CN106141427A - 自动获取激光焦点的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动获取激光焦点的方法，用于激光设备。所述激光设备包括软件控制系统、X/Y/Z轴运动控制系统、光学聚焦系统、位于光学聚焦系统下方的振镜扫描系统及用于获取加工图形的相机视觉系统。该自动获取激光焦点的方法先在X/Y/Z坐标处形成N个加工图形；再通过软件控制系统控制X/Y/Z运动控制系统和相机视觉系统获取N个加工图形，并利用图像算法对N个加工图形的线宽值进行分析；最后对比不同Z轴坐标的加工图形之间的线宽值和同一Z轴坐标的加工图形的线宽值及其线宽值差异，即可确定激光设备的激光焦点。
Description
技术领域
本发明涉及激光设备领域，尤其涉及一种结构简单、成本低且可在线自动获取激光焦点的激光设备的自动获取激光焦点的方法。
背景技术
目前，大部分工业激光设备利用光学聚焦系统聚焦后的高能量密度的光斑作用于生产对象来进行生产，而激光焦点和加工对象的相对位置决定了作用于加工对象上的激光光斑和功率密度的大小；故激光焦点对加工质量起着至关重要的作用。实际生产中，激光焦点因光学聚焦系统的不同而有差异，因此，快速精确稳定地获得光学聚焦系统的激光焦点是激光加工的关键技术之一。
现有的获取激光焦点的方法主要有：1、垂直移动光学聚焦系统，通过人眼观测加工火花的大小，判断其激光焦点的位置，但这种方式精确度不高，且采用人眼观测火花存在很大的安全隐患。2、电机驱动光学聚焦系统垂直移动，采用光电传感器进行检测，但这种方式既增加成本，又使得设备结构更加复杂。
有鉴于此，有必要对现有的自动获取激光焦点的方法予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低且可在线自动获取激光焦点的激光设备的自动获取激光焦点的方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种自动获取激光焦点的方法，用于激光设备，所述激光设备包括软件控制系统、X/Y/Z轴运动控制系统、光学聚焦系统、位于光学聚焦系统下方的振镜扫描系统、以及用于获取加工图形的相机视觉系统，自动获取激光焦点的方法包括如下步骤：S1：在坐标Z轴上确定一个包含激光焦点的范围H，并在该范围H内设定N个Z轴坐标点；S2：确定N组X/Y轴坐标组，每组X/Y坐标对应S1中一个Z坐标，形成N组X/Y/Z坐标；S3：编制加工文件，软件控制系统根据加工文件的加工信息控制振镜扫描系统和X/Y/Z运动控制系统，在N组X/Y/Z坐标处形成N个加工图形；S4：通过软件控制系统控制X/Y/Z运动控制系统和相机视觉系统获取N个加工图形，并通过图像算法来对N个加工图形的线宽值进行分析；S5：对比不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值和同一Z轴坐标的加工图形的线宽值及其线宽值差异，不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异均达到激光工作的线宽标准时，该加工图形对应的Z轴坐标即为该设备激光焦点。
作为本发明的进一步改进，当不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异中的任意一个未达到激光工作的线宽标准时，选定不同的Z轴坐标的加工图形中线宽值最小且该加工图形中的不同方向的线宽值差异最小的加工图形对应的Z轴坐标作为预选焦点坐标，并以此预选焦点坐标为中心缩小范围H，循环S1~S5。
作为本发明的进一步改进，所述N个Z轴坐标点将范围H均分为N-1个子范围。
作为本发明的进一步改进，S2中的N组X/Y轴坐标不同。
作为本发明的进一步改进，循环S1~S2过程时，重新选定的N组X/Y轴坐标与前次测试时选定的N组X/Y轴坐标不重叠。
本发明的有益效果是：本发明的自动化获取激光焦点的方法，取代传统的人工操作实现在线自动化测量，提高测量效率和精确度。另外，所述激光设备通过相机视觉系统获取加工图形，进而可通过图像算法对加工图形进行分析以确定激光焦点，结构简单成本低。
附图说明
图1是本发明的激光设备的示意图。
图2是本发明的自动获取激光焦点的方法的步骤示意图。
图3是一个实施例中在Z轴坐标上的一个范围H内设定N个Z轴坐标点的示意图。
图4是在N组X/Y/Z坐标处形成的N个加工图形示意图。
图5是在图3的基础上缩小范围H并在范围H内从新设定N个Z轴坐标点的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，为实现上述发明目的，本发明提供一种激光设备，包括软件控制系统、X/Y/Z轴运动控制系统、光学聚焦系统、位于光学聚焦系统下方的振镜扫描系统、以及用于获取加工图形的相机视觉系统。所述光学聚焦系统所形成的焦点位于Z轴上。
用户可输入或编制加工文件给所述软件控制系统，进而所述软件控制系统可根据加工文件的加工信息控制X/Y/Z轴运动控制系统、振镜扫描系统形成加工图形；再控制X/Y/Z轴运动控制系统、相机视觉系统获取加工图形；进一步通过图像算法分析加工图形，以找到激光焦点。
如图2~图5所示，本发明还提供了一种用于上述激光设备的自动获取激光焦点的方法，包括如下步骤：
S1：在坐标Z轴上确定一个包含激光焦点的范围H，并在该范围H内设定N个Z轴坐标点；
S2：确定N组X/Y轴坐标，每组X/Y坐标对应S1中一个Z坐标，形成N组X/Y/Z坐标；
S3：编制加工文件，软件控制系统根据加工文件的加工信息控制振镜扫描系统和X/Y/Z运动控制系统，在N组X/Y/Z坐标处形成N个加工图形；
S4：通过软件控制系统控制X/Y/Z运动控制系统和相机视觉系统获取N个加工图形，并通过图像算法来对N个加工图形的线宽值进行分析；
S5：对比不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值和同一Z轴坐标的加工图形的线宽值及其线宽值差异，不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异均达到激光工作的线宽标准时，该加工图形对应的Z轴坐标即为该设备激光焦点。
当不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异中的任意一个未达到激光工作的线宽标准时，选定不同的Z轴坐标的加工图形中线宽值最小且该加工图形中的不同方向的线宽值差异最小的加工图形对应的Z轴坐标作为预选焦点坐标，并以此预选焦点坐标为中心缩小范围H，循环S1~S5直到找到激光焦点为止。
优选地，所述N个Z轴坐标点将范围H均分为N-1个子范围，S2中的N组X/Y轴坐标不同，使得各个加工图形无重叠。当然，所述N个Z轴坐标点将范围H任意分为N-1个子范围。
以下将结合实际激光焦点为51.5，单位均为mm的具体实施例，说明本发明的激光设备在线自动获取激光焦点的方法。为了简洁，以下实施例的文字描述和表格中的单位均为mm，不再赘述。
S1：一般，假设激光焦点附近的Z轴坐标为Z0，范围为H，则N个Z轴坐标点取值范围在[Z0-H/2，Z0+H/2]范围内，N个Z轴坐标点间隔为[H/(N-1)]。请参阅图3所示，假设以Z轴坐标为50为中心确定一个范围H=10，在该范围内确定6个Z轴坐标点选自范围[45,55]，N个Z轴坐标点间隔为2，因此6个Z轴坐标点为：45、47、49、51、53、55。如下表所示：
S2：假设在范围[1,1]~[6,6]内顺序取值，间隔为1，确定6组X/Y轴坐标，每组X/Y坐标对应S1中一个Z坐标，形成6组X/Y/Z坐标，如下表所示；
请参阅图4所示，S3中以加工图形为十字形为例，编制加工文件，通过软件控制系统根据加工文件的加工信息控制振镜扫描系统和X/Y/Z运动控制系统，在上述6组X/Y/Z坐标处形成6个十字形加工图形。
如图4所示，越接近焦点处，激光能量越强越集中，因此加工图形在横（U）、竖（V）方向的线宽值差异越小，且图形灰度值也会越小，形成的加工图形的颜色越深。
S4：通过软件控制系统控制X/Y/Z运动控制系统和相机视觉系统获取6个加工图形，并通过图像算法来对6个加工图形的线宽值进行分析。针对图4，采用图像算法对加工图形进行分析，简单说就是假设每个图形的U、V方向的线宽值为U和V，那么当同时满足下面两个条件，该图形对应的Z轴高度才是焦点：
（1）U≤W，V≤W，其中，W可理解为某种材料下激光工作时的线宽标准。本实施例中，假设W为0.025。
（2）|U-V|＜△，其中△是判断一个加工图形的线宽在U、V方向上一致性的标准。本实施例中，假设△为0.005。
S5：对比不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值（U、V）和同一Z轴坐标的加工图形的线宽值（U、V）及其线宽值差异△。当不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值（U、V）最小、且该加工图形的不同方向的线宽值（U、V）及其线宽值差异△均达到激光工作的线宽标准即S4中两个判断标准时，该加工图形对应的Z轴坐标即为该激光设备的激光焦点。
而当不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值（U、V）最小、且该加工图形的不同方向的线宽值（U、V）及其线宽值差异△中的任意一个未达到激光工作的线宽标准即S4中两个判断标准时，选定不同的Z轴坐标的加工图形中线宽值（U、V）最小且该加工图形中的不同方向的线宽值差异△最小的加工图形对应的Z轴坐标作为预选焦点坐标，并以此预选焦点坐标为中心缩小范围H，循环S1~S5，直到找到激光焦点为止。
通过图像算法对图4中的加工图形进行分析，算出的线宽值如下表所示：
从上表数据中可见当前所有图形都不满足两个判断条件，因此需要缩小H范围继续寻找激光焦点。上表中，第四组坐标（4,4,51）处的加工图形的U、V值均较小，且△值最小，因此参阅图5所示，以Z轴坐标为51，H为4，N为6，缩小范围至[49,53]，间隔0.8确定6个Z轴坐标点。重复S1~S5，重新进行测试。重新进行测试时，选定的N组X/Y轴坐标与前次测试时选定的N组X/Y轴坐标不重叠，以免前次测试时的加工图形对重新测试时的加工图形造成干扰。
从上表数据中可以发现，第4组数据已经满足了两个判断条件，即可判定该加工图形对应的Z轴坐标可作为焦点，即51.4，与实际激光焦点51.5仅差0.1mm，准确度较高。
综上所述，本发明的在线自动化获取激光焦点的方法，取代传统的人工操作实现在线自动化测量，提高测量效率和精确度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种自动获取激光焦点的方法，用于激光设备，所述激光设备包括软件控制系统、X/Y/Z轴运动控制系统、光学聚焦系统、位于光学聚焦系统下方的振镜扫描系统、以及用于获取加工图形的相机视觉系统，自动获取激光焦点的方法包括如下步骤：
S1：在坐标Z轴上确定一个包含激光焦点的范围H，并在该范围H内设定N个Z轴坐标点；
S2：确定N组X/Y轴坐标，每组X/Y坐标对应S1中一个Z坐标，形成N组X/Y/Z坐标；
S3：编制加工文件，软件控制系统根据加工文件的加工信息控制振镜扫描系统和X/Y/Z运动控制系统，在N组X/Y/Z坐标处形成N个加工图形；
S4：通过软件控制系统控制X/Y/Z运动控制系统和相机视觉系统获取N个加工图形，并通过图像算法来对N个加工图形的线宽值进行分析；
S5：对比不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值和同一Z轴坐标的加工图形的线宽值及其线宽值差异，不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异均达到激光工作的线宽标准时，该加工图形对应的Z轴坐标即为该设备激光焦点。
2.根据权利要求1所述的自动获取激光焦点的方法，其特征在于：当不同的Z轴坐标的加工图形之间的线宽值最小、且该加工图形的不同方向的线宽值及其线宽值差异中的任意一个未达到激光工作的线宽标准时，选定不同的Z轴坐标的加工图形中线宽值最小且该加工图形中的不同方向的线宽值差异最小的加工图形对应的Z轴坐标作为预选焦点坐标，并以此预选焦点坐标为中心缩小范围H，循环S1~S5。
3.根据权利要求1所述的自动获取激光焦点的方法，其特征在于：所述N个Z轴坐标点将范围H均分为N-1个子范围。
4.根据权利要求1所述的自动获取激光焦点的方法，其特征在于：S2中的N组X/Y轴坐标不同。
5.根据权利要求2所述的自动获取激光焦点的方法，其特征在于：循环S1~S2过程时，重新选定的N组X/Y轴坐标与前次测试时选定的N组X/Y轴坐标不重叠。
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