CN110142503B - 一种激光切割离焦补偿系统及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于能够自动进行离焦补偿的激光切割系统，具体涉及一种激光切割离焦补偿系统及其补偿方法，解决现有技术中工件高频振动下离焦补偿误差大的问题。由加工激光源和半导体激光器分别发射不同波长的加工激光和探测激光，探测激光经像散透镜系统产生一定的像散畸变，然后在待加工面上被部分反射，最终监视光学系统收集其反射后的像散光斑图像，经控制器的一系列计算和处理，向变形镜输入波前调制信号使其面形发生变化，从而达到对加工激光的实时调节。能够实时监测加工激光的离焦量并快速进行离焦补偿，从而实现较高的离焦校正频率。另外，由于两束激光同轴，离焦量的测量位置与实际加工点位置距离极小，减小了离焦量的测量误差，提高了离焦补偿精度。

Description

一种激光切割离焦补偿系统及其补偿方法

技术领域

本发明属于能够自动进行离焦补偿的激光切割系统，具体涉及一种激光切割离焦补偿系统及其补偿方法。

背景技术

激光切割技术是利用聚焦激光束对材料进行切割，可切割的材料种类丰富，通过控制光束强度和光束作用时间等因素，可以实现高效率、高精度、高重复性和低能耗的切割加工。该技术目前已经在汽车、航空、电子和半导体等诸多工业制造领域得到应用。

特定的切割速度下，为了保证切割质量，必须使切割面始终处于聚焦激光束的有效焦深范围内，在实际切割过程中，工件会由于特定原因产生沿激光光轴方向的振动，当振动幅值较大时，切割面会超出有效焦深，即产生离焦，离焦可能导致不完全切断或切割质量不合格，为了避免或减少这些不良情形的出现，通常会从两方面来进行切割系统的优化和调整：

(1)提高聚焦激光束的焦深范围，如采用长焦距的激光聚焦镜头，但理论上激光束的焦深越大，光束束腰半径也越大，而要保证作用激光的功率密度，束腰半径须小于一定值，所以这种方式不适用于对光束束腰半径要求高的切割系统。

(2)降低待切割工件的振动幅度，虽然原理直观，但这种方式在某些激光切割系统中并不具有可行性，例如流水线上的金属箔材切割，即使传送带表面的振幅可以控制到很小，箔材也会因为气流影响而产生波动，为了减小气流影响，则需要减小传动带速度，从而使加工效率降低。

因此，以上两种针对切割面离焦问题的解决方案都具有一定的局限性，为了进一步提高激光切割性能，出现了基于测距传感器的主动离焦补偿方案，但离焦补偿都是通过电机驱动聚焦镜作直线运动的方式实现的，受限于电机的驱动频率和直线运动速度，这种方式较难满足切割工件高频振动下的离焦补偿需求。另外，测距传感器往往不能直接测量实际切割点附近的离焦量，测量点和切割点之间的离焦差异可能导致离焦补偿误差过大。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中工件高频振动下离焦补偿误差大的问题，提供一种激光切割离焦补偿系统及其补偿方法，旨在提高离焦校正频率和补偿精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光切割离焦补偿系统，其特殊之处在于，包括半导体激光器、加工激光源、监视光学系统、控制器和依次设置的准直镜、分光镜、变形镜、振镜以及聚焦镜；加工激光源发射的加工激光经准直镜准直后射入分光镜后反射至变形镜，再经由振镜和聚焦镜后射至待加工面；半导体激光器发射的探测激光经像散透镜系统后入射分光镜，经分光镜透射后经由变形镜、振镜和聚焦镜到达待加工面；探测激光经待加工面部分反射后沿原光路返回，再次经分光镜透射后被监视光学系统获取其对应的光斑图像；控制器分别连接监视光学系统和变形镜，监视光学系统获取并分析光斑图像，控制器根据光斑图像计算轴向离焦补偿量，进而调整变形镜的面形；加工激光和探测激光构成的整体光路能够沿轴向移动。

进一步地，半导体激光器发射的探测激光经光纤耦合输出，光纤末端耦合像散透镜系统，像散透镜系统固定于监视光学系统的外壁。

进一步地，所述加工激光水平入射分光镜，经分光镜反射后与入射光轴垂直，变形镜与入射激光的夹角为45°；监视光学系统布置于分光镜正上方。

进一步地，所述监视光学系统包括成像系统和CCD，控制器与CCD相连；所述像散透镜系统包括依次布置的自聚焦透镜和至少一个柱透镜。

进一步地，除控制器外的其他部件均封装于腔室内，形成能够整体沿轴向移动的光路。

一种采用如上所述激光切割离焦补偿系统的补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，对激光切割离焦补偿系统进行初始标定，确定离焦补偿量计算相关系统参数；

步骤2，半导体激光器与加工激光源分别发射不同波长的激光至待加工面，半导体激光器发射的探测激光经像散透镜系统形成具有像散畸变的探测激光，在待加工面上形成像散光斑；

步骤3，像散光斑经待加工面反射，部分反射光被聚焦镜收集，经振镜、变形镜和分光镜后，在监视光学系统内得到相应的像散光斑图像并由控制器实时处理得到加工激光的轴向离焦补偿量；

步骤4，控制器根据轴向离焦补偿量调节变形镜对加工激光进行波前调制。

进一步地，步骤3中的实时处理得到轴向离焦补偿量，具体为通过以下算法对监视光学系统得到的像散光斑进行运算：

通过处理像散光斑图像得到椭圆形光斑的长短轴比值r，则轴向离焦量为

其中O为需要进行标定的系统参数；

假定探测激光的初始离焦量为Δz₀，则确定加工激光的轴向离焦补偿量为：

进一步地，步骤4具体为，通过如下算法对变形镜的面形进行控制调节：

设聚焦镜5的像方f数取值为F，则为了补偿加工激光的轴向离焦量z_c，变形镜3所需的离焦系数

控制器根据离焦系数调节变形镜3的面形，对激光进行波前调制。

进一步地，步骤1具体为：

步骤1.1，根据待切割面位置和聚焦镜的工作距，调节腔室位置使加工激光处于预设位置，记录该腔室位置为标准高度h₀；

步骤1.2，在标准高度h₀下采集像散光斑图像为初始像散光斑，并对图像进行滤波和二值化处理，计算初始像散光斑的长短轴比值r₀；

步骤1.3，以0.5mm为步长，沿轴向向上调节腔室10次，依次记调节序号为n＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_n；

步骤1.4，将腔室重新调至初始位置，以0.5mm为步长，沿轴向向下调节腔室10次，依次记调节序号为m＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_m；

步骤1.5，假定探测激光的初始离焦量为Δz₀，则步骤1.2-步骤1.4得到的21组长短轴比值应满足：

其中，调节序号k＝-10，-9，……，0，1，2，……，9，10，r_k为调节序号对应像散光斑图像的长短轴比值；利用最小二乘法求解O和Δz₀；

步骤1.6，将腔室重新调节至标准高度h₀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明一种激光切割离焦补偿系统，由加工激光源和半导体激光器分别发射不同波长的加工激光和探测激光，探测激光经像散透镜系统产生一定的像散畸变，然后在待加工面上被部分反射，最终监视光学系统收集其反射后的像散光斑图像，经控制器的一系列计算和处理，向变形镜输入波前调制信号使其面形发生变化，从而达到对加工激光的实时调节。能够实时监测加工激光的离焦量并快速进行离焦补偿，从而实现较高的离焦校正频率。另外，由于两束激光同轴，离焦量的测量位置与实际加工点位置距离极小，减小了离焦量的测量误差，提高了离焦补偿精度。

2.控制器利用来自监视光学系统的光斑图像信息，快速计算所需控制参数并驱动变形镜实现离焦补偿，提高了离焦校正频率。

3.自聚焦透镜和柱透镜的组合能够使探测激光产生一定像散畸变，使其经反射后在监视光学系统处收集到一个椭圆光斑，便于后续的调节运算。

4.本发明一种激光切割离焦补偿方法，基于上述的离焦补偿系统，先对整个系统进行标定确定腔室的基准位置，保证后续的调节更加准确。再通过具有像散畸变的探测激光经待加工面后反射，由监视光学系统采集像散光斑图像，再经控制器实时处理控制变形镜的面形变化，改变加工激光的有效焦深位置，从而使待切割面处于有效焦深内，实现实时离焦补偿。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明集成控制器控制流程图。

其中，1-准直镜；2-分光镜；3-变形镜；4-振镜；5-聚焦镜；6-待加工面； 7-半导体激光器；8-监视光学系统；9-像散透镜系统；10-控制器；11-加工激光源；12-腔室。

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，所描述的实施例并非对本发明的限制。

参照图1，一种激光切割离焦补偿系统，包括两条光路，一路为用于切割工件的加工光路，另一路为用于测量离焦量的探测光路。具体包括监视光学系统8、控制器10以及上下平行布置的半导体激光器7和加工激光源11；加工激光源11发射的加工激光经准直镜1准直后射入分光镜2后反射至变形镜3，再经由振镜4和聚焦镜5后摄至待加工面6，变形镜3与入射激光的夹角为45°。

半导体激光器7发射探测激光至像散透镜系统9，探测激光经像散透镜系统9形成具有像散畸变的光束，光束透过分光镜2后依次经过变形镜3、振镜 4和聚焦镜5射至待加工面6；像散透镜系统9固定于监视光学系统8的外壁，控制器10分别连接监视光学系统8和变形镜3；除控制器10以外的其他部件均封装于腔室12内，形成能够整体轴向移动的光路。半导体激光器7和加工激光源11发射的激光波长不同，分光镜2上设有镀膜，镀膜对于加工激光为高反膜，反射面与入射光夹角为45°，对于探测激光为高透膜。

其中，加工光路的工作原理为：用于切割工件的加工激光经准直镜后入射分光镜，分光镜由于分光面上进行了特殊的镀膜处理，对于加工激光对应波长为高反膜，加工激光经分光镜反射入射变形镜，变形镜在反射光束的同时会引入一定的离焦波前调制，加工激光随后经过振镜和聚焦镜，最终在待加工面上汇聚成激光束焦点。

探测光路的原理为：探测激光采用异于加工激光波长的半导体激光器，探测激光经光纤耦合输出，输出光纤末端与像散透镜系统耦合，像散透镜系统固定在监视光学系统的外壁上，由自聚焦透镜和至少一个柱透镜组成，出射具有一定像散畸变的光束，像散光束入射分光镜，分光面的镀膜对于探测激光的波长为高透膜，探测激光透过分光镜后入射变形镜，经变形镜及振镜反射后入射聚焦镜，在切割面上形成像散光斑，探测激光经待加工面反射后，部分反射光被聚焦镜收集，最后在监视光学系统上得到探测激光在待加工面上的像散光斑。

基于上述的离焦补偿系统，相应的离焦补偿方法如下：

步骤1，根据待切割面位置和聚焦镜5的工作距，对激光切割离焦补偿系统进行初始标定；

步骤2，半导体激光器7与加工激光源11分别发射不同波长的激光至待加工面6，半导体激光器7发射的探测激光经像散透镜系统9形成具有像散畸变的探测激光，在待加工面6上形成像散光斑；

步骤3，像散光斑经待加工面6反射，部分反射光被聚焦镜5收集，经振镜4、变形镜3和分光镜2后，在监视光学系统8内得到相应的像散光斑图像，并由控制器10实时分析运算得到加工激光的轴向离焦补偿量；

步骤4，控制器根据轴向离焦补偿量调节变形镜3的面形对激光进行波前调制。

如图2示出了控制器的控制流程，即监视CCD单次曝光，对监视成像系统采集的图像进行处理，计算离焦补偿量再生成变形镜面形控制信号，从而控制变形镜面形改变，根据待加工面实际情况循环进行控制，从而达到实时补偿的目的。

探测光路的离焦测量原理如下：由像差理论可知，像散光斑的形状为一椭圆形，其表达式为：

其中，A＝c(A_a+A_d)；B＝cA_d；A_a为像散系数，是由像散透镜系统决定的常数；A_d为离焦系数，随着探测激光离焦量大小而变化；c为常数，无量纲，由探测光路决定。

由像差理论还可知，轴向离焦量Δz与离焦系数A_d的关系为：

由以上关系可以得到像散光斑的长短轴比值为：

其中

在探测光路确定后，参数O的值可以通过标定获得。

通过控制器处理监视CCD采集的像散光斑图像，计算出r值，进而得到轴向离焦量

假定探测激光的初始离焦量Δz₀，则确定加工激光的轴向离焦补偿量为：

加工光路的离焦补偿原理为：根据像差理论，设聚焦镜5的像方f数取值为F，则加工激光的轴向离焦量与离焦系数的关系为，

变形镜 3所需的离焦系数

控制器根据离焦系数调节变形镜3的面形，对激光进行波前调制。

为了获得系统的初始离焦量Δz₀和计算轴向离焦量所需的系统常数O，腔体12封装的光路使用前还需要进行初始标定，具体方法为：

(1)根据待切割面位置和聚焦镜5的工作距，调节腔室12位置使加工激光处于预设位置，记录该腔室12位置为标准高度h₀；

(2)在标准高度h₀下采集像散光斑图像为初始像散光斑，并对图像进行滤波和二值化处理，计算初始像散光斑的长短轴比值r₀；

(3)以0.5mm为步长，沿轴向向上调节腔室10次，依次记调节序号为 n＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_n；

(4)将腔室12重新调至初始位置，以0.5mm为步长，沿轴向向下调节腔室10次，依次记调节序号为m＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_m；

(5)假定探测激光的初始离焦量为Δz₀，则步骤1.2-步骤1.4得到的21 组长短轴比值应满足：

其中，调节序号k＝-10，-9，……，0，1，2，……，9，10，r_k为调节序号对应像散光斑图像的长短轴比值；利用最小二乘法求解O和Δz₀；

(6)将腔室12重新调节至标准高度h₀。

整个离焦补偿系统的工作原理为：加工激光对待加工面切割的同时，探测激光对切割激光的离焦量进行测量，由控制器将测量结果转化为变形镜面形变化的控制信号，通过变形镜对加工激光的波前调制实现离焦补偿。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或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 (3)

1.一种激光切割离焦补偿方法，其特征在于：采用一种激光切割离焦补偿系统，包括半导体激光器(7)、加工激光源(11)、监视光学系统(8)、控制器(10)和依次设置的准直镜(1)、分光镜(2)、变形镜(3)、振镜(4)以及聚焦镜(5)；加工激光源(11)发射的加工激光经准直镜(1)准直后射入分光镜(2)后反射至变形镜(3)，再经由振镜(4)和聚焦镜(5)后射至待加工面(6)；半导体激光器(7)发射的探测激光经像散透镜系统(9)后入射分光镜(2)，经分光镜(2)透射后经由变形镜(3)、振镜(4)和聚焦镜(5)到达待加工面(6)；探测激光经待加工面(6)部分反射后沿原光路返回，再次经分光镜(2)透射后被监视光学系统(8)获取其对应的光斑图像；控制器(10)分别连接监视光学系统(8)和变形镜(3)，通过处理来自监视光学系统(8)的光斑图像计算轴向离焦补偿量，进而调整变形镜(3)的面形；加工激光和探测激光构成的整体光路能够沿轴向移动；

步骤如下：

步骤1，对激光切割离焦补偿系统进行初始标定，确定离焦补偿量计算相关系统参数；

步骤2，半导体激光器(7)与加工激光源(11)分别发射不同波长的激光至待加工面(6)，半导体激光器(7)发射的探测激光经像散透镜系统(9)形成具有像散畸变的探测激光，在待加工面(6)上形成像散光斑；

步骤3，像散光斑经待加工面(6)反射，部分反射光被聚焦镜(5)收集，经振镜(4)、变形镜(3)和分光镜(2)后，在监视光学系统(8)内得到相应的像散光斑图像并由控制器(10)实时处理得到加工激光的轴向离焦补偿量；其中，实时处理得到轴向离焦补偿量，具体为通过以下算法对监视光学系统(8)得到的像散光斑进行运算：

通过处理像散光斑图像得到椭圆形光斑的长短轴比值r，则轴向离焦量为

其中O为需要进行标定的系统参数；

假定探测激光的初始离焦量为Δz₀，则确定加工激光的轴向离焦补偿量为：

步骤4，控制器根据轴向离焦补偿量调节变形镜(3)对加工激光进行波前调制。

2.如权利要求1所述一种激光切割离焦补偿方法，其特征在于，步骤4具体为，通过如下算法对变形镜(3)的面形进行控制调节：

设聚焦镜(5)的像方f数取值为F，则为了补偿加工激光的轴向离焦补偿量z_c，变形镜(3)所需的离焦系数

控制器根据离焦系数调节变形镜(3)的面形，对激光进行波前调制。

3.如权利要求2所述一种激光切割离焦补偿方法，其特征在于：步骤1具体为，

步骤1.1，根据待加工面位置和聚焦镜(5)的工作距离，调节腔室(12)位置使加工激光处于预设位置，记录该腔室(12)位置为标准高度h₀；

步骤1.2，在标准高度h₀下采集像散光斑图像为初始像散光斑，并对图像进行滤波和二值化处理，计算初始像散光斑的长短轴比值r₀；

步骤1.3，以0.5mm为步长，沿轴向向上调节腔室(12)10次，依次记调节序号为n＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_n；

步骤1.4，将腔室(12)重新调至初始位置，以0.5mm为步长，沿轴向向下调节腔室(12)10次，依次记调节序号为m＝1，2，……，10，每次调节后均采集相应的像散光斑图像并计算其相应的长短轴比值r_m；

步骤1.5，假定探测激光的初始离焦量为Δz₀，则步骤1.2-步骤1.4得到的21组长短轴比值应满足：

其中，调节序号k＝-10，-9，……，0，1，2，……，9，10，r_k为调节序号对应像散光斑图像的长短轴比值；利用最小二乘法求解O和Δz₀；

步骤1.6，将腔室(12)重新调节至标准高度h₀。

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