CN104165596A - 一种测定离焦量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定离焦量的方法及系统，用于扫描振镜系统中离焦量的测量，包括如下步骤：确定激光λ₁的焦平面；测量结构光λ₃与水平面之间形成一倾角α及焦距的值；测量指示光λ₂偏离垂直面的角度θ；根据公式计算得出离焦量。本发明克服了常规测量工具由于读数引入的误差，并能实现非接触的距离测量，避免了常规测量对工件的损伤，并能实现狭小空间内的测距，提高了加工效率。

Description

一种测定离焦量的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种距离测定方法，特别涉及一种可应用于激光打标、焊接、选择性烧结领域的离焦量测定方法及系统。

背景技术

离焦量就是焦点离作用物质间的距离，离焦量对激光加工质量的影响很大，某些激光加工通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点一定距离的各平面上，功率密度分布相对均匀。

在应用扫描振镜进行激光打标、激光扫描振镜焊接、选择性烧结过程中，常常需要控制离焦量。为确定工件表面的离焦量，人们往往采用直尺测量工件与输出镜头之间的距离，即工作距离，利用工作距离与离焦量相差。采用直尺测量的方法，人为度数会存在相当大的误差。此外，在有些狭小或者密封空间无法使用常规的度量工具测量。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种测定离焦量的方法及系统，避免人为度数，实现非接触性的精确测量。

技术方案：本发明所述的一种测定离焦量的方法，用于扫描振镜系统中离焦量的测量，包括如下步骤：

1)在工作平台上放置标准件，调整激光λ₁垂直出射的高度，使激光λ₁的焦平面位于标准件的工作面；

2)打开指示灯，指示灯的指示光λ₂与激光λ₁共光路；

3)引入第二光源，第二光源位于指示灯一侧，第二光源出射的结构光λ₃与水平面之间形成一倾角α；

4)调整倾角α，使指示光λ₂的中心与结构光λ₃的中心在激光λ₁的焦平面上重合后，测量倾角α以及焦距的值；

5)将标准件更换为待加工件，当待加工件的工作面未处于激光λ₁的焦平面时，调整指示光λ₂的出射角度，使指示光λ₂的中心与结构光λ₃的中心在待加工件工作面上重合，测量指示光λ₂偏离垂直面的角度θ；

6)通过公式计算离焦量的值：

$\left|\mathrm{AC}\right|=\left|\mathrm{AB}\right|\·\frac{\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\θ}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}$

|BC|＝abs(|AC|-|AB|)

其中|BC|为离焦量，|AC|为工作面与输出透镜的距离，|AB|为焦距，α为结构光λ₃的倾角，θ为指示光λ₂偏离垂直面的角度。

所述步骤5)在将标准件更换为待加工件后，再次调整激光λ₁垂直出射的高度，以调整激光λ₁的焦平面与待加工件的工作面之间的距离。

本发明还提供一种测定离焦量的系统，包括激光光源、用于发射指示光λ₂的指示灯，用于测量焦距的激光位移传感器，还包括：

光路调整装置，用于调整激光λ₁和指示光λ₂的光路，以及测量指示光λ₂偏离垂直面的角度θ；

结构光发射器，作为引入的第二光源位于指示灯一侧，用于发射结构光λ₃，以及测量结构光λ₃与水平面之间形成的倾角α。

所述光路调整装置包括反射镜、转动装置和角度传感器，反射镜通过转动装置进行转动以调整光路，角度传感器用于测量所述角度θ。

还包括输出透镜，位于光路调整装置的底部，用于聚焦光束。

有益效果：本发明克服了常规测量工具由于读数引入的误差，并能实现非接触的距离测量，避免了常规测量对工件的损伤，并能实现狭小空间内的测距，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种测定离焦量的系统，包括光路调整装置1、结构光发射器2、输出透镜3、指示灯(图中未示出)和用于测量焦距的激光位移传感器(图中未示出)，入射光入射到光路调整装置1，λ₁为激光，λ₂为指示灯的指示光，指示光λ₂与激光λ₁共光路结构；λ₃为结构光发射器2的结构光，λ₂与λ₃均为可见光波长。光路调整装置1包括反射镜(图中未示出)、转动装置(图中未示出)和角度传感器(图中未示出)，反射镜可以根据需要通过转动装置进行转动，转动角度可以通过角度传感器测量。输出透镜3位于扫描振镜的底部，用于聚焦光束，使光束能量集中，便于加工。

一种测定离焦量的方法，首先，光路调整装置1通电并使激光λ₁垂直出射，即沿着图中的ABC线出射，由于工作平台是固定的，在工作平台上放置标准件。因为激光不能直接打在工作平面上，防止工作平面的损坏，标准件厚度已知。调整光路调整装置1的高度，使激光λ₁的焦平面与标准件上的工作面重合。此时，在寻找焦平面时，利用光强传感器，测量激光λ₁在标准件上的工作面的光强最大为焦平面，即图1中EB所在的面为激光λ₁的焦平面。

然后，关闭激光λ₁，打开指示灯和结构光发射器2，分别发出指示光λ₂和结构光λ₃。由于指示光λ₂与激光λ₁共光路结构，即保证了指示光λ₂也为垂直出射，即沿着ABC线出射，此位置为光路调整装置1中反射镜的初始位置。调整结构光发射器2，使结构光λ₃的中心在焦平面上与指示光λ₂中心重合，重合点为图1中的B点。结构光发射器2发射的结构光λ₃与水平面之间形成的倾角α采用倾角传感器测量，焦距AB由激光位移传感器测量，这两个初始值，测定后不再改变。

测定完倾角α和焦距AB后，将标准件替换为待加工件，由于待加工件不可能与标准件完全一样，比如待加工件可能厚度与标准件不一致，待加工件形状不规则，工作面表面不平整，待加工件工作面与标准件工作面一定不在一个平面上。再次调整激光λ₁垂直出射的高度，以调整激光λ₁的焦平面与待加工件的工作面之间的距离，由于将待加工件的工作面调整为处于激光λ₁的焦平面这个状态不好把握，对技术人员的要求较高，需要多次调节多次试验，且费时费力，误差较大。本实施例将待加工件的工作面尽量靠近激光λ₁的焦平面，即当待加工件的工作面未处于激光λ₁的焦平面时，通过光路调整装置1中的转动装置调整反射镜的角度，使指示光λ₃的中心与结构光λ₂的中心在待加工件的工作面上重合，如图1所示，DC所在的面为待加工件的工作面，指示光λ₂中心与结构光λ₃的中心有一定距离，重合点为图1中的D点。由光路调整装置1中的角度传感器，测定得到偏离原点的角度θ。最后，由数学关系：

$\left|\mathrm{AC}\right|=\left|\mathrm{AB}\right|\·\frac{\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\θ}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}$

计算出工作平面与输出透镜的距离|AC|，则离焦量为|BC|＝abs(|AC|-|AB|)。其中|BC|为离焦量，|AC|为工作面与输出透镜的距离，|AB|为焦距，α为结构光λ₃的倾角，θ为指示光λ₂偏离垂直面的角度。本发明避免了人为度数，实现非接触性的精确测量离焦量。

Claims (5)

1.一种测定离焦量的方法，用于激光加工中离焦量的测量，其特征在于，包括如下步骤：

1)在工作平台上放置标准件，调整激光λ₁垂直出射的高度，使激光λ₁的焦平面位于标准件的工作面；

2)打开指示灯，指示灯的指示光λ₂与激光λ₁共光路；

3)引入第二光源，第二光源位于指示灯一侧，第二光源出射的结构光λ₃与水平面之间形成一倾角α；

4)调整倾角α，使指示光λ₂的中心与结构光λ₃的中心在激光λ₁的焦平面上重合后，测量倾角α以及焦距的值；

5)将标准件更换为待加工件，当待加工件的工作面未处于激光λ₁的焦平面时，调整指示光λ₂的出射角度，使指示光λ₂的中心与结构光λ₃的中心在待加工件工作面上重合，测量指示光λ₂偏离垂直面的角度θ；

6)通过公式计算离焦量的值：

$\left|\mathrm{AC}\right|=\left|\mathrm{AB}\right|\·\frac{\cos \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\θ}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}$

|BC|＝abs(|AC|-|AB|)

其中|BC|为离焦量，|AC|为工作面与输出透镜的距离，|AB|为焦距，α为结构光λ₃的倾角，θ为指示光λ₂偏离垂直面的角度。

2.根据权利要求1所述的测定离焦量的方法，其特征在于，所述步骤5)在将标准件更换为待加工件后，再次调整激光λ₁垂直出射的高度，以调整激光λ₁的焦平面与待加工件的工作面之间的距离。

3.一种测定离焦量的系统，包括激光光源、用于发射指示光λ₂的指示灯，用于测量焦距的激光位移传感器，其特征在于，还包括：

光路调整装置(1)，用于调整激光λ₁和指示光λ₂的光路，以及测量指示光λ₂偏离垂直面的角度θ；

结构光发射器(2)，作为引入的第二光源位于指示灯一侧，用于发射结构光λ₃，以及测量结构光λ₃与水平面之间形成的倾角α。

4.根据权利要求2所述的测定离焦量的系统，其特征在于，所述光路调整装置(1)包括反射镜、转动装置和角度传感器，反射镜通过转动装置进行转动以调整光路，角度传感器用于测量所述角度θ。

5.根据权利要求2所述的测定离焦量的系统，其特征在于，还包括输出透镜(3)，位于光路调整装置(1)的底部，用于聚焦光束。