CN104874913A - 调节激光光斑大小与靶材定位的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及调节激光光斑大小与靶材定位的装置及方法，用于夹持相纸的夹具置于升降台上，升降台安装于X-Y运动工作台上，X-Y运动工作台位于多螺纹孔工作台底座上，伺服电机与X-Y运动工作台和升降台驱动连接，激光器的输出光路上设置光路系统，光路系统的输出端正对于夹具所夹持的相纸，激光器的光路输出端还布置有用于接收光信号的光电传感器，光电传感器连接至工控机，工控机与伺服电机控制连接。利用激光冲击波作用在相纸上形成的离散斑点，精密测量，逐级逼近所需的光斑大小；利用薄膜来定位靶材；利用测量离散斑点的尺寸来逼近所需斑点尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种调节激光光斑大小与靶材定位的装置及其方法，用于各种脉冲激光器确定光斑大小、各种不同厚度不同形状的靶材定位。
背景技术
光斑大小即直径是激光加工中的重要参数。对激光光斑的测量一般有套孔法、刀口法、CCD法。这些方法在国军标GJB5441-2005中都规定了测量的方法。但在实际应用中，这些方法都存在很多缺陷。套孔法主要针对的是光斑为圆形或者能提前预测大致形状且光场对称分布的光斑，这在使用上受到很大的限制。刀口法具有很强的光斑形状适应能力，但光路调节较为复杂而且测试精度不高。CCD法主要是利用电荷耦合器对所能响应波长的光子进行光电转换，并通过软件处理后在计算机上将光斑特性显示出来，但CCD作为光电转换器件具有一定的相应波长，对于相应波长外的激光并不能进行成像，测试过程中可能需要多套CCD探测器，价格过于昂贵。针对上述的方法以及缺点，可以进行相应的改造。例如专利CN103411534公开了一种测量光斑大小的方法和装置，对刀口法进行了改进，简化光斑测量时对光路的调整，但是操作繁琐，仪器受环境的影响较大。专利CN102670304公开了一种长脉冲激光光斑大小调节方法及装置，采用设置有若干透镜通孔的透镜切换转筒来测量调整光斑大小，但是此专利是由控制透镜通孔内焦距不同的透镜来实现的，具有专用性的特点，适用性不广。专利CN103676159公开了一种改善光斑形状自动调节光斑大小的光路系统，采用微透镜阵列、非球面镜、空间滤波小孔等装置进行调节光斑大小，但是此专利调节范围不广，附加装置多而繁琐，整体工作效率不高。现在实验中对靶材的定位方法一般采用分光形成可见光定位的形式或者直接安装He-Ne激光器，采用小能量可见光作用在光斑处，但此方法存在缺点，如可见光有一定的光斑尺寸导致在定位过程中定位不准确。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种调节激光光斑大小与靶材定位的装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
调节激光光斑大小与靶材定位的装置，特点是：包括激光器、光电传感器、光路系统、相纸、夹具、升降台、X-Y运动工作台、多螺纹孔底座、伺服电机和工控机，用于夹持相纸的夹具置于升降台上，升降台安装于X-Y运动工作台上，X-Y运动工作台位于多螺纹孔工作台底座上，伺服电机与X-Y运动工作台和升降台驱动连接，激光器的输出光路上设置光路系统，光路系统的输出端正对于夹具所夹持的相纸，激光器的光路输出端还布置有用于接收光信号的光电传感器，光电传感器连接至工控机，工控机与伺服电机控制连接。
进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其中，所述激光器为脉冲激光器，与工控机相连。
更进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其中，所述相纸上具有聚丙烯薄膜。
更进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其中，所述薄膜厚度为200um。
更进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其中，所述光路系统包括激光准直系统以及与其相衔接的透镜聚焦系统。
本发明调节激光光斑大小与靶材定位的方法，采用逐级逼近法，通过控制X-Y运动工作台与升降台的定速移动，使激光冲击波作用在相纸上形成一系列离散的光斑，通过精密测量与微细调节，得到所要的激光光斑尺寸，通过在相纸表层透明薄膜上标记光斑以定位靶材。
再进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其中，脉冲激光冲击前，通过调节夹具高度使相纸高度与靶材的厚度相当，撤去靶材；
脉冲激光冲击并在相纸上得到一系列的离散斑点，通过游标卡尺测量，得到激光光斑尺寸，对比确定所需光斑的所在范围，采用逐级逼近的方法，调节升降台返回步位以及速度，再次冲击，如若光斑尺寸仍有偏差，继续前述步骤，直至光斑尺寸达到要求；
得到所需光斑后，在相纸的透明薄膜上用笔标志出光斑轮廓，撤去相纸，并将夹具固定在多螺纹孔工作台底座上，调节X-Y运动工作台，放上靶材，使冲击点与薄膜上的标记相重合，达到定位要求。
再进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其中，所述离散斑点的轨迹为弓字形、S形或直线形。
再进一步地，上述的调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其中，激光冲击前，根据靶材的高度合理放置夹具、相纸，调节好X-Y运动工作台与升降台的位置；
激光器输出脉冲激光，光电传感器接收到光信号并反馈给工控机，工控机触发伺服电机工作，伺服电机驱动X-Y运动工作台与升降台按程序协调运动，脉冲激光通过光路系统聚焦在相纸上得到一系列的离散斑点；
游标卡尺进行测量，对比确定所需光斑的所在范围，控制工控机使升降台返回相应的步位，调节升降台的速度，再次冲击，测量微调后的光斑尺寸，如若仍有偏差，继续采用逐级逼近的方法，直至光斑尺寸达到要求；
工控机控制X-Y运动工作台与升降台运行至所需光斑尺寸位置处，在透明薄膜上用笔标志出光斑轮廓，撤去相纸，并将夹具固定在多螺纹孔底座上，工控机调节X-Y运动工作台于合适的位置以便靶材的放置，升降台上放置靶材，使预冲击点与薄膜上的标记相重合，达到定位要求。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明利用激光冲击波作用在相纸上形成的离散斑点，精密测量，逐级逼近所需的光斑大小；利用薄膜来定位靶材；利用测量离散斑点的尺寸来逼近所需斑点尺寸，理论与实践思想明确，应用范围极其广泛；
②离散斑点的路径由工控机控制，可以是弓字形、S形、直线形等，具体轨迹根据相纸的大小与运行的速度来选择，可控性强，相纸利用率高；
③定位方法简单快速，利用在透明薄膜上标记，不会对靶材有伤害，也不用添加其他定位器材如He-Ne激光器，成本低，利用率高；
④测量原理清晰，夹具设计新颖，操作方便，成本低，测量结果不受外界环境的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明装置的原理示意图；
图2：X-Y运动工作台部分的示意图。
具体实施方式
本发明利用相纸与覆盖在相纸上的薄膜来实现调整光斑与靶材定位的功能，操作简单，成本低廉。
如图1、图2所示，调节激光光斑大小与靶材定位的装置，包括激光器1、光电传感器2、光路系统3、相纸4、夹具5、升降台6、X-Y运动工作台7、多螺纹孔底座8、伺服电机9和工控机10，激光器1为脉冲激光器，激光参数可以由工控机设置，与工控机10相连，用于夹持相纸4的夹具5置于升降台6上，升降台6安装于X-Y运动工作台7上，X-Y运动工作台7位于多螺纹孔工作台底座8上，伺服电机9与X-Y运动工作台8和升降台7驱动连接，激光器1的输出光路上设置光路系统3，光路系统3包括激光准直系统以及与其相衔接的透镜聚焦系统，光路系统3的输出端正对于夹具所夹持的相纸4，相纸4上具有聚丙烯薄膜，薄膜厚度为200um，但强度高不易变形，激光器1的光路输出端还布置有用于接收光信号的光电传感器2，光电传感器2连接至工控机10，工控机10与伺服电机8控制连接。
夹具5可夹持在升降台6上随工作台7和升降台6一起运动，也可以固定在多螺纹孔工作台底座8上，以方便定位。
升降台6放置于X-Y运动工作台7上，夹具5放置在升降台6上，X-Y运动工作台7可以在X-Y平面内沿X方向或者Y方向定速移动，升降台6可以沿空间Z方向定速上升或下降运动。速度以及轨迹可由工控机10控制。当X方向或者Y方向上的速度较大时，斑点的距离相距远，当Z方向上的速度较大时，光斑尺寸的变化幅度变大。
本发明调节激光光斑大小与靶材定位的方法，采用逐级逼近法，通过控制X-Y运动工作台7与升降台6的定速移动，使激光冲击波作用在相纸4上形成一系列离散的光斑，通过精密测量与微细调节，得到所要的激光光斑尺寸，通过在相纸表层透明薄膜上标记光斑以定位靶材。
具体流程为：激光冲击前，根据靶材的高度合理放置夹具5、相纸4，调节好X-Y运动工作台7与升降台6的位置；
激光器1输出脉冲激光，光电传感器2接收到光信号并反馈给工控机10，工控机10触发伺服电机9工作，伺服电机9驱动X-Y运动工作台7与升降台6按程序协调运动，脉冲激光通过光路系统3聚焦在相纸4上得到一系列的离散斑点，离散斑点的轨迹为弓字形、S形或直线形；
游标卡尺进行测量，对比确定所需光斑的所在范围，控制工控机10使升降台6返回相应的步位，调节升降台6的速度，再次冲击，测量微调后的光斑尺寸，如若仍有偏差，继续采用逐级逼近的方法，直至光斑尺寸达到要求；
工控机10控制X-Y运动工作台7与升降台6运行至所需光斑尺寸位置处，在透明薄膜上用笔标志出光斑轮廓，撤去相纸，并将夹具5固定在多螺纹孔底座8上，工控机10调节X-Y运动工作台7于合适的位置以便靶材的放置，升降台6上放置靶材，使预冲击点与薄膜上的标记相重合，达到定位要求。
本发明利用激光冲击波作用在相纸上形成的离散斑点，精密测量，逐级逼近所需的光斑大小；利用薄膜来定位靶材；利用测量离散斑点的尺寸来逼近所需斑点尺寸，理论与实践思想明确，应用范围极其广泛。
离散斑点的路径由工控机控制，可以是弓字形、S形、直线形等，具体轨迹根据相纸的大小与运行的速度来选择，可控性强，相纸利用率高。
定位方法简单快速，利用在透明薄膜上标记，不会对靶材有伤害，也不用添加其他定位器材如He-Ne激光器，成本低，利用率高。
测量原理清晰，夹具设计新颖，操作方便，成本低，测量结果不受外界环境的影响。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其特征在于：包括激光器、光电传感器、光路系统、相纸、夹具、升降台、X-Y运动工作台、多螺纹孔底座、伺服电机和工控机，用于夹持相纸的夹具置于升降台上，升降台安装于X-Y运动工作台上，X-Y运动工作台位于多螺纹孔工作台底座上，伺服电机与X-Y运动工作台和升降台驱动连接，激光器的输出光路上设置光路系统，光路系统的输出端正对于夹具所夹持的相纸，激光器的光路输出端还布置有用于接收光信号的光电传感器，光电传感器连接至工控机，工控机与伺服电机控制连接。
2.根据权利要求1所述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其特征在于：所述激光器为脉冲激光器，与工控机相连。
3.根据权利要求1所述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其特征在于：所述相纸上具有聚丙烯薄膜。
4.根据权利要求3所述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其特征在于：所述薄膜厚度为200um。
5.根据权利要求1所述的调节激光光斑大小与靶材定位的装置，其特征在于：所述光路系统包括激光准直系统以及与其相衔接的透镜聚焦系统。
6.权利要求1所述装置实现调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其特征在于：采用逐级逼近法，通过控制X-Y运动工作台与升降台的定速移动，使激光冲击波作用在相纸上形成一系列离散的光斑，通过精密测量与微细调节，得到所要的激光光斑尺寸，通过在相纸表层透明薄膜上标记光斑以定位靶材。
7.根据权利要求6所述调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其特征在于：脉冲激光冲击前，通过调节夹具高度使相纸高度与靶材的厚度相当，撤去靶材；
脉冲激光冲击并在相纸上得到一系列的离散斑点，通过游标卡尺测量，得到激光光斑尺寸，对比确定所需光斑的所在范围，采用逐级逼近的方法，调节升降台返回步位以及速度，再次冲击，如若光斑尺寸仍有偏差，继续前述步骤，直至光斑尺寸达到要求；
得到所需光斑后，在相纸的透明薄膜上用笔标志出光斑轮廓，撤去相纸，并将夹具固定在多螺纹孔工作台底座上，调节X-Y运动工作台，放上靶材，使冲击点与薄膜上的标记相重合，达到定位要求。
8.根据权利要求7所述调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其特征在于：所述离散斑点的轨迹为弓字形、S形或直线形。
9.根据权利要求6所述调节激光光斑大小与靶材定位的方法，其特征在于：激光冲击前，根据靶材的高度合理放置夹具、相纸，调节好X-Y运动工作台与升降台的位置；
激光器输出脉冲激光，光电传感器接收到光信号并反馈给工控机，工控机触发伺服电机工作，伺服电机驱动X-Y运动工作台与升降台按程序协调运动，脉冲激光通过光路系统聚焦在相纸上得到一系列的离散斑点；
游标卡尺进行测量，对比确定所需光斑的所在范围，控制工控机使升降台返回相应的步位，调节升降台的速度，再次冲击，测量微调后的光斑尺寸，如若仍有偏差，继续采用逐级逼近的方法，直至光斑尺寸达到要求；
工控机控制X-Y运动工作台与升降台运行至所需光斑尺寸位置处，在透明薄膜上用笔标志出光斑轮廓，撤去相纸，并将夹具固定在多螺纹孔底座上，工控机调节X-Y运动工作台于合适的位置以便靶材的放置，升降台上放置靶材，使预冲击点与薄膜上的标记相重合，达到定位要求。
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