CN110940490B - 一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置，其中检测方法包括：在作业面设置平移台；在平移台上安装CCD相机；激光衰减倍率及聚焦调节；标定振镜坐标与CCD相机坐标；标定振镜坐标与平移台坐标；根据加工图纸数据，结合CCD相机视场大小规划激光扫描路径、平移台移动顺序；进行激光扫描并输出CCD相机采集到的图像；获得当前视场下的实际光斑扫描轨迹；待激光扫描完成当前视场范围对应的图纸后，根据规范的路径移动相机到下一位置；重复扫描分析直至整幅图纸均被激光扫描完毕；比对光斑扫描轨迹和图纸数据，得到扫描精度。本发明在图纸实施加工前直接针对待加工图纸进行激光扫描精度检测，可提高产品质量、生产效率，降低生产成本。

Description

一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置

技术领域

本发明属于激光精密加工技术领域，特别涉及一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置。

背景技术

激光标刻、切割、表面处理等激光加工技术因其非接触、无刀具损耗、适应材料广泛等优点正在蓬勃发展。随着技术进步和工业应用的深入，待加工工件越来精密，加工图纸越来越复杂，对激光精密加工提出了更高的要求。要求激光光束质量更加优异，从而获得更小且截面光斑分布更符合要求的聚焦光斑；要求控制系统更加精密，使靶面光斑运行轨迹更加符合输入数据；引入机器视觉系统，对更加复杂的工件和待加工区域进行定位、匹配等等。

在控制光斑运行轨迹方面，使用振镜扫描是常规措施，其响应速度快、指向精度高、控制方式灵活。实现作业面激光光斑的精密扫描，目前的主要措施是进行振镜校准，可对振镜扫描畸变和场镜畸变进行复合校准，这是围绕精密加工对设备输入端进行优化的必要措施。

对于输出端，也就是作业面实际的光斑运行轨迹是否与输入数据匹配，目前尚缺乏有效的检测评估方法和装置。加工设备制造和工业生产应用中，通常采用打样试验的方式进行检验，借助光学成像显微镜检验加工图案是否符合输入图纸，这种方法具有以下缺点：一方面，对于复杂图案，该检验方式难以得到全幅面的加工轨迹匹配精度数据；另一方面，打样测试的靶材不可复用，且无法从根本上再现光斑加工扫描过程，增加分析解决问题的难度；此外，校准和打样测试在设备全寿命周期内可能重复进行多次，不可避免会造成材料浪费，不利于大批量工业生产情况下的成本控制。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法及装置，在图纸实施加工前检查加工精度，提升产品质量，降低生产成本，提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1，在激光加工设备作业面设置一二维电动平移台，该平移台能够沿作业面的横向和纵向两个方向移动；在平移台上安装一去除镜头的CCD相机；其中，CCD相机的光敏面对准激光加工头输出的激光束；分别将激光加工头中的激光器和振镜、平移台、CCD相机电连接至电脑；

步骤2，启动激光器并观察CCD相机采集到的光斑图像，优化调节激光器输出激光的衰减倍率以使得在CCD相机采集到的图像中可清晰观察到光斑，且没有出现大面积饱和现象；

步骤3，调整激光加工头与作业面之间的距离，以使得CCD相机采集到的图像中的光斑最小；

步骤4，标定振镜坐标与CCD相机采集到的图像坐标之间的几何关系；

步骤5，标定振镜坐标与平移台坐标之间的几何关系；

步骤6，电脑根据生成的激光加工设备加工图纸数据，结合CCD相机视场大小规划激光扫描路径和先后顺序；

步骤7，根据加工图纸大小和已经规划的振镜扫描路径和先后顺序，结合CCD相机视场大小和视场拼接顺序，确定平移台的移动顺序；

步骤8，进行激光扫描，同步输出CCD相机采集到的图像；

步骤9，分析步骤8中图像以得到光斑中心坐标，结合当前平移台坐标，连续计算并记录当前光斑在所在位置坐标，获得CCD相机当前视场下的实际光斑扫描轨迹；

步骤10，待激光扫描完成当前CCD相机视场范围对应的图纸后，根据规范的路径移动CCD相机到下一位置；

步骤11，重复步骤8～10，直至整幅激光加工设备加工图纸均被激光扫描完毕；

步骤12，通过数据分析，比对实际获得的光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹，计算偏差，得到光斑扫描精度。

作为一种优选方式，在步骤1和步骤2之间还包括：

控制激光照射到振镜坐标为(0，0)的位置，该位置同时作为激光加工设备的坐标原点，平移台运行的坐标原点，以及检测结果中光斑扫描完整轨迹曲线的坐标原点；

根据振镜原点处激光光斑位置调整平移台初始位置，当光斑位于CCD相机采集到的图像中心时，平移台调整到位，到位时的位置为平移台原点；

所述步骤6中，调整激光加工设备加工图纸数据，使得激光加工设备加工图纸中心与振镜扫描区域的中心位置重合。

作为一种优选方式，调整平移台位置以使得实际激光光斑位于CCD相机采集到的图像中心的方法包括：

移动平移台到位后，获取CCD相机采集的图像，经图像处理后得到光斑在图像中的像素坐标，结合已知的像素尺寸，进一步得到光斑在当前平移台坐标下距离CCD相机中心的偏差，根据该偏差量进一步调整平移台位置，多次调整直至光斑位于CCD相机采集的图像中心，实际激光光斑则位于CCD相机中心。

进一步地，所述步骤1中还包括，启动电脑中的检测程序，以检查激光器、振镜、平移台、CCD相机几个部件与电脑之间的连接、控制关系是否正常。

进一步地，所述步骤1中还包括，用保护罩盖住CCD相机；所述步骤2中，启动激光器时取下保护罩。

进一步地，所述步骤2中，在启动激光器之前，将激光器的输出功率调到最小，并在激光器和振镜之间设置衰减器；衰减器用于调节激光器输出激光的衰减倍率。

进一步地，所述步骤3中还包括，继续调整激光器输出激光的衰减倍率，以使得CCD相机采集到的图像中光斑区域没有出现大面积饱和现象。

坐标标定较佳方案是，

所述步骤4中，振镜复位，激光光斑位于加工设备加工区域原点，调整光斑对准CCD相机的视场中心后，停止移动平移台，利用振镜沿横向(x轴)和纵向(y轴)在CCD相机视场内偏转激光，分别记录对应振镜偏转量下的光斑在CCD相机采集图像中的坐标，根据CCD相机采集图像的像素尺寸计算光斑在CCD相机坐标系下的实际物理坐标，根据振镜坐标和CCD相机坐标数据，标定振镜扫描坐标轴与CCD相机采集到的图像坐标轴之间的几何关系；

所述步骤5中，利用振镜沿横向(x轴)和纵向(y轴)偏转激光，同时沿横向(x轴)和纵向(y轴)移动平移台以逐步调整CCD相机的中心，直至光斑处于CCD相机采集图像的中心；调整过程中光斑偏差的计算方法包括滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算；根据CCD相机采集图像的像素尺寸计算实际坐标偏差，得到平移台坐标和对应的振镜坐标数据后，标定振镜扫描坐标轴与平移台坐标轴之间的转换关系。

扫描测试较佳方案是，

所述步骤8中，进行激光扫描时，降低振镜扫描和跳转速度，使之满足光斑图像采集和分析速度，得到更加丰富的检测数据；根据CCD相机输出图像调整CCD相机曝光时间，使光斑和背景间的对比度达到最大；

所述步骤9中，根据光斑图像灰度值分布调整轮廓提取计算参数，以获得稳定的光斑中心计算结果；图像光斑位置计算包括滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算；

根据提取的光斑中心坐标序列和测试过程中的CCD视场拼接顺序，结合输入图纸和轨迹测量结果的坐标原点重合以及振镜坐标与CCD相机以及平移台坐标的标定关系条件，解算加工设备的实际激光扫描轨迹；

所述步骤12中，比对实际获得的光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹两幅曲线图的重合度，计算最大偏差和缩放比例，与要求的加工精度进行比对，评估确定开展正式激光加工前是否需要重新优化激光加工设备以提升加工精度。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测装置，其特点是包括：

设于激光加工设备作业面的二维电动平移台，该平移台能够沿作业面的横向和纵向两个方向移动；平移台的控制器接入电脑中的检测控制程序；要求平移台重复定位精度不低于激光加工检测的精度要求，平移台行程不小于设备加工幅面大小；

安装在平移台上的去除镜头的CCD相机；其中，CCD相机的光敏面对准激光加工头输出的激光束；CCD相机接入电脑中的检测控制程序；可控制相机曝光时间，并将图像输出到检测控制程序；

用于调节激光加工头与作业面之间距离的升降装置；

激光加工头中的激光器和振镜、平移台、CCD相机均电连接至电脑；电脑上运行检测控制程序，用于控制电动平移台、CCD相机以及激光加工设备的激光加工头中的激光器和振镜，检测控制程序还用于实现图像计算以及检测结果分析。

进一步地，还包括用于盖住CCD相机的保护罩。

进一步地，还包括设于激光器和振镜之间的衰减器；衰减器用于调节激光器输出激光的衰减倍率。激光衰减器由若干个对应波长的激光衰减片组成，设置在激光进入振镜之前，激光功率衰减量以不损伤CCD相机以及不造成CCD相机图像中光斑区域大面积饱和为准。

与现有技术相比，本发明使用高精度的电动平移台控制CCD相机探测器利用视场拼接和光斑图像分析方法直接测量激光加工设备作业面的激光扫描轨迹，实现待加工图纸的加工前精度检测，具体包括以下有益效果：

1)是一种新型的针对待加工图纸的加工前精度检测方法，用于对加工质量进行预测。

2)检测装置由程序控制，调整加工设备和平移台中心对准以及进行坐标标定后，自动完成图纸扫描、轨迹绘制、检测结果计算等主要检测过程，无人工参与，保证检测结果的一致性。

3)利用测量的扫描光斑轨迹与输入图纸数据比对的方式检测加工精度，可在全幅图纸范围保证加工精度，测量方式更加直观准确。

4)该装置可用在多台加工设备上，进行统一检测，标准统一，保证产品质量的统一，同时可简化传统的打样检测过程。

5)利用CCD相机探测器输出图像可直观观测光斑大小，从而调整激光加工头与检测设备的距离，使CCD相机探测器平面位于激光聚焦的准确位置，这与实际的激光加工作业要求相一致。

6)精度检测采用CCD视场拼接的方式可实现大幅面加工产品的精度检测，检测装置适应性较高。

综上，本发明在图纸实施加工前直接针对待加工图纸进行激光扫描精度检测，丰富了激光精密加工检测手段，可做加工设备本身的精度检测，也可用于工业批量生产中的调试检测和抽样检测，可提高产品质量、生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程示意图。

图2为本发明检测方法的控制程序流程图。

图3为本发明检测装置的结构示意图。

其中，1为激光加工头，2为激光器，3为振镜，4为场镜，5为衰减器，6为电脑，7为升降装置，8为作业面，9为平移台，10为CCD相机，11为激光束。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例做进一步详细说明。

如图1和图2所示，激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法的优选实施方式包括以下步骤：

步骤1，平移台9、CCD相机10安装，程序启动检查。

在激光加工设备作业面8设置一高精度二维电动平移台9，该平移台9能够沿作业面8的横向和纵向两个方向移动，且该平移台9移动范围中心对准加工区域的中心；在平移台9上安装一去除镜头的CCD相机10；其中，CCD相机10的光敏面对准激光加工头1输出的激光束11；用保护罩盖住CCD相机10。

分别将激光加工头1中的激光器2和振镜3、平移台9、CCD相机10电连接至电脑6。

启动电脑6中的检测程序，以检查激光加工设备的激光器2、振镜3、平移台9、CCD相机10几个部件与电脑6之间的连接、控制关系是否正常。

步骤2，激光衰减调节。

将激光器2的输出功率调到最小，并在激光器2和振镜3之间设置衰减器5；衰减器5用于调节激光器2输出激光的衰减倍率。在本实施例中，衰减器5由若干个衰减片组合形成。

启动激光器2，取下CCD相机10的保护罩，并观察CCD相机10采集到的光斑图像，增加或者减少衰减片以改变激光衰减倍率并配合CCD相机10曝光时间，调节CCD相机10上的激光功率密度，以使得在CCD相机10采集到的图像中可清晰观察到光斑图像，且图像不至出现大面积饱和现象；

步骤3，激光聚焦调节。

调整激光加工头1与作业面8上CCD相机10之间的距离，以使得CCD相机10采集到的图像中的光斑最小。

继续调整激光器2输出激光的衰减倍率，以使得CCD相机10采集到的图像中光斑区域没有出现大面积饱和现象。

步骤4，振镜3坐标与CCD相机10采集到的图像坐标之间的几何关系标定。

利用振镜3分别沿横向(x轴)和纵向(y轴)偏转激光，计算图像中的光斑位置，分别记录振镜3原点，x、y坐标，图像中光斑原点，x，y坐标，标定振镜3坐标与CCD相机10采集到的图像坐标的几何关系。

步骤5，振镜3坐标与平移台9坐标之间的几何关系标定。

复位振镜3，再次利用振镜3沿横向(x轴)和纵向(y轴)偏转激光，移动平移台9，使光斑对准CCD图像中心，得到平移台9位置坐标，分别记录振镜3原点，x、y坐标，平移台9原点，x、y坐标，标定振镜3坐标与平移台9坐标的几何关系。

步骤6，振镜3扫描路径规划。

在控制程序中导入或者绘制图纸，电脑6根据分析激光加工设备加工图纸数据，结合CCD相机10视场大小(探测器面积)规划激光扫描路径和先后顺序。

步骤7，根据加工图纸大小和已经规划的振镜3扫描路径和先后顺序，结合CCD相机10视场大小和视场拼接顺序，确定平移台9的移动顺序。

步骤8，启动光斑扫描测试。

启动激光扫描，同步输出CCD相机10采集到的图像。

步骤9，分析步骤8中图像以得到光斑中心坐标，结合当前平移台9坐标，连续计算并记录当前光斑在所在位置坐标，获得CCD相机10当前视场下的实际光斑扫描轨迹。

步骤10，待激光扫描完成当前CCD相机10视场范围对应的图纸后，根据规范的路径移动CCD相机10到下一位置。

步骤11，重复步骤8～10，继续扫描，计算并记录当前视场下的光斑扫描轨迹，直至整幅激光加工设备加工图纸均被激光扫描完毕。

步骤12.1，光斑扫描轨迹与图纸数据比对。

基于坐标标定结果，根据视场拼接过程中的平移台9坐标，将每一平移台9位置，图像测量的轨迹进行坐标转换并拼接成整幅扫描轨迹图像。

步骤12.2，检测结果计算。

通过数据分析，比对实际获得的完整光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹，计算偏差，得到光斑扫描精度。

具体地：

步骤2中，将激光功率衰减片设置在激光器2和振镜3之间，有利于控制衰减片本身对激光束折射造成光斑位置偏差，保证检测精度。衰减片的增减以图像中清晰出现激光光斑为准，衰减倍率从10^-5开始，保证激光不会损伤CCD相机10探测器。

步骤3中，控制CCD相机10探测器光敏面对准激光加工设备的激光焦平面时，激光功率密度会明显升高，此时应适当调节衰减倍率，使图像中清晰出现最小的激光光斑。

步骤4中，先移动平移台9，根据CCD相机10输出图像，使CCD相机10探测器中心对准激光，保持平移台9不动，根据相机10探测器光敏面大小设置振镜3沿x、y轴的偏转量，分析图像激光光斑图像坐标，根据CCD相机10探测器感光单元大小，标定CCD图像坐标系与振镜3偏转坐标系的关系。

步骤5中，振镜3复位，此时光束指向加工设备坐标系的原点位置，移动平移台9使光斑位于CCD输出图像中心，分别偏转振镜3x、y坐标，同时移动平移台9，使光斑位于CCD图像中心，根据平移台9坐标和振镜3坐标，标定两坐标系之间的关系。

步骤6中，图纸制定后，扫描加工路径可由程序控制，当CCD相机10光敏面面积小于加工图纸范围时，需要利用CCD视场拼接的方式完成对整个图纸范围内的光斑扫描轨迹进行计算，此时，加工扫描路径的规划应按照视场拼接的顺序进行，便于振镜3做完一次全图纸扫描即可完成整个测试过程。

步骤9中，得到光斑图像后，先后对图像进行滤波、二值化、轮廓提取、光斑中心计算几个主要步骤，得到的光斑中心坐标是基于CCD相机10图像坐标系。由两次坐标系标定结果，结合采集光斑图像时的平移台9坐标，可计算出当前激光光斑在加工设备坐标系下的坐标数据。

步骤12.2中，得到完整的光斑扫描坐标检测数据后，与输入的图纸坐标数据进行比对，比对最大偏差，即计算图纸坐标点与对应的实际扫描点坐标之间的最大偏差距离。

在步骤1和步骤2之间还包括：

控制激光照射到振镜3坐标为(0，0)的位置，该位置同时作为激光加工设备的坐标原点，平移台9运行的坐标原点，以及检测结果中光斑扫描完整轨迹曲线的坐标原点；

根据振镜3原点处激光光斑位置调整平移台9初始位置，当光斑位于CCD相机10采集到的图像中心时，平移台9调整到位，到位时的位置为平移台9原点；

所述步骤6中，调整激光加工设备加工图纸数据，使得激光加工设备加工图纸中心与振镜3扫描区域的中心位置重合。

调整平移台9位置以使得实际激光光斑位于CCD相机10采集到的图像中心的方法包括：

移动平移台9到位后，获取CCD相机10采集的图像，经图像处理如图像滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算后得到光斑在图像中的像素坐标，结合已知的像素尺寸，进一步得到光斑在当前平移台9坐标下距离CCD相机10中心的偏差，根据该偏差量进一步调整平移台9位置，多次调整直至光斑位于CCD相机10采集的图像中心，实际激光光斑则位于CCD相机10中心。

扫描测试较佳方案是，

所述步骤8中，进行激光扫描时，降低振镜3扫描和跳转速度，使之满足光斑图像采集和分析速度，得到更加丰富的检测数据；根据CCD相机10输出图像调整CCD相机10曝光时间，使光斑和背景间的对比度达到最大；

所述步骤9中，根据光斑图像灰度值分布调整轮廓提取计算参数，以获得稳定的光斑中心计算结果；图像光斑位置计算包括滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算；

根据提取的光斑中心坐标序列和测试过程中的CCD视场拼接顺序，结合输入图纸和轨迹测量结果的坐标原点重合以及振镜3坐标与CCD相机10以及平移台9坐标的标定关系条件，解算加工设备的实际激光扫描轨迹；

所述步骤12.2中，比对实际获得的光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹两幅曲线图的重合度，计算最大偏差和缩放比例，与要求的加工精度进行比对，评估确定开展正式激光加工前是否需要重新优化激光加工设备以提升加工精度。

如图3所示，激光加工设备的激光光斑扫描精度检测装置的优选实施例包括：

设于激光加工设备作业面8的高精度二维电动平移台9，该平移台9能够沿作业面8的横向和纵向两个方向移动；平移台9的控制器接入电脑6中的检测控制程序；要求平移台9重复定位精度不低于激光加工检测的精度要求，平移台9行程不小于设备加工幅面大小；

安装在平移台9上的去除镜头的CCD相机10；其中，CCD相机10的光敏面对准激光加工头1输出的激光束11；CCD相机10接入电脑6中的检测控制程序；可控制CCD相机10曝光时间，并将图像输出到检测控制程序；

用于盖住CCD相机10的保护罩；

设于激光器2和振镜3之间的衰减器5；衰减器5用于调节激光器2输出激光的衰减倍率。激光衰减器5由若干个对应波长的激光衰减片组成，设置在激光进入振镜3之前，激光功率衰减量以不损伤CCD相机10以及不造成CCD相机10图像中光斑区域大面积饱和为准。

用于调节激光加工头1与作业面8之间距离的升降装置7；

激光加工头1中的激光器2和振镜3、平移台9、CCD相机10均电连接至电脑6；电脑6上运行检测控制程序，用于控制电动平移台9、CCD相机10以及激光加工设备的激光加工头1中的激光器2和振镜3，检测控制程序还用于实现图像计算以及检测结果分析。

具体地，所述激光加工设备的激光加工头1采用的激光器2工作波长为1064nm，可调最小输出功率为0.8瓦，振镜3与场镜4结合对入射激光进行扫描控制，扫描幅面大小为120mm×120mm，升降装置7可调整激光加工头1距离工作台作业面8的距离，激光器2和振镜3通过控制卡连接到电脑6上。

本实施例中，所述高精度电动平移台9在x轴、y轴方向的行程均为150mm，重复定位精度5μm，安装在工作台作业面8上，并连接到电脑6上，由程序控制运行。所述CCD相机10工作在可见光范围，像素大小5.2μm×5.2μm，分辨率500万像素，CCD相机10视场大小10.16mm×7.62mm，这也是检测过程中进行视场拼接的大小，利用图像分析解算光斑中心坐标，计算精度优于2μm。

本实施例中，激光器2启动之前，在激光器2与振镜3之间设置激光衰减片5，并用保护罩盖住CCD相机10。启动电脑6以及电脑6上的控制程序，控制激光器2以最小功率输出，并调整衰减倍率。具体的，开启保护罩，观察电脑6中程序界面上的CCD输出图像中的光斑，继续增加或减少衰减片使光斑清晰，同步结合CCD相机10的曝光时间参数调节。

本实施例中，衰减器5的总衰减倍率为0.001，CCD相机10的曝光时间为1ms。

本实施例中，利用激光加工设备激光加工头1的升降装置7改变激光出口到CCD相机10的距离，使图像中观察到的光斑最小，此时CCD相机10的光敏面位于激光加工头1中场镜4的对焦平面上。

本实施例中，需要标定振镜3坐标轴与CCD相机10的坐标轴的关系。

具体的，电脑6控制振镜3偏转坐标为(0，0)，微调平移台9使CCD相机10传感器中心对准激光束11。微调过程中，光斑偏移量计算步骤为图像获取，滤波，根据灰度阈值分布二值化图像，光斑轮廓提取，轮廓中心计算，轮廓中心到CCD相机10传感器中心的偏移量计算。计算偏移量利用当前光斑中心点与光斑原点之间的像素距离乘以像素尺寸。根据偏移量控制平移台9的移动，完成对准步骤。电脑6控制振镜3偏转坐标为(5mm，0mm)，计算图像中的光斑坐标。再次调整振镜3偏转坐标为(0mm，5mm)，计算光斑在图像中的坐标。两个坐标系确定后，即可确定坐标系转换关系。

本实施例中，需要标定振镜3坐标轴与平移台9的坐标轴的关系。

具体的，电脑6控制振镜3偏转坐标为(0，0)，微调平移台9使CCD相机10传感器中心对准激光束11。微调过程与CCD相机10坐标标定相同。电脑6控制振镜3偏转坐标为(10mm，0mm)，控制平移台9移动CCD相机10使图像中心对准激光，记录平移台9坐标。再次调整振镜3偏转坐标为(0mm，10mm)，控制平移台9移动CCD相机10使图像中心对准激光，记录平移台9坐标。两个坐标系确定后，即可确定坐标转换关系。

本实施例中，振镜3扫描路径规划按照先列后行的方式进行。图纸大小为100mm×100mm，按照CCD相机10的视场大小，用于拼接的分视场大小确定为8mm X 5mm，图纸被划分为13列20行。图纸划分后，按照先列后行的顺序分割图纸数据并下载到加工设备，所述分割数据即为振镜3在分视场内的扫描顺序。坐标标定完成后，每个图纸单元的平移台9位置可确定，按照规划的先列后行顺序依次移动平移台9到指定单元的中心位置。

本实施例中，启动扫描测试后，依次控制平移台9移动CCD相机10到指定视场单元位置，控制振镜3按照规划的路径在单元视场中扫描，解算并记录该视场单元中的光斑轨迹。完成后，移动平移台9到下一视场单元，再次驱动振镜3按照指定单元的图纸数据扫描，解算并记录该视场单元中的光斑轨迹。以此类推，直到完成所有视场单元内的光斑扫描测试。将所有分视场内获得的光斑轨迹进行拼接即得到与完整图纸数据对应的加工设备作业面8上的实际光斑扫描轨迹。

本实施例中，为得到较为丰富的光斑扫描数据，振镜3扫描速度选择80mm/s，跳转延时为1ms。

本实施例中，获取完成的光斑扫描轨迹后即可进行图纸数据与光斑轨迹的比对。基于坐标标定，图纸中心和光斑扫描轨迹的中心相同，坐标轴向的旋转和缩放关系在标定中已经获取。结果比对主要查看轨迹与图纸的偏差，当偏差大于待加工工件要求的精度范围即可认为该加工设备的加工精度不满足要求，需要分析误差来源，对激光加工头1振镜3、场镜4的误差进行重新标定，或者更换精度更高的器件。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在激光加工设备作业面(8)设置一二维电动平移台(9)，该平移台(9)能够沿作业面(8)的横向和纵向两个方向移动；在平移台(9)上安装一去除镜头的CCD相机(10)；其中，CCD相机(10)的光敏面对准激光加工头(1)输出的激光束(11)；分别将激光加工头(1)中的激光器(2)和振镜(3)、平移台(9)、CCD相机(10)电连接至电脑(6)；

步骤2，启动激光器(2)并观察CCD相机(10)采集到的光斑图像，优化调节激光器(2)输出激光的衰减倍率以使得在CCD相机(10)采集到的图像中可清晰观察到光斑，且没有出现大面积饱和现象；

步骤3，调整激光加工头(1)与作业面(8)之间的距离，以使得CCD相机(10)采集到的图像中的光斑最小；

步骤4，标定振镜(3)坐标与CCD相机(10)采集到的图像坐标之间的几何关系；

步骤5，标定振镜(3)坐标与平移台(9)坐标之间的几何关系；

步骤6，电脑(6)根据生成的激光加工设备加工图纸数据，结合CCD相机(10)视场大小规划激光扫描路径和先后顺序；

步骤7，根据加工图纸大小和已经规划的振镜(3)扫描路径和先后顺序，结合CCD相机(10)视场大小和视场拼接顺序，确定平移台(9)的移动顺序；

步骤8，进行激光扫描，同步输出CCD相机(10)采集到的图像；

步骤9，分析步骤8中图像以得到光斑中心坐标，结合当前平移台(9)坐标，连续计算并记录当前光斑在所在位置坐标，获得CCD相机(10)当前视场下的实际光斑扫描轨迹；

步骤10，待激光扫描完成当前CCD相机(10)视场范围对应的图纸后，根据规范的路径移动CCD相机(10)到下一位置；

步骤11，重复步骤8～10，直至整幅激光加工设备加工图纸均被激光扫描完毕；

步骤12，通过数据分析，比对实际获得的光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹，计算偏差，得到光斑扫描精度。

2.如权利要求1所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，

在步骤1和步骤2之间还包括：

控制激光照射到振镜(3)坐标为(0，0)的位置，该位置同时作为激光加工设备的坐标原点，平移台(9)运行的坐标原点，以及检测结果中光斑扫描完整轨迹曲线的坐标原点；

根据振镜(3)原点处激光光斑位置调整平移台(9)初始位置，当光斑位于CCD相机(10)采集到的图像中心时，平移台(9)调整到位，到位时的位置为平移台(9)原点；

所述步骤6中，调整激光加工设备加工图纸数据，使得激光加工设备加工图纸中心与振镜(3)扫描区域的中心位置重合。

3.如权利要求2所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，调整平移台(9)位置以使得实际激光光斑位于CCD相机(10)采集到的图像中心的方法包括：

移动平移台(9)到位后，获取CCD相机(10)采集的图像，经图像处理后得到光斑在图像中的像素坐标，结合已知的像素尺寸，进一步得到光斑在当前平移台(9)坐标下距离CCD相机(10)中心的偏差，根据该偏差量进一步调整平移台(9)位置，多次调整直至光斑位于CCD相机(10)采集的图像中心，实际激光光斑则位于CCD相机(10)中心。

4.如权利要求1所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，所述步骤2中，在启动激光器(2)之前，将激光器(2)的输出功率调到最小，并在激光器(2)和振镜(3)之间设置衰减器(5)；衰减器(5)用于调节激光器(2)输出激光的衰减倍率。

5.如权利要求1所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，所述步骤3中还包括，继续调整激光器(2)输出激光的衰减倍率，以使得CCD相机(10)采集到的图像中光斑区域没有出现大面积饱和现象。

6.如权利要求1所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，

所述步骤4中，振镜(3)复位，激光光斑位于加工设备加工区域原点，调整光斑对准CCD相机(10)的视场中心后，停止移动平移台(9)，利用振镜(3)沿横向和纵向在CCD相机(10)视场内偏转激光，分别记录对应振镜(3)偏转量下的光斑在CCD相机(10)采集图像中的坐标，根据CCD相机(10)采集图像的像素尺寸计算光斑在CCD相机(10)坐标系下的实际物理坐标，根据振镜(3)坐标和CCD相机(10)坐标数据，标定振镜(3)扫描坐标轴与CCD相机(10)采集到的图像坐标轴之间的几何关系；

所述步骤5中，利用振镜(3)沿横向和纵向偏转激光，同时沿横向和纵向移动平移台(9)以逐步调整CCD相机(10)的中心，直至光斑处于CCD相机(10)采集图像的中心；调整过程中光斑偏差的计算方法包括滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算；根据CCD相机(10)采集图像的像素尺寸计算实际坐标偏差，得到平移台(9)坐标和对应的振镜(3)坐标数据后，标定振镜(3)扫描坐标轴与平移台(9)坐标轴之间的转换关系。

7.如权利要求6所述的激光加工设备的激光光斑扫描精度检测方法，其特征在于，

所述步骤8中，进行激光扫描时，降低振镜(3)扫描和跳转速度，使之满足光斑图像采集和分析速度；根据CCD相机(10)输出图像调整CCD相机(10)曝光时间，使光斑和背景间的对比度达到最大；

所述步骤9中，根据光斑图像灰度值分布调整轮廓提取计算参数，以获得稳定的光斑中心计算结果；图像光斑位置计算包括滤波、二值化、光斑轮廓提取、轮廓中心坐标计算；

根据提取的光斑中心坐标序列和测试过程中的CCD视场拼接顺序，结合输入图纸和轨迹测量结果的坐标原点重合以及振镜(3)坐标与CCD相机(10)以及平移台(9)坐标的标定关系条件，解算加工设备的实际激光扫描轨迹；

所述步骤12中，比对实际获得的光斑扫描轨迹和激光加工设备加工图纸中的理论光斑扫描轨迹两幅曲线图的重合度，计算最大偏差和缩放比例，与要求的加工精度进行比对，评估确定开展正式激光加工前是否需要重新优化激光加工设备以提升加工精度。

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