CN110026676B - 激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光加工方法，通过激光加工设备进行激光加工；所述激光加工设备包括：激光加工装置，包括激光器、与激光器连接的传输器、与传输器连接的聚焦镜头；视觉定位装置，包括CCD相机、与CCD相机连接的CCD镜头、包含中间通孔的环形光源；三轴运动装置，包括基座、安装在基座上的第一传动组件和升降组件、安装在第一传动组件上的第二传动组件、安装在第二传动组件上的治具基板；第一传动组件、第二传动组件和升降组件两两垂直；第一传动组件和第二传动组件带动治具基板移动；升降组件通过安装在升降组件上的激光器带动激光加工装置以及视觉定位装置移动。本发明提供激光加工设备实现了全自动地检测流程和加工流程，且检测效率高。

Description

激光加工方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地说，是涉及一种激光加工方法。

背景技术

现有后聚焦的激光打标系统中，激光光源经准直和扩束后，照射到扫描振镜上，扫描振镜在基于计算机的软件控制系统控制下摆动，在X、Y两维平面上扫描形成平面图像。通过聚焦镜头将激光束聚焦在待加工物体表面，形成一个个微细的、高能量密度的光斑，每一个高能量的激光脉冲瞬间使待加工物体表面的分子键断裂形成标记痕迹。而若待加工物体表面距离聚焦镜头的工作高度不准确，则激光的最佳聚焦点不在待加工物体表面上，则无法精细的在待加工物体表面上形成标记痕迹，因此激光焦距对加工效果起着极为重要的作用，且快速检测激光焦距是激光加工设备的重要技术。目前通过激光位移传感器测量激光焦距的方式，需要额外增加硬件并进行定制开发；而人工测量激光焦距的方式，操作效率低、测量精度误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光加工方法，实现了自动化地检测流程和加工流程，且检测效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明还提供一种激光加工方法，所述激光加工方法通过激光加工设备进行激光焦距检测；

所述激光加工设备包括：

激光加工装置，包括激光器、与所述激光器连接的传输器、与所述传输器连接的聚焦镜头；

视觉定位装置，包括CCD相机、与所述CCD相机连接的CCD镜头、包含中间通孔的环形光源；所述CCD镜头与所述环形光源的所述中间通孔位置对应；所述CCD相机连接于所述传输器；

三轴运动装置，包括基座、安装在所述基座上的第一传动组件、安装在所述第一传动组件上的第二传动组件、安装在所述基座上的升降组件、安装在所述第二传动组件上的用于固定待加工件的治具基板；所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件两两垂直；所述治具基板被所述第一传动组件和所述第二传动组件带动在与所述基座平行的水平平面上移动；所述激光器安装在所述升降组件上，所述升降组件通过所述激光器带动所述激光加工装置以及所述视觉定位装置垂直运动；

所述激光加工方法包括：

基于预设的空间坐标系对所述待加工件进行清晰度检测，所述清晰度检测过程包括以下步骤：

控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述治具基板移动到预设的加工位置，使所述聚焦镜头移动到预设的加工焦点位置；

将所述待加工件按照安装要求安装在所述治具基板上，根据预设的加工参数控制所述激光加工装置在所述待加工件上打标出网格线；所述网格线的覆盖范围大于所述CCD相机的视野范围的最大值；

控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述视觉定位装置检测到所述待加工件上的网格线时，获取所述CCD镜头的初始焦点坐标值；

根据预设的检测步距、所述CCD镜头的镜头焦深以及所述初始焦点坐标值获取各定位点；

控制所述升降组件带动所述视觉定位装置依次获取各所述定位点的识别图像，并对各所述识别图像进行图像清晰度解析并记录之后，获取清晰度值最高时所述CCD镜头的参考焦点坐标值；

基于所述清晰度检测进行激光加工状态判定，所述激光加工状态判定过程包括以下步骤：

接收包含所述加工参数的加工指令，对安装在所述治具基板上的所述待加工件再次进行所述清晰度检测，获取激光加工时所述CCD镜头的新的参考焦点坐标值，并将新的参考焦点坐标值记录为检测焦点坐标值；

根据所述CCD镜头的参考焦点坐标值、所述检测焦点坐标值以及预设的偏差阈值获取激光加工状态；所述激光加工状态包括正常和异常。

进一步地，所述第一传动组件包括包含第一容纳空间的第一支撑块、安装在所述第一支撑块上的第一滑轨、设置在所述第一容纳空间内的第一伸缩体；所述第一支撑块安装在所述基座上，且所述第一滑轨平行于所述基座；

所述第二传动组件包括包含第二容纳空间的第二支撑块、安装在所述第二支撑块上的第二滑轨、设置在所述第二容纳空间内的第二伸缩体；所述第二支撑块与所述第一滑轨滑动连接，且所述第二支撑块与所述第一伸缩体固定连接，所述第一伸缩体在所述第一容纳空间内伸缩时，带动所述第二支撑块沿所述第一滑轨移动；所述第二滑轨与所述治具基板滑动连接，所述第二伸缩体与所述治具基板固定连接，所述第二伸缩体在所述第二容纳空间内伸缩时，带动所述治具基板沿所述第二滑轨移动；

所述升降组件包括包含第三容纳空间的第三支撑块、安装在所述第三支撑块的第三滑轨、设置在所述第三容纳空间内的第三伸缩体；所述第三支撑块安装在所述基座上，且所述第三滑轨垂直于所述基座；所述第三滑轨与所述激光器滑动连接，且所述第三伸缩体与所述激光器固定连接，所述第三伸缩体在所述第三容纳空间内伸缩时，带动所述激光器沿所述第三滑轨移动。

进一步地，所述视觉定位装置还包括连接在所述传输器上的第一定位块、与所述第一定位块连接的第二定位块、与所述第二定位块连接的第三定位块；所述第一定位块、所述第二定位块以及所述第三定位块之间围成容置部；所述CCD相机安装在所述容置部中，且所述CCD相机通过所述第三定位连接于所述传输器；所述第三定位块包括用于固定所述CCD镜头的卡接块，所述CCD镜头穿过所述卡接块与所述CCD相机连接。

进一步地，所述的激光加工设备还包括机柜，所述基座安装在所述机柜上，所述机柜内设置有控制装置；所述控制装置连接于所述激光器、所述CCD相机、所述第一传动组件、所述第二传动组件以及所述升降组件。进一步地，所述传输器包括折光腔、与所述折光腔连接的扩束镜、与所述扩束镜连接的扫描振镜；

所述CCD相机为500万像素相机；所述CCD镜头为3倍定远心镜头；

所述治具基板上设置有用于固定待加工件的定位销。

进一步地，所述根据所述CCD镜头的参考焦点坐标值、所述检测焦点坐标值以及预设的偏差阈值获取激光加工状态，包括：

根据所述参考焦点坐标值和所述偏差阈值获取焦点范围；

在所述检测焦点坐标值在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为正常，并控制所述激光加工装置对所述待加工件进行加工；

在所述加工焦点位置坐标在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为异常，发出报警提示。

进一步地，所述控制所述升降组件带动所述视觉定位装置依次获取各所述定位点的识别图像，并对各所述识别图像进行图像清晰度解析并记录之后，获取清晰度值最高时所述CCD镜头的参考焦点坐标值，包括：

控制所述升降组件依次移动到所述点位矩阵中的各所述定位点，并控制视觉定位装置以预设的视觉检测参数分别获取各所述定位点的识别图像；其中，一个所述定位点对应一个所述CCD镜头的焦点位置；

根据预设的清晰度算法获取各所述识别图像的清晰度值，并根据各所述定位点的清晰度值以及对应于各所述定位点的检测焦点建立清晰度关系数据表；

自所述清晰度关系数据表中，获取清晰度值最高时对应的所述CCD镜头的焦点位置，将清晰度值最高时对应的所述CCD镜头的焦点位置记录为参考焦点坐标值，并将所述参考焦点坐标值与所述加工参数关联存储。

进一步地，所述控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述视觉定位装置检测到所述待加工件上的网格线时，获取所述CCD镜头的初始焦点坐标值，包括：

控制所述第一传动组件和所述第二传动组件带动所述治具基板位于所述CCD镜头的视野范围；

将所述环形光源的光照射到所述待加工件上，并控制所述升降组件带动所述CCD相机和CCD镜头移动，直至所述CCD相机检测到所述待加工件上的网格线；

将所述CCD镜头与所述待加工件之间的距离记录为初始焦点坐标值。

进一步地，所述传输器包括折光腔、与所述折光腔连接的扩束镜、与所述扩束镜连接的扫描振镜；

所述加工参数包括加工图形和激光工作参数，且所述加工参数以加工文档形式存储；

所述将所述待加工件按照安装要求安装在所述治具基板上，根据预设的加工参数控制所述激光加工装置在所述待加工件上打标出网格线，包括：

根据加工图形和激光工作参数控制所述激光器产生的激光，经所述传输器准直和扩散之后传输至所述聚焦镜头，经所述聚焦镜头聚焦生成光斑，对安装在所述治具基板上的待加工件进行打标出所述网格线。

本发明提供的激光加工方法的有益效果在于：通过激光加工装置产生激光打标出用于清晰度检测的网格线以及加工图形，适用范围广，且加工效率高；通过视觉定位装置采集已打标出网格线的待加工件的图像并进行清晰度解析以及记录，通过检测视觉定位装置的焦点变化自动检测激光焦距的变化，检测成本低，且检测可操作性高；通过三轴运动装置带动治具基板准确无误地移动到水平平面的加工位置，以及带动激光加工装置准确无误地移动到激光加工时的加工焦点位置进行网格线打标以及图形加工，通过采用图像视觉技术和运动控制技术结合，实现全自动地检测流程和加工流程，检测效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光加工设备的立体结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的激光加工设备的立体结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的激光加工方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的激光加工方法的所述步骤S10的流程图；

图5为本发明实施例提供的激光加工方法的清晰度关系图。

其中，图中各附图标记：

1-激光加工装置；2-视觉定位装置；3-三轴运动装置；4-机柜；5-控制装置；11-激光器；12-传输器；13-聚焦镜头；121-折光腔；122-扩束镜；123-扫描振镜；21-CCD相机；22-CCD镜头；23-环形光源；24-第一定位块；25-第二定位块；26-第三定位块；261-卡接块；31-基座；32-第一传输组件；33-第二传输组件；34-升降组件；35-治具基板；321-第一支撑块；322-第一滑轨；323-第一伸缩体；331-第二支撑块；332-第二滑轨；333-第二伸缩体；341-第三支撑块；342-第三滑轨；343-第三伸缩体。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1，现对本发明提供的激光加工设备进行说明。所述激光加工设备，包括：

激光加工装置1，包括激光器11、与所述激光器11连接的传输器12、与所述传输器12连接的聚焦镜头13。在本实施例中，所述激光器11产生的激光光源，经所述传输器12准直和扩散之后传输至所述聚焦镜头13，经所述聚焦镜头13聚焦生成光斑对待加工件进行激光加工。作为优选，所述激光器11可以为紫外波段的激光器，波长为355纳米，所述传输器12可以为紫外波段的光学器件，所述聚焦镜头13可以为紫外聚焦镜头，组合成的紫外激光加工装置加工精度高，聚焦形成的最小光斑直径小，加工位置精度高，切割缝隙小。

视觉定位装置2，包括CCD相机21、与所述CCD相机21连接的CCD镜头22，以及包含中间通孔（图未示）的环形光源23；所述CCD镜头22与所述环形光源23的所述中间通孔位置对应；所述CCD相机21连接于所述传输器12。在本实施例中，所述光源组23对待加工件进行打光，所述CCD镜头22和所述CCD相机21对打光后的待加工件进行图像采集和清晰度分析，所述视觉定位装置2将清晰度数据传输至控制装置5。

三轴运动装置3，包括基座31、安装在所述基座31上的第一传动组件32、安装在所述第一传动组件32上的第二传动组件33、安装在所述基座31上的升降组件34、安装在所述第二传动组件33上的用于固定待加工件的治具基板35；所述第一传动组件32、所述第二传动组件33和所述升降组件34两两垂直；所述治具基板35被所述第一传动组件32和所述第二传动组件33带动在与所述基座31平行的水平平面上移动；所述激光器11安装在所述升降组件34上，所述升降组件34通过所述激光器11带动所述激光加工装置1以及所述视觉定位装置2垂直运动。在本实施例中，所述第一传动组件32和所述升降组件33分别固定安装在所述基座31的不同位置，所述第二传动组件33安装在所述第一传动组件32上的任意位置（比如，中间位置或者两端位置），且在第一传动组件32带动所述第二传动组件33移动时，所述第二传动组件33始终不碰触到所述升降组件33。由于所述第一传动组件32可以同时带动所述第二传动组件33和所述治具基板35进行移动，所述第二传动组件33可以带动所述治具基板35进行移动，因此实现了第一传动组件32和所述第二传动组件33联合带动所述治具基板35移动到与所述基座31平行的水平平面上的任意位置（比如，预设的初始化位置、激光加工时的加工位置）；其中，所述水平平面的边界范围取决于所述第一传动组件32和所述第二传动组件33的长度。而由于所述升降组件34通过所述激光器11带动所述激光加工装置1移动到激光加工时的加工焦点位置，并带动所述视觉定位装置2在垂直方向上（与所述水平平面垂直的方向）上移动。作为优选，所述第一传动组件32、所述第二传动组件33以及所述升降组件34均由电机驱动，且各组件（包含第一传动组件32、第二传动组件33和升降组件34）对应的移动步长均可通过软件控制系统进行精准控制。且作为优选，所述基座31为大理石基座，可以更好地减小各组件运动过程中的共振现象，并保证各组件以及所述治具基板35运动过程中的平稳性。

本发明提供的激光加工设备，通过激光加工装置1产生激光打标出用于清晰度检测的网格线以及加工图形，通过视觉定位装置2采集已打标出网格线的待加工件的图像并进行清晰度解析以及记录，并通过三轴运动装置3带动安装在治具基板35上的待加工件准确无误地移动到水平平面的任一位置，以及带动激光加工装置1准确无误地移动到加工焦点位置行网格线打标以及图形加工，带动视觉定位装置2在垂直方向上移动，通过采用图像视觉技术和运动控制技术结合，全自动实现检测流程，检测效率高。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述第一传动组件32包括包含第一容纳空间的第一支撑块321、安装在所述第一支撑块321上的第一滑轨322、设置在所述第一容纳空间内的第一伸缩体323；所述第一支撑块321安装在所述基座31上，且所述第一滑轨322平行于所述基座31。可理解的，所述第一支撑块321可以通过焊接、螺栓等固定安装在所述基座31，所述第一支撑块321上设置有两条平行的所述第一滑轨322，可以保证所述第一伸缩体323在所述第一容纳空间内伸缩时，带动所述治具基板35沿所述第一滑轨322移动的平稳性。

所述第二传动组件33包括包含第二容纳空间的第二支撑块331、安装在所述第二支撑块331上的第二滑轨332、设置在所述第二容纳空间内的第二伸缩体333；所述第二支撑块331与所述第一滑轨322滑动连接，且所述第二支撑块331与所述第一伸缩体323固定连接，所述第一伸缩体323在所述第一容纳空间内伸缩时，带动所述第二支撑块331沿所述第一滑轨322移动；所述第二滑轨332与所述治具基板35滑动连接，所述第二伸缩体333与所述治具基板35固定连接，所述第二伸缩体333在所述第二容纳空间内伸缩时，带动所述治具基板35沿所述第二滑轨332移动。可理解的，所述第二支撑块331固定连接在所述第一伸缩体323的任意位置（比如，中间位置），而所述治具基板35固定连接在所述第二伸缩体333的任意位置（比如，中间位置），且所述第二支撑块331上设置有两条平行的所述第二滑轨332，可以保证所述第二伸缩体333在所述第二容纳空间内伸缩时，带动所述治具基板35沿所述第二滑轨332移动的平稳性，从而保证所述治具基板35在水平平面移动的平稳性、精准性以及快速性。

所述升降组件34包括包含第三容纳空间的第三支撑块341、安装在所述第三支撑块341的第三滑轨342、设置在所述第三容纳空间内的第三伸缩体343；所述第三支撑块341安装在所述基座31上，且所述第三滑轨342垂直于所述基座31；所述第三滑轨342与所述激光器11滑动连接，且所述第三伸缩体343与所述激光器11固定连接，所述第三伸缩体343在所述第三容纳空间内伸缩时，带动所述激光器11沿所述第三滑轨342移动。可理解的，所述激光器11固定安装在所述第三伸缩体343的任意位置（比如，整个升降组件34的2/3处），所述第三支撑块341上设置有两条平行的第三滑轨342，所述第三伸缩体343在所述第三容纳空间内伸缩时，带动所述激光器11沿所述第三滑轨342移动，并带动整个所述视觉定位装置2在垂直方向上移动，且可以设置在所述环形光源23碰触到所述治具基板35时的当前位置触发报警的条件。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述视觉定位装置还包括连接在所述传输器12上的第一定位块24、与所述第一定位块24连接的第二定位块25、与所述第二定位块25连接的第三定位块26；所述第一定位块24、第二定位块25以及所述第三定位块26之间围成容置部；所述CCD相机21安装在所述容置部中，且所述CCD相机21通过所述第三定位26连接于所述传输器12；所述第三定位块26包括用于固定所述CCD镜头22的卡接块261，所述CCD镜头22穿过所述卡接块261与所述CCD相机21连接。在本实施例中，在所述传输器12包括折光腔121、扩束镜122以及扫描振镜123时，所述第一定位块24固定连接于所述扩束镜122和所述扫描振镜123之间；且所述第一定位块24、所述第二定位块25以及所述第三定位块26均设置有腰形定位孔，通过所述腰形定位孔可以调节围成的容置部大小，还可以调节所述聚焦镜头13的焦点位置，从而保证所述聚焦镜头13的焦点位置与所述聚集镜头13的焦点位置之间的差值不变。可理解的，为了保证所述CCD镜头22与所述聚集镜头13之间存在固定差值，在所述聚集镜头13选型确定之后，所述聚集镜头13的焦点位置确定（即加工焦点位置），且在所述CCD相机21和所述CCD镜头22选型安装之后，所述CCD镜头的焦点位置确定（即参考焦点坐标值）；其中，所述固定差值由激光加工时所述聚焦镜头13的焦点位置以及清晰度值最高时所述CCD镜头22的焦点位置之间的差值确定。

进一步地，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述第三定位块26包括用于调节所述视觉定位装置2的焦点的调节杆、包含中间通孔的滑动块；所述调节杆与所述滑动块的中间通孔位置对应；所述滑动块与所述第二定位块连接，所述CCD相机21安装在所述滑动块上；在本实施例中，通过调节杆带动所述滑动块和所述视觉定位装置2在垂直方向上运动，从而实现了精准地高度调节（也即，调节所述视觉定位装置2的焦点）。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述的激光加工设备还包括机柜4，所述基座31安装在所述机柜4上，所述机柜4内设置有控制装置5；所述控制装置5连接于所述激光器11、所述CCD相机21、所述第一传动组件32、所述第二传动组件33以及所述升降组件34。在本实施例中，所述机柜内部设置有数据连接线，通过所述数据连接线连接所述激光器11、所述CCD相机21、所述第一传动组件32、所述第二传动组件33以及所述升降组件34等，从而实现数据交互。作为优选，所述机柜4可以设置有支撑杆，所述支撑杆承载着控制装置5转动；此时，根据操作人员的需求转动所述支撑杆，可以带动安装在所述支撑杆41上的所述控制装置5在上下方向以及左右方向转动。且作为优选，在所述控制装置5包含显示器和输入装置时，所述机柜4可以设置有用于承载所述输入装置的抽屉；此时，可以通过输入装置设置所述三轴运动装置3的初始化状态（包括所述治具基板35对应的初始化位置，所述聚焦镜头13对应的初始化位置）和调整激光加工过程中的加工参数等，同时通过显示器实时监控激光加工过程中的图像数据和激光工作距离（也即激光焦距）变化等，有利于及时发现异常，处理异常。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述传输器12包括折光腔121、与所述折光腔121连接的扩束镜122、与所述扩束镜122连接的扫描振镜123。

在本实施例中，所述激光器11产生的激光，经所述折光腔121准直入射至所述扩束镜122，并经所述扩束镜122对光束进行修整之后，到达所述扫描振镜123，使得激光传输过程中激光不受机械振动的影响，且在完成封闭的空间里进行激光传输，可以避免镜片污染的现象。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述CCD相机21为500万像素相机；所述CCD镜头22为3倍定远心镜头。在本实施例中，由于配置的500万像素相机和3倍定远心镜头制造技术和制造工艺成熟，购置成本低，可以达到降低检测成本的目的。可理解的，所述CCD相机21不限定于500万像素相机，所述CCD镜头22不限定于3倍定远心镜头。

进一步地，作为本发明提供的激光加工设备的一种具体实施方式，所述治具基板33上设置有用于固定待加工件的定位销。在本实施例中，通过对称分布的所述定位销将所述待加工件固定在所述治具基板33上，可以避免激光加工时不当操作带来的位移风险，保证了加工图形一致。

本发明还提供一种激光加工方法，所述激光加工方法通过上述实施例中的激光加工设备进行激光焦距检测和激光加工，请参阅图1至图4，包括以下步骤：

S10，基于预设的空间坐标系对所述待加工件进行清晰度检测，所述步骤S10中的清晰度检测过程包括以下步骤：

S101，控制所述第一传动组件32、所述第二传动组件33和所述升降组件34联动，使所述治具基板35移动到预设的加工位置，加工焦点位置使所述聚焦镜头13移动到预设的加工焦点位置。

其中，所述加工位置设置在所述聚焦镜头13的正下方；所述加工焦点位置为激光正常加工时所述聚集镜头13到所述治具基板35之间的距离，也即所述聚集镜头13的Z轴坐标值，且所述加工焦点位置取决于所述聚集镜头13的选型。作为优选，在进行清晰度检测时，通过所述控制装置5控制所述第一传动组件32和所述第二传动组件33带动所述治具基板35，由初始化位置（启动或关闭设备时所述治具基板35所在的位置）移动到加工位置，并通过所述控制装置5控制所述升降组件34带动所述聚焦镜头移动到加工焦点位置。

S102，将待加工件按照安装要求安装在所述治具基板35上，根据预设的加工参数控制所述激光加工装置1在所述待加工件上标记出网格线；所述网格线的覆盖范围大于所述CCD相机21的视野范围的最大值。

其中，所述加工参数包括但不限定于加工图形、激光功率、加工频率和加工速度。

在本实施例中，将设置有定位标识的待加工件按照（比如，安装待加工件时，待加工件的定位标识位于同一位置）安装要求安装在所述治具基板35上，根据加工参数控制激光器11产生激光，经所述传输器12准直和扩散之后传输至所述聚焦镜头13，并经所述聚焦镜头13聚焦生成光斑，对安装在所述治具基板35上的待加工件进行激光加工生成网格线，使用激光加工对待加工件无直接冲击，避免待加工件的机械形变，且激光加工过程中，聚焦的光斑能量密度高，加工速度快，加工效率高。

S103，控制所述第一传动组件32、所述第二传动组件33和所述升降组件34联动，使所述视觉定位装置2检测到所述待加工件上的网格线时，获取所述CCD镜头22的初始焦点坐标值。

具体的，通过所述控制装置5控制所述第一传动组件32和所述第二传动组件33带动所述治具基板35移动到所述CCD镜头22的正下方（也即所述CCD相机21的视野范围内），并通过控制装置5控制所述升降组件34带动所述CCD相机21和所述CCD镜头22在Z轴方向上移动直至检测到所述待加工件上的网格线，也即，所述视觉定位装置2获取到包含所述网格线的识别图像时，记录所述治具基板35当前所在的位置为初始位置，记录所述CCD镜头22的焦点位置为初始焦点坐标值。可理解的，所述初始焦点坐标值为所述CCD镜头22与所述治具基板35之间的距离，也即Z轴坐标值。

S104，根据预设的检测步距、所述CCD镜头22的镜头焦深以及所述初始焦点坐标值获取各定位点。

作为优选，根据所述CCD镜头22的镜头参数（比如，镜头型号）获取与所述镜头参数匹配的镜头焦深，并设置检测步距，根据预设的取点公式获取各定位点所述取点公式为：

其中，Zn为各定位点；Z0为所述CCD镜头22的初始焦点坐标值；H0为所述CCD镜头22的镜头焦深；STEP0为检测步距；N为自然数，且可以根据需求设置。

S105，控制所述升降组件34带动所述视觉定位装置2依次获取各所述定位点的识别图像，并对各所述识别图像进行图像清晰度解析并记录之后，获取清晰度值最高时所述CCD镜头22的参考焦点坐标值。

在本实施例中，保持所述治具基板35所在的位置不变，通过所述控制装置5控制所述升降组件34带动所述CCD镜头22移动到各所述定位点，所述视觉定位装置2以预设定的一组视觉检测参数（包含光源亮度、曝光强度、补偿增益和检测范围等）在不同的定位点下采集待加工件的图像，获得一系列待检测图像清晰度值的识别图像，对各所述识别图像进行清晰度解析，并将各所述识别图像的清晰度值与各定位点对应的所述CCD镜头22的焦点位置关联记录，进而比较各定位点下识别图像的清晰度值选取出清晰度值最高时关联的所述CCD镜头22的焦点位置，并将其记录为参考焦点坐标值。

作为优选，在所述步骤S205之后包括以下步骤：缩小所述检测步距或者所述CCD镜头22的镜头焦深，缩小检测范围，重新执行所述步骤S101至所述步骤S105，获取更精准的所述CCD镜头的参考焦点坐标值。

S20，基于所述清晰度检测进行激光加工状态判定，所述步骤S20中的激光加工状态判定过程包括以下步骤：

首先，接收包含所述加工参数的加工指令，对安装在所述治具基板35上的所述待加工件再次进行所述清晰度检测，获取激光加工时所述CCD镜头22的新的参考焦点坐标值，并将新的参考焦点坐标值记录为检测焦点坐标值。

在本实施例中，在所述加工参数以加工文档形式进行编辑和存储时，通过所述控制装置调取并加载所述加工文档，并接收到加工指令，执行所述步骤S101至所述步骤S105，也即对安装在所述治具基板35上的待加工件再次进行清晰度检测获取新的所述CCD镜头22的参考焦点坐标值，并将其记录为检测焦点坐标值。可理解的，通过预设的加工文档存储待加工件的加工图形、工艺参数、激光加工参数，可以保证加工效果一致，且只需打标出明显痕迹的网格线，调试难度低，易于操作。作为优选，根据激光加工时所述聚焦镜头的加工焦点位置与清晰度最高时所述CCD镜头22的参考焦点坐标值，获取所述CCD镜头22与所述聚集镜头13之间的固定差值；在确定所述聚集镜头的激光工作距离之后，根据所述固定差值调整所述CCD相机21和所述CCD镜头22，保证了测试数据的精准性、清晰度检测过程的效率以及激光加工过程的效率。

然后，根据所述CCD镜头22的参考焦点坐标值、所述检测焦点坐标值以及预设的偏差阈值获取激光加工状态；所述激光加工状态包括正常和异常所述激光加工状态包括正常和异常。

在本实施例中，基于所述参考焦点坐标值和所述检测焦点坐标值，可设定一个偏差阈值，控制所述激光加工装置2对所述待加工件进行正常加工前，先检测所述参考焦点坐标值与所述检测焦点坐标值之间的差值是否小于或等于所述偏差阈值；在所述参考焦点坐标值与所述检测焦点坐标值之间的差值小于或等于所述偏差阈值时，判定所述聚焦镜头13的激光工作距离保持在加工焦点位置，也即所述聚焦镜头13的激光焦距不变，并确定激光加工状态为正常，可以进行激光加工；而在所述参考焦点坐标值与所述检测焦点坐标值之间的差值大于所述偏差阈值时，判定激光加工状态为异常，生成停止指令，并可以通过控制装置5提示操作人员自行排查相关装置故障，此时，若继续进行激光加工，则加工的图形与正常工作状态时加工的图像不一致。

进一步地，所述步骤S10之前包括以下步骤：设定所述空间坐标系；设定所述第一传动组件32带动所述治具基板35移动的方向为所述空间坐标系的X轴；设定所述第二传动组件33带动所述治具基板35移动的方向为所述空间坐标系的Y轴；设定与所述基座31垂直的方向为所述空间坐标系的Z轴。

作为优选，在所述第一传动组件32设置有第一滑轨322、所述第二传动组件33设置有第二滑轨332、所述升降组件34设置有第三滑轨342时，设定与所述第一滑轨322平行的方向为X轴，设定与所述第二滑轨332平行的方向为Y轴，设定与所述第三滑轨342平行的方向为Z轴，并根据设定的X轴、Y轴和Z轴来构建三维空间坐标系。

本发明提供的激光加工方法，利用CCD镜头22的理论焦点一定（理论焦点取决于所述CCD镜头22的镜头参数）、焦深浅、分辨率高的性能特点，以及偏离理论焦点时图像清晰度越小，接近理论焦点时图像清晰度越高的工作特点，通过控制所述升降组件34带动所述视觉定位装置2在正偏焦-理论焦点-负偏焦的行程范围内获取识别图像，并计算识别图像的清晰度值，得到清晰度值最高时的焦点位置作为所述CCD镜头22的参考焦点坐标值，也即所述视觉定位装置2的焦点，进而在接收到加工指令对待加工件进行加工时，通过所述视觉定位装置2的焦点变化来检测所述聚焦镜头的加工焦点位置（也即，激光焦距）的变化，使用范围广，检测效率高，同时在检测过程中，设定的参数少，简单调试之后可将调试数据和设定的参数关联存储在所述控制装置5中，操作容易、移植性好。

进一步地，作为本发明提供的激光加工方法的一种具体实施方式，所述加工参数包括加工图形和激光工作参数；所述步骤S102，包括以下步骤：

根据加工图形和激光工作参数控制所述激光器11产生的激光，经所述传输器12准直和扩散之后传输至所述聚焦镜头13，经所述聚焦镜头13聚焦生成光斑，对安装在所述治具基板35上的待加工件进行激光加工生成所述网格线。

作为优选，在所述传输器12包括折光腔121、扩束镜122以及扫描振镜123时，根据激光加工参数（包括激光功率、加工频率和加工速度等）控制所述激光器11产生激光，经所述折光腔121准直入射至所述扩束镜122，并经所述扩束镜122对光束进行修整之后，到达所述扫描振镜123、所述聚焦镜头13聚焦成光斑，并对待加工件进行激光加工打标出明显痕迹的网格线，加入所述扩束镜122可以获得直径更小的光斑，使得网格线的精度更高。

进一步地，作为本发明提供的激光加工方法的一种具体实施方式，所述步骤S103，具体包括以下步骤：

控制所述第一传动组件32和所述第二传动组件33带动所述治具基板35位于所述CCD相机21的视野范围内；将所述环形光源23的光照射到所述待加工件上，并控制所述升降组件34带动所述CCD相机21和CCD镜头22移动，直至所述CCD相机21检测到所述待加工件上的网格线；记录所述CCD镜头22与所述治具基板35之间的距离为所述CCD镜头22的初始焦点坐标值。在本实施例中，通过所述视觉定位装置2检测到明显待加工件成像时的焦点位置设定为初始焦点坐标值，使得检测可操作性高。

进一步地，作为本发明提供的激光加工方法的一种具体实施方式，所述步骤S105包括以下步骤：

首先，控制所述升降组件34依次移动到各所述定位点，并控制所述视觉定位装置1以预设的视觉检测参数分别获取各所述定位点的识别图像；其中，一个所述定位点对应一个所述CCD镜头22的焦点位置。

具体的，所述视觉检测参数包括但不限定于光源亮度、曝光强度、补偿增益和检测范围；在所述升降组件34设置有第三伸缩体343时，首先根据所述光源亮度调节环形光源23，根据所述曝光强度、补偿增益调节所述CCD相机21，根据所述检测范围调节所述CCD镜头22，然后通过所述控制装置5控制第三伸缩体343在所述CCD镜头22的接近参考焦点坐标值的行程内以足够小的高分辨率运动，带动所述CCD相机在不同的定位点下采集一系列的识别图像，并将各定位点与对应于各定位点的识别图像进行关联存储。

然后，根据预设的清晰度算法获取各所述识别图像的清晰度值，并根据各所述识别图像的清晰度值以及各所述定位点对应的焦点位置建立清晰度关系数据表。

表1 清晰度关系数据表

定位点	焦点位置（mm）	清晰度
			Z0	12	8.23785
Z1	12.2	8.62834
			Z2	12.4	8.8438
Z3	12.6	8.59914
			Z4	12.8	9.96726
Z5	13	10.3479
			Z6	13.2	10.2367
Z7	13.4	17.0564
			Z8	13.6	24.0864
Z9	13.8	36.8888
			Z10	14	55.3822
Z11	14.2	31.1119
			Z12	14.4	20.7076
Z13	14.6	14.2108
			Z14	14.7	10.368
Z15	14.8	11.3692
			Z16	15	10.6186

具体的，所述清晰度算法为基于halcon的图像清晰度算法，由梯度函数、差值函数、频率函数、自相关函数进行叠加获得清晰度值；使用预设的清晰度算法获得每一张识别图像的清晰度值，根据各定位点对应的焦点位置、各识别图像的清晰度值以及所述定位点与所述识别图像的对应关系建立清晰度关系数据表，所述清晰度关系数据表如表1所示。

由所述清晰度关系数据表可知，随着所述CCD镜头22的焦点位置变化，获得的图像清晰度呈高斯曲线状趋势变化，如图5所示的清晰度关系图，在图5中，清晰度最高时对应的焦点位置（也即表1中定位点Z10对应的焦点位置14mm）为所述CCD镜头22的参考焦点坐标值。

最后，自所述清晰度关系数据表中，获取清晰度值最高时对应的所述CCD镜头22的焦点位置，将清晰度值最高时所述CCD镜头22的焦点位置记录为所述CCD镜头22的参考焦点坐标值，并将所述参考焦点坐标值与所述加工参数关联存储。

具体的，通过所述控制装置5自所述清晰度关系数据表中判定清晰度值最高时对应的所述CCD镜头22的焦点位置（也即Z轴坐标值），将其设定为所述CCD镜头22的参考焦点坐标值，此时，可以获取所述治具基板35的初始位置，并根据所述参考焦点坐标值以及所述初始位置生成用于自动定位的检测坐标；也即，在接收到加工指令时，根据所述检测坐标控制所述第一传动组件32、所述第二传动组件33和所述升降组件34联动，使所述治具基板35移动到所述初始位置，使所述CCD镜头22移动到所述参考焦点坐标值对应的焦点位置，可以提高检测效率和加工效率。

进一步地，作为本发明提供的激光加工方法的一种具体实施方式，所述步骤S40包括以下步骤：

首先，根据所述参考焦点坐标值和所述偏差阈值获取焦点范围。也即，若获得的参考焦点坐标值为Zf，偏差阈值为h，则焦点范围为[Zf-h/2, Zf+h/2]。

然后，在所述检测焦点坐标值在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为正常，并控制所述激光加工装置对所述待加工件进行加工；在所述加工焦点位置坐标不在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为异常，发出报警提示。也即，若获得的所述检测焦点坐标值为Zd，且Zd在上述焦点范围[Zf-h/2, Zf+h/2]内，则确定所述聚焦镜头13的激光工作距离保持在加工焦点位置，使所述聚焦镜头13的激光焦距不变，也即，判定激光加工状态为正常，执行正常加工，否则判定激光加工状态为异常，可以自动发出包含异常装置和异常分析原因的报警提示，此时操作人员根据报警提示的内容解决故障即可。

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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法通过激光加工设备进行激光焦距检测和激光加工；

所述激光加工设备包括：

激光加工装置，包括激光器、与所述激光器连接的传输器、与所述传输器连接的聚焦镜头；

视觉定位装置，包括CCD相机、与所述CCD相机连接的CCD镜头、包含中间通孔的环形光源；所述CCD镜头与所述环形光源的所述中间通孔位置对应；所述CCD相机连接于所述传输器；

三轴运动装置，包括基座、安装在所述基座上的第一传动组件、安装在所述第一传动组件上的第二传动组件、安装在所述基座上的升降组件、安装在所述第二传动组件上的用于固定待加工件的治具基板；所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件两两垂直；所述治具基板被所述第一传动组件和所述第二传动组件带动在与所述基座平行的水平平面上移动；所述激光器安装在所述升降组件上，所述升降组件通过所述激光器带动所述激光加工装置以及所述视觉定位装置垂直运动；

所述激光加工方法包括：

基于预设的空间坐标系对所述待加工件进行清晰度检测，所述清晰度检测过程包括以下步骤：

控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述治具基板移动到预设的加工位置，使所述聚焦镜头移动到预设的加工焦点位置；

将所述待加工件按照安装要求安装在所述治具基板上，根据预设的加工参数控制所述激光加工装置在所述待加工件上打标出网格线；所述网格线的覆盖范围大于所述CCD相机的视野范围的最大值；

控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述视觉定位装置检测到所述待加工件上的网格线时，获取所述CCD镜头的初始焦点坐标值；

根据预设的检测步距、所述CCD镜头的镜头焦深以及所述初始焦点坐标值获取各定位点；

控制所述升降组件带动所述视觉定位装置依次获取各所述定位点的识别图像，并对各所述识别图像进行图像清晰度解析并记录之后，获取清晰度值最高时所述CCD镜头的参考焦点坐标值；

基于所述清晰度检测进行激光加工状态判定，所述激光加工状态判定过程包括以下步骤：

接收包含所述加工参数的加工指令，对安装在所述治具基板上的所述待加工件再次进行所述清晰度检测，获取激光加工时所述CCD镜头的新的参考焦点坐标值，并将新的参考焦点坐标值记录为检测焦点坐标值；

根据所述CCD镜头的参考焦点坐标值、所述检测焦点坐标值以及预设的偏差阈值获取激光加工状态；所述激光加工状态包括正常和异常。

2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：所述第一传动组件包括包含第一容纳空间的第一支撑块、安装在所述第一支撑块上的第一滑轨、设置在所述第一容纳空间内的第一伸缩体；所述第一支撑块安装在所述基座上，且所述第一滑轨平行于所述基座；

所述第二传动组件包括包含第二容纳空间的第二支撑块、安装在所述第二支撑块上的第二滑轨、设置在所述第二容纳空间内的第二伸缩体；所述第二支撑块与所述第一滑轨滑动连接，且所述第二支撑块与所述第一伸缩体固定连接，所述第一伸缩体在所述第一容纳空间内伸缩时，带动所述第二支撑块沿所述第一滑轨移动；所述第二滑轨与所述治具基板滑动连接，所述第二伸缩体与所述治具基板固定连接，所述第二伸缩体在所述第二容纳空间内伸缩时，带动所述治具基板沿所述第二滑轨移动；

所述升降组件包括包含第三容纳空间的第三支撑块、安装在所述第三支撑块的第三滑轨、设置在所述第三容纳空间内的第三伸缩体；所述第三支撑块安装在所述基座上，且所述第三滑轨垂直于所述基座；所述第三滑轨与所述激光器滑动连接，且所述第三伸缩体与所述激光器固定连接，所述第三伸缩体在所述第三容纳空间内伸缩时，带动所述激光器沿所述第三滑轨移动。

3.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：所述视觉定位装置还包括连接在所述传输器上的第一定位块、与所述第一定位块连接的第二定位块、与所述第二定位块连接的第三定位块；所述第一定位块、所述第二定位块以及所述第三定位块之间围成容置部；所述CCD相机安装在所述容置部中，且所述CCD相机通过所述第三定位连接于所述传输器；所述第三定位块包括用于固定所述CCD镜头的卡接块，所述CCD镜头穿过所述卡接块与所述CCD相机连接。

4.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：所述激光加工设备还包括机柜，所述基座安装在所述机柜上，所述机柜内设置有控制装置；所述控制装置连接于所述激光器、所述CCD相机、所述第一传动组件、所述第二传动组件以及所述升降组件。

5.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于：所述传输器包括折光腔、与所述折光腔连接的扩束镜、与所述扩束镜连接的扫描振镜；

所述CCD相机为500万像素相机；所述CCD镜头为3倍定远心镜头；

所述治具基板上设置有用于固定待加工件的定位销。

6.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述根据所述CCD镜头的参考焦点坐标值、所述检测焦点坐标值以及预设的偏差阈值获取激光加工状态，包括：

根据所述参考焦点坐标值和所述偏差阈值获取焦点范围；

在所述检测焦点坐标值在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为正常，并控制所述激光加工装置对所述待加工件进行加工；

在所述加工焦点坐标值不在所述焦点范围内时，确定激光加工状态为异常，发出报警提示。

7.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述控制所述升降组件带动所述视觉定位装置依次获取各所述定位点的识别图像，并对各所述识别图像进行图像清晰度解析并记录之后，获取清晰度值最高时所述CCD镜头的参考焦点坐标值，包括：

控制所述升降组件依次移动到各所述定位点，并控制视觉定位装置以预设的视觉检测参数分别获取各所述定位点的识别图像；其中，一个所述定位点对应一个所述CCD镜头的焦点位置；

根据预设的清晰度算法获取各所述识别图像的清晰度值，并根据各所述识别图像的清晰度值以及各所述定位点对应的焦点位置建立清晰度关系数据表；

自所述清晰度关系数据表中，获取清晰度值最高时对应的所述CCD镜头的焦点位置，将清晰度值最高时对应的所述CCD镜头的焦点位置记录为参考焦点坐标值，并将所述参考焦点坐标值与所述加工参数关联存储。

8.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述控制所述第一传动组件、所述第二传动组件和所述升降组件联动，使所述视觉定位装置检测到所述待加工件上的网格线时，获取所述CCD镜头的初始焦点坐标值，包括：

控制所述第一传动组件和所述第二传动组件带动所述治具基板位于所述CCD镜头的视野范围；

将所述环形光源的光照射到所述待加工件上，并控制所述升降组件带动所述CCD相机和所述CCD镜头移动，直至所述CCD相机检测到所述待加工件上的网格线；

将所述CCD镜头与所述待加工件之间的距离记录为初始焦点坐标值。

9.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，所述加工参数包括加工图形和激光工作参数，且所述加工参数以加工文档形式存储；

所述将所述待加工件按照安装要求安装在所述治具基板上，根据预设的加工参数控制所述激光加工装置在所述待加工件上打标出网格线，包括：

根据加工图形和激光工作参数控制所述激光器产生的激光，经所述传输器准直和扩散之后传输至所述聚焦镜头，经所述聚焦镜头聚焦生成光斑，对安装在所述治具基板上的待加工件进行打标出所述网格线。

Images