CN114160968A - 一种预测距随动式激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种预测距随动式激光加工装置，一种预测距随动式激光加工装置，包括激光加工单元和光学检测单元，还包括旋转装置，旋转装置内设置有激光加工单元和光学检测单元，旋转装置带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴做360°转动；本发明中的旋转装置可以360度旋转，始终控制检测光斑沿加工方向上前置于激光加工光斑，因而可以实现加工位置的预测，检测结果更加可靠，同时有助于优化加工效率。

Description

一种预测距随动式激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种预测距随动式激光加工装置，属于激光加工技术领域。
背景技术
在激光精密切割及加工领域，需要精准控制激光聚焦光斑的位置位于加工件的表面，否则会影响到加工的质量及效率。目前常用的方法是在激光加工头安装电容传感器，通过对电容检测并调节激光加工头的高度控制电容值恒定实现加工头距离加工件的距离一致，但是这种方法仅仅适用于金属材料；大族激光提出了一种基于在加工头位置安装辅助光学测量装置，可以结合调节Z轴调节平台查找到最佳的加工位置，适用于各类材料的加工，然而该方法只能测量反射光强信号，如果加工面位于加工焦点位置上方或下方都会导致光强信号衰减，因而不能根据单一的光强信号直接得到距离信息，需要结合Z轴的扫描，导致测量速度的下降或则需要昂贵的高速精密运动平台才能使得检测速度匹配激光加工效率；另外，现有的设备大多测距单元与加工同位置，在对加工位进行优化的同时会影响加工效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可适用于多种材料的，并且可以预测下一加工位位置的预测距随动式激光加工装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种预测距随动式激光加工装置，包括激光加工单元和光学检测单元，还包括旋转装置，旋转装置内设置有激光加工单元和光学检测单元，旋转装置带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴做360°转动；
激光加工单元用于发射激光束并汇聚成加工光斑，光学检测单元包括检测光源，检测光源用于发射检测光斑，检测光斑到达加工表面后再返回至光谱仪，用于检测距离；
加工光斑由出光点一发出，检测光斑由出光点二发出，出光点一与出光点二之间具有离心距离D1，当加工光斑到达加工表面时，由于加工光斑与检测光斑之间的距离为D2，从而检测光斑预先到达下一加工位，预测下一加工位的位置。
进一步地，旋转装置包括壳体，壳体的上部可以通过光纤，底部可以透光，壳体为圆柱状，其主轴与加工光路的主轴重合。壳体内设置有电机，电机驱动第二同步轮转动，第二同步轮通过同步带与第一同步轮连接，第一同步轮带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴转动。
进一步地，激光加工单元发射激光束，激光束一侧设置有出光点一，出光点一的一侧设置有准直镜，所准直镜的一侧设置有聚焦单元；激光束通过光纤一到达出光点一，激光束经由出光点一出发经由准直镜准直，然后经过聚焦单元聚成加工激光斑。
进一步地，检测光源用于发射检测光斑，检测光源的一侧设置有光纤分束/耦合器，光纤分束/耦合器的一侧设置有出光点二，出光点二与准直镜相邻；检测光斑通过光纤三到达光纤分束/耦合器，检测光斑通过光纤四到达出光点二，检测光斑由出光点二出发经由准直镜准直，然后经过聚焦单元聚成形成最终的检测光斑聚焦于加工表面。
进一步地，最终的检测光斑在检测完加工表面后，沿原路，经由聚焦单元、准直镜返回至出光点二形成返回检测光，返回检测光经由光纤四、光纤分束/耦合器进入光纤二到达光谱仪，光谱仪接收到光谱信号得到光谱频率，光谱频率用于换算成检测光斑与加工表面的距离，而预测出下一加工位的位置。
工作原理：本发明通过旋转装置控制检测光斑与加工激光斑的相对位置，从而预测出下一加工位的位置。本发明中光学检测单元基于光谱共焦原理，采用宽光谱光源进行照明，因为透镜的色散效应，导致不同波长的光源聚焦点在Z轴方向呈现差异。当加工表面的对应聚焦波长的光线沿原光路返回，在光谱仪上呈现强烈的反射信号，因此无需Z轴扫描即可快速实现高精度的Z轴位置检测。又因为可以通过旋转机构控制光学检测单元的检测点始终位于加工方向的前向位置，因此可以在加工同时即可完成下一加工位置的高度信息，并在移动到下一加工位置时及时调整Z轴的位置，使得激光加工位置刚好落在工件加工表面。
有益效果：(1)本发明通过激光加工单元、光学检测单元、旋转装置相配合，打破了原有技术限制，可以适用于玻璃、陶瓷、硅片等多种材料，用于切割或打孔，不仅限于金属材料；(2)本发明可以通过一次测量直接得到高度信息，测量精度可以达到微米乃至亚微米的测量精度，完全匹配目前的激光焦深参数，实现最佳加工效果；(3)本发明不需要结合高速精密运动平台就能使得检测速度匹配激光加工效率，节约了成本；(4)本发明中的旋转装置可以360度旋转，始终控制检测光斑沿加工方向上前置于激光加工光斑，因而可以实现加工位置的预测，检测结果更加可靠，同时有助于优化加工效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2～图4为本发明中三种类型旋转装置的结构示意图；
图5为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1
本发明提供一种预测距随动式激光加工装置，参见图1和图2，包括激光加工单元和光学检测单元，还包括旋转装置4，旋转装置4内设置有激光加工单元和光学检测单元，带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴14做360°转动；激光加工单元用于发射激光束1并汇聚成加工光斑15，光学检测单元包括检测光源2，检测光源2用于发射检测光斑16，检测光斑16到达加工表面17后再返回至光谱仪3，用于检测距离；加工光斑15由出光点一6发出，检测光斑16由出光点二10发出，出光点一6与出光点二10之间具有离心距离D1，当加工光斑15到达加工表面17时，由于加工光斑15与检测光斑16之间的距离为D2，从而检测光斑16预先到达下一加工位，预测下一加工位的位置。
旋转装置4包括壳体4-1，壳体的上部可以通过光纤，底部可以透光，壳体为圆柱状，其主轴与加工光路的主轴14重合。壳体4-1内设置有电机4-5，电机4-5驱动第二同步轮4-4转动，第二同步轮4-4通过同步带4-3与第一同步轮4-2连接，第一同步轮4-2带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴14转动。
激光加工单元发射激光束1，激光束1一侧设置有出光点一6，出光点一6的一侧设置有准直镜7，所准直镜7的一侧设置有聚焦单元8；激光束1通过光纤一5到达出光点一6，激光束1经由出光点一6出发经由准直镜7准直，然后经过聚焦单元8聚成加工激光斑，。
检测光源2用于发射检测光斑，检测光源2的一侧设置有光纤分束/耦合器9，光纤分束/耦合器9的一侧设置有出光点二10，出光点二10与准直镜7相邻；检测光斑通过光纤三11到达光纤分束/耦合器9，检测光斑通过光纤四12到达出光点二10，检测光斑由出光点二10出发经由准直镜7准直，然后经过聚焦单元8聚成形成最终的检测光斑聚焦于加工表面。
最终的检测光斑在检测完加工表面后，沿原路，经由聚焦单元8、准直镜7返回至出光点二10形成返回检测光，返回检测光经由光纤四12、光纤分束/耦合器9进入光纤二13到达光谱仪3，光谱仪3接收到光谱信号得到光谱频率，光谱频率用于换算成检测光斑与加工表面的距离，从而预测出下一加工位的位置。
实施例2
本实施例与实施例1的区别参见图3，其中旋转装置中的第一同步轮4-2与第二同步轮4-4替换为第一齿轮4-6与第二齿轮4-7，第一齿轮4-6与第二齿轮4-7啮合，第一齿轮4-6由第二齿轮4-7带动转动。
实施例3
本实施例与实施例1的区别参见图4，其中电机替换为具有中空轴的电机4，电机的中空轴4-8直接与旋转装置固定连接，光纤一5与光纤四12可以直接穿过电机的中空轴。电机直接带动旋转装置做360度旋转运动。此外，其他的机械传动方式亦可使用在本发明的旋转装置中，比如蜗轮蜗杆传动。
实施例4
本发明提供一种预测随动式激光加工装置的控制方法，采用实施例1～3中任一的预测随动式激光加工装置，其控制方法如下：
步骤1、获取当前检测区域中加工位零位的参数；
步骤2、控制激光加工头在Z轴方向上上下扫描，并通过光谱仪接收到的光谱信号；将光谱信号与标定曲线进行归一化处理，得到反射光强最强烈的光谱频率；
步骤3、将反射光强最强烈的光谱频率换算成检测光斑与加工表面的距离，从而预测出下一加工位的位置；
步骤4、根据步骤3中得到的预测出下一加工位的位置调整激光头在Z轴方向的位置；
步骤5、重复步骤3，4直到完成加工。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种预测距随动式激光加工装置，包括激光加工单元和光学检测单元，其特征在于：还包括旋转装置(4)，所述旋转装置(4)内设置有激光加工单元和光学检测单元，带动激光加工单元和光学检测单元围绕加工光路的主轴(14)做360°转动；
所述激光加工单元用于发射激光束(1)并汇聚成加工光斑(15)，所述光学检测单元包括检测光源(2)，所述检测光源(2)用于发射检测光斑(16)，所述检测光斑(16)到达加工表面(17)后再返回至光谱仪(3)，用于检测距离；
所述加工光斑(15)由出光点一(6)发出，所述检测光斑(16)由出光点二(10)发出，所述出光点一(6)与出光点二(10)之间具有离心距离D1，当加工光斑(15)到达加工表面(17)时，由于加工光斑(15)与检测光斑(16)之间的距离为D2，从而检测光斑(16)预先到达下一加工位，预测下一加工位的位置。
2.根据权利要求1所述的一种预测距随动式激光加工装置，其特征在于：所述旋转装置(4)包括壳体(4-1)，所述壳体(4-1)内设置有电机(4-5)，所述电机(4-5)驱动第二同步轮(4-4)转动，所述第二同步轮(4-4)通过同步带(4-3)与第一同步轮(4-2)连接，所述第一同步轮(4-2)带动激光加工单元和光学检测单元围绕主轴(14)转动。
3.根据权利要求1所述的一种预测距随动式激光加工装置，其特征在于：所述激光加工单元发射激光束(1)，所述激光束(1)一侧设置有出光点一(6)，所述出光点一(6)的一侧设置有准直镜(7)，所准直镜(7)的一侧设置有聚焦单元(8)；所述激光束(1)通过光纤一(5)到达出光点一(6)，所述激光束(1)经由出光点一(6)出发经由准直镜(7)准直，然后经过聚焦单元(8)聚成加工光斑。
4.根据权利要求1所述的一种预测距随动式激光加工装置，其特征在于：所述检测光源(2)用于发射检测光斑，所述检测光源(2)的一侧设置有光纤分束/耦合器(9)，所述光纤分束/耦合器(9)的一侧设置有出光点二(10)，所述出光点二(10)与准直镜(7)相邻；所述检测光斑通过光纤三(11)到达光纤分束/耦合器(9)，所述检测光斑通过光纤四(12)到达出光点二(10)，所述检测光斑由出光点二(10)出发经由准直镜(7)准直，然后经过聚焦单元(8)聚成形成最终的检测光斑聚焦于加工表面(17)。
5.根据权利要求4所述的一种预测距随动式激光加工装置，其特征在于：所述最终的检测光斑在检测完加工表面后，沿原路，经由聚焦单元(8)、准直镜(7)返回至出光点二(10)形成返回检测光，所述返回检测光经由光纤四(12)、光纤分束/耦合器(9)进入光纤二(13)到达光谱仪(3)，光谱仪(3)接收到光谱信号得到光谱频率，所述光谱频率用于换算成检测光斑与加工表面的距离，而预测出下一加工位的位置。
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