CN112091414A - 异形曲面激光加工的自动对焦标定装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及异形曲面激光加工的自动对焦标定装置及方法，激光测距仪和激光加工头单元置于六轴运动机构上，激光加工头单元包含聚焦镜、准直镜和半透半反射镜，激光器输出光束通过光纤与激光加工头单元的光纤接口衔接，激光器输出光路上布置准直镜，准直镜准直输出光路上布置半透半反射镜，半透半反射镜反射光路上布置聚焦镜，激光测距仪的输出光路对应半透半反射镜的透射光路，聚焦镜正对于加工平台上的被加工工件，数据采集模块的输入端与激光测距仪相连，输出端与计算机相连，计算机分别与六轴运动机构和激光器控制连接。激光器与激光测距仪发出的光束经半透半反射镜后保持同轴，投射到被加工工件表面形成光斑，根据实际轮廓信息完成对焦标定。

Description

异形曲面激光加工的自动对焦标定装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种异形曲面激光加工的自动对焦标定装置及其方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
相较于传统加工技术，激光加工技术具有节约材料、灵活高效、适合精密加工等优点。近年来，以激光焊接、切割、表面处理及微加工为代表的激光加工技术在航空航天、汽车、电子、机械制造等领域得到了广泛应用。在激光加工过程中，激光束通过加工头的准直聚焦系统投射到被加工工件表面形成光斑，被加工工件表面与光束焦平面的相对位置直接决定了加工质量。相对于规则表面，对于异形曲面的激光加工，加工头需依据异形曲面的轮廓信息改变运动轨迹，实时准确对焦就变得异常困难。
目前，相对普遍的激光对焦方法主要有：烧斑法、小孔扫描法、CCD成相法等。然而，这些方法大多通过肉眼或计算机对图样清晰度进行比对以确定大致的焦点轮廓，由于人眼存在主观性，图样像素易受环境影响，使得对焦会存在一定偏差，从而不能满足较高的加工精度要求，且加工效率不高。因此，对于异形曲面的激光加工，提高对焦精度，以及实现加工过程中的实时准确对焦就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种异形曲面激光加工的自动对焦标定装置及其方法，旨在解决现有技术对焦精度不高、不能实现加工过程中实时准确对焦的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，特点是：激光测距仪和激光加工头单元置于六轴运动机构上，激光加工头单元包含聚焦镜、准直镜和半透半反射镜，激光器发出的光束通过光纤与激光加工头单元的光纤接口衔接，激光器的输出光路上布置准直镜，准直镜的准直输出光路上布置半透半反射镜，半透半反射镜的反射光路上布置聚焦镜，激光测距仪的输出光路对应半透半反射镜的透射光路，聚焦镜正对于加工平台上的被加工工件，数据采集模块的输入端与激光测距仪相连，输出端与计算机相连，计算机分别与六轴运动机构和激光器控制连接。
进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其中，激光器为光纤激光器或半导体激光器。
进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其中，激光测距仪为相位式激光测距仪。
进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其中，激光测距仪位于激光加工头单元上部，其发出的光束与激光器发出的光束经过半透半反射镜后同轴，投射至被加工工件的表面形成光斑。
本发明异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，包括以下步骤：
(a)激光测距仪发出的光束与激光器发出的光束经过半透半反射镜后保持同轴，投射到曲面所在的被加工工件表面，形成光斑；
(b)激光测距仪实时采集过光斑中心并沿X方向的n个Z值，坐标原点位于激光加工头单元轴线上的聚焦镜中心，轴线为Z轴，并记录所对应的n个点的X值，将光斑中心的Z值与聚焦镜所确定的焦距做比较，计算机控制六轴运动机构带动激光加工头单元移动，使二者差值小于一阈值，完成初始对焦；
(c)依据n个点的(Xn，Zn)坐标，拟合一(n-1)次多项式轮廓函数，计算出所对应的光斑内沿X方向的轮廓函数，对轮廓函数求偏导，得到轮廓函数过光斑中心处的斜率；
(d)依据X方向过光斑中心处的斜率与Z值调整激光加工头单元的偏转角，使激光加工头单元轴线位于轮廓函数在光斑中心处的法向量方向，完成X方向对焦；
依上述方法进行Y方向对焦，对焦完成后记录激光加工头单元的空间三维坐标，坐标原点为激光加工初始点，从而对曲面内光斑中心点的自动对焦标定完成。
更进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其中，激光器发出的光束为指示光，激光测距仪投射到曲面的光斑尺寸小于指示光的光斑尺寸。
更进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其中，确定光斑中心的Z值与聚焦镜所决定的焦距之间的差值，当差值的绝对值大于阈值时移动激光加工头单元使Z值梯度逼近焦距，当差值小于阈值时完成初始对焦，阈值越小，初始对焦越准确。
更进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其中，所拟合的(n-1)次多项式为：
M＝a(n-1)X(n-1)+a(n-2)X(n-2)+…+a(1)X+a(0)
其中，M为光斑内沿X方向的轮廓函数，多项式计算所选取的n值越大，所得到的轮廓函数越准确。
更进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其中，依据轮廓函数的偏导数与光斑中心坐标求得光斑中心处的斜率k，则激光加工头单元的偏转角a为：
a＝arctan k
当Z1小于Zn时，激光加工头单元在X方向顺时针偏转a；当Z1大于Zn时，激光加工头单元在X方向逆时针偏转a。
更进一步地，上述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其中，等间距标定激光加工头单元的空间三维坐标，依据标定的激光加工头单元坐标信息生成激光加工轨迹。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
激光器与激光测距仪发出的光束在经过半透半反射镜后保持同轴，投射到被加工工件表面形成光斑，激光测距仪采集过光斑中心并沿X方向的n个点的Z值；激光器发出的光束为指示光，激光测距仪投射到曲面的光斑尺寸小于指示光的光斑尺寸，不仅可以减少样本数据容量，提高计算速率，同时也能保证光斑中心区域的对焦精度；
依据曲面轮廓实际信息对光斑中心区域进行对焦，进而标定加工头的空间三维坐标，使得加工头在激光加工过程中依据标定的坐标信息完成特定的加工轨迹，由于实时准确对焦，可以显著提高加工精度与效率；
根据被加工工件表面的实际轮廓信息完成对焦标定，快速高效，精确度高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1：本发明装置的结构示意图；
图2：本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，激光测距仪8和激光加工头单元置于六轴运动机构6上，激光加工头单元包含聚焦镜3、准直镜5和半透半反射镜11，激光器9发出的光束通过光纤与激光加工头单元的光纤接口7衔接，激光器9的输出光路上布置准直镜5，准直镜5的准直输出光路上布置半透半反射镜11，半透半反射镜11的反射光路上布置聚焦镜3，激光测距仪8的输出光路对应半透半反射镜11的透射光路，聚焦镜3正对于加工平台1上的被加工工件2，数据采集模块10的输入端与激光测距仪8相连，输出端与计算机12相连，计算机12分别与六轴运动机构6和激光器9控制连接。
激光器9为光纤激光器或半导体激光器。激光器9发出的激光经光纤传输至激光加工头单元的准直镜5，光纤与激光加工头单元之间的配合通过光纤接口7，光纤接口7可以实现光纤位置的调整。激光加工头单元还可以包含光束整形结构、分光结构、水冷结构、气粉接口结构。
所测量的被加工工件2的表面轮廓可以是二维的，也可以是三维的，测量误差小于1mm。激光测距仪8为相位式激光测距仪，激光测距仪8位于激光加工头单元上部，其发出的光束与激光器9发出的光束经过半透半反射镜11后同轴，投射至被加工工件2的表面形成光斑。数据采集模块10对激光测距仪8检测到的坐标信息进行收集，并传输至计算机12。
计算机12计算轮廓函数求解及记录激光加工头单元空间三维坐标标定相关的数据，确定初始对焦及加工头偏转角度方向，向六轴运动机构6发送指令，完成姿态移动或偏转以及激光加工轨迹的实现。此外，计算机12还实现加工任务的创建、记录，以及激光器9、六轴运动结构6、激光测距仪10等开关机的设置调节。
六轴运动结构6可以为多关节机器人、丝杠导轨等，其重复定位精度为0.05mm、最大定位速度为5m/min。
在对焦标定开始之前，激光测距仪8与激光加工轨迹的空间坐标系进行定义；其中，对于激光测距仪8所依赖的空间坐标系，坐标原点位于加工头轴线上的聚焦镜3中心，轴线为Z轴；对于激光加工轨迹所依赖的空间坐标系，坐标原点为激光加工初始点。
异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，
首先，激光器9发出指示光光束，激光测距仪8投射到曲面的光斑尺寸小于指示光的光斑尺寸，激光测距仪8发出的光束与激光器9发出的光束经过半透半反射镜11后保持同轴，投射到曲面所在的被加工工件表面形成光斑；
当激光测距仪的光斑尺寸小于指示光的光斑尺寸时，不仅可以减少样本数据容量，提高计算速率，同时也能保证光斑中心区域的对焦精度；
然后，激光测距仪8实时采集过光斑中心并沿X方向的n个Z值，坐标原点位于激光加工头单元轴线上的聚焦镜3中心，轴线为Z轴，并记录所对应的n个点的X值，将光斑中心的Z值与聚焦镜3所确定的焦距做比较，确定光斑中心的Z值与聚焦镜3所决定的焦距之间的差值，当差值的绝对值大于阈值时移动激光加工头单元使Z值梯度逼近焦距，当差值小于阈值时完成初始对焦，阈值越小，初始对焦越准确，初始对焦的目的在于保证焦距值处于曲面轮廓所对应的Z值区间；计算机12控制六轴运动机构6带动激光加工头单元移动，使二者差值小于一阈值，完成初始对焦；
继而，依据n个点的(Xn，Zn)坐标，拟合一(n-1)次多项式轮廓函数，所拟合的(n-1)次多项式为：
M＝a(n-1)X(n-1)+a(n-2)X(n-2)+…+a(1)X+a(0)
其中，M为光斑内沿X方向的轮廓函数，多项式计算所选取的n值越大，所得到的轮廓函数越准确；
计算出所对应的光斑内沿X方向的轮廓函数，对轮廓函数求偏导，得到轮廓函数过光斑中心处的斜率；
依据轮廓函数的偏导数与光斑中心坐标求得光斑中心处的斜率k，则激光加工头单元的偏转角a为：
a＝arctan k
当Z1小于Zn时，激光加工头单元在X方向顺时针偏转a；当Z1大于Zn时，激光加工头单元在X方向逆时针偏转a；
最后，依据X方向过光斑中心处的斜率与Z值调整激光加工头单元的偏转角，使激光加工头单元轴线位于轮廓函数在光斑中心处的法向量方向，完成X方向对焦；
依上述方法进行Y方向对焦，对焦完成后记录激光加工头单元的空间三维坐标，坐标原点为激光加工初始点，从而对曲面内光斑中心点的自动对焦标定完成。
等间距标定激光加工头单元的空间三维坐标，依据标定的激光加工头单元坐标信息生成激光加工轨迹。
实施例，如图2所示；
步骤1，初始化，创建新的对焦标定任务，对焦标定初始点位于激光加工初始点，然后执行步骤2；
步骤2，激光测距仪8采集过光斑中心并沿X方向n个点的(Xn，Zn)坐标，通过数据采集模块10把坐标信息传输至计算机12，然后执行步骤3；
步骤3，判断光斑中心Z值与焦距之差的绝对值是否小于某一阈值，如果是，执行步骤4；如果否，执行步骤5；
步骤4，依据n个点的坐标，计算机12模块拟合一个(n-1)次多项式M(轮廓函数)，并求得轮廓函数M，依据M的偏导数与光斑中心坐标求得过光斑中心的法向量以及光斑中心处的斜率k，则加工头的偏转角a为：
a＝arctank，然后执行步骤6；
步骤5，计算机12控制移动激光加工头单元，使光斑中心处的Z值梯度逼近焦距，直至满足步骤3；
步骤6，通过计算机12判断Z1是否小于等于Zn，如果是，执行步骤7；如果否，执行步骤8；
步骤7，加工头在X方向顺时针偏转a；
步骤8，加工头在X方向逆时针偏转a；
使得激光加工头单元轴线位于法向量方向及光斑中心的Z值与焦距之差小于某一阈值，完成X方向对焦；Y方向对焦依次执行步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7、步骤8；然后执行步骤9；
步骤9，依据光斑中心处的对焦信息，记录加工头的空间三维坐标。根据加工要求，等间距标定加工头的空间三维坐标，依据标定的加工头坐标信息生成激光加工轨迹。
综上所述，本发明依据曲面轮廓实际信息对光斑中心区域进行对焦，进而标定加工头的空间三维坐标，使得加工头在激光加工过程中依据标定的坐标信息完成特定的加工轨迹，由于实时准确对焦，可以显著提高加工精度与效率。
本发明依据被加工工件表面的实际轮廓信息完成对焦标定，快速高效，精确度高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其特征在于：激光测距仪(8)和激光加工头单元置于六轴运动机构(6)上，激光加工头单元包含聚焦镜(3)、准直镜(5)和半透半反射镜(11)，激光器(9)输出光束通过光纤与激光加工头单元的光纤接口(7)衔接，激光器(9)的输出光路上布置准直镜(5)，准直镜(5)的准直输出光路上布置半透半反射镜(11)，半透半反射镜(11)的反射光路上布置聚焦镜(3)，激光测距仪(8)的输出光路对应半透半反射镜(11)的透射光路，聚焦镜(3)正对于加工平台(1)上的被加工工件(2)，数据采集模块(10)的输入端与激光测距仪(8)相连，输出端与计算机(12)相连，计算机(12)分别与六轴运动机构(6)和激光器(9)控制连接。
2.根据权利要求1所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其特征在于：激光器(9)为光纤激光器或半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其特征在于：激光测距仪(8)为相位式激光测距仪。
4.根据权利要求1或3所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定装置，其特征在于：激光测距仪(8)位于激光加工头单元上部，其发出的光束与激光器(9)发出的光束经过半透半反射镜(11)后同轴，投射至被加工工件(2)的表面形成光斑。
5.利用权利要求1所述的装置实现异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)激光测距仪(8)发出的光束与激光器(9)发出的光束经过半透半反射镜(11)后保持同轴，投射到曲面所在的被加工工件表面，形成光斑；
(b)激光测距仪(8)实时采集过光斑中心并沿X方向的n个Z值，坐标原点位于激光加工头单元轴线上的聚焦镜(3)中心，轴线为Z轴，并记录所对应的n个点的X值，将光斑中心的Z值与聚焦镜(3)所确定的焦距做比较，计算机(12)控制六轴运动机构(6)带动激光加工头单元移动，使二者差值小于一阈值，完成初始对焦；
(c)依据n个点的(Xn，Zn)坐标，拟合一(n-1)次多项式轮廓函数，计算出所对应的光斑内沿X方向的轮廓函数，对轮廓函数求偏导，得到轮廓函数过光斑中心处的斜率；
(d)依据X方向过光斑中心处的斜率与Z值调整激光加工头单元的偏转角，使激光加工头单元轴线位于轮廓函数在光斑中心处的法向量方向，完成X方向对焦；
依上述方法进行Y方向对焦，对焦完成后记录激光加工头单元的空间三维坐标，坐标原点为激光加工初始点，从而对曲面内光斑中心点的自动对焦标定完成。
6.根据权利要求5所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：激光器(9)发出的光束为指示光，激光测距仪(8)投射到曲面的光斑尺寸小于指示光的光斑尺寸。
7.根据权利要求5所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：确定光斑中心的Z值与聚焦镜(3)所决定的焦距之间的差值，当差值的绝对值大于阈值时移动激光加工头单元使Z值梯度逼近焦距，当差值小于阈值时完成初始对焦，阈值越小，初始对焦越准确。
8.根据权利要求5所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：所拟合的(n-1)次多项式为：
M＝a(n-1)X(n-1)+a(n-2)X(n-2)+…+a(1)X+a(0)
其中，M为光斑内沿X方向的轮廓函数，多项式计算所选取的n值越大，所得到的轮廓函数越准确。
9.根据权利要求5所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：依据轮廓函数的偏导数与光斑中心坐标求得光斑中心处的斜率k，则激光加工头单元的偏转角a为：
a＝arctank
当Z1小于Zn时，激光加工头单元在X方向顺时针偏转a；当Z1大于Zn时，激光加工头单元在X方向逆时针偏转a。
10.根据权利要求5所述的异形曲面激光加工的自动对焦标定方法，其特征在于：等间距标定激光加工头单元的空间三维坐标，依据标定的激光加工头单元坐标信息生成激光加工轨迹。
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