CN112828448B

CN112828448B - 基于振镜的三维扫描成像加工设备及加工方法

Info

Publication number: CN112828448B
Application number: CN202011626083.7A
Authority: CN
Inventors: 王雪辉; 雷桂明; 许维; 喻浩; 王建刚
Original assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: WO2022142476A1; CN112828448A

Abstract

本发明提供一种基于振镜的三维扫描成像加工设备及加工方法，基于振镜的三维扫描成像加工设备包括：光源；聚焦镜；振镜，与聚焦镜的进光侧相连；第一变焦距透镜，设置在振镜的进光侧；第一光学镜，设置在第一变焦距透镜的进光侧，第一光学镜的一侧允许激光束透射，第一光学镜的另一侧允许激光束反射；和探测单元，与光源分别设置在第一光学镜的两侧。光源先后发射出两种激光束，分别用于扫描工件表面的三维坐标和对工件表面进行加工。由于两种激光束同源，光路重合，故放置工件过程中产生的人为误差不会对加工过程造成影响，能够保证工件表面所有的点都与激光的焦平面重合。

Description

基于振镜的三维扫描成像加工设备及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种基于振镜的三维扫描成像加工设备及加工方法。

背景技术

激光加工的原理是使激光经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应进行加工。数控机床激光加工技术将多轴机床、振镜与激光相结合，充分利用了激光非接触加工、能量密度高等优点，广泛应用于焊接、切割、雕刻、表面改性、打标、钻孔、微加工以及传统难加工材料的加工等。

利用现有的激光加工设备加工三维工件时，为了生成三维加工轨迹，需要事先获得工件的三维模型，然后将模型导入三维激光加工软件中，再对模型的位置进行调整，与此同时，还需要操作人员手动将工件放置于指定的位置。

由于将模型导入三维激光加工软件的过程和将工件放置到三维激光加工系统中的过程分开进行，因而存在明显的人为误差，在后续加工过程中，无法保证工件表面所有的点都与激光的焦平面重合。

发明内容

为了解决现有技术中存在人为误差，导致无法保证工件表面所有的点都与激光的焦平面重合的问题，本发明的目的之一是提供一种基于振镜的三维扫描成像加工设备。

本发明提供如下技术方案：

一种基于振镜的三维扫描成像加工设备，包括：

光源，用于发射至少两种激光束；

聚焦镜，用于在激光束照射工件之前对激光束进行聚焦；

振镜，与所述聚焦镜的进光侧相连，所述振镜用于改变激光束在第一方向和第二方向上的焦点位置；

第一变焦距透镜，设置在所述振镜的进光侧，所述第一变焦距透镜用于改变激光束在第三方向上的焦点位置；

第一光学镜，设置在所述第一变焦距透镜的进光侧，所述第一光学镜的一侧允许光线透射，所述第一光学镜的另一侧允许光线反射；和

探测单元，与所述光源分别设置在所述第一光学镜的两侧，所述探测单元用于探测激光束照射工件形成的光斑的状态。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，所述探测单元包括探测元件和凸透镜，所述凸透镜用于使自所述第一光学镜反射而来的光线聚焦于所述探测元件上。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，所述探测单元还包括滤光片，所述滤光片设置于所述探测元件与所述凸透镜之间。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，所述探测单元还包括光闸，所述光闸设置在所述凸透镜的进光侧。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，所述第一光学镜采用分光镜。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，所述第一变焦距透镜采用可调扩束镜或液体透镜。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，至少两种激光束为波长相同且功率不同的激光束，或波长不同的激光束，或经过分光得到的激光束。

作为对所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的进一步可选的方案，还包括第二光学镜和第二变焦距透镜，所述光源包括第一激光器和第二激光器；

所述第二光学镜设置在所述振镜的进光侧，所述第二光学镜的一侧允许光线透射，所述第二光学镜的另一侧允许光线反射；

所述第二变焦距透镜和所述第一变焦距透镜分别设置在所述第二光学镜的两侧；

所述第一激光器用于发射扫描激光至所述第一光学镜，所述第二激光器用于发射加工激光至第二变焦距透镜。

本发明的另一目的是提供一种加工方法。

本发明提供如下技术方案：

一种利用上述基于振镜的三维扫描成像加工设备的加工方法，包括：

放置工件，将所述振镜和所述第一变焦距透镜校正至零位；

使所述光源发射出第一种激光束，照射工件形成光斑，以所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向为参考建立坐标系，记所述光斑的中心的坐标为L(x，y，z_xy)，此时x＝0，y＝0；

通过所述第一变焦距透镜改变第一种激光束在所述第三方向上的焦点位置，直至所述探测单元探测到第一种激光束聚焦于工件表面，根据所述第一变焦距透镜的焦距获知z_xy；

通过所述振镜改变所述光斑的中心的坐标x和/或坐标y，重复上一步骤，获知对应的z_xy，最终得到工件表面的三维坐标；

将所述三维坐标导入激光加工软件中，使所述光源发射出第二种激光束，对工件进行加工。

作为对所述加工方法的进一步可选的方案，所述第一种激光束聚焦于工件表面，包括：

所述光斑的能量最高或者面积最小。

本发明的实施例具有如下有益效果：

光源可以发射至少两种激光束，分别用于扫描和加工。先使光源发射出第一种激光束，第一种激光束依次经过第一光学镜、第一变焦距透镜、振镜和聚焦镜后，沿第三方向照射在工件表面，并形成光斑。光斑处的部分反射光线依次经过聚焦镜、振镜、第一变焦距透镜和第一光学镜后进入探测单元，由探测单元探测光斑的状态，进而判断第一种激光束是否聚焦于工件表面。

通过第一变焦距透镜改变第一种激光束在第三方向上的焦点位置，直至探测单元探测到第一种激光束聚焦于工件表面，进而根据第一变焦距透镜的焦距获知光斑中心在第三方向上的坐标，即为工件表面对应点在第三方向上的坐标。

通过振镜改变光斑中心沿第一方向上和/或第二方向上的坐标，重复上述测量光斑中心沿第三方向上的坐标的过程，最终得到工件表面的三维坐标。根据该三维坐标，使光源发射出第二种激光束，对工件进行加工。由于两种激光束同源，光路重合，故放置工件过程中产生的人为误差不会对加工过程造成影响，能够保证工件表面所有的点都与激光的焦平面重合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

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示出了本发明实施例1提供的基于振镜的三维扫描成像加工设备的整体结构示意图；

图2示出了本发明实施例1中激光束的焦点位置与光斑的大小之间的变化关系示意图；

图3示出了本发明实施例1提供的基于振镜的三维扫描成像加工设备中探测元件在激光束未聚焦于工件表面时的信号状态示意图；

图4示出了本发明实施例1提供的基于振镜的三维扫描成像加工设备中探测元件在激光束聚焦于工件表面时的信号状态示意图；

图5示出了本发明实施例2提供的加工方法的流程图；

图6示出了本发明实施例3提供的基于振镜的三维扫描成像加工设备的整体结构示意图；

图7示出了本发明实施例4提供的加工方法的流程图。

主要元件符号说明：

10-光源；11-第一激光器；12-第二激光器；20-第一光学镜；30-第一变焦距透镜；40-振镜；50-聚焦镜；60-探测单元；61-探测元件；62-凸透镜；63-滤光片；64-光闸；70-第二光学镜；80-第二变焦距透镜；90-光斑。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板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，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请一并参阅图1至图4，本实施例提供一种基于振镜的三维扫描成像加工设备，基于光热效应对工件进行加工，如焊接、切割、雕刻、表面改性、打标、钻孔和微加工等。这种基于振镜的三维扫描成像加工设备包括光源10、第一光学镜20、第一变焦距透镜30、振镜40、聚焦镜50和探测单元60。其中，光源10发射出的激光束依次经过第一光学镜20、第一变焦距透镜30、振镜40、聚焦镜50，然后照射在工件表面，形成入射光路。工件表面反射的光线依次经过聚焦镜50、振镜40、第一变焦距透镜30和第一光学镜20，然后照射探测单元60，形成反射光路。

具体地，光源10采用激光器，且光源10能够发射至少两种激光束。至少两种激光束为波长相同且功率不同的激光束，或波长不同的激光束，或经过分光得到的激光束。其中一种激光束的功率低，用于扫描工件表面。另外的激光束则可以是高频脉冲激光、高速可控的连续光和整形光束等，用于对工件表面进行加工。

第一光学镜20的一侧允许光线透射，另一侧允许光线反射。使第一光学镜20相对于激光束倾斜，并将光源10和探测单元60分别设置在第一光学镜20的两侧。此时，入射光路和反射光路在第一光学镜20与工件之间重合，而光源10发射激光束与探测单元60接收反射光之间互不干扰。

在本实施例中，第一光学镜20允许光线透射的一侧朝向光源10，另一侧朝向探测单元60，此时光源10、第一光学镜20、第一变焦距透镜30和振镜40沿第一方向排列。

光源10发射出的激光束沿第一方向照射在第一光学镜20上，透射后继续沿第一方向传播。工件表面反射的光线照射在第一光学镜20上，反射后照射在探测单元60上。

具体地，第一光学镜20采用分光镜。分光镜相对于入射光倾斜时，可以将入射光分为反射光和透射光两部分。入射光和反射光组成的光路即为前述反射光路，入射光和透射光组成的光路与前述入射光路重合，光的传播方向相反，但光路可逆。

在本申请的其它实施例方式中，也可以使第一光学镜20允许光线反射的一侧朝向光源10，此时探测单元60、第一光学镜20、第一变焦距透镜30和振镜40沿第一方向排列。

光源10发射出的激光束照射在第一光学镜20上，反射后沿第一方向传播。工件表面反射的光线照射在第一光学镜20上，透射后照射在探测单元60上。

聚焦镜50的进光侧与振镜40相连，沿第一方向传播的激光束经过振镜40的两次反射之后，变为沿第三方向传播，并照射在聚焦镜50上。激光束经过聚焦镜50的聚焦，照射在工件表面形成光斑90。

振镜40反射激光束时，能够改变光斑90的中心沿第一方向和第二方向的坐标，也是激光束的焦点在第一方向和第二方向上的坐标，使激光束照射在工件表面的不同位置处。

第一变焦距透镜30通过调整焦距，则能够改变激光束的焦点在第三方向上的坐标。激光束的焦点越接近工件的表面，则工件表面的光斑90越小，能量越集中。

具体地，第一变焦距透镜30可以为可调扩束镜或者液体透镜等。

探测单元60由探测元件61、滤光片63、凸透镜62和光闸64组成，工件表面反射的光线经过第一光学镜20的反射之后，依次经过光闸64、凸透镜62、滤光片63和探测元件61。

具体地，探测元件61采用光电探头、CCD或者CMOS光敏探头。探测元件61探测光斑90的状态，如光斑90的能量是否达到最高或者光斑90的面积是否缩到最小，以此来判断激光束的焦点是否位于工件表面。

凸透镜62使自第一光学镜20反射而来的光线聚焦于探测元件61上，滤光片63在在光线进入探测元件61之前过滤不同于激光束的波段的光线，避免环境光干扰。

使用低功率的激光束扫描工件表面时，光闸64处于打开状态，探测元件61正常工作。使用高功率的激光束加工工件表面时，光闸64关闭，避免工件表面反射的光线过强而损坏探测元件61。

具体地，光闸64采用电动反射镜、电动挡板或者电动光阑等。

在本实施例中，第一方向与第二方向相互垂直，第一方向和第二方向均与第三方向垂直，且第三方向竖直向上或者竖直向下。

实施例2

请参阅图5，本实施例提供一种利用上述基于振镜的三维扫描成像加工设备的加工方法，具体步骤如下：

S1，放置工件，将所述振镜40和所述第一变焦距透镜30校正至零位。

校正过程参照三维振镜幅面校正方法。

S2，使所述光源10发射出第一种激光束，照射工件形成光斑90。

第一种激光束为用于扫描的低功率激光束，其依次经过第一光学镜20、第一变焦距透镜30、振镜40和聚焦镜50后，沿第三方向照射在工件表面，并形成光斑90。光斑90处的部分反射光线依次经过聚焦镜50、振镜40、第一变焦距透镜30和第一光学镜20后进入探测单元60。

以第一方向、第二方向和第三方向为参考建立坐标系，记光斑90的中心沿第一方向的坐标为x，沿第二方向的坐标为y，沿第三方向的坐标为z_xy，则光斑90的中心的坐标为L(x，y，z_xy)，且此时x＝0，y＝0。

S3，通过所述第一变焦距透镜30改变第一种激光束在所述第三方向上的焦点位置，直至所述探测单元60探测到第一种激光束聚焦于工件表面，根据所述第一变焦距透镜30的焦距获知z_xy。

激光束聚焦于工件表面具体表现为光斑90的能量最高或者面积最小。

S4，通过所述振镜40改变所述光斑90的中心的坐标x和/或坐标y，重复上一步骤，获知对应的z_xy，最终得到工件表面的三维坐标。

在本实施例中，先改变光斑90的中心的坐标x，然后不断地改变坐标y，使激光束沿第二方向从工件的一侧移动至另一侧。重复这一过程，对工件进行来回扫描。

在本申请的其它实施例中，也可以同时改变光斑90的中心的坐标x和坐标y，沿螺旋形的轨迹对工件进行扫描。

扫描结束后，使光源10停止发射第一种激光束，并关闭光闸64。

S5，将所述三维坐标导入激光加工软件中，使所述光源10发射出第二种激光束，对工件进行加工。

第二种激光束为用于加工的高功率激光束，以三维坐标为依据，通过振镜40改变第二种激光束在第一方向和第二方向上的焦点位置，通过第一变焦距透镜30改变第二种激光束在第三方向上的焦点位置，使第二种激光束的焦点始终位于工件的表面。

由于两种激光束同源，光路重合，故放置工件过程中产生的人为误差不会对加工过程造成影响，能够保证工件表面所有的点都与激光的焦平面重合。

实施例3

请参阅图6，本实施例提供一种基于振镜的三维扫描成像加工设备，与实施例1的不同之处在于，这种基于振镜的三维扫描成像加工设备还包括第二光学镜70和第二变焦距透镜80，光源10则由第一激光器11和第二激光器12组成。

第一光学镜20允许光线反射的一侧朝向第一激光器11，另一侧朝向探测单元60。

第二光学镜70采用分光镜，其一侧允许光线透射，另一侧允许光线反射。此外，第二光学镜70与第一光学镜20平行，与第一激光器11位于第一光学镜20的同一侧。第二光学镜70允许光线反射的一侧朝向第一光学镜20，另一侧朝向第二激光器12。

第一激光器11沿第一方向发射出扫描激光，扫描激光经过第一光学镜20和第二光学镜70的反射之后继续沿第一方向传播。

第二激光器12沿第一方向发射出加工激光，加工激光透射过第二光学镜70之后继续沿第一方向传播，且之后的光路与扫描激光的光路重合。

第一变焦距透镜30设置在第一光学镜20与第二光学镜70之间，对扫描激光的焦点进行调节。第二变焦距透镜80则设置在第二激光器12与第二光学镜70之间，对加工激光的焦点进行调节。

实施例4

请参阅图7，本实施例提供一种利用上述基于振镜的三维扫描成像加工设备的加工方法，具体步骤如下：

S100，放置工件，将振镜40和第一变焦距透镜30校正至零位。

S200，使第一激光器11发射出低功率的扫描激光，照射工件形成光斑90。

扫描激光依次经过第一光学镜20、第一变焦距透镜30、第二光学镜70、振镜40和聚焦镜50后，沿第三方向照射在工件表面，并形成光斑90。光斑90处的部分反射光线依次经过聚焦镜50、振镜40、第二光学镜70、第一变焦距透镜30和第一光学镜20后进入探测单元60。

以第一方向、第二方向和第三方向为参考建立坐标系，分别记光斑90的中心沿第一方向的坐标为x，沿第二方向的坐标为y，沿第三方向的坐标为z_xy，则光斑90的中心的坐标为L(x，y，z_xy)，且此时x＝0，y＝0。

S300，通过第一变焦距透镜30改变扫描激光在第三方向上的焦点位置，直至探测单元60探测到扫描激光聚焦于工件表面，根据第一变焦距透镜30的焦距获知z_xy。

S400，通过振镜40改变光斑90的中心的坐标x和/或坐标y，重复上一步骤，获知对应的z_xy，最终得到工件表面的三维坐标。

扫描结束后，使第一激光器11停止工作，并关闭光闸64。

S500，将三维坐标导入激光加工软件中，使第二激光器12发射出高功率的加工激光，对工件进行加工。

加工激光依次经过第二变焦距透镜80、第二光学镜70、振镜40和聚焦镜50后，沿第三方向照射在工件表面。以三维坐标为依据，通过振镜40改变加工激光在第一方向和第二方向上的焦点位置，通过第一变焦距透镜30改变加工激光在第三方向上的焦点位置，使加工激光的焦点始终位于工件的表面。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

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。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，包括：

光源，用于发射至少两种激光束；

聚焦镜，用于在激光束照射工件之前对激光束进行聚焦；

探测单元，与所述光源分别设置在所述第一光学镜的两侧，所述探测单元用于探测激光束是否聚焦于工件表面；

所述基于振镜的三维扫描成像加工设备还包括第二光学镜和第二变焦距透镜，所述光源包括第一激光器和第二激光器；

所述第一激光器用于发射扫描激光至所述第一光学镜，所述第二激光器用于发射加工激光至第二变焦距透镜；

利用所述基于振镜的三维扫描成像加工设备的加工方法包括：

放置工件，将所述振镜和所述第一变焦距透镜校正至零位；

使所述光源发射出第一种激光束，照射工件形成光斑，以所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向为参考建立坐标系，记所述光斑的中心的坐标为L（x，y，z_xy），此时x=0，y=0；

将所述三维坐标导入激光加工软件中，使所述光源发射出第二种激光束，通过所述第二变焦距透镜改变第二种激光束在所述第三方向上的焦点位置，对工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述探测单元包括探测元件和凸透镜，所述凸透镜用于使自所述第一光学镜反射而来的光线聚焦于所述探测元件上。

3.根据权利要求2所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述探测单元还包括滤光片，所述滤光片设置于所述探测元件与所述凸透镜之间。

4.根据权利要求2所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述探测单元还包括光闸，所述光闸设置在所述凸透镜的进光侧。

5.根据权利要求1所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述第一光学镜采用分光镜。

6.根据权利要求1所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述第一变焦距透镜采用可调扩束镜或液体透镜。

7.根据权利要求1所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，至少两种激光束为波长相同且功率不同的激光束，或波长不同的激光束，或经过分光得到的激光束。

8.根据权利要求1所述的基于振镜的三维扫描成像加工设备，其特征在于，所述第一种激光束聚焦于工件表面，包括：

所述光斑的能量最高或者面积最小。