CN111981979A - 一种振镜激光拼接校准装置及拼接校准方法 - Google Patents

一种振镜激光拼接校准装置及拼接校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种振镜激光拼接校准装置及拼接校准方法，包括分布在振镜下方激光位置传感器，还包括有数据采集卡、数据处理器，数据采集卡分别与数据处理器、多个激光位置传感器连接，数据处理器与振镜连接。机械机构简单，加工难度低；通过激光位置传感器测量侧振镜发出激光的的位置，通过集成小量程激光位置传感器，对坐标进行换算补偿，得到相对较大的测量量程；能快速的完成多振镜工作区域的拼接校准，并相对原有方法较少的废弃物的产生和光学系统的损害。

Description

一种振镜激光拼接校准装置及拼接校准方法
技术领域
本发明属于激光振镜扫描方法技术领域，涉及一种振镜激光拼接校准装置，还涉及上述装置的拼接校准方法。
背景技术
当多振镜激光进行协同工作时，需要对振镜激光的工作区域进行划分和拼接，振镜激光拼接的精度决定了零件质量的好坏，如在金属3D打印中，振镜激光拼接不准会导致零件在拼接区域错位，造成严重的生产事故。振镜激光拼接校准需要在激光的焦平面附近获得激光的实际位置，通过和理论位置对比，修改振镜参数，对振镜进行校准。
如何获得激光的实际位置，是振镜激光拼接校准的关键和难点。目前存在的多振镜激光拼接校正的方法是用激光在白纸上刻出十字标阵列，十字标的位置相当于振镜激光的实际位置，然后通过扫描仪或者影像测量仪测量取得十字标的位置，和理论位置对比，找出理论和实际位置的差值，修改振镜参数对振镜进行初步校准，重复上述步骤2-3次，可以较精准的完成激光振镜的校准。
上述方法进行多激光振镜校正时，激光打印十字光标时会产生白烟，长时间的操作会对激光系统造成污损；同时，测量步骤繁琐，无法直接取得激光的实际位置，需要进行多次迭代，耗时长，浪费人力，且不支持自动化。
发明内容
本发明的目的是提供一种振镜激光拼接校准装置，解决了现有技术中存在的无法直接取得激光的实际位置的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种振镜激光拼接校准装置，包括分布在振镜下方激光位置传感器，还包括有数据采集卡、数据处理器，数据采集卡分别与数据处理器、激光位置传感器连接，数据处理器与振镜连接。
本发明的特点还在于：
激光位置传感器正上方设置有滤光片。
激光位置传感器通过第一支架固定。
滤光片通过第二支架固定在第一支架上方。
本发明所采用的另一技术方案是，一种振镜激光拼接校准方法，采用上述振镜激光拼接校准装置，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、激光位置传感器采集激光位置，并发送至数据采集卡；
步骤2、数据采集卡将激光位置模拟信号转换为数字信号；
步骤3、数据处理器对数字信号进行处理，得到激光实际位置，并将激光实际位置与激光理论位置对比后，对振镜参数进行修改，完成一个振镜校准。
步骤4、若为多个振镜时，以步骤3完成校准的振镜坐标系为基准，按照步骤1-3依次校准剩余振镜。
步骤3具体过程如下：
步骤3.1、将振镜对应激光位置传感器测量的激光位置(x，y)转换至总坐标中，得到激光实际位置(X1，Y1)；
步骤3.2、将激光实际位置与激光理论位置(X'，Y')对比后，得到振镜偏差量，根据振镜偏差量对振镜参数进行修改，完成振镜校准。
步骤3.1中：
通过坐标转换公式将每个激光位置传感器采集的激光位置(x，y)转换到总坐标系中，得到激光位置(x，y)在总坐标系中的位置(X，Y)：
X＝a+x*Cosθ (1)；
Y＝b+y*Cosθ (2)；
上式中，(a,b)为每个激光位置传感器坐标系原点在总坐标系中的坐标,θ为每个激光位置传感器坐标系相对于总坐标系的偏转角度。
未加入滤光片时，激光位置传感器采集的激光位置(x，y)在总坐标系中的激光实际位置(X，Y)为激光实际位置(X1，Y1)。
激光位置传感器正上方设置有滤光片时，步骤1的激光位置是滤光片对激光进行衰减后得到的。
当加入滤光片后，通过折射误差消除公式消除滤光片带来的折射误差，得到激光实际位置(X1，Y1)：
X1＝X-ΔX＝X-H(tanθ1-tan(arcsin(sinθ1/n))) (5)；
Y1＝Y-ΔY＝Y-H(tanψ1-tan(arcsin(sinψ1/n))) (6)；
上式中，θ1、ψ1分别为x、y方向的入射角，ΔX、ΔY分别为激光在x、y方向的折射误差，H为滤光片的高度。
本发明的有益效果是：
本发明一种振镜激光拼接校准装置，包括激光位置传感器，滤光片，数据采集卡，数据处理模块，机械机构简单，加工难度低。本发明一种振镜激光拼接校准方法，通过激光位置传感器测量侧振镜发出激光的的位置，通过集成小量程激光位置传感器，对坐标进行换算补偿，得到相对较大的测量量程；能快速的完成多振镜工作区域的拼接校准，并相对原有方法较少的废弃物的产生和光学系统的损害。
附图说明
图1是本发明一种振镜激光拼接校准装置的结构示意图；
图2是本发明一种振镜激光拼接校准装置中数据处理器的结构示意图；
图3是本发明一种振镜激光拼接校准装置中数据处理器另一种实施例的结构示意图；
图4是本发明一种振镜激光拼接校准方法中坐标转换的示意图；
图5是本发明一种振镜激光拼接校准方法中折射过程示意图；
图6是本发明一种振镜激光拼接校准方法中多个振镜拼接校准过程示意图。
图中，1.振镜，2.滤光片，3.激光位置传感器，4.数据采集卡，5.数据处理器，5-1.坐标转换模块，5-2.偏差消除模块，5-3.误差消除模块，6.底板，7.第一支架，8.第二支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种振镜激光拼接校准装置，如图1所示，用于对振镜1进行校验，包括分布在振镜1下方激光位置传感器3，还包括有数据采集卡4、数据处理器5，数据采集卡4与数据处理器5、激光位置传感器3连接，数据处理器5与振镜1连接。
如图2所示，数据处理器5包括：坐标转换模块5-1，用于将标定仪测量的激光位置(x，y)坐标原点在总坐标中位置(a，b)、激光位置相对于总坐标的偏转角θ，结合坐标转换公式将激光位置(x，y)转换至总坐标中，得到激光位置(x，y)在总坐标中的位置坐标(X，Y)；
偏差消除模块5-2，用于将激光实际位置与激光理论位置(X'，Y')对比后，得到振镜偏差量，根据振镜偏差量对振镜参数进行修改。坐标转换模块5-1与偏差消除模块5-2连接。
激光位置传感器3正上方设置有滤光片2。还包括有底板6，激光位置传感器3通过第一支架7固定在底板6上，滤光片2通过第二支架8固定在底板6上，第一支架7位于第二支架8下方。
当加入滤光片2后，如图3所示，数据处理器5还包括：误差消除模块5-3，用于在总坐标中位置(X，Y)中消除加入滤光片(2)后的折射误差，得到激光实际位置(X1，Y1)。坐标转换模块5-1依次与误差消除模块5-3、偏差消除模块5-2连接。
激光位置传感器3简称为PSD传感器，又名Position Sensitive Device、位置灵敏检测器、光电激光位置传感器，具有高灵敏度，高分辨率，响应速度快和配置电路简单等优点。
一种振镜激光拼接校准方法，采用上述拼接校准装置，具体步骤如下：
实施例1
步骤1、激光位置传感器3采集激光位置(x，y)，并发送至数据采集卡4；
步骤2、数据采集卡4将激光位置传感器3发出的激光位置模拟信号转换为数字信号；
步骤3、数据处理器5对激光位置的数字信号进行转换和补偿，得到激光实际位置，并将激光实际位置与激光理论位置对比后，对振镜参数进行修改，完成一个振镜的校准；具体步骤(数据处理器5的处理过程)如下：
步骤3.1、将激光位置传感器3测量的振镜1发出激光位置(x，y)转换至总坐标中，得到激光在总坐标中的位置(X，Y)，此时，激光位置传感器3采集的激光实际位置(x，y)在总坐标系中的位置(X，Y)为激光实际位置(X1，Y1)。
由于单个PSD传感器的测量面积远小于激光的工作面积，因此要能采集到远间隔的点，必须要多个PSD传感器集成使用，传感器的集成使用需转换PSD传感器坐标到总坐标中。
具体的，如图4所示，坐标2～6代表传感器的坐标，以传感器3为例，先用标定仪测量传感器坐标3的原点在总坐标中位置(a，b)、传感器坐标3相对于总坐标的偏转角θ，通过PSD传感器读取其在坐标3中的位置(x3,y3)，数据处理器5通过坐标转换公式将每个激光位置传感器3采集的激光位置(x，y)转换到总坐标系中，坐标转换公式为：
X＝a+x3*Cosθ (1)；
Y＝b+y3*Cosθ (2)。
步骤3.2、将激光实际位置与激光理论位置(X'，Y')对比后，得到振镜偏差量，根据振镜偏差量对振镜参数进行修改，完成振镜校准。
具体的，已知振镜输出光束在总坐标中的位置(X'，Y')，即理论位置，将理论位置(X'，Y')与激光实际位置(X，Y)进行对比，得到振镜的偏差量：
ΔX'＝X-X' (3)；
ΔY'＝Y-Y' (4)；
根据上述偏差量对振镜参数进行修改，完成一个振镜校准。
步骤4、若为多个振镜时，数据处理器5与多个振镜1连接，并以上述校准后的振镜坐标系为基准，按照步骤1-3依次校准剩余振镜，如图6所示，上述步骤都可以集成到软件中完成，可以极大减少调试人员的工作量。
实施例2
由于激光的功率较高，PSD传感器直接测量会有损坏的风险，为了延长PSD传感器寿命，因此传感器和激光之间须加滤光片，对传感器进行保护，并吸收反射光、环境光，减少干扰。但加入滤光片，因为折射会带来光点的位置误差，如图5所示，必须通过补偿消除折射误差。
步骤1、滤光片2对振镜1射出的激光进行衰减；
步骤2、激光位置传感器3测量衰减后的激光位置，并发送至数据采集卡4；
步骤3、数据采集卡4将激光位置传感器3发出的激光位置模拟信号转换为数字信号；
步骤4、数据处理器5对激光位置的数字信号进行转换和补偿，得到激光实际位置，并将激光实际位置与激光理论位置对比后，对振镜参数进行修改，完成一个振镜的校准；
步骤4.1、如图4所示，以传感器3为例，先用标定仪测量传感器坐标3的原点在总坐标中位置(a，b)、传感器坐标3相对于总坐标的偏转角θ，通过PSD传感器读取其在坐标3中的位置(x3，y3)，数据处理器5通过坐标转换公式将每个激光位置传感器3采集的激光位置(x，y)转换到总坐标系中，坐标转换公式为：
X＝a+x3*Cosθ (1)；
Y＝b+y3*Cosθ (2)。
步骤4.2、通过折射误差消除公式消除滤光片2带来的折射误差，得到激光实际位置(X1，Y1)：
X1＝X-ΔX＝X-H(tanθ1-tan(arcsin(sinθ1/n))) (5)；
Y1＝Y-ΔY＝Y-H(tanψ1-tan(arcsin(sinψ1/n))) (6)；
上式中，θ1、ψ1分别为x、y方向的入射角，ΔX、ΔY分别为激光在x、y方向的折射误差，H为滤光片的高度；
步骤4.3、将激光实际位置与激光理论位置(X'，Y')对比后，得到振镜偏差量，根据振镜偏差量对振镜参数进行修改，完成振镜校准。
具体的，已知振镜输出光束在总坐标中的位置(X'，Y')，即理论位置，将位置(X'，Y')与激光实际位置(X1，Y1)进行对比，得到振镜的偏差量：
ΔX'＝X1-X' (3)；
ΔY'＝Y1-Y' (4)；根据上述偏差量对振镜参数进行修改，完成一个振镜校准。
步骤5、若为多个振镜时，数据处理器5与多个振镜1连接，并以上述校准后的振镜坐标系为基准，按照步骤1-4依次校准剩余振镜，如图6所示，上述步骤都可以集成到软件中完成，可以极大减少调试人员的工作量。
通过以上方式，本发明一种振镜激光拼接校准装置，包括激光位置传感器，滤光片，数据采集卡，数据处理模块,本发明的机械机构简单，加工难度低。本发明一种振镜激光拼接校准方法，通过激光位置传感器测量侧振镜发出激光的的位置，通过集成小量程激光位置传感器，对坐标进行换算补偿，得到相对较大的测量量程；本发明能快速的完成多振镜工作区域的拼接校准，并相对原有方法较少的废弃物的产生和光学系统的损害。

Claims (11)

1.一种振镜激光拼接校准装置，其特征在于，包括分布在振镜(1)下方的激光位置传感器(3)，还包括有数据采集卡(4)、数据处理器(5)，所述数据采集卡(4)分别与数据处理器(5)、激光位置传感器(3)连接，所述数据处理器(5)与振镜(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种振镜激光拼接校准装置，其特征在于，所述激光位置传感器(3)正上方设置有滤光片(2)。
3.根据权利要求2所述的一种振镜激光拼接校准装置，其特征在于，所述激光位置传感器(3)通过第一支架(7)固定。
4.根据权利要求3所述的一种振镜激光拼接校准装置，其特征在于，所述滤光片(2)通过第二支架(8)固定在第一支架(7)上方。
5.一种振镜激光拼接校准方法，采用如权利要求1所述的振镜激光拼接校准装置，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、所述激光位置传感器(3)采集激光位置，并发送至数据采集卡(4)；
步骤2、所述数据采集卡(4)将激光位置模拟信号转换为数字信号；
步骤3、所述数据处理器(5)对数字信号进行处理，得到激光实际位置，并将所述激光实际位置与激光理论位置对比后，对振镜参数进行修改，完成一个振镜校准。
6.根据权利要求5所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，还包括：
步骤4、若为多个振镜时，以步骤3完成校准的所述振镜坐标系为基准，按照步骤1-3依次校准剩余振镜。
7.根据权利要求5或6所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，步骤3具体过程如下：
步骤3.1、将所述激光位置传感器(3)采集的振镜(1)发出的激光位置(x，y)转换至总坐标中，得到激光实际位置(X1，Y1)；
步骤3.2、将所述激光实际位置与激光理论位置(X'，Y')对比后，得到振镜偏差量，根据振镜偏差量对振镜参数进行修改，完成振镜校准。
8.根据权利要求7所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，步骤3.1中：
通过坐标转换公式将每个所述激光位置传感器(3)采集的激光位置(x，y)转换到总坐标系中，得到所述激光位置(x，y)在总坐标系中的位置(X，Y)：
X＝a+x*Cosθ (1)；
Y＝b+y*Cosθ (2)；
上式中，(a,b)为每个激光位置传感器(3)坐标系原点在总坐标系中的坐标,θ为每个激光位置传感器(3)坐标系相对于总坐标系的偏转角度。
9.根据权利要求8所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，所述激光位置传感器(3)采集的激光位置(x，y)在总坐标系中的位置(X，Y)为激光实际位置(X1，Y1)。
10.根据权利要求8所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，所述激光位置传感器(3)正上方设置有滤光片(2)，步骤1所述的激光位置是滤光片(2)对激光进行衰减后得到的。
11.根据权利要求10所述的一种振镜激光拼接校准方法，其特征在于，通过折射误差消除公式消除滤光片(2)带来的折射误差，得到激光实际位置(X1，Y1)：
X1＝X-ΔX＝X-H(tanθ1-tan(arcsin(sinθ1/n))) (5)；
Y1＝Y-ΔY＝Y-H(tanψ1-tan(arcsin(sinψ1/n))) (6)；
上式中，θ1、ψ1分别为x、y方向的入射角，ΔX、ΔY分别为激光在x、y方向的折射误差，H为滤光片的高度。
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