CN111203632A - 一种实时监测激光焦点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时监测激光焦点的方法，属于激光切割技术领域，该方法采用一种监测装置，该装置包括光纤接头、准直单元、聚焦单元以及驱动装置。光纤接头安装在激光头主体上，准直单元位于光纤接头出射光路上，由驱动装置驱动；聚焦单元位于准直单元下游。驱动装置位于光纤接头一侧，驱动装置的输出端上设有位移监测器，位移监测器与准直单元联动，通过位移监测器反馈的数据可以快速判断激光焦点的位置。该方法通过使位移监测器与准直单元联动，可以快速高效地确定加工的激光焦点位置，对激光焦点实时监控，降低加工过程中发生风险的几率。

Description

一种实时监测激光焦点的方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，更具体的，涉及一种实时监测激光焦点的方法。

背景技术

激光切割是激光加工行业中最重要的加工方法之一，目前广泛应用于汽车、船舶、机械制造、化工、轻工、电器与电子、石油与冶金等行业；其加工切面整齐、热效应小，无裂纹和冶金缺陷，加工速度快、效率高，应用范围广，有着传统的机械加工以及电火花加工所无法比拟的优越性。激光切割加工有着广泛的市场前景，随着现代科学技术的迅猛发展，国内外科研工作者对激光切割的研究，推动着激光加工快速发展。激光光速从光纤端输出后经过多组光学镜片的折射或反射最后聚焦到待加工材料的指定位置，配已其他辅助条件形成加工。

其中在加工过程中，加工激光束聚焦后的激光焦点的位置在激光加工中非常重要，它直接影响到加工的表面质量，焦点位置不对甚至会直接烧毁镜片，烧坏光纤，造成非常严重的后果。目前，激光加工过程中激光焦点位置的确定方法常用的有机械式和CCD探测器同轴监视。其中，在机械式方法，首次确定焦点位置，一般是根据零件型面情况采用对焦顶针接触方式模拟焦点位置进行处理。然而，对于机械式方法，在加工薄壁刚性较差的曲面零件时，由于其型面与数模的差异性，需根据曲面零件的实际形状，逐点采集，采用多点拟合曲线的方式确定激光焦点始终处于工件表面，该过程费时、费力。而CCD探测器同轴监视，只是用来监视加工状态，并没有对焦点的位置进行实时检测判定。

因此设计一种可以实时监测焦点方法，简单、高效确定激光焦点位置，对产品的稳定切割有非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时监测激光焦点的方法，该装置可以快速高效地确定加工的激光焦点位置，对激光焦点实时监控，降低加工过程中风险发生几率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种实时监测激光焦点的方法，所述方法采用一种监测装置，所述监测装置，包括光纤接头、准直单元、聚焦单元以及驱动装置；

所述光纤接头安装在激光头主体上，所述准直单元位于所述光纤接头的出射光路上，所述准直单元由所述驱动装置驱动沿自身轴线上下移动；所述聚焦单元位于所述准直单元下游，所述聚焦单元与所述准直单元间隔设置，所述聚焦单元与所述准直单元中心同轴；

在激光加工过程中，所述激光头主体与激光切割机的控制系统电联接，控制所述激光头主体发出激光，激光从所述光纤接头射出，经过准直单元聚焦成平行光束，再经所述聚焦单元聚焦成一点，落在待加工工件表面；

所述驱动装置位于所述光纤接头一侧，所述驱动装置的输出端上连有位移监测器，所述位移监测器与所述准直单元联动；

所述驱动装置包括驱动电机、联轴器、丝杆支座以及丝杆；

所述驱动电机的输出端与所述丝杆连接；

所述联轴器安装在所述丝杆与所述驱动电机的输出端之间，所述联轴器的一端与所述驱动电机的输出端连接，另一端与所述丝杆连接；

所述丝杆支座设置在所述联轴器与所述丝杆连接的一端；

所述丝杆贯穿所述丝杆支座与所述联轴器连接，所述丝杆上安装有连接块，所述连接块上安装有所述位移监测器；

所述控制系统根据待加工工件的材料参数给定激光焦点，所述准直单元的位移与激光焦点的位移是确定的非线性函数：y=-0.0976x²-4.1236x+0.036；

所述位移监测器与所述控制系统电联接，所述位移监测器与所述准直单元联动，同样地，所述位移监测器反馈的数据与激光焦点的位移存在确定的函数关系；

所述控制系统控制该装置运行，所述控制系统给定加工的激光焦点，当所述驱动装置出现故障后，所述准直单元的移动将会出现偏差，所述位移监测器将偏差反馈给所述控制系统，所述控制系统将给定焦点值与实际焦点值进行比较，判断是否存在偏差，若存在偏差且偏差大于0.5mm时，所述控制系统关闭所述激光头主体，保护机床；

其中：x为镜片位移，y为焦点位移。

在本发明较佳地技术方案中，所述驱动装置与所述准直单元之间设有导轨，所述导轨上设有滑块，所述滑块一侧与所述准直单元连接，所述滑块相对的另一侧与所述连接块连接。

在本发明较佳地技术方案中，所述驱动电机为伺服电机、步进电机或力矩电机。

在本发明较佳地技术方案中，所述准直单元包括镜筒以及准直镜片，所述镜筒与所述滑块连接，所述镜筒中设有安装位，所述准直镜片安装在所述安装位中。

在本发明较佳地技术方案中，所述准直单元还包括弹簧，所述弹簧安装在所述安装位底部。

在本发明较佳地技术方案中，所述聚焦单元包括聚焦镜片和保护镜片，所述保护镜片位于所述聚焦镜片下游，所述保护镜片与所述聚焦镜片间隔设置。

在本发明较佳地技术方案中，所述位移监测器为电子尺、格栅尺或光栅尺。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种实时监测激光焦点的方法，该方法采取一种监测装置，该装置通过准直单元和聚焦单元使激光聚焦，生成焦点，焦点的位移与准直单元的位移构成确定的函数关系；通过准直单元与位移监测器联动，使位移监测器的数据能反映焦点的移动，因此可以根据位移监测器反馈的数据快速高效地确定加工中激光焦点的位置，对激光焦点实时监控，提高了激光加工工艺参数的准确性；位移监测器与控制系统电联接，当位移监测器反馈的实时激光焦点与设定的激光焦点不一时且差值大于0.5mm时，控制系统控制激光头本体停止出光，保护机床，降低了加工过程风险发生的几率。

附图说明

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

其中：

图1是本发明提供的监测装置的结构示意图；

图2是本发明提供的准直单元的结构示意图。

附图标记：

1、光纤接头；2、准直单元；3、聚焦单元；4、导轨；5、驱动装置；6、位移监测器；7、连接块；21、准直镜片；22、镜筒；23、弹簧；31、聚焦镜片；32、保护镜片；41、滑块；51、驱动电机；52、联轴器；53、丝杆支座；54、丝杆。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

如图1-图2所示，一种实时监测激光焦点的方法，所述方法采用一种监测装置，所述监测装置包括光纤接头1、准直单元2、聚焦单元3以及驱动装置5；

所述光纤接头1安装在激光头主体上，所述准直单元2位于所述光纤接头1的出射光路上，所述准直单元2由所述驱动装置5驱动并沿自身轴线上下移动；所述聚焦单元3位于所述准直单元2下游，所述聚焦单元3与所述准直单元2间隔设置，所述聚焦单元3与所述准直单元2中心同轴；

在激光加工过程中，所述激光头主体与激光切割机的控制系统电联接，控制所述激光头主体发出激光，激光从所述光纤接头1射出，经过准直单元2聚焦成平行光束，再经所述聚焦单元3聚焦成一点，落在待加工工件表面；

所述驱动装置5位于所述光纤接头1一侧，所述驱动装置5的输出端上连有位移监测器6，所述位移监测器6与所述准直单元2联动。

所述驱动装置5包括驱动电机51、联轴器52、丝杆支座53以及丝杆54；

所述驱动电机51的输出端与所述丝杆54连接；

所述联轴器52安装在所述丝杆54与所述驱动电机51的输出端之间，所述联轴器52的一端与所述驱动电机51的输出端连接，另一端与所述丝杆54连接；

所述丝杆支座53设置在所述联轴器52与所述丝杆54连接的一端；

所述丝杆54贯穿所述丝杆支座53与所述联轴器52连接，所述丝杆54上安装有连接块7，所述连接块7上安装有所述位移监测器6；所述驱动电机51为伺服电机、步进电机或力矩电机，驱动电机51需要起动转矩大、起动快、灵敏度高等优点，所述驱动电机51的输出端的旋转通过所述联轴器52与所述丝杆54传动到所述准直单元2，实现所述准直镜片21的上下移动，所述丝杆54上安装的所述位移监测器6与所述准直单元2同步联动，反馈所述准直单元2的位置，进一步反馈焦点的位置。

所述控制系统根据待加工工件的材料参数给定激光焦点，所述准直单元2的位移与激光焦点的位移是确定的非线性函数：y=-0.0976x²-4.1236x+0.036；

所述位移监测器6与所述控制系统电联接，所述位移监测器6与所述准直单元2联动，同样地，所述位移监测器6反馈的数据与激光焦点的位移存在确定的函数关系；

所述控制系统控制该装置运行，所述控制系统给定加工的激光焦点，当所述驱动装置5出现故障后，所述准直单元2的移动将会出现偏差，所述位移监测器6将偏差反馈给所述控制系统，所述控制系统将给定焦点值与实际焦点值进行比较，判断是否存在偏差，若存在偏差且偏差大于0.5mm时，所述控制系统关闭所述激光头主体，保护机床；此处设置的偏差阈值为0.5mm，是根据大量实验及使用经验所得。

其中：x为镜片位移，y为焦点位移。

所述准直单元2、所述聚焦单元3两者的中心位于同一轴线上，所述激光头本体启动后，激光从所述光纤接头1射出，所述准直单元2聚焦成平行光速，再经所述聚焦单元3聚焦成一点。由于所述聚焦单元3是固定不动的，因此所述准直单元2的上下移动将会改变激光焦点的位置，即激光焦点随所述准直单元2的移动而移动。而所述准直单元2与所述位移监测器6联动，所述驱动装置5驱动所述位移监测器6移动，所述准直单元2随之移动。因此通过所述位移监测器6反馈的数据即可控制系统得到加工过程中的实时激光加工焦点。

所述光纤接头1安装在激光头主体上，所述光纤接头1插接在激光头主体上，所述激光头主体上设有锁紧装置锁住所述光纤接头1。所述激光头主体与控制系统电联接，激光切割机的控制系统能实时控制所述激光头主体的启停，而所述位移监测器6也与激光切割机的所述控制系统电联接，所述位移监测器6反馈的数据输入到激光切割机的所述控制系统，所述控制系统根据反馈数据输出激光焦点的实时位置，形成闭环反馈，以便能快速排查所述驱动装置5的相关部件是否发生故障。

由于所述准直单元2与所述位移监测器6是联动的，因此所述准直单元2的位移可以通过所述位移监测器6反馈出来，而所述准直单元2的位移与激光焦点的位移存在一定的函数关系。加工时，根据不同的材料控制系统给定的设定焦点值后，控制系统可以计算出所述准直单元2需要移动的位置，所述准直单元2和所述位移监测器6则有了相应的初始位置，初始位置即所述位移监测器6的基准位置。所述位移监测器6反馈的读数也可以反映焦点的位置。在使用过程中，通过控制系统设定将所述准直单元2和所述位移监测器6的初始位置作为基准点，并把该点数据输入控制系统，以便对所述准直单元2的移动作出更好的判断。在加工过程中，当传动系统出现问题时，给定焦点后，所述准直单元2的移动就会有问题，通过所述位移监测器6反馈的数据可以实时监测。控制系统将给定焦点值与实际焦点值进行比较，若存在差异值，控制系统立即关闭所述激光头主体，停止出光，保护机床。

上述的一种实时监测激光焦点的方法，该方法采取一种监测装置，该装置通过所述准直单元2和所述聚焦单元3使激光聚焦，生成焦点，焦点的位移与所述准直单元2的位移构成确定的函数关系；通过所述准直单元2与所述位移监测器6联动，使所述位移监测器6的数据能反映焦点的移动，因此可以根据所述位移监测器6反馈的数据快速高效地确定加工中激光焦点的位置，对激光焦点实时监控，提高了激光加工工艺参数的准确性；所述位移监测器6与控制系统电联接，当所述位移监测器6反馈的实时激光焦点与设定的激光焦点不一且两者的差值大于0.5mm时，控制系统控制所述激光头主体停止出光，保护机床，降低了加工过程风险发生的几率。

进一步地，所述驱动装置5与所述准直单元2之间设有导轨4，所述导轨4上设有滑块41，所述滑块41一侧与所述准直单元2连接，所述滑块41相对的另一侧与所述连接块7连接。所述导轨4安装在激光切割头内部上，所述导轨4上的所述滑块41分别连接所述准直单元2、所述位移监测器6，实现二者联动，所述位移监测器6能反馈所述准直单元2的位移。

进一步地，参见图2，所述准直单元2包括镜筒22以及准直镜片21，所述镜筒22与所述滑块41连接，所述镜筒22中设有安装位，所述准直镜片21安装在所述安装位中。进一步地，所述准直单元2还包括弹簧23，所述弹簧23安装在所述安装位底部。所述镜筒22用于承载所述准直镜片21，所述弹簧23安装在所述安装位底部，使所述准直镜片21与所述镜筒22之间由刚性接触变为弹性接触，减少震动，防止所述准直镜片21损坏。

进一步地，所述聚焦单元3包括聚焦镜片31和保护镜片32，所述保护镜片32位于所述聚焦镜片31下游，所述保护镜片32与所述聚焦镜片31间隔设置。所述保护镜片32对所述聚焦镜片31起保护作用，降低所述聚焦镜片31受损几率。

进一步地，所述位移监测器6为电子尺、格栅尺或光栅尺。更具体地，所述位移监测器6还可以是光栅尺、容栅尺等，所述位移监测器6直接与激光切割机的控制系统电联接，并将数据反馈到控制系统，控制系统根据反馈的数据判断实际焦点值与设定焦点值之间是否存在差异。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种实时监测激光焦点的方法，其特征在于：所述方法采用一种监测装置，所述监测装置，包括光纤接头（1）、准直单元（2）、聚焦单元（3）以及驱动装置（5）；

所述光纤接头（1）安装在激光头主体上，所述准直单元（2）位于所述光纤接头（1）的出射光路上，所述准直单元（2）由所述驱动装置（5）驱动沿自身轴线上下移动；所述聚焦单元（3）位于所述准直单元（2）下游，所述聚焦单元（3）与所述准直单元（2）间隔设置，所述聚焦单元（3）与所述准直单元（2）中心同轴；

在激光加工过程中，所述激光头主体与激光切割机的控制系统电联接，控制所述激光头主体发出激光，激光从所述光纤接头（1）射出，经过准直单元（2）聚焦成平行光束，再经所述聚焦单元（3）聚焦成一点，落在待加工工件表面；

所述驱动装置（5）位于所述光纤接头（1）一侧，所述驱动装置（5）的输出端上连有位移监测器（6），所述位移监测器（6）与所述准直单元（2）联动；

所述驱动装置（5）包括驱动电机（51）、联轴器（52）、丝杆支座（53）以及丝杆（54）；

所述驱动电机（51）的输出端与所述丝杆（54）连接；

所述联轴器（52）安装在所述丝杆（54）与所述驱动电机（51）的输出端之间，所述联轴器（52）的一端与所述驱动电机（51）的输出端连接，另一端与所述丝杆（54）连接；

所述丝杆支座（53）设置在所述联轴器（52）与所述丝杆（54）连接的一端；

所述丝杆（54）贯穿所述丝杆支座（53）与所述联轴器（52）连接，所述丝杆（54）上安装有连接块（7），所述连接块（7）上安装有所述位移监测器（6）；

所述控制系统根据待加工工件的材料参数给定激光焦点，所述准直单元（2）的位移与激光焦点的位移是确定的非线性函数：y=-0.0976x²-4.1236x+0.036；

所述位移监测器（6）与所述控制系统电联接，所述位移监测器（6）与所述准直单元（2）联动，同样地，所述位移监测器（6）反馈的数据与激光焦点的位移存在确定的函数关系；

所述控制系统控制该装置运行，所述控制系统给定加工的激光焦点，当所述驱动装置（5）出现故障后，所述准直单元（2）的移动将会出现偏差，所述位移监测器（6）将偏差反馈给所述控制系统，所述控制系统将给定焦点值与实际焦点值进行比较，判断是否存在偏差，若存在偏差且偏差大于0.5mm时，所述控制系统关闭所述激光头主体，保护机床；

其中：x为镜片位移，y为焦点位移。

2.根据权利要求1所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述驱动装置（5）与所述准直单元（2）之间设有导轨（4），所述导轨（4）上设有滑块（41），所述滑块（41）一侧与所述准直单元（2）连接，所述滑块（41）相对的另一侧与所述连接块（7）连接。

3.根据权利要求2所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述驱动电机（51）为伺服电机、步进电机或力矩电机。

4.根据权利要求3所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述准直单元（2）包括镜筒（22）以及准直镜片（21），所述镜筒（22）与所述滑块（41）连接，所述镜筒（22）中设有安装位，所述准直镜片（21）安装在所述安装位中。

5.根据权利要求4所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述准直单元（2）还包括弹簧（23），所述弹簧（23）安装在所述安装位底部。

6.根据权利要求2-5任一项所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述聚焦单元（3）包括聚焦镜片（31）和保护镜片（32），所述保护镜片（32）位于所述聚焦镜片（31）下游，所述保护镜片（32）与所述聚焦镜片（31）间隔设置。

7.根据权利要求1所述的实时监测激光焦点的方法，其特征在于：

所述位移监测器（6）为电子尺、格栅尺或光栅尺。

Images