CN110340552A - 用于实现穿透检测功能的激光头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现穿透检测功能的激光头，包括聚焦镜及保护镜，激光头与外部的数控机床相连接，其中，激光头内部设有光强检测模块，该光强检测模块设于聚焦镜与保护镜之间，并位于激光照射不到的位置，且光强检测模块通过控制模块与数控机床相连接；通过光强检测模块检测激光头作业时是否有强光照射入激光头，并将光强检测结果传输给控制模块；由控制模块已光强为依据判断是否已切割穿透加工工件，并将判断结构发送给数控机床，使得数控机床判断是否控制激光头继续在同一位置进行激光切割作业，避免穿透加工工件以后激光头仍然在开光的能耗。采用本发明的激光头可有效节约能耗，提高激光切割头的加工效率和质量。

Description

用于实现穿透检测功能的激光头

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及激光加工技术领域，具体是指一种用于实现穿透检测功能的激光头。

背景技术

激光头一般装于机床或机械手上，承接激光器输出的激光，由软件控制，用于切割、焊接或融覆等加工工艺。激光头在作业时需要和工件保持特定距离以达到最佳的加工效果，也要避免和工件碰撞。现有的技术普遍采用电容传感器检测激光头喷嘴和工件形成的电容来测距，但是激光加工会产生高温，影响电容传感器的精确度。这就导致了有时当激光头已经完成了切割穿透工作后，激光头还在同一位置工作，释放能量，或者在激光头未完全将工件进行切割穿透，但激光头已经停止工作了。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种性能稳定、结构简单、使用效果好的用于实现穿透检测功能的激光头。

为了实现上述目的，本发明的用于实现穿透检测功能的激光头如下：

该用于实现穿透检测功能的激光头，包括聚焦镜及保护镜，所述的激光头与外部的数控机床相连接，其主要特点是，所述的激光头内部设有光强检测模块，该光强检测模块设于聚焦镜与保护镜之间，并位于激光照射不到的位置，且所述的光强检测模块与控制模块相连接，所述的控制模块与所述的数控机床相连接。

较佳地，所述的光强检测模块由光强传感器构成。

较佳地，所述的光强检测模块中接收光源的一侧朝向激光头开口位置倾斜预设的角度，使得所述的光强检测模块能够检测到从所述的激光头开口位置透过的光源。

更佳地，所述的预设的角度在8°～45°之间。

较佳地，所述的激光头内部还设有滤光模块，该滤光模块与所述的光强检测模块相邻，并设于所述的光强检测模块接收光源的一侧。

更佳地，所述的滤光模块由窄带滤光片构成。

本发明的用于实现穿透检测功能的激光头，在激光头内部设有光强检测模块，通过光强检测模块检测激光头作业时是否有强光照射入激光头，以此作为激光是否已经切割穿透加工工件的依据，并将检测结果传输给控制模块，由控制模块以光强为依据判断是否已经切割穿透加工工件，并将相应的信号传输给数控机床，使得数控机床控制确定所述的激光头是否继续在同一位置进行激光切割作业，避免加工工件穿透以后激光头仍然在开光的能耗。采用本发明的用于实现穿透检测功能的激光头，可有效节约能耗，提高激光切割头的加工效率和质量。

附图说明

图1为一实施例中本发明的用于实现穿透检测功能的激光头的原理图。

图2为一实施例中本发明的用于实现穿透检测功能的激光头的结构示意图。

图3为一实施例中本发明的用于实现穿透检测功能的激光头的光强传感器电路原理图。

图4为激光头工作时测试到的激光头内部亮度数据的波形图。

附图标记

1 聚焦镜

2 保护镜

3 光强传感器

4 窄带滤光片

5 激光头

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图1、2所示，本发明的用于实现穿透检测功能的激光头，包括聚焦镜1及保护镜2，所述的激光头5与外部的数控机床相连接，其中，所述的激光头5内部设有光强检测模块，该光强检测模块设于聚焦镜1与保护镜2之间，并位于激光照射不到的位置，且所述的光强检测模块与控制模块相连接，所述的控制模块与所述的数控机床相连接，即所述的光强检测模块通过控制模块与所述的数控机床相连接；

操作过程中，所述的光强检测模块用于检测激光头内部的光亮程度，然后将相应的信息传输给控制模块，该控制模块对接收所述的光强检测模块发出的信号进行分析处理，根据检测到的光亮程度判断激光头是否已经完成对待加工工件的穿透操作，将相应的判断结果反馈至数控机床。

在该实施例中，所述的光强检测模块由光强传感器3构成，该光强传感器可由现有技术中OSRAM公司产的型号为SFH2430的器件构成，该光强传感器3时一种为光学元件，其工作原理与现有技术中的光敏传感器的工作原理相同。

下面结合图3进一步分析本发明中的光强传感器的工作原理，图3为一实施例中本发明的用于实现穿透检测功能的激光头的光强传感器电路原理图。图中的光电二极管VDL1即为本发明中的光强传感器3中的主要器件，该光电二极管的阴极处即为信号点，当光照射在该光电二极管VDL1表面时，光电二极管VDL1内部会产生反向电流，反向电流的大小与该光电二极管VDL1表面接收到的光的强弱相对应，信号点的电压跟随变化，即可通过信号点的电压大小判断采集到的光的强弱度。在该实施例中，该光电二极管VDL1的阴极通过一电阻R2与放大器U1A相连接。该放大器可采用LM358AMX公司产的型号为SOIC127P8C的芯片构成，该放大器U1A主要用于增强模拟量电压输出的驱动能力，即由该放大器将光电二极管VDL1输出的电压进行增强，该放大器U1A的输出端AOUT通过控制模块与数控机床相连接。为了使得电路能够更好的实现其功能，电路中还包括了电阻R1、电阻R4、电容C2及电容C3，光电二极管VDL1的阴极还依次通过电阻R4、电阻R1与+3V的电源端相连接，电容C2的一端与该+3V的电源端相连接，电容C2的另一端与光电二极管VDL1的阳极及地相连接，放大器U1A电源端接+5V的电源，接地端接地，放大器U1A的输出端还通过电容C3接地。

其中，在该实施例中控制模块可由型号为STM32F302RCT6TR的单片机(MCU)构成。

在用于实现穿透检测功能的激光头加工时，加工过程可分为以下三部分：

第一部分是激光头未工作时(即开光前)，工件未燃烧，光从激光切割头底部小孔内传入，为室内环境光，非常微弱，可忽略不计。

第二部分是激光头打开后(即开光后)，激光照射在工件上的一点，此点开始剧烈燃烧，激光头内部会接收到较强的光。而当工件穿透以后板材不再燃烧，激光照射至工件底部，此时激光头内部则不会接收到强光。

第三部分是激光头停止工作(即关光后)，切割头内部无激光，唯一光源传入为切割头底部小孔内传入，为室内环境光，非常微弱，可忽略不计。

通过下表1分别对上面提到的三部分的光源情况进行分析，表1中内容是对上述提到的三部分加工过程进行试验得出的结论：

表1

根据上述表格内容分析后得出，激光头工作过程中，激光头内部光强数据波动较大。在实际应用中若想要在穿孔完成后尽可能小的延迟时间范围内给出指示信号，可选用递推平均滤波算法进行滤波处理，并在其基础上根据上述实测特征曲线加以修改：对N个采样数据进行算术平均前去一个最大值和一个最小值处理，对N个滤波结果进行记录，然后寻找特征点，即起到一个滤波的效果，通过滤波使得激光头能够更快的执行相应的操作。

为了更清楚的对上表1的结论进行说明，下面结合图4中的波形图对其进行进一步分析：

根据图4内波形我们可以看到穿孔开始时，图4中系列1对应的线条即为实验测量到的数据的示意图，其中X轴代表测试的时间，Y轴代表对应光强，从图中可以清晰看出，其具备一个下降沿，然后是一个上升沿，上升沿过后代表穿孔完成，且下降沿的幅度值一定会比上升沿的幅度值大，根据实测可以确定出上升沿幅值的最小值，以此作为上升沿的幅值比较，在N个滤波结果内查找上升沿和下降沿确定穿孔完成。

在该实施例中，所述的光强检测模块中接收光源的一侧朝向激光头5开口位置倾斜预设的角度，使得所述的光强检测模块能够检测到从所述的激光头开口位置透过的光源，这种倾斜角度的设计，可使得光强检测模块正对着设备喷嘴，保证反射回来的光可被传感器检测。

一般而言，所述的预设的角度在8°～45°之间。

在该实施例中，所述的激光头内部还设有滤光模块，该滤光模块与所述的光强检测模块相邻，并设于所述的光强检测模块接收光源的一侧。

在该实施例中，所述的滤光模块由窄带滤光片4构成，窄带滤光片4一般由塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，贴附于传感器的表面，作用为滤掉部分波段的光，保留所所需波段的光。

在该实施例中，本发明的实现穿透检测功能的激光头包括了光强检测模块，采用该模块判断激光是否已经穿透被切割的物料，例如加工工件为板材的情况下，在激光切割过程中，板材切断或未穿孔完成时，此时工件上会因材料燃烧释放出强烈的可将光，当切割中断后可见光消失，本发明中的激光头就是基于该特性，利用光强检测模块检测可见光出现和可见光消失这两个时刻判定穿孔或切割的开始和结束，通过检测可见光的方法去检测激光头是否处于对物料进行切割的状态(这里的切割状态是指激光头正在对板材进行切割作业，而不包括激光头处于开启状态，但板材已经被切割完成的状态)，其工作原理可由图1所示。如图2所示，该光强检测模块设置于激光头内部，在聚焦镜1和保护镜2之间，并倾斜一定角度图中的虚线表示该光强检测模块可接收到的光的范围，而经过聚焦镜聚焦穿透保护镜的三角形结构表示激光光束。在该实施例中，通过光强检测模块对可见光进行采集，以可见光为信号源，滤光镜片及结构为辅助，监测激光头在实际穿孔、切割过程中是否穿透工件，数控系统根据收到的穿孔完成信号进行关激光或移动操作。

在该实施例中，窄带滤光片4是用来选取所需辐射波段的光学器件。作用为滤掉部分波段的光，保留所需波段的光，也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止。在光强检测模块前设置滤光模块，可以有效避免激光的产生的光源对光强检测模块造成的影响，使得检测的结果更准确。其中控制模块根据光强检测模块的检测结果生成穿孔完成或切割中断信号发送给数控系统，数控系统依次为依据控制激光头进行关激光或一定光斑的动作，其中，激光头可以采集不同工件、不同加工工艺下的数据作为进行穿透或中断检测的依据(对不同工件进行加工、或采用不同加工工艺进行加工时，光强检测模块检测到的光源强度是不一样的，因此，实际操作过程中，操作人员可事先对实际加工过程中的加工工艺、不同加工工艺的工作数据进行采集，并将采集结果作为进行穿透或中断检测的依据)，使得结构简易，检测精准稳定。数控系统通过接收来穿孔和切割过程中已穿透信号，可节省在板材穿透以后依旧在开光的能耗。提高激光切割头的加工效率和质量。

本发明的用于实现穿透检测功能的激光头，在激光头内部设有光强检测模块，通过光强检测模块检测激光头作业时是否有强光照射入激光头，以此作为激光是否已经切割穿透加工工件的依据，并将检测结果传输给控制模块，由控制模块以光强为依据判断是否已经切割穿透加工工件，并将相应的信号传输给数控机床，使得数控机床控制确定所述的激光头是否继续在同一位置进行激光切割作业，避免加工工件穿透以后激光头仍然在开光的能耗。采用本发明的用于实现穿透检测功能的激光头，可有效节约能耗，提高激光切割头的加工效率和质量。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种用于实现穿透检测功能的激光头，包括聚焦镜及保护镜，所述的激光头与外部的数控机床相连接，其特征在于，所述的激光头内部设有光强检测模块，该光强检测模块设于聚焦镜与保护镜之间，并位于激光照射不到的位置，且所述的光强检测模块与控制模块相连接，所述的控制模块与所述的数控机床相连接。

2.根据权利要求1所述的用于实现穿透检测功能的激光头，其特征在于，所述的光强检测模块由光强传感器构成。

3.根据权利要求1所述的用于实现穿透检测功能的激光头，其特征在于，所述的光强检测模块中接收光源的一侧朝向激光头开口位置倾斜预设的角度，使得所述的光强检测模块能够检测到从所述的激光头开口位置透过的光源。

4.根据权利要求3所述的用于实现穿透检测功能的激光头，其特征在于，所述的预设的角度在8°～45°之间。

5.根据权利要求1所述的用于实现穿透检测功能的激光头，其特征在于，所述的激光头内部还设有滤光模块，该滤光模块与所述的光强检测模块相邻，并设于所述的光强检测模块接收光源的一侧。

6.根据权利要求5所述的用于实现穿透检测功能的激光头，其特征在于，所述的滤光模块由窄带滤光片构成。