CN107876998B - 一种基于宽带激光频域三维切割装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于宽带激光频域三维切割装置，低相干宽带光源发出激光束经第一半反半透镜后分束为竖直向上的第一激光束水平的第二激光束，第一半反半透镜上方设有第一反光镜与第一激光束垂直，第二激光束的光路上设有第二半反半透镜将第二激光束分束为焦点追踪激光束和纵向距离监控激光束，焦点追踪激光束的光路上设有单向透视镜将焦点追踪激光束反射至工件顶面，纵向距离监控激光束依次被第二反射镜和单向透视镜反射照射于工件顶面，本发明还公开一种使用基于宽带激光频域三维切割装置的方法，相对现有技术，本发明技术方案具有结构简单、控制精准可靠、安全快速等优点，能够提高激光切割机焦点位置实时跟踪的精准可靠性。

Description

一种基于宽带激光频域三维切割装置和方法

技术领域

本发明涉及激光切割定焦技术领域，特别涉及一种基于宽带激光频域三维切割装置和方法。

背景技术

现有技术中，用于激光切割机定焦的方法以找焦点方法和追踪焦点方法为主，其中找焦点方法有数控定位打点法、斜面焦点烧灼法、直接烧灼法等方法。这些方法都是通过激光在样品表面进行不同距离的切割，然后比较切痕的粗细和大小，较细且较小的切割位置则为焦点的距离。而追踪焦点方法不但能够寻找出焦点，并且还能实时显示焦点位置，从而清晰地知道切割的过程中焦点与被切割物体的位置，以便作出适当调整。

现有技术的追踪焦点方法大多能够发出或者反射特定光的媒介来跟踪焦点，由于这类方法是使得物质表面发出光而产生散射，并且是由相机采集进行处理判断，因此难以避免当样品与焦点过于接近时，因为像素的问题最终导致难以判断两者的位置关系。

以追踪焦点方法为例，中国专利《激光焦点定位系统及材料定位于激光焦点处的方法》(公开号CN102974936A)通过调节激光器等设备使聚焦后的激光束产生一等离子体亮点，通过控制材料表面逐渐靠近等离子体亮点，并直至形成亮点镜像，使等离子体亮点以及镜像均进入CCD显微成像系统的试场，直至观察到两者完全重合，此时的焦点就在材料表面上，该专利的方法是通过等离子体亮点与材料表面在CCD相机里的位置来判断焦点和材料表面的相对位置，由于等离子体亮点位置与焦点位置之间存在一定差异，以及等离子体亮点发出的光被相机接收后并非是一个像素点，同时环境中可能存在其他微小粒子发出与等离子体亮点亮度相同的光，这些微小粒子会使得移动材料时难以避免存在误差，并且当焦点从材料表面进入材料内部时则难以使用相机来观察切割的深度，因此该专利的方法只能应用在二维空间。

与此同时，现有技术中，用于检测激光切割焦点位置的方法是非实时的，因此难以实现实时检测，而具有实时检测的方法又对环境较高要求，在实际应用中环境达到要求时需要大幅度提高成本。现有技术的实时检测方法实现起来比较繁琐，计算距离时间较长，误差较大，实时追踪焦点的方法大都是以图像处理来判断距离，因此局限在二维空间，难以进行三维空间追踪。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种结构简单、控制精准可靠、安全快速的基于宽带激光频域三维切割装置，本发明还提出一种使用基于宽带激光频域三维切割装置的方法，旨在提高激光切割机焦点位置实时跟踪的精准可靠性。

为实现上述目的，本发明提出一种基于宽带激光频域三维切割装置，包括设置于下方的低相干宽带光源，所述低相干宽带光源的照射端上方设有与水平面成一定夹角的第一半反半透镜，所述低相干宽带光源发出的激光束经所述第一半反半透镜后分束为竖直向上的第一激光束和水平的第二激光束，所述第一半反半透镜上方设有第一反光镜与所述第一激光束垂直，所述第二激光束的光路上设有第二半反半透镜将所述第二激光束分束为焦点追踪激光束和纵向距离监控激光束，所述焦点追踪激光束的光路上设有单向透视镜将所述焦点追踪激光束反射至工件顶面，所述纵向距离监控激光束依次被第二反射镜和所述单向透视镜反射照射于工件顶面。

优选地，所述单向透视镜下方设有第一凸透镜将所述焦点追踪激光束和切割激光束聚焦于工件表面，所述纵向距离监控激光束不经过所述第一凸透镜照射于工件顶面。

优选地，所述第一半反半透镜与所述第二半反半透镜之间设有与水平面成一定角度的1％反99％透射镜，所述1％反99％透射镜将所述第二激光束分束的一束光线照射至设置于下方的光功率检测器。

优选地，所述低相干宽带光源与所述第一半反半透镜之间光路设有光学环形器。

优选地，所述第一激光束的反射光线和第二激光束的反射光线于所述第一半反半透镜发生干涉的光线依次经过光栅和第二凸透镜进入线阵CCD相机。

优选地，所述第一反射镜和所述第二反射镜的光路之间设有可阻挡纵向距离监控激光束光路的挡板，所述挡板由电机旋转轴驱动翻转。

优选地，工件下方设有由步进电机驱动的支架，所述支架调整工件于竖直方向的高度。

本发明还提出一种使用所述基于宽带激光频域三维切割装置的方法，包括以下步骤：

S1：进行检测光的光强检测；

S2：使用宽带激光获取距离信息；

S3：使用傅里叶变换提取距离信息；

S4：自动计算给步进电机的相应电压，实现焦点自动跟踪；

S5：使用两个不同位置的样品激光照射点，实现三维切割焦点的实时跟踪。

本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：

本发明技术方案使用光的干涉信号来实时检测焦点，能够实时监测切割点与物体之间距离，并且对环境要求不高，操作简单可行，计算距离时间短。

本发明技术方案除了能够实现精准地测量焦点与待切割物体之间的距离外，还能实时监测激光纵向切割工件的深度，从而进行三维切割追踪。

另外，本发明技术方案还能够根据检测距离为工件下面的步进电机提供不同的电压，使得工件切割过程中实现焦点的跟踪，并且可以通过预先提供预定的电压使得切割激光在二维平面移动时进行上下移动工件，由纵向监控来实时监控切割深度，以进行精准的三维切割。

与此同时，因为本发明技术方案是由计算机计算出电压给步进电机以移动工件，因此在操作上避免手动对焦容易造成人为误差和操作失误，使得本发明技术方案在功能实现上更加安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明基于宽带激光频域三维切割装置的光路结构示意图；

图2为本发明基于宽带激光频域三维切割装置的纵向切割原理图；

图3为本发明基于宽带激光频域三维切割装置的工作流程图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	低相干宽带光源	12	第一凸透镜
2	光学环形器	13	工件
				3	第一半反半透镜	14	支架
4	第一反射镜	15	光栅
				5	1％反99％透射镜	16	第二凸透镜
6	光功率检测器	17	线阵CCD相机
				7	第二半反半透镜	18	第二激光束
8	第二反射镜	19	第一激光束
				9	电机旋转轴	20	焦点追踪激光束
10	挡板	21	纵向距离监控激光束
				11	单向透射镜	22	切割激光束

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参见图1至图3，本发明提出一种基于宽带激光频域三维切割装置，包括设置于下方的低相干宽带光源1，低相干宽带光源1的照射端上方设有与水平面成一定夹角的第一半反半透镜3，低相干宽带光源1发出的激光束经第一半反半透镜3后分束为竖直向上的第一激光束19和水平的第二激光束18，第一半反半透镜3上方设有第一反光镜4与第一激光束19垂直，第二激光束18的光路上设有第二半反半透镜7将第二激光束18分束为焦点追踪激光束20和纵向距离监控激光束21，焦点追踪激光束20的光路上设有单向透视镜11将焦点追踪激光束20反射至工件13顶面，纵向距离监控激光束21依次被第二反射镜8和单向透视镜11反射照射于工件13顶面。

优选地，单向透视镜11下方设有第一凸透镜12将焦点追踪激光束20和切割激光束22聚焦于工件13表面，纵向距离监控激光束21不经过第一凸透镜12照射于工件13顶面。

优选地，第一半反半透镜3与第二半反半透镜7之间设有与水平面成一定角度的1％反99％透射镜5，1％反99％透射镜5将第二激光束18分束的一束光线照射至设置于下方的光功率检测器6。

优选地，低相干宽带光源1与第一半反半透镜3之间光路设有光学环形器2。

优选地，第一激光束19的反射光线和第二激光束18的反射光线于第一半反半透镜3发生干涉的光线依次经过光栅15和第二凸透镜16后，平行进入线阵CCD相机17。

优选地，第一反射镜4和第二反射镜8的光路之间设有可阻挡纵向距离监控激光束21光路的挡板10，挡板10由电机旋转轴9驱动翻转。

优选地，工件13下方设有由步进电机驱动的支架14，支架14调整工件13于竖直方向的高度。

本发明还提出一种使用基于宽带激光频域三维切割装置的方法，包括以下步骤：

S1：进行检测光的光强检测；

S2：使用宽带激光获取距离信息；

S3：使用傅里叶变换提取距离信息；

S4：自动计算给步进电机的相应电压，实现焦点自动跟踪；

S5：使用两个不同位置的样品激光照射点，实现三维切割焦点的实时跟踪。

请参见图1至图3，本发明技术方案的基于宽带激光频域三维切割装置的工作原理为：

在光路系统中，首先由低相干宽带光源1产生激光束从光学环形器2的一个端口进入光学环形器2内，然后再从光学环形器2另一端口射出并照射到第一半反半透镜3，激光束通过第一半反半透镜3后分为竖直向上照射的第一激光束19和水平照射的第二激光束18。

其中的第一激光束19经过调整后使其垂直照射于第一反射镜4的反射面上，而该第一激光束19经过反射后照射于第一半反半透镜3的反光面上形成一可逆光路，这样使得该反射的激光束带有光程参照信息并返回至第一半反半透镜3中，为检测光路系统提供光程参照值。

而第二激光束18经过1％反99％透视镜5后而分出垂直向下照射的激光束和水平照射的激光束，其中的垂直向下照射的激光束被反射照射进入光功率检测器6，从而可实时检测激光强度，这样方便操作人员通过调整激光的功率以避免功率过大的激光伤到人。穿过1％反99％透视镜5的激光束再照射到第二半反半透镜7而被分成水平照射的焦点追踪激光束20和垂直向上照射的纵向距离监控激光束21，其中水平照射的激光束直接照射于单向反射镜11后，被反射向下经过第一凸透镜12聚焦照射于待切割的工件13表面，而垂直向上照射的纵向距离监控激光束21向上照射于第二反光镜8，通过第二反光镜8反射后照射于单向透视镜11后，没有经过第一凸透镜12直接照射于待切割的工件13表面，其中焦点追踪激光束20和纵向距离监控激光束21照射于待切割的工件13表面后，形成两个可逆光路。焦点追踪激光束20从第一凸透镜12的中心穿过且与切割激光焦点照射到初始待切割工件13表面上，待切割工件13表面将激光反射回来，从而形成可逆光路，将带有光程参照信息的光束返回，为检测光路系统提供光程样本值。而纵向距离监控激光束21依次经过第二反射镜8和单向透射镜11调整为与切割激光束22平行，且不经过第一凸透镜12照射于初始待切割工件13上，待切割工件13表面将激光反射回来，从而形成另一可逆光路，将带有光程参照信息的激光束返回，为检测光路系统提供另一光程样本值。

反射回来的第一激光束19和第二激光束18在第一半反半透镜3处发生干涉现象，干涉的激光束进入光栅15进行分光，取分光后的第一级光线，使用第二凸透镜16将分光后的激光束聚集成平行光，聚集成的平行光照射于线阵CCD相机17的感光元件上，使得线阵CCD相机17的感光元件将光信息全部接收，这时信号是最强的，然后对线阵CCD相机17采集到的信号进行傅里叶变换从而得到Δz-I图。

具体的傅里叶变换过程如下：

两束激光束发生干涉时，干涉数据频率进行傅里叶变换处理，两束单色光发生干涉后的激光光强I_n为：

式中，r₁和r₂分别为参考臂和样品臂的光程，A为激光振幅，k为波适量，Δz为光程差。

对上式进行傅里叶变换的结果为：

因为只有在待切割的工件13表面才有反射光，即只在工件13表面所对应的光程Δz上有较强的光强信息。

请参见图1，本发明技术方案的控制过程中，先通过步进电机初步调节支架14的高度，使得切割激光束22的焦点聚焦于测试工件13的表面上，通过记录此时电脑显示的Δz-I图上的峰值位置作为焦点位置。

对待切割工件13进行二维切割时，放上待切割工件13后，利用电机旋转轴9将挡板10进行翻转进纵向距离监控激光束21的光路中，使得纵向距离监控激光束21不会原路反射。根据此时电脑显示的Δz-I图上的峰值位置与已经记录的焦点峰值位置进行比较，得出两个峰值的差值，通过对这个差值进行计算得出待切割工件13表面与切割激光焦点的位置距离以及相对应的所需驱动步进电机的电压，然后将计算得到的电压输给步进电机，使待切割工件13表面自动移动至切割激光束22焦点的位置处进行切割，并且在激光切割束22待切割工件13时，实时反馈待切割工件13表面与切割激光束22焦点的位置并作出自动调整。

当进行三维切割时，将待切割工件13安装到位后，利用电机旋转轴9将挡板10旋转进纵向距离监控激光束21的光路中，使得纵向距离监控激光束21不原路反射。根据此时电脑显示的Δz-I图上的峰值位置与焦点的峰值位置关系，将待切割工件13表面自动转动到切割激光焦点位置处，然后利用电机旋转轴9将挡板10旋转出纵向距离监控激光束21的光路，此时电脑显示的Δz-I图上会出现除焦点峰值外的另一个峰值，这个峰值是纵向深度追踪峰值。通过上述方式对待切割工件13进行纵向切割时，根据纵向深度追踪峰值在纵向切割前后的位置差计算出待切割工件13于切割点上的已切割深度。

具体地，如图2的a和b所示，在待切割工件13进行纵向切割时，随着切割深度的增加，待切割工件13的原始表面高度也相对地随之上升，由于进行切割焦点追踪的焦点追踪激光束21光程并不会发生改变，而纵向深度追踪的纵向距离监控激光束21光程则会随着切割激光束22切割深度的增加而增加，最终纵向距离监控激光束21的光程改变值为纵向切割前后待切割工件13表面位置差所对应的光程，光程的改变会使电脑显示的Δz-I图上对应峰值位置发生改变。

因此只需要测出纵向距离监控激光束21在电脑显示的Δz-I图上对应峰值位置的改变值，就可以计算出在纵向切割深度。

从上述公式可以知道，只有在反射光时，对应光程差Δz上有较强光强信息。因为焦点追踪激光束20在焦点位置进行切割，所以当工件13相对上升时，焦点追踪激光束20反射点位置保持不变，而纵向距离监控激光束21反射点位置则随着物体上升而发生变化。

具体地，纵向距离监控激光束21反射点的位置为：

请参见1至图3，当需要对工件13进行三维切割时，首先利用电机旋转轴9将挡板10翻转进纵向距离监控激光束21的光路中，然后将与工件13的形状规格型号相同的焦点测试工件放在调试好的支架14上，调节步进电机的驱动高度，当切割激光束22的切割焦点在焦点测试工件的表面时，利用切割焦点追踪激光束20记录下此时的电脑显示的Δz-I图上对应峰值位置，这是为焦点位置。通过调整步进电机驱动高度，并将工件13代替焦点测试工件，此时电脑显示的Δz-I图上峰值位置跟记录下的位置相比，将比较值转化为对应的电压输出给步进电机，使得步进电机将工件表面自动移动至切割焦点处，并利用电机旋转轴9将挡板10旋转进纵向距离监控激光束21的光路。当工件13切割到需要进行纵向切割位置时，不断给步进电机微小的上升电压，使得步进电机对支架14进行缓慢驱动上升，此时纵向距离监控激光束21在电脑显示的Δz-I图上对应的峰值位置也缓慢移动。用纵向距离监控激光束21在电脑显示的Δz-I图上对应峰值的实时位置与其在该点的初始位置比较，计算出实时切割深度。当切割深度达到预制值时，停止给步进电机上升电压，并给步进电机下降电压，使得纵向距离监控激光束21在电脑显示的Δz-I图上对应峰值的位置回落到初始位置，然后进行下一个点的切割。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于宽带激光频域三维切割装置，其特征在于，包括设置于下方的低相干宽带光源，所述低相干宽带光源的照射端上方设有与水平面成一定夹角的第一半反半透镜，所述低相干宽带光源发出的激光束经所述第一半反半透镜后分束为竖直向上的第一激光束和水平的第二激光束，所述第一半反半透镜上方设有第一反光镜与所述第一激光束垂直，所述第二激光束的光路上设有第二半反半透镜将所述第二激光束分束为焦点追踪激光束和纵向距离监控激光束，所述焦点追踪激光束的光路上设有单向透视镜将所述焦点追踪激光束反射至工件顶面，所述纵向距离监控激光束依次被第二反射镜和所述单向透视镜反射照射于工件顶面；

所述单向透视镜下方设有第一凸透镜将所述焦点追踪激光束和切割激光束聚焦于工件表面，所述纵向距离监控激光束不经过所述第一凸透镜照射于工件顶面；

所述第一半反半透镜与所述第二半反半透镜之间设有与水平面成一定角度的1%反99%透射镜，所述1%反99%透射镜将所述第二激光束分束的一束光线照射至设置于下方的光功率检测器；

所述第一激光束的反射光线和第二激光束的反射光线于所述第一半反半透镜发生干涉的光线依次经过光栅和第二凸透镜进入线阵CCD相机；

所述第二反射镜和所述单向透视镜的光路之间设有可阻挡纵向距离监控激光束光路的挡板，所述挡板由电机旋转轴驱动翻转；

工件下方设有由步进电机驱动的支架，所述支架调整工件于竖直方向的高度。

2.如权利要求1所述的基于宽带激光频域三维切割装置，其特征在于，所述低相干宽带光源与所述第一半反半透镜之间光路设有光学环形器。