CN110919169A - 一种激光加工实时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工实时检测装置，包括：激光器，用于发出对工件进行加工的激光束；光束调节单元，用于通过旋转控制所述激光束的方向；反射镜，用于改变所述激光束的传播方向；检测单元，用于实时检测所述工件的表面状态；以及聚焦镜头，用于对所述激光束进行聚焦，以使所述激光束垂直射出并聚焦至所述激光束。本发明还提供一种激光加工实时检测方法。上述的激光加工实时检测装置及方法在激光器与反光镜之间设置光束调节单元，通过旋转光束调节单元来调整激光器发出激光束的传播方向，实现了不同方向加工时总可以保证激光光斑和CCD相机中心的相对移动方向不变，从而有效实现边加工边检测，结构简单，调节方便。

Description

一种激光加工实时检测装置及方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，更具体的说，特别涉及一种激光加工实时检测装置及方法。

背景技术

激光是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一，由于具有良好的单色性、方向性和高能量密度，激光成为先进制造技术的代表和升级改造传统工业的重要手段。在工业领域，激光技术最主要的应用是激光加工。

激光加工是利用激光束对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工技术，目前已广泛应用于汽车、电子、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化以及减少材料消耗等起到重要的作用。

激光加工设备则主要包括激光打标机、激光切割机、激光焊接机及其他设备等。其中激光打标机主要功能是在金属、皮革、塑料等各种材料表面刻出图案、商标和文字。激光切割机可以切割金属等材料，在钣金加工方面具有较多应用，并逐步替代传统加工方式。

随着市场上对于激光加工设备的要求的提高，众多的应用中需要做到实时检测，即在激光加工的同时，加工头上固定有CCD相机进行实时拍摄以检测加工品质。为了满足这样的一种要求，由于激光波长与CCD的光源(一般采用白光照明)波长不一定相同，那么，激光束的出射方向与CCD中检测光线的传播方向不重叠，所以，对于某一个特定方向(如沿正X轴方向)的加工轨迹而言，在激光加工头的后方间隔一定的距离会跟随设置一个CCD相机。而当加工方向发生改变时，如转换至负X轴方向时，就需要在加工头的另一侧再安装一个CCD相机。同样的，对于正Y轴和负Y轴方向，也各需要设置一个CCD相机，所以，在这样的一套系统中，沿直线加工，且方向正交时，就需要设置4个CCD相机，大大增加了设备的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种既能实现加工时的实时检测、又能降低成本的激光加工实时检测装置及方法。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供的一种激光加工实时检测装置，包括：

激光器，用于发出对工件进行加工的激光束；

光束调节单元，用于通过旋转控制所述激光束的方向；

反射镜，用于改变所述激光束的传播方向；

检测单元，用于实时检测所述工件的表面状态；以及

聚焦镜头，用于对所述激光束进行聚焦，以使所述激光束垂直射出并聚焦至所述激光束；

其中，所述激光器、所述光束调节单元、所述反射镜以及所述聚焦镜头依次设置，以形成所述激光束传播的路径，所述检测单元设于所述反射镜远离所述聚焦镜头的一侧；

其中，所述工件设于所述聚焦镜头远离所述反射镜的一侧，当所述激光器发出的所述激光束时，所述激光束沿着所述路径传播后射入所述工件，以对所述工件进行加工。

可选的，所述的激光加工实时检测装置还包括用于对激光束进行扩束和准直的扩束镜，所述扩束镜设于所述激光器与所述光束调节单元之间；所述光束调节单元、所述反射镜以及所述聚焦镜头的中心在同一直线上。

可选的，所述的激光加工实时检测装置还包括控制模块和旋转组件，所述旋转组件与所述控制模块电连接，所述光束调节单元转动地安装于所述旋转组件。

可选的，所述光束调节单元包括至少一光楔，当所述控制模块通过所述旋转组件控制所述光束调节单元旋转时，所述光楔随之发生偏转，所述激光束从所述光楔射出的方向也随之发生偏转，进而改变所述激光束射在所述工件上的位置。

可选的，所述检测单元包括CCD相机，所述激光束射入所述工件后在所述工件表面形成激光光斑，所述CCD相机中感光元件的感光表面平行于所述工件，当调整所述光楔的楔角和/或所述光楔的楔角数量和/或所述光楔到所述聚焦镜头的距离,所述感光表面中心在所述工件上的投影与所述激光光斑中心的距离也随之改变。

可选的，所述激光束的波长为1064nm，所述激光光斑的尺寸范围为30-50um，所述CCD相机中心线与所述激光光斑中心的距离范围为20-30mm。

可选的，所述反射镜为平面反射镜，其表面镀有高反射膜层；所述聚焦镜头为远心扫描镜头。

本发明还提供一种激光加工实时检测方法，包括以下步骤：

S1、控制模块控制激光器发出激光束，所述激光束依次射入光束调节单元、反射镜以及聚焦镜头后聚焦于工件上，并在所述工件表面形成激光光斑；

S2、旋转所述光束调节单元，所述激光光斑与检测单元中感光元件的感光表面中心在所述工件上的投影点同时位于第一加工方向上，且所述激光光斑在所述感光表面中心投影点的前方；

S3、所述激光束对所述工件表面进行加工，所述检测单元实时采集加工图像并反馈至所述控制模块。

可选的，激光加工实时检测方法还包括以下步骤：

旋转所述光束调节单元，所述激光光斑与检测单元中感光元件的感光表面中心在所述工件上的投影点同时位于第二加工方向上，且所述激光光斑在所述感光表面中心投影点的前方；

S5、重复S3。

可选的，所述S1包括S11、所述激光束射入扩束镜，经所述扩束镜扩束和准直后射入所述光束调节单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的激光加工实时检测装置及方法在激光器与反光镜之间设置光束调节单元，通过旋转光束调节单元来调整激光器发出激光束的传播方向，实现了不同方向加工的同时保证激光光斑和CCD相机中心点的相对移动方向不变，从而有效实现边加工边检测；且只需要采用一个CCD相机，相比于现有技术，减少了使用的CCD相机的数量，节约成本；并且，只通过旋转即可控制光束调节单元，结构简单，调节方便。

附图说明

图1所示为根据本发明一实施例的激光加工实时检测装置的结构示意图；

图2所示为根据本发明另一实施例的激光加工实时检测装置的结构示意图；

图3所示为图1中所示激光加工实时检测装置的不同激光束在工件上的激光光斑与检测单元在工件上的中心点之间的位置示意图。

附图标记说明：110-激光器、111-激光束、112-第一路径、113-第二路径、114-第三路径、120-扩束镜、130-光束调节单元、131-光楔、140-检测单元、141-中心点、150-反射镜、160-聚焦镜头、200-工件、300-第一方向、400-第二方向、L1-激光光斑、L2-激光光斑、L3-激光光斑、L4-激光光斑

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，激光加工实时检测装置100包括激光器110、扩束镜120、光束调节单元130、检测单元140、反射镜150、聚焦镜头160、控制模块、驱动模块以及旋转组件，激光器110发出的激光束111依次经扩束镜120、光束调节单元130、反射镜150以及聚焦镜头160的传播后射入工件200，从而对工件200进行加工。其中，扩束镜120用于对激光束111进行扩束和准直，光束调节单元130用于通过转动控制激光束111的传播方向，检测单元140用于实时检测工件100的表面状态、反射镜150用于改变激光束111的传播方向，聚焦镜头160用于对激光束111进行聚焦。控制模块与驱动模块电连接，驱动模块与旋转组件连接，以驱动旋转组件的转动，光束调节单元130转动地安装在旋转组件上。可选的，旋转组件包括电机和安装于电机输出轴上的转动平台，光束调节单元130固定在转动平台上。

激光器110、光束调节单元130、反射镜150以及聚焦镜头160依次设置，以形成激光束111传播的路径，检测单元140设于反射镜150远离聚焦镜头160的一侧；工件200设于聚焦镜头160远离反射镜150的一侧，当激光器110发出的激光束111时，激光束111沿着上述路径传播后射入工件200，以对工件200进行加工。

具体的，如图1所示，沿第一方向300，激光器110、扩束镜120、光束调节单元130以及反射镜150依次设置；沿第二方向400，检测单元140、反射镜150、聚焦镜头160以及工件200依次设置，光束调节单元130、反射镜150以及聚焦镜头160的中心在同一直线上。光束调节单元包括一个光楔131，通过对光楔131旋转来调整激光束111的传播方向。其中，第一方向300不局限于图中所示的直线方向，第一方向300为可以是不断弯折的折线方向。

光楔131是一种顶角很小(一般小于1/10弧度)的棱镜，当激光束111垂直或接近垂直射入光楔131时，激光束111从光楔131射出的角度会发生很小的偏折；当旋转光楔131时，激光束111的射出角度也随之偏转，因此，需要调整激光束111的传播方向时，只需旋转光楔131即可，结构简单，调节方便。

如图2所示，在本发明的另一实施方式中，光束调节单元130包括一对颠倒设置光楔132和133。当光楔132和133相对旋转时，从光束调节单元130射出的激光束111的方向也随之改变，从而达到调整激光束111传播方向的目的。在其它实施方式，光束调节单元130包括的光楔数量不限于上述数量，用户可根据需求进行设置，以灵活的控制激光束111的偏转角度。

如图2所示，光楔132和133呈前后间隔设置，光楔132和133的倾斜面分别相对且平整放置，光楔132和133放置于激光束111的传播路径中，这样放置的光楔132和133可以使得激光束111在垂直于光轴方向上有一定的偏移。当转动前光楔132时，激光束111偏移出射的位置会相应的发生变化，经过反射镜150的反射后，再经过聚焦镜头160的聚焦，最终激光束111射在工件200上的位置也发生改变。

反射镜150为平面反射镜，其用于改变激光束111的传播方向。反射镜150的表面镀有高反射膜层，当激光束111射入反射镜150时，反射镜150对激光束111的反射率高达99％以上，有效的避免了激光束111因为折射而造成能量的损失。

检测单元140包括CCD相机和光源，CCD相机和光源与反射镜150对齐，光源可发出用于照明用的白光，当光源发出的白光射入反射镜150时，白光的透射率可以达到95％以上，使得反射镜150在对激光束111的顺利反射时，CCD相机也能清晰的拍摄到工件200的表面。CCD相机包括感光元件，感光元件的感光表面与工件200平行。

聚焦镜头160为远心扫描镜头，其用于对从反射镜150射出的激光束111进行聚焦。激光束111经过聚焦镜头160的聚焦处理后，从聚焦镜头160射出的激光束111为垂直出射并聚焦在工件200的表面，避免了一般的聚焦镜头160对偏折后的激光束111引入更大的偏折，最终导致加工时激光束111偏离太远而加工失败的问题。

请一并参照图1和图3，当激光束111射在工件200表面不同位置时，激光束111在工件200表面的不同位置形成激光光斑L1、L2、L3或L4。检测单元140的中心线在工件200表面有投影中心点141，中心点141与激光光斑L1、L2、L3或L4的距离大约为20-30mm，此距离与光束调节单元130光楔131的楔角、光楔131的数量和光楔131到聚焦镜头160的距离有关，可以通过改变上述这三个变量来控制中心点141与激光光斑L1、L2、L3或L4的距离。可选的，激光光斑L1、L2、L3或L4的大小约为30-50mm，其加工的线宽约为30-50um。

请一并参照图1至图3，以下结合附图对激光加工实时检测装置100的工作过程进行说明：

工作时，激光器110发出激光束111，首先，激光束111经过扩束镜120的扩束和准直处理后射入光束调节单元130；然后，激光束111从光束调节单元130射出后经反射镜150反射，沿着第一路径112传播，若旋转光束调节单元130，激光束111则沿着第二路径113或第三路径114传播；接着，激光束111从光束调节单元130中射出并射入反射镜150，经反射镜150的反射后射入聚焦镜头160；最后，激光束111经过聚焦镜头160的聚焦后射在工件200的表面，在工件的表面形成激光光斑L1、L2、L3或L4，并对工件200的表面进行加工，而检测单元140也透过反射镜150并拍摄工件200加工后的表面图像。

如图1所示，激光束111从光束调节单元130射出后可沿着第一路径112、第二路径113或第三路径传播114。其中，第二路径113为光楔131位于某一个偏转位置时激光束111的传播路径，第三路径114是调节光楔131转位置后激光束111的传播路径，第一路径112为理想情况下激光束111无偏转的光轴方向，该方向也是聚焦镜头160的光轴方向和检测单元140的CCD相机靶面入射光的传输方向。对比第二路径113和第三路径114，二者在CCD相机在工件200表面上投影中心点141两侧对称分布。控制模块通过驱动模块控制旋转组件转动，旋转组件带动光束调节单元130转动，从而自动的控制激光束111的传播路径。

请同时参照图1和图3，在加工过程中，检测单元140固定在加工头上，检测单元140的CCD相机位于反光镜140的上方，使得CCD相机可清晰的拍摄到工件200表面。当需要调整激光光斑L1、L2、L3或L4的位置时，CCD相机的中心点141位置固定不变，每次按照固定的角度转动光楔131，激光束111的射出方向也随之改变，其射在工件200表面上的激光光斑L1、L2、L3或L4的位置也会改变。但是，无论激光光斑L1、L2、L3或L4的位置如何改变，激光光斑L1、L2、L3或L4始终在CCD相机中心点141的前侧。

其中，光楔131每次旋转的固定角度可以是30度、45度、60度或90度中的任一数值，但不局限于上述数值，从而使激光加工实时检测装置100不仅适用于正交的直线方向的加工轨迹，还适用于其他加工轨迹，提高了激光加工实时检测装置100的应用范围。

如图3所示，当沿+X或-X方向对工件200加工时，激光光斑L1或L2位于CCD相机中心点141前侧；当沿+Y或-Y方向加工时，激光光斑L3或L4也位于CCD相机中心点141前侧。可见，无论沿着哪个方向加工，激光光斑L1、L2、L3或L4一直在CCD相机中心点141的前侧，CCD相机自激光光斑L1、L2、L3或L4的后侧清晰的拍摄到加工后工件200表面的图像，从而实现了边加工边进行检测的目的，以保证加工质量得到有效监控。

可见，激光加工实时检测装置100通过光束调节单元130对激光束111的传播方向进行调节，仅通过一个CCD相机即可完成对工件表面多个方向上的监控，精简了结构，而且保证了对工件的有效监控。

激光加工实时检测装置100可应用于各种激光加工设备，激光加工设备则主要包括激光打标机、激光切割机、激光焊接机及其他设备等。例如，将激光加工实时检测装置100应用到激光打标机，工件为金属、皮革或塑料中的任一种，当激光器110发出的激光束111射在工件200表面时，同时激光束111按照设定的路径移动，激光束111在工件200表面产生高温并在工件200的表面刻出图案、商标或文字。

请一并参照图1至图3，本发明还提供一种激光加工实时检测方法，其通过上述激光加工实时检测装置100实现。具体的，当按照第一加工方向，比如+X方向或-X方向，对工件200进行加工时，上述激光加工实时检测方法包括以下步骤：

S1、控制模块控制激光器110发出激光束111，激光束111先射入光束调节单元130，经过光束调节单元130后偏折一定的角度并射入反射镜150；反射镜150镀有高反射膜层，射入反射镜150的激光束111被反射镜150反射至聚焦镜头160；聚焦镜头160对激光束111进行聚焦，激光束111从聚焦镜头160垂直射出并聚焦在工件200上；激光束111在工件200表面形成激光光斑L1或L2，激光光斑L1或L2的大小约30-50um，其加工线宽约30-50um。

S2、控制模块通过驱动模块驱动光束调节单元130转动，使光束调节单元130按照固定的角度旋转，光束调节单元130每次旋转的角度可以是30度、45度、60度、90度或其他固定的角度，使激光束111从光束调节单元130射出的角度发生改变，从而调整了激光束111的传播路径，使激光光斑L1、L2、L3或L4聚焦在工件200需要加工的位置，激光光斑L1、L2、L3或L4与检测单元140靶面中心在工件200上的投影中心点141同时位于第一加工方向上，且激光光斑L1或L2在检测单元140靶面(感光元件的感光表面)中心投影中心点141的前方，激光光斑L1或L2和中心点141的距离约20-30mm。

S3、激光束111对工件200表面需要加工的位置进行加工，检测单元140实时采集加工图像并反馈至控制模块，控制模块根据采集的加工图像判断工件的加工是否合格，若工件200表面加工不合格则标示并向监控人员发出警报，提醒监控人员及时处理。

进一步地，S1包括S11、从激光器110发出的激光束111先射入扩束镜120，经扩束镜120扩束和准直后再射入光束调节单元130。

在本实施方式中，激光束111的波长为红外1064nm，光束调节单元130包括一个光楔131或包括由一对光楔132和133组成的光楔组件，激光束111通过光楔131或上述光楔组件后发生偏折；反射镜150为平面反射镜，聚焦镜头160为远心扫描镜头。

在本发明的其他实施方式中，光束调节单元130安装于旋转组件上，旋转组件不与驱动模块及控制模块连接，监控人员手动控制旋转组件，通过旋转组件带动光束调节单元130旋转。

上述实施方式是对只需按照一个方向对工件200进行加工的情况，在需要按照不同的方向对工件200进行加工时，例如，当按照第二加工方向，比如+Y方向或-Y方向，对工件200进行加工时,上述激光加工实时检测方法还可以包括以下步骤：

S4、控制模块再次通过旋转组件旋转光束调节单元130，改变激光束111的传播方向，使激光光斑L3或L4与检测单元140靶面中心在工件200上的投影中心点141同时位于第二加工方向上，且激光光斑L3或L4在检测单元140靶面中心投影中心点141的前方，最终使激光光斑L3或L4聚焦在工件200需要加工的位置。

S5、激光束111对工件200表面需要加工的位置进行加工，检测单元140实时采集加工图像并反馈至控制模块，控制模块根据采集的加工图像判断工件200的加工是否合格，若工件200不合格则标示并向监控人员发出警报，提醒监控人员及时处理。

以此类推，当需要按照不同的方向对工件进行加工时，在一个方向上完成对工件的加工后，控制模块通过驱动模块、旋转组件旋转光束调节单元130，使激光光斑L1、L2、L3或L4位于其他加工方向上，即可在该方向上对工件200进行加工。

在其它实施方式中，上述控制模块还可包括通讯模块，电脑通过通讯模块连接到服务器，电脑不仅将检测单元采集到的加工图像保存到电脑内的存储模块，还将上述加工图像上传到服务器保存，其他监控人员可通过通讯终端访问服务，以查阅上述加工图像，实现了本地监控和远程监控的目的，本地监控人员负责主要的监控任务，而远程监控人员则辅助监控，进一步提高了监控质量。上述通讯终端包括手机、平板电脑和笔记本电脑。

为了在工件200加工不良的时候及时提醒监控人员，可设置一个连接到电脑的报警模块，报警模块包括用于产生灯光闪烁报警的灯光报警器、用于产生声音报警的声音报警器以及用于发出报警信息的短信报警模块。当加工后的工件的表面质量差时，电脑通过检测单元采集的加工图像判断出现加工异常，并控制灯光报警器和声音报警器分别发出灯光报警和声音报警，及时提醒在电脑旁的工作人员及时处理。同时还通过短信报警模块向远程监控人员的通讯终端发出报警信息，使远程监控人员也获知加工异常这一情况，促使其也及时参与到异常处理的工作中。

可见，本发明提供的激光加工实时检测装置100及方法在激光器110与反光镜150之间设置光束调节单元130，通过旋转光束调节单元130来调整激光器110发出激光束111的传播方向，实现了不同方向加工的同时保证激光光斑L1、L2、L3或L4和CCD相机中心点141的相对移动方向不变，从而有效实现边加工边检测；且只需要采用一个CCD相机，相比于现有技术，减少了使用的CCD相机的数量，节约成本；并且，只通过旋转即可控制光束调节单元130，结构简单，调节方便。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工实时检测装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发出对工件进行加工的激光束；

光束调节单元，用于通过旋转控制所述激光束的方向；

反射镜，用于改变所述激光束的传播方向；

检测单元，用于实时检测所述工件的表面状态；以及

聚焦镜头，用于对所述激光束进行聚焦，以使所述激光束垂直射出并聚焦至所述激光束；

其中，所述激光器、所述光束调节单元、所述反射镜以及所述聚焦镜头依次设置，以形成所述激光束传播的路径，所述检测单元设于所述反射镜远离所述聚焦镜头的一侧；

其中，所述工件设于所述聚焦镜头远离所述反射镜的一侧，当所述激光器发出的所述激光束时，所述激光束沿着所述路径传播后射入所述工件，以对所述工件进行加工。

2.如权利要求1所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，还包括用于对激光束进行扩束和准直的扩束镜，所述扩束镜设于所述激光器与所述光束调节单元之间；所述光束调节单元、所述反射镜以及所述聚焦镜头的中心在同一直线上。

3.如权利要求2所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，还包括控制模块和旋转组件，所述旋转组件与所述控制模块电连接，所述光束调节单元转动地安装于所述旋转组件。

4.如权利要求3所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，所述光束调节单元包括至少一光楔，当所述控制模块通过所述旋转组件控制所述光束调节单元旋转时，所述光楔随之发生偏转，所述激光束从所述光楔射出的方向也随之发生偏转，进而改变所述激光束射在所述工件上的位置。

5.如权利要求4所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，所述检测单元包括CCD相机，所述激光束射入所述工件后在所述工件表面形成激光光斑，所述CCD相机中感光元件的感光表面平行于所述工件，当调整所述光楔的楔角和/或所述光楔的楔角数量和/或所述光楔到所述聚焦镜头的距离,所述感光表面中心在所述工件上的投影与所述激光光斑中心的距离也随之改变。

6.如权利要求5所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，所述激光束的波长为200—1500nm，所述激光光斑的尺寸范围为20-240um，所述CCD相机中心线与所述激光光斑中心的距离范围为20-50mm。

7.如权利要求1所述的激光加工实时检测装置，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜，且所述平面反射镜对所述激光束的反射率在99.99％以上；同时，所述平面反射镜对所述检测单元采用的光束的透射率在95％以上；所述聚焦镜头为远心扫描镜头。

8.一种激光加工实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制模块控制激光器发出激光束，所述激光束依次射入光束调节单元、反射镜以及聚焦镜头后聚焦于工件上，并在所述工件表面形成激光光斑；

S2、旋转所述光束调节单元，所述激光光斑与检测单元中感光元件的感光表面中心在所述工件上的投影点同时位于第一加工方向上，且所述激光光斑在所述感光表面中心投影点的前方；

S3、所述激光束对所述工件表面进行加工，所述检测单元实时采集加工图像并反馈至所述控制模块。

9.如权利要求8所述的激光加工实时检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、旋转所述光束调节单元，所述激光光斑与检测单元中感光元件的感光表面中心在所述工件上的投影点同时位于第二加工方向上，且所述激光光斑在所述感光表面中心投影点的前方；

S5、重复S3。

10.如权利要求8所述的激光加工实时检测方法，其特征在于，所述S1包括S11、所述激光束射入扩束镜，经所述扩束镜扩束和准直后射入所述光束调节单元。

Images