安装有滑轮导轨15，改变线圈12电流大小使镜架11在滑轮导轨15上前后移动，并通过PSD位移传感器14获取镜架实时位移信号，实现闭环连接控制，实现零传动，动态性能好，凸透镜组5固定不动，光束经凹透镜4后发散，入射到凸透镜组5，调节凹透镜4和凸透镜组5之间距离，实现动态聚焦；所述PC控制系统16包括打标控制卡17和转角位置处理器18，打标控制卡控制X轴数字伺服电机8、Y轴数字伺服电机10，转角位置处理器18将信号发送给Z轴空心伺服直线电机6，按照存在PC控制系统16中的加工图形点轨迹图扫描的点轨迹运动，同步控制光纤激光器或碟片激光器出光，完成点焊。
由图1-图3所示，利用上述光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统的激光动态聚焦扫描方法为如下步骤：
1.将加工图形点轨迹图输入到PC控制系统16；
2.由连接PC控制系统16的打标控制卡17发出信号，通过X轴数字伺服电机8、Y轴数字伺服电机10控制X轴反射镜片7和Y轴反射镜片9的转角位置；
3.转角位置处理器18获得X轴反射镜片7和Y轴反射镜片9的转角位置信号，将两点间的偏转角进行等距离的插补，得到各个插补点对应的偏转角度值和动态聚焦的Z轴位移量；
4.转角位置处理器18将动态聚焦的Z轴位移量信息发送给Z轴空心伺服直线电机6，控制Z轴空心伺服直线电机6进行直线运动，进而带动凹透镜4位移，使凹透镜4和凸透镜组5间的距离变化；
5.PSD位移传感器获取凹透镜位移的位移量，转角位置处理器通过PSD位移传感器获得反馈实时位移信号，实现闭环连接控制，实现光束的动态聚焦。
Claims (2)
1.一种光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统，包括激光器、准直扩束镜、扫描头、PC控制系统、载物台，其特征在于，所述的激光器为光纤激光器或碟片激光器，所述的光纤激光器或碟片激光器的光纤输出头与准直扩束镜连接，准直扩束镜与扫描头相连接；所述的扫描头由Z轴动态聚焦模块、X轴反射镜片、X轴数字伺服电机、Y轴反射镜片、Y轴数字伺服电机组成，所述的X轴反射镜片安装在X轴数字伺服电机的转轴上，所述Y轴反射镜片安装在Y轴数字伺服电机的转轴上，
所述光纤激光器或碟片激光器输出的光束依次经准直扩束镜、Z轴动态聚焦模块，射到X轴反射镜片上，由X轴反射镜片反射到Y轴反射镜片，经Y轴反射镜片反射将光点聚焦于载物台上的被加工件表面；所述的动态聚焦模块由Z轴空心伺服直线电机、凹透镜和凸透镜组组成，所述Z轴空心伺服直线电机包括镜架、线圈、磁钢、PSD位移传感器、滑轮导轨组成,所述的凹透镜安装于镜架上，镜架绕有线圈，镜架安装有滑轮导轨，改变线圈电流大小使镜架在滑轮导轨上前后移动，调节凹透镜和凸透镜组之间距离，实现动态聚焦；所述PC控制系统包括打标控制卡和转角位置处理器，打标控制卡控制X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机，转角位置处理器将信号发送给Z轴空心伺服直线电机，按照存在PC控制系统中的加工图形点轨迹图扫描的点轨迹运动，同步控制光纤激光器或碟片激光器出光，完成点焊。
2.利用权利要求1所述光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统的激光动态聚焦扫描方法为如下步骤：
（1）将加工图形点轨迹图输入到PC控制系统；
（2）由连接PC控制系统的打标控制卡发出信号，通过X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机控制X轴反射镜片和Y轴反射镜片的转角位置；
（3）转角位置处理器获得X轴反射镜片和Y轴反射镜片的转角位置信号，将两点间的偏转角进行等距离的插补，得到各个插补点对应的偏转角度值和动态聚焦的Z轴位移量；
（4）转角位置处理器将动态聚焦的Z轴位移量信息发送给Z轴空心伺服直线电机，控制Z轴空心伺服直线电机进行直线运动，进而带动凹透镜位移，使凹透镜和凸透镜组间的距离变化；
（5）PSD位移传感器获取凹透镜位移的位移量，转角位置处理器通过PSD位移传感器获得反馈实时位移信号，实现闭环连接控制，实现光束的动态聚焦。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20101215 |