CN114178723B - 一种折叠光路激光切割头调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光切割系统调试方法，具体涉及一种折叠光路激光切割头调试方法。采用液晶面板以及面阵相机测量光束位置、姿态以及光斑能量分布，使激光切割头调试过程中数据量化，确保入射光束从切割入口中心垂直入射，提高折叠光路激光切割头的切割精度，克服因目前无有效可靠调试手段，从而导致此类折叠光路激光切割头的切割精度较低的技术问题。

Description

一种折叠光路激光切割头调试方法

技术领域

本发明涉及一种激光切割系统调试方法，具体涉及一种折叠光路激光切割头调试方法。

背景技术

激光切割是一种先进的加工技术，通过聚焦到材料表面产生的热效应或高密度激光高能光子引发的光化学反应实现材料去除，有以下优势：1.加工材料无选择性；2.可调控参数多样，制造精度高；3.非接触加工，无道具磨损。同时，激光切割还具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、适应性好及维护成本低等优点。基于上述优势，目前激光切割已经大规模应用于工业生产中，通常情况下金属是激光切割的主要对象，其他加工对象还有塑料、陶瓷、硅片、玻璃等。

激光切割头是激光切割设备的核心器件之一，其性能直接决定切割质量和切割效率，为了实现较厚材料的切割，且切割边缘更为平整，通常会采用激光光学元器件实现长焦深的汇聚光束输出，并进行加工，可以使切面垂直且具有较好加工品质。

输出长焦深汇聚光束的激光切割头可以通过多种光学原理实现，目前效果较好的是采用锥透镜以及光学透镜配合实现，为了将切割头的轴向尺寸减小，方便在设备上安装，通常采用反射镜进行折转，形成折叠光路的激光切割头，其结构如图1所示，包括依次设置在激光器出射光路中的多维可调电动反射镜二3、多维可调电动反射镜一2及激光切割头1，其中激光切割头1内沿入射光路依次设置锥透镜、平凸透镜、反射镜及聚焦物镜。该类切割头安装调试时要保证入射光束从激光切割头1的入口中心垂直入射，目前无有效可靠调试手段，从而导致此类折叠光路激光切割头的切割精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效可靠的折叠光路激光切割头调试方法，确保入射光束从切割入口中心垂直入射，提高折叠光路激光切割头的切割精度，克服因目前无有效可靠调试手段，从而导致此类折叠光路激光切割头的切割精度较低的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种折叠光路激光切割头调试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)、去除激光切割头的聚焦物镜，保留锥透镜、平凸透镜及反射镜；

步骤2)、将可控液晶面板安装在激光切割头的入光口处，要求液晶面板的中心与激光切割头的入光口中心重合；

步骤3)、将面阵探测器安装在激光切割头原聚焦物镜安装接口处，保证面阵探测器的中心与聚焦物镜安装接口中心重合；

步骤4)、控制可控液晶面板上显示圆孔图案，此时可控液晶面板只在圆孔区域内透光；

步骤5)、调整激光器输出功率至最小可出射功率，光束经过多维可调电动反射镜二和多维可调电动反射镜一后经过可控液晶面板进入激光切割头，调整多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角，使光束大致从可控液晶面板的中心进入激光切割头；

步骤6)、通过面阵探测器接收经过激光切割头中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的圆形光斑；

步骤7)、分析面阵探测器采集到的光斑能量分布，并计算出光斑能量中心位置，并与光斑外形中心位置比较，若两者距离差值小于阈值，则执行步骤8)；若两者距离差值大于阈值，则微调多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角，直至光斑能量中心位置与外形中心位置距离差值小于阈值；

步骤8)、控制可控液晶面板上显示十字图案，此时液晶面板只在十字线透光；

步骤9)、通过面阵探测器接收经过激光切割头中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

步骤10)、对面阵探测器接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器中的位置(x1,y1)；

步骤11)、沿聚焦物镜光轴方向移动面阵探测器，移动距离为L；

步骤12)、再次通过面阵探测器接收经过激光切割头中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

步骤13)、对面阵探测器接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器中的位置(x2,y2)；

步骤14)、根据步骤10)及步骤13)中确定的十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器中的位置，计算多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角：

多维可调电动反射镜一水平方向转角：

多维可调电动反射镜一垂直方向转角：

多维可调电动反射镜二X方向位移量：

多维可调电动反射镜二Y方向位移量：

其中f为激光切割头中平凸透镜焦距，δ为激光切割头中锥镜锥角；

步骤15)、按照上述计算的数值，微调多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角；

步骤16)、将面阵探测器从激光切割头聚焦物镜安装处拆卸，并安装原有聚焦物镜；

步骤17)、打开激光器，控制可控液晶面板全部透光，采用面阵探测器接收经过聚焦物镜后的光束，要求面阵探测器远离聚焦光斑焦点位置；

步骤18)、分析面阵探测器采集到的圆形光环光斑图像，若光环能量分布均匀则调试完毕；若光环肉眼可见能量分布不均，则再次通过控制器微调多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角，直至光环能量分布均匀。

进一步地，步骤11)采用直线电机沿聚焦物镜光轴方向移动面阵探测器。

本发明的有益效果是：

本发明采用液晶面板以及面阵相机测量光束位置、姿态以及光斑能量分布，使激光切割头调试过程中数据量化，加快调试效率，并保证调试完成后切割头的光路一致性。

附图说明

图1为折叠光路激光切割头光路示意图；

图2为实施例调试过程中搭建的调试系统光路示意图；

图3为实施例指示调试系统中多维可调电动反射镜一和多维可调电动反射镜二位移和转角的示意图；

图4为实施例调试过程中拆卸面阵探测器，安装原有聚焦物镜后调试系统光路示意图；

图5为实施例调试过程中采用面阵探测器接收经过聚焦物镜后的光束示意图；

图中附图标记为：1—折叠光路激光切割头；2—多维可调电动反射镜一；3—多维可调电动反射镜二；4—可控液晶面板；5—面阵探测器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

折叠光路激光切割头系统如图1所示，包括依次设置在激光器出射光路中的多维可调电动反射镜二3、多维可调电动反射镜一2及激光切割头1，其中激光切割头1内沿入射光路依次设置锥透镜、平凸透镜、反射镜及聚焦物镜。

本发明提出了一种上述折叠光路激光切割头调试方法，具体步骤如下：

1)去除激光切割头1的聚焦物镜，只在激光切割头1上保留锥透镜、平凸透镜及反射镜；

2)如图2所示，将可控液晶面板4安装在激光切割头1的入光口处，要求液晶面板中心与入光口中心重合；此处可通过提高机械加工精度来保证液晶面板中心与入光口中心重合；

3)将面阵探测器5安装在激光切割头1原聚焦物镜安装接口处，保证面阵探测器中心与物镜安装接口中心重合；此处可通过提高机械加工精度来保证面阵探测器中心与物镜安装接口中心重合；

4)在可控液晶面板4的控制器上进行编程，使可控液晶面板4图案变成圆孔图案，此时可控液晶面板4只在圆孔区域内透光；

5)调整激光器输出功率至最小可出射功率，光束经过多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3后经过可控液晶面板4进入激光切割头1，调整多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3位移和转角，使光束大致从可控液晶面板中心进入切割头；

6)通过面阵探测器5接收经过激光切割头1中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的圆形光斑；

7)分析面阵探测器5采集到的光斑能量分布，并计算出光斑能量中心位置，并与光斑外形中心位置比较，若两者距离差值小于阈值，则继续进行下一步；若两者距离差值大于阈值，则微调多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3位移和转角，直至光斑能量中心位置与外形中心位置距离差值小于阈值；

8)在可控液晶面板4的控制器上进行编程，使液晶面板图案变成十字图案，此时液晶面板只在十字线透光；

9)通过面阵探测器5接收经过激光切割头1中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

10)对面阵探测器5接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器5中的位置(x1,y1)；

11)采用直线电机沿聚焦物镜光轴方向移动面阵探测器5，移动距离为L；

12)再次通过面阵探测器5接收经过激光切割头1中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

13)对面阵探测器5接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器5中的位置(x2,y2)；

14)结合步骤10)与步骤13)中，十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器5中的位置，计算多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3位移和转角，参见图3：

多维可调电动反射镜一2水平方向转角：

多维可调电动反射镜一2垂直方向转角：

多维可调电动反射镜二3X方向位移量：

多维可调电动反射镜二3Y方向位移量：

其中f为激光切割头中平凸透镜焦距，δ为激光切割头中锥镜锥角；

15)按照上述计算的数值，通过控制器微调多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3位移和转角；

16)将面阵探测器5从激光切割头1聚焦物镜安装处拆卸，并安装原有聚焦物镜，如图4所示；

17)打开激光，控制可控液晶面板全部透光，采用面阵探测器5接收经过聚焦物镜后的光束，要求探测器远离聚焦光斑焦点位置(原理距离要确保，不损坏探测器的前提下能观测到光斑)，如图5所示；

18)分析面阵探测器采集到的圆形光环光斑图像，若光环能量分布均匀则调试完毕；若光环肉眼可见能量分布不均，则再次通过控制器微调多维可调电动反射镜一2和多维可调电动反射镜二3位移和转角，直至光环能量分布均匀。

Claims (2)

1.一种折叠光路激光切割头调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、去除激光切割头(1)的聚焦物镜，保留锥透镜、平凸透镜及反射镜；

步骤2)、将可控液晶面板(4)安装在激光切割头(1)的入光口处，确保可控 液晶面板(4)的中心与激光切割头(1)的入光口中心重合；

步骤3)、将面阵探测器(5)安装在激光切割头(1)原聚焦物镜安装接口处，保证面阵探测器(5)的中心与聚焦物镜安装接口中心重合；

步骤4)、控制可控液晶面板(4)上显示圆孔图案，此时可控液晶面板(4)只在圆孔区域内透光；

步骤5)、调整激光器输出功率至最小可出射功率，光束经过多维可调电动反射镜二(3)和多维可调电动反射镜一(2)后经过可控液晶面板(4)进入激光切割头(1)，调整多维可调电动反射镜一(2)和多维可调电动反射镜二(3)位移和转角，使光束从可控液晶面板(4)的中心进入激光切割头(1)；

步骤6)、通过面阵探测器(5)接收经过激光切割头(1)中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的圆形光斑；

步骤7)、分析面阵探测器(5)采集到的光斑能量分布，并计算出光斑能量中心位置，并与光斑外形中心位置比较，若两者距离差值小于阈值，则执行步骤8)；若两者距离差值大于阈值，则微调多维可调电动反射镜一(2)和多维可调电动反射镜二(3)位移和转角，直至光斑能量中心位置与外形中心位置距离差值小于阈值；

步骤8)、控制可控液晶面板(4)上显示十字图案，此时可控 液晶面板只在十字线透光；

步骤9)、通过面阵探测器(5)接收经过激光切割头(1)中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

步骤10)、对面阵探测器(5)接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器(5)中的位置(x1,y1)；

步骤11)、沿聚焦物镜光轴方向移动面阵探测器(5)，移动距离为L；

步骤12)、再次通过面阵探测器(5)接收经过激光切割头(1)中锥透镜、平凸透镜、反射镜后的十字光斑；

步骤13)、对面阵探测器(5)接收的图像进行分析，得到十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器(5)中的位置(x2,y2)；

步骤14)、根据步骤10)及步骤13)中确定的十字光斑两条直线交叉点在面阵探测器(5)中的位置，计算多维可调电动反射镜一(2)和多维可调电动反射镜二(3)位移和转角：

多维可调电动反射镜一(2)水平方向转角：

多维可调电动反射镜一(2)垂直方向转角：

多维可调电动反射镜二(3)X方向位移量：

多维可调电动反射镜二(3)Y方向位移量：

其中f为激光切割头中平凸透镜焦距，δ为激光切割头中锥透 镜锥角；

步骤15)、按照上述计算的数值，微调多维可调电动反射镜一(2)和多维可调电动反射镜二(3)位移和转角；

步骤16)、将面阵探测器(5)从激光切割头(1)聚焦物镜安装处拆卸，并安装原有聚焦物镜；

步骤17)、打开激光器，控制可控液晶面板全部透光，采用面阵探测器(5)接收经过聚焦物镜后的光束，要求面阵探测器(5)远离聚焦光斑焦点位置；

步骤18)、分析面阵探测器采集到的圆形光环光斑图像，若光环能量分布均匀则调试完毕；若光环肉眼可见能量分布不均，则再次通过控制器微调多维可调电动反射镜一(2)和多维可调电动反射镜二(3)位移和转角，直至光环能量分布均匀。

2.根据权利要求1所述的折叠光路激光切割头调试方法，其特征在于：步骤11)采用直线电机沿聚焦物镜光轴方向移动面阵探测器(5)。

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