CN106334872B - 激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法，采用在激光端面织构机内安装自动对焦及微调控制器（9）实现自动对焦暨实时微调，所述的自动对焦及微调控制器（9）由光栅尺、传感位移检测器、CCD成像探测器和中央处理器CPU构成；本发明采用CCD成像探测器对试加工的工件进行采样和分析，并通过改变光栅尺上对焦基准点位置的方式来减小误差，确保加工时对焦的正确性，提高加工零件的精度和效率。

Description

激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法。

背景技术

激光在对零件表面进行处理时，具有定位精确高、无接触、加工迅速、效率高等特点。在激光织构加工时，虽然光源中激光的方向性是最好的、光强度和光功率密度也是最高，但其也存在一定的发散角，不能满足许多加工中对激光功率密度的要求，所以必须对激光进行聚焦处理，以提高功率密度，达到加工要求。对于功率要求不高（2kW以下）的激光加工系统中，多数采用透镜进行聚焦。所以使用激光加工时都需要对激光加工系统进行对焦处理，而传统的对焦方法是通过手动进行一点一点移动主轴，通过肉眼辨别最佳的加工距离，以达到对焦的目的。而这种方式对焦速度慢，效率低，很难满足快速加工和高效加工的要求。

在自动对焦系统，通过CCD图像传感器对图像进行捕捉处理，并由中央处理器CPU控制机床的主轴运动，实现激光加工中的自动对焦，如苏州天弘激光股份有限公司开发的一种带有CCD自动对焦系统的激光切割机（201120137508.8），就是采用CCD采集一帧图像，然后进行清晰度评价计算，并控制升降台留于最佳位置上，最终得到激光头的最佳高度位置，但是此装置对焦精度不高，很难实现快速正确自动对焦，其次此装置对焦过程中速度较为缓慢。

对于自动对焦时，初始点的确定或固定点的加工对于激光这个高精度加工设备而言是至关重要的。在目前设计中也有通过使用摄像头实时采集光斑图像，再通过计算机对比光斑图像的属性来找出位于焦平面的光斑图像，如广州中国科学院工业技术研究院开发的一种激光加工初始位置的对焦定位方法及激光加工装置（201010159047.4），但是此种方法只能确定原本在工件上确定的点，而不可实现快速自由选取加工的初始点。

随着对激光加工的质量要求的提高，在激光加工中实现实时监控已经成为激光加工中保证质量的新的发展方向，如中科中涵激光设备(福建)股份有限公司设计的实时监测焦点位置的装置（201120329882.8）实现对激光加工中的实时监控。其设计的装置采用CCD探测器非同轴监视，实时监测焦点的位置，但此装置无法避免由于系统的误差或加工时产生的误差，对加工零件的精度有一定的影响。

传统的激光加工时对焦系统在对焦采集时聚焦路线和激光加工时的激光束不能相交一点，对焦系统在对焦完成后，需要使机床主轴运动一定距离，使其激光加工点运动到对焦点，才能完成加工；或采用对焦系统的路线等效为激光加工的路线如珠海市铭语自动化设备有限公司设计的一种自动对焦激光加工装置（201020544140.2），这样设计的装置必定会产生一定误差，对加工的精确加工带来不同程度的影响。

发明内容

本发明的目的是：提供一种激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法，在零件端面进行激光织构时快速自动对焦和实时微调，更适合于激光织构的高速、高效加工，也进一步提高加工的精度。

本发明的技术解决方案是：采用在激光端面织构机内安装自动对焦暨实时微调控制器实现自动对焦暨实时微调，所述的自动对焦暨实时微调控制器由光栅尺、传感位移检测器、CCD成像探测器和中央处理器CPU构成；其特征是该自动对焦暨实时微调方法的步骤如下：CCD成像探测器对所需加工点进行定位，聚光路线经传感位移检测器采集和分析后得出在光栅尺上的位置距离信号，将信号传递给中央控制器CPU计算和处理，并对机床发出移动机床主轴指令；同时机床对传感位移检测器发出反馈信息，再次测量和调整，直到加工零件聚焦位置达到允许范围内，停止对焦，工件达到最佳加工状态；在缩小误差进行对焦微调时，采用CCD成像探测器对试加工的工件进行采样和分析，并通过改变光栅尺上对焦基准点位置方式来减小误差。

进一步地，在加工开始前，首先由CCD成像探测器对所加工的零件表面进行拍摄，其拍摄的分辨率为固定值，且拍摄加工表面100cm²，将拍摄的视频在显示器上显示，用户在显示器上选取需加工的表面初始点；在选取之后激光头运动一定距离，使得激光头偏差距离达到很小，为下步对焦微量的调整提供保障。

进一步地，采用传感位移检测器在光栅尺上进行捕捉，并设光栅尺中点为对焦基准点，将光栅尺上的捕捉点与对焦基准点进行对比，并产生距离信号，同时将信号输入CPU进行算法分析处理，并向主轴发出运动控制指令使主轴运动。

进一步地，通过CPU给机床发出一个指令后，机床同时反馈一个信号给传感位移检测器，使其再次采集和分析，并将产生的信号再次传递给CPU，如果距离数值超出允许范围，CPU向机床主轴下达运动指令，激光头再次循环执行，如距离在范围内，CPU不向机床主轴下达运动指令；此设计保证激光头不会一直处于循环状态或出现死循环，同时通过此设计提高对焦准确性。

进一步地，采用传感位移检测器，通过改变光栅尺上的对焦基准点来减小由于激光头本身带来的误差；并将每次加工后的在光栅尺上形成的点经过处理后作为下次加工时的对焦基准点，这样实现在激光加工时实时连续的微调和对焦，进一步提高加工的精度和加工效率。

进一步地，通过角度发射镜同时将加工工件上的对焦控制点和激光加工点结合起来，这样实现自动对焦后直接加工，而无需移动主轴后加工，确保加工的精度和加工效率，同时也为加工时对焦系统进行实时监控提供条件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、在激光加工时实现快速选择加工初始点或固定加工点；2、对焦系统本身进行微调，在激光加工时实现实时连续的系统微调和对焦，达到减小系统误差，进一步提高加工的精度和加工效率；3、通过一定角度的反射镜将对焦系统的对焦点和激光束加工点同时结合在加工工件上，避免对焦完成之后由于主轴的运动影响加工精度；4、使用光栅调整对焦基准点的位置，解决了激光束加工面过近( 未聚焦)和加工面过远( 散焦)现象，从而避免由于系统误差导致加工精度的降低；5、在缩小误差进行对焦微调时，采用CCD成像探测器对试加工的工件进行采样和分析，并通过改变光栅尺上对焦基准点位置的方式来减小误差，进一步确保加工时对焦的正确性，保证加工零件的精度，提高加工的效率。

附图说明

图1 为本发明的自动对焦和实时微调控制器的原理框图；

图2 为激光端面织构机的激光头主视图；

图3 为激光端面织构机的激光头左视图；

图4 为激光端面织构机的对焦光路图；

图5 为反射镜主视图；

图6 为反射镜左视图；

图7 为反射镜俯视图；

图8 为微调原理图。

图中：1加工工件，2直筒，3成像系统，4直角腔体，5散热器，6固定扣，7反射镜筒体，8对焦光路，9自动对焦及微调控制器，10光栅尺，11激光路线，12凸透镜，13 45⁰反射镜，14反射镜筒体侧盖，15固定螺钉螺孔，16成像光入口，17摄像头固定孔，18 具有αº的反射镜片，19未聚焦面（加工面过近)，20散焦面（加工面过远)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图2-7所示，激光端面织构机包括激光头加工装置和自动对焦及微调控制器，所述激光头加工装置包括直筒（2）、直角腔体（4），凸透镜（12）和45⁰反射镜（13）分别固定在直角腔体（4）内部，通过固定扣（6）将反射镜筒体（7）固定在直角腔体（4）上，自动对焦及微调控制器（9）位于成像系统（3）内部，成像系统（3）通过固定螺钉孔（15）将其固定反射镜筒体（7）上方；其中，具有αº的反射镜片（18）安装在反射镜筒体（7）内部，并通过反射镜筒体侧盖（14）固定。

如图1、图8所示，采用在激光端面织构机内安装动对焦及微调控制器9实现自动对焦暨实时微调，所述的自动对焦及微调控制器9由光栅尺、传感位移检测器、CCD成像探测器和中央处理器CPU构成；其特征是该自动对焦暨实时微调方法的步骤如下：

（1）初始加工点或固定加工点寻找和确定：如图2、3、4所示，首先通过具有αº的反射镜片18将须加工零件1表面图像通过对焦光线8反射到自动对焦及微调控制器9的CDD成像探测器中，图像显示在电脑显示屏上，用户选取需加工点后，激光头整体移动，达到很小的对焦偏差距离，为下步进行微量对焦调整做好准备；

（2）激光加工前自动对焦：

（a）将光栅尺的中点O´点预设为初始系统对焦基准点，对焦时光线8经过具有αº的反射镜18反射后在光栅尺上形成一个对焦点，同时通过其细分计数模块计算出对焦点捕捉点到光栅中点的距离，并形成信号；

（b）将调整距离信号输入自动对焦及微调控制器9中的中央处理器CPU处理，计算出激光加工头到加工焦点的距离，并通过CPU控制机床主轴移动；

（c）同时机床给出一个反馈信号给传感位移检测器，传感位移检测器再次测量，将检测的对焦点到光栅尺10中点O’点的距离信号传入中央处理器CPU处理，CPU经过算法分析，如在距离允许的范围内，CPU不向机床主轴下达运动指令，如超出范围，CPU向机床主轴下达运动指令，机床调整运动；

（3）激光头微调：经过步骤（2）操作后，对加工试件进行试加工一次，经加工后零件上激光加工形成的点为A点或B点，参见图8 所示，使用CCD成像探测器对加工点进行采集和分析，并通过CPU使用黄金分割算法向机床发出运动指令，直到CCD采集和分析的图像最为清晰时CPU停止向机床发出指令，再次通过传感位移检测器进行测量，同时在光栅尺上形成相对应的A´或B’点，通过传感位移检测器将此A´或B´点( 参见图8 所示)位置更改为机床系统对焦点位置的基准点；在下步加工时的对焦中，将对焦捕捉点的在光栅尺10上形成位置与其对比，分析计算出在光栅上形成的距离信号，传递给CPU中，继续执行上述步骤（2）和步骤（3）；

（4）激光加工时实时微调：正式加工开始后，每次激光点加工后都执行步骤（3），使得每次加工后的加工点都是下次加工时的对焦基准点。

在激光加工时，激光路线11由直筒2进入直角腔体4中，经凸透镜12聚焦后由45⁰反射镜13将激光路线11反射90⁰，同时通过直角腔体4中喷嘴将激光打在加工零件表面；对焦光线8同时捕捉加工点，并通过自动对焦及微调控制器9对加工零件表面进行实时跟踪监控和微调，确保加工的对焦真确性，提高加工精度。

Claims (1)

1.激光端面织构机的自动对焦暨实时微调方法，激光端面织构机包括激光头加工装置和自动对焦及微调控制器，所述的激光头加工装置包括直筒（2）、直角腔体（4），凸透镜（12）和45⁰反射镜（13）分别固定在直角腔体（4）内部，通过固定扣（6）将反射镜筒体（7）固定在直角腔体（4）上，自动对焦及微调控制器（9）安装在成像系统（3）内部，成像系统（3）通过固定螺钉孔（15）将其固定在反射镜筒体（7）上方；其中，具有αº的反射镜片（18）安装在反射镜筒体（7）内部，并通过反射镜筒体侧盖（14）固定；其特征是：采用在激光端面织构机内安装自动对焦及微调控制器（9）实现自动对焦暨实时微调，所述的自动对焦及微调控制器（9）由光栅尺、传感位移检测器、CCD成像探测器和中央处理器CPU构成，该自动对焦暨实时微调方法的步骤如下：

（1）初始加工点或固定加工点寻找和确定：首先通过具有αº的反射镜片（18）将需加工试件（1）表面图像通过对焦光线（8）反射到自动对焦及微调控制器（9）的CCD成像探测器中，图像显示在电脑显示屏上，用户选取需加工点后，激光头加工装置整体移动，达到很小的对焦偏差距离，为下步进行微量对焦调整做好准备；

（2）激光加工前自动对焦：

（a）将光栅尺的中点O’点预设为初始系统对焦基准点，对焦光线（8）经过具有αº的反射镜片（18）反射后在光栅尺上形成一个对焦点，同时通过光栅尺的细分计数模块计算出对焦点到光栅尺中点的距离，并形成信号；

（b）将步骤（a）中距离信号输入自动对焦及微调控制器（9）中的中央处理器CPU处理，计算出激光头加工装置到加工焦点的距离，并通过CPU控制机床主轴移动；

（c）同时机床给出一个反馈信号给传感位移检测器，传感位移检测器再次测量，将检测的对焦点到光栅尺（10）中点O’点的距离信号传入中央处理器CPU处理，CPU经过算法分析，如在距离允许的范围内，CPU不向机床主轴下达运动指令，如超出范围，CPU向机床主轴下达运动指令，机床调整运动；

（3）激光头微调：经过步骤（2）操作后，对需加工试件进行试加工一次，经加工后试件上激光加工形成的点为A点或B点，使用CCD成像探测器对加工点进行采集和分析，并通过CPU使用黄金分割算法向机床发出运动指令，直到CCD采集和分析的图像清晰时CPU停止向机床发出指令，再次通过传感位移检测器进行测量，同时在光栅尺上形成相对应的A´或B´点，通过传感位移检测器将此A´或B´点位置更改为机床系统对焦点位置的基准点；在下步加工时的对焦中，将对焦点在光栅尺（10）上形成位置与其对比，分析计算出在光栅尺上形成的距离信号，传递给CPU中，继续执行上述步骤（2）和步骤（3）；

（4）激光加工时实时微调：正式加工开始后，每次激光脉冲加工后都将执行步骤（3），使得每次加工后的加工点都是下次加工时的对焦基准点。