CN107876969B - 一种三维激光镭射效果的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光镭射效果的检测方法，包括零平面镭射、多组水平面镭射、多组斜面镭射和不规则曲面镭射的步骤，通过四个步骤划分三维激光镭射效果的检测过程，从而系统化的衡量三维激光镭射的效果，相对传统的检测方法，其结束了市场上三维激光镭射标记效果的检测方式混乱无序的局面，为三维激光镭射标记设备的量产化与售后检修提供了一条可行的道路，而且其简单易用，检测器具制造简单，成本低廉，易于被市场验证采纳，可以减少实际工件的测试次数，降低了设备实际的调试成本，提高设备制造企业的竞争力。

Description

一种三维激光镭射效果的检测方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种三维激光镭射效果的检测方法。

背景技术

自从1960年世界上第一台红宝石激光器问世到现今为止，激光器及其相关应用行业的发展让人叹为观止。各种不同发生原理的激光器及各种不同领域的激光应用让人类更好的认识世界、改造世界。而中国，作为当前的世界第二工业大国，激光行业的发展更是日新月异，因此，在当前世界工业大范围变革更新的潮流下，激光应用技术必将发挥更加巨大的作用，为社会的发展贡献更大力量。相比传统的机械加工行业，激光加工方式以其无接触变形、无刀具磨损、无接触切削力、能量密度高及加工精度高等特点而为工业生产所钟爱，并且广泛应用。并且，随着社会的发展，人们对产品的要求也在与日俱高，因此一些机械加工行业难以满足的领域逐渐被激光加工所代替，其中，三维表面加工就是其中最早被试验替代机械加工的领域之一,并且在2010年以后逐渐被市场所重视。下面为了阐述方便将三维为3D。3D表面加工大部分情况下是3D的标记扫描处理，因此这种加工方式对工艺的要求非常高。但是由于中国激光行业发展的时间较短、加工的基础原理晦涩难懂等原因造成大量装配调试和应用的工程师对于3D表面加工的各种测试方法以及设备调试的分析办法完全空白。当前市场上甚至大量激光设备制造商也只会直接给出实际产品然后测试，如果其中测试结果不合符最终客户要求，就完全无所适从，很难排查出整体激光系统的问题所在，对其中的镭射评估标准也模糊不清。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三维激光镭射效果的检测方法。

本发明所采用的技术方案主要是：一种三维激光镭射效果的检测方法，包括以下步骤：

(1)零平面镭射，在一个Z轴坐标为零的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，填充的线条间距需要根据不同的激光来设置合适的宽度，保证线间宽度大于刻痕，检查填充完成后检测平面测试平台上的刻痕情况，如果刻痕纹路清晰、深度均匀、色泽统一，则执行步骤(2)，如果刻痕出现断线、黑点、重点、深浅不一中的一种或多种的状况，则检查二维镭射系统是否有故障；

(2)多组水平面镭射，本步骤需要多组不同高度的平面测试平台来检测恒平面变高度的三维镭射效果，依次在多个不同Z轴坐标高度的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，检查步骤沿用零平面镭射的检查流程，如果在零平面镭射的刻痕是均匀清晰的，但是在某一个Z轴坐标高度不等于零的平面测试平台镭射效果变差，刻痕出现断线、黑点、坑凹或模糊的效果，就可以判断是动态调焦模块没有正常工作，可以重点对其进行检测修理；

(3)多组斜面镭射，本步骤是在多个不同斜度的斜面测试平台上进行三维往复填充镭射，镭射图案依然是往复方式，但是往复线段应该与斜边平行，如果刻痕是纹路清晰、深度均匀、色泽统一的，则执行步骤(4)，如果不是则可以判定动态调焦模块的动态跟随性不达标，需要检查其输出是否被干扰，跟随算法是否出现适当；

(4)不规则曲面镭射，本步骤是在一个不规则的三维曲面测试平台上进行三维往复填充镭射，镭射图案依然是往复方式，但是每一根往复线段的投影应该与曲边投影平行，三维往复填充的轨迹在曲面上是三维曲线，但是其投影在地面上应该是平行的，如果不规则曲面测试效果与平面上效果相仿，就可以认为该三维镭射系统可以达到工业要求，可以直接上实际物料来测试了。

作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)中，检查二维镭射系统是否有故障首先确认激光系统硬件是否存在故障，接着确认二维激光的振镜参数是否合适，然后是各种激光工艺参数是否不当。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤(2)中设置有三组不同高度的平面测试平台。

进一步，所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面贴有黑色3M贴纸。

本发明提供的又一种三维激光镭射效果的检测方法，包括上述技术方案中零平面镭射、多组水平面镭射、多组斜面镭射和不规则曲面镭射的步骤，还包括有激光光强检测系统，所述激光光强检测系统包括有光强采集单元和数据处理单元，所述光强采集单元包括光强数据采集和调整采集周期，通过调整采集周期能够更准确、无失真的重现光强数据，光强数据采集包括多个小模块，每个小模块设置有光敏开关和照度传感器，照度传感器布置于测试平台上，当激光照射照度传感器区域时，光敏开关输出信号，照度传感器即可采集数据进行传输；所述数据处理单元负责将采集到的数据进行集中分析，统计不同位置点的光强参数，最终实现不同三维坐标系下光强度的量化并输出显示。

所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面设置有密布的安装槽孔，所述照度传感器设置于安装槽孔内。

本发明的有益效果是：

本发明的一种三维激光镭射效果的检测方法，通过四个步骤划分三维激光镭射效果的检测过程，从而系统化的衡量三维激光镭射的效果，相对传统的检测方法，其结束了市场上三维激光镭射标记效果的检测方式混乱无序的局面，为三维激光镭射标记设备的量产化与售后检修提供了一条可行的道路，而且其简单易用，检测器具制造简单，成本低廉，易于被市场验证采纳，可以减少实际工件的测试次数，降低了设备实际的调试成本，提高设备制造企业的竞争力。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的一种三维激光镭射效果的检测方法，包括以下步骤：(1)零平面镭射，在一个Z轴坐标为零的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，填充的线条间距需要根据不同的激光来设置合适的宽度，保证线间宽度大于刻痕，检查填充完成后检测平面测试平台上的刻痕情况，如果刻痕纹路清晰、深度均匀、色泽统一，则执行步骤(2)，如果刻痕出现断线、黑点、重点、深浅不一中的一种或多种的状况，则检查二维镭射系统是否有故障；(2)多组水平面镭射，本步骤需要多组不同高度的平面测试平台来检测恒平面变高度的三维镭射效果，平面测试平台优选为三组，依次在三个不同Z轴坐标高度的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，检查步骤沿用零平面镭射的检查流程，如果在零平面镭射的刻痕是均匀清晰的，但是在某一个Z轴坐标高度不等于零的平面测试平台镭射效果变差，刻痕出现断线、黑点、坑凹或模糊的效果，就可以判断是动态调焦模块没有正常工作，可以重点对其进行检测修理；(3)多组斜面镭射，本步骤是在多个不同斜度的斜面测试平台上进行三维往复填充镭射，斜面测试平台优选为三个，斜度分别为30°、45°和60°，镭射图案依然是往复方式，但是往复线段应该与斜边平行，如果刻痕是纹路清晰、深度均匀、色泽统一的，则执行步骤(4)，如果不是则可以判定动态调焦模块的动态跟随性不达标，需要检查其输出是否被干扰，跟随算法是否出现适当；(4)不规则曲面镭射，本步骤是在一个不规则的三维曲面测试平台上进行三维往复填充镭射，镭射图案依然是往复方式，但是每一根往复线段的投影应该与曲边投影平行，三维往复填充的轨迹在曲面上是三维曲线，但是其投影在地面上应该是平行的，如果不规则曲面测试效果与平面上效果相仿，就可以认为该三维镭射系统可以达到工业要求，可以直接上实际物料来测试了。

上述技术方案中，所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面贴有黑色3M贴纸，从而可以避免尘埃，污垢等影响镭射效果，还可以提高测试平台的表面精度，提高测试的准确性，而且激光在黑色3M贴纸上的镭射刻痕会更加明显，从而更加容易进行观察判断。

在此，申请人以大族激光的绿光激光器进行本技术方案的具体实施。1、硬件及设备准备：该激光器功率是10W，镭射软件hans5.1.36版本，这个软件暂时不支持三维编辑，需要利用第三方三维刀路软件预先生成轨迹，同时镭射振镜需要同时支持三维镭射效果；2、镭射参数及具体处理：激光镭射参数暂时不考虑，认为是可以在黑色3M纸的平面上清晰镭射出条纹的。由于绿光的镭射条纹线宽约0.03mm，同时考虑边缘烧蚀效果，预估线宽是0.05mm，因此线间距不能小于0.05mm，但是一般情况下激光镭射的精度不是很高，因此设置成0.1-0.5mm的线间距是比较合理的。斜面与曲面的往复填充与平面的类似，只是添加了第三个坐标系Z轴坐标。可以直接通过三维建模软件生成三维刀路文件导入到控制软件进行解析或者直接在镭射软件上编辑；3、平面、斜面和曲面测试平台的处理：系统测试方法的具体模具分别是三组不等高平面测试平台，三组不同角度的斜面测试平台，一个任意曲面测试平台。详细参数和组合方法可以参看原理阐述中所讲。原则上平面测试平台只需要加工三个等高等体积的平面即可。而斜面测试平台可以加工三个不同角度的斜面，也可以采用可调节角度的平面测试平台，但是需要该测试平台有较高的精度，对于这里的任意曲面，建议采用某种数学方式生成曲面，并且这些曲面能够在三维刀路软件里简单编辑的，来降低加工的成本和增加曲面加工的精度；4、镭射效果分析：填充镭射效果应该是均匀细致的，受激光烧蚀影响，纸面上远看应该是白花花连成一体的刻痕。刻痕应该是纹路清晰，深度均匀，色泽统一的。这里的镭射效果也跟激光镭射参数有关系，在既定激光镭射参数的情况下需要重点关注的是深浅度和颜色，尽管真正意义上的深浅一致很难实现，但是视觉上不应该看出明显区别即可。

本发明还提供一种更加智能的三维激光镭射效果的检测方法，其与上述技术方案的不同点在于，该技术方案还包括有激光光强检测系统，其通过激光光强检测系统对激光镭射过程中的激光镭射强度进行量化分析，从而可以无需人工采用肉眼去观察镭射效果，实现测试流程的智能化和信息化。

激光光强检测系统包括有光强采集单元和数据处理单元，所述光强采集单元包括光强数据采集和调整采集周期，通过调整采集周期能够更准确、无失真的重现光强数据，光强数据采集包括多个小模块，每个小模块设置有光敏开关和照度传感器，照度传感器布置于测试平台上，当激光照射照度传感器区域时，光敏开关输出信号，照度传感器即可采集数据进行传输，这种方式可以大大减少照度传感器的工作时间和传输数据量，减少数据处理单元的数据处理量，从而加快响应速度；所述数据处理单元负责将采集到的数据进行集中分析，统计不同位置点的光强参数，最终实现不同三维坐标系下光强度的量化并输出显示，光强采集周期必须远远大于激光的脉冲频率，同时又小于激光从不同检测点移动需要的时间，否则会出现数据失真。

具体的，所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面设置有密布的安装槽孔，所述照度传感器设置于安装槽孔内。

光强采集单元的核心部件是一个数据采集处理器，现在市场上已经存在大量光强的数据采集装置，但是不能灵活调节光强采集周期，也不能同时实现多路数据的采集发送，因此此部件需要进行定制设计；数据处理单元的核心是一个数据处理与显示模块，因此市面上大量出现的集成CPU芯片已经可以满足要求，同样的，需要与光强采集单元进行通讯交互，也需要对显示模块进行三维建模。

从本技术方案的整体模式架构来看，实际的激光光强检测系统在样机阶段可以使用数据采集卡配合工控机来整体实现的。其中的数据采集卡功能需要进行特定要求的配置。比如采用华凌的的数据采集卡，配合照度传感器，在通过AD/DA数模转换后与采集卡进行交互即可实现采集模块的功能。同时整个采集卡通过PCI接口与工控机进行通讯即可。其中的数据处理部分利用普通的上位机编程即可实现。上述的PC+采集卡的模式存在容易受干扰的弊端，因此更好的办法是直接将整个传感器系统设计成下位机模式的嵌入式系统。将照度传感器(配合光敏开关)安装到曲面的镂孔位置(注意高度变化尽量相切)，就能建立三维位置与光强的数据化模型。

本技术方案只要能够实现上述的激光光强检测系统的功能，并且任意曲面的安装槽孔足够密集，就能数据化的得到一组不同空间三维坐标系下不同的光强数据，并且将这些数据绘制成计算机三维图形，就能得到实际的激光三维标记效果的量化数据。

本技术方案能够数据化的检测激光镭射强度，从而更加客观的得到三维标记效果在整个不同位置点处的激光强度数据。这种方式真正脱离了人手操作，实现智能化和信息化；本技术方案还提供了一套激光光强检测系统，它只在激光扫描传感器区域时才采集数据，避免器件的长期工作而损坏，提高电子器件的工作寿命；其能够建立空间位置与激光强度的关系，建立三维光强模型，为整个三维激光加工的研制和问题排查提供了坚实的事实依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)零平面镭射，在一个Z轴坐标为零的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，填充的线条间距需要根据不同的激光来设置合适的宽度，保证线间宽度大于刻痕，检查填充完成后检测平面测试平台上的刻痕情况，如果刻痕纹路清晰、深度均匀、色泽统一，则执行步骤(2)，如果刻痕出现断线、黑点、重点、深浅不一中的一种或多种的状况，则检查二维镭射系统是否有故障；

(2)多组水平面镭射，本步骤需要多组不同高度的平面测试平台来检测恒平面变高度的三维镭射效果，依次在多个不同Z轴坐标高度的平面测试平台上进行二维往复填充镭射，检查步骤沿用零平面镭射的检查流程，如果在零平面镭射的刻痕是均匀清晰的，但是在某一个Z轴坐标高度不等于零的平面测试平台镭射效果变差，刻痕出现断线、黑点、坑凹或模糊的效果，就可以判断是动态调焦模块没有正常工作，重点对其进行检测修理；

(3)多组斜面镭射，本步骤是在多个不同斜度的斜面测试平台上进行三维往复填充镭射，镭射图案依然是往复方式，但是往复线段与斜边平行，如果刻痕是纹路清晰、深度均匀、色泽统一的，则执行步骤(4)，如果不是则判定动态调焦模块的动态跟随性不达标，需要检查其输出是否被干扰，跟随算法是否适当；

(4)不规则曲面镭射，本步骤是在一个不规则的三维曲面测试平台上进行三维往复填充镭射，镭射图案依然是往复方式，但是每一根往复线段的投影与曲边投影平行，三维往复填充的轨迹在曲面上是三维曲线，但是其投影在地面上是平行的，如果不规则曲面测试效果与平面上效果相仿，就认为三维镭射系统达到工业要求，可以直接上实际物料来测试了。

2.根据权利要求1所述的一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，检查二维镭射系统是否有故障首先确认激光系统硬件是否存在故障，接着确认二维激光的振镜参数是否合适，然后是各种激光工艺参数是否不当。

3.根据权利要求1所述的一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中设置有三组不同高度的平面测试平台。

4.根据权利要求1所述的一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中设置有三组不同斜度的斜面测试平台。

5.根据权利要求1所述的一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于：所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面贴有黑色3M贴纸。

6.一种三维激光镭射效果的检测方法，包括权利要求1的零平面镭射、多组水平面镭射、多组斜面镭射和不规则曲面镭射的步骤，其特征在于：还包括有激光光强检测系统，所述激光光强检测系统包括有光强采集单元和数据处理单元，所述光强采集单元包括光强数据采集和调整采集周期，通过调整采集周期能够更准确、无失真的重现光强数据，光强数据采集包括多个小模块，每个小模块设置有光敏开关和照度传感器，照度传感器布置于测试平台上，当激光照射照度传感器区域时，光敏开关输出信号，照度传感器即可采集数据进行传输；所述数据处理单元负责将采集到的数据进行集中分析，统计不同位置点的光强参数，最终实现不同三维坐标系下光强度的量化并输出显示。

7.根据权利要求6所述的一种三维激光镭射效果的检测方法，其特征在于：所述的平面、斜面和曲面测试平台的表面设置有密布的安装槽孔，所述照度传感器设置于安装槽孔内。