CN114211140B - 一种激光双摆轴的光束指向调节方法 - Google Patents
一种激光双摆轴的光束指向调节方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种激光双摆轴的光束指向调节方法,通过该方法可大幅减小由于光束与激光双摆轴加工头的转轴存在夹角而导致焦点位置产生变化的问题。本发明方法通过精确标定激光光束与双摆轴激光加工头的回转轴线之间的偏差,并精密调节入射光束的角度及位移,使光束与双摆轴激光加工头的两个回转轴线保持重合,从而提升了双摆轴加工头的光束指向精度。
Description
技术领域
本发明属于激光精密制造领域,具体涉及一种激光双摆轴的光束指向调节方法。
背景技术
目前,在复杂曲面零件的激光加工中,五轴联动激光加工方法是实现此类零件的常用技术,而激光双摆轴加工头是五轴联动激光加工设备的核心部件,其制造性能直接决定了零件三维面型的加工精度。
根据激光双摆轴加工头的激光束传输方式不同,大体可将其分为两类:一、使用光纤传输方式。该类激光双摆轴加工头直接将激光光纤搭载于加工头上,在加工过程中光纤随着加工头一起旋转及摆动,从而实现零件的激光加工。此类加工头的光束通过光纤后可直接作用于零件,没有中间传动误差,加工精度容易保证;二、使用“硬光路”传输方式。由于激光光源性质的不同,部分激光器目前无法使用光纤进行光束的传输,如CO2激光器、超快激光器等。对于这类激光器,只能通过外部光路系统将光束导入激光双摆轴加工头,并在加工头内部设置反射镜等导光系统,从而实现加工过程中光束的旋转及摆动,此类光束传输形式为“硬光路”传输。采用“硬光路”传输的激光双摆轴加工头的激光光束由于受加工头安装面平整度、光束准直等因素影响,精度不易保证。
采用“硬光路”传输的激光双摆轴加工头如图1所示,其中C轴带动反射镜1在XY平面内进行360°回转,A轴带着反射镜2及聚焦镜可实现垂直于XY平面内的±90°摆动。在实际应用中,由于加工头C轴的定子通常安装于机床Z轴,因此根据双摆轴加工头的内部结构特点,光束的准直以及双摆轴加工头安装面等均会影响聚焦后光束的位置精度,而产生位置偏差的主要因素为激光束与C轴、A轴轴线之间存在夹角。如图2所示为光束的传输方向与C轴线之间存在夹角而导致的焦点位置产生了变化。
针对上述问题,目前所采用的调整方法为:研磨激光双摆轴加工头C轴安装面,使之与机床Z轴垂直,之后以机床Z轴为基准,上下移动Z轴(通常情况下,激光双摆轴加工头安装在五轴激光设备的Z轴上,以此实现加工头的上下移动),并观察光束位置的变化,通过调节安装于机床上的反射镜实现光束与Z轴运动方向平行。由于C轴安装面已经与机床Z轴垂直,因此在此状态下,光束基本垂直进入C轴。但是,该方法存在如下问题:1、对于激光双摆轴加工头C轴安装面的平面度以及与Z轴之间的垂直度要求极高,并且研磨过程中需要以机床XZ轴垂直度为基准,如机床XZ轴的垂直度不好,则安装面的精度无法保证;2、通常情况下,双摆轴加工头的内部反射镜均在线下通过经纬仪、自准直仪等进行了精密装调,因此,当加工头安装于机床后不再对该反射镜进行调整。但是当加工头安装于机床时,进入加工头的光束姿态很难实现与线下装调时完全一致,从而导致A轴轴线与光束之间存在夹角,进而产生焦点位置的变化。
发明内容
本发明提供了一种激光双摆轴的光束指向调节方法,通过该方法可大幅减小由于光束与激光双摆轴加工头的转轴存在夹角而导致焦点位置产生变化的问题,对于提升基于“硬光路”激光双摆轴的五轴加工系统的制造精度具有重要意义。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种激光双摆轴的光束指向调节方法,包括以下步骤:
步骤一、在飞秒激光器与双摆轴加工头之间设置第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜,在聚焦头的上方设置同轴相机;
步骤二、设置飞秒激光器的输出功率,将被加工试件水平放置在加工平台上;
步骤三、保持A轴不动,将C轴旋转至角度N,开启飞秒激光器,在被加工试件上加工第一标记点,随后通过同轴相机记录此时第一标记点在同轴相机靶面上的坐标,即获取第一标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤四、将C轴旋转至角度180+N,移动加工平台,通过同轴相机寻找到步骤三加工的第一标记点,使得激光焦点与第一标记点在同轴相机靶面上的坐标重合,随后开启飞秒激光器,在被加工试件上加工第二标记点,并在同轴相机的靶面上记录此时第二标记点坐标,即获取第二标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤五、在相机图像坐标系中,将步骤三获取的第一标记点和步骤四获取的第二标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤六、参照步骤三至步骤五,在被加工试件上加工第三标记点、第四标记点,在相机图像坐标系中,第三标记点、第四标记点的连线与第一标记点、第二标记点的连线垂直,随后记录第三标记点、第四标记点连线的中点坐标;
步骤七、计算步骤五的中点坐标和步骤六的中点坐标的平均值,得到中点平均坐标,并通过调整第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜中的任意两个,使聚焦后的激光焦点位置移动到中点平均坐标,并确保激光从C轴中心穿过,此时激光与C轴轴线重合;
步骤八、保持C轴不动,将被加工试件竖直放置,将A轴旋转至角度M,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件;开启飞秒激光器,在被加工试件上加工第五标记点,并在同轴相机的靶面上记录此时的第五标记点坐标,即获取第五标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤九、将A轴旋转至角度180+M,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件;开启飞秒激光器,在被加工试件上加工第六标记点,并在同轴相机的靶面上记录此时的第六标记点坐标,即获取第六标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤十、通过同轴相机测量并记录步骤七以及步骤八所加工两点连线的中点坐标,即在相机图像坐标系中,将步骤八获取的第五标记点和步骤九获取的第六标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤十一、调整第四反射镜,使聚焦后的激光焦点位置移动到步骤十所计算出中点坐标位置,即同轴相机坐标位置,并确保激光从A轴中心穿过,此时激光束与A轴轴线重合。
进一步地,步骤三中,将C轴旋转至0°,步骤四中,将旋转C轴至180°。
进一步地,步骤八中,将C轴旋转至+90°,步骤九,旋转A轴至-90°。
进一步地,步骤二中,飞秒激光器的输出功率为0.5w~1w。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明方法通过精确标定激光光束与双摆轴激光加工头的回转轴线之间的偏差,并精密调节入射光束的角度及位移,使光束与双摆轴激光加工头的两个回转轴线保持重合,从而提升了双摆轴加工头的光束指向精度。
2.通过本发明方法可有效解决由于激光双摆轴入射光束不垂直、激光双摆轴及其机床安装面的装配误差而导致的加工头转动时聚焦光束指向精度差,从而限制五轴激光加工设备的加工精度等问题。此外,本发明方法为激光双摆轴提供了在线装调方法,可最大程度简化激光双摆轴的装调机构,降低装调成本,并可高效的实现激光双摆轴加工头精度调节。
附图说明
图1为现有采用硬光路传输的激光双摆轴加工头示意图;
图2为光束的传输方向与C轴线之间的夹角导致的焦点位置产生变化的示意图;
图3为本发明实现本发明方法的加工系统示意图。
附图标记:1-飞秒激光器,2-第一反射镜、3-第二反射镜,4-第三反射镜,5-C轴定子,6-C轴转子,7-第一转接件,8-第四反射镜,9-A轴定子,10-A轴转子,11-同轴相机,12-第二转接件,13-聚焦镜,14-被加工试件。
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。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理,目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种激光双摆轴的光束指向调节方法,通过该方法可改善现有双摆轴激光加工头的精度,进而大幅度提升五轴激光加工系统的加工精度,同时对于提升激光制造水平具有重要意义。该方法通过精确标定激光光束与双摆轴激光加工头的回转轴线之间的偏差,并精密调节入射光束的角度及位移,使光束与双摆轴激光加工头的两个回转轴线保持重合,从而提升了双摆轴加工头的光束指向精度。
如图3所示,实现本发明方法的激光加工系统包含飞秒激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、C轴定子5、C轴转子6、第一转接件7、第四反射镜8、A轴定子9、A轴转子10、同轴相机11、第二转接件12、聚焦头以及被加工试件14。其中,飞秒激光器1用于为加工系统提供光源;第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4可实现加工头上方光束角度及位置的调整;C轴定子5与加工设备相连,C轴转子6用于实现加工头在XY水平面内0°~360°旋转;第一转接件7用于固定第四反射镜8,并且固定于A轴定子9上;A轴转子10用于实现加工头在垂直于XY平面内的±90°摆动;聚焦镜13将光束聚焦后作用于被加工试件14上;同轴相机11用于检测激光焦点在相机靶面上的位置。
在加工系统中,激光束分别经第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4的反射,进入双摆轴加工头,之后通过第四反射镜8、聚焦头中的第五反射镜以及聚焦镜13实现光束聚焦。
本发明通过调整第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第四反射镜8实现激光束与双摆轴加工头的AC轴轴线的平行/重合,进而大幅提升了激光双摆轴加工头的加工精度,具体调整步骤如下:
步骤一、在飞秒激光器1与双摆轴加工头之间设置第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4,在聚焦头的上方设置同轴相机11;
步骤二、设置飞秒激光器1的输出功率为0.5W~1W,将被加工试件14水平放置在加工平台上;
步骤三、保持A轴不动,将C轴旋转至0°,开启飞秒激光器1,在被加工试件14上加工第一标记点,随后通过同轴相机11记录此时第一标记点在同轴相机11靶面上的坐标,即获取第一标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤四、将旋转C轴至180°,移动加工平台,通过同轴相机11寻找到步骤三加工的第一标记点,使得激光焦点与第一标记点在同轴相机11靶面上的坐标重合,随后开启飞秒激光器1,在被加工试件14上加工第二标记点,并在同轴相机11的靶面上记录此时第二标记点坐标,即获取第二标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤五、在相机图像坐标系中,将步骤三获取的第一标记点和步骤四获取的第二标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤六、参照步骤三至步骤五,在被加工试件(14)上加工第三标记点、第四标记点,在相机图像坐标系中,第三标记点、第四标记点的连线与第一标记点、第二标记点的连线垂直,随后记录第三标记点、第四标记点连线的中点坐标;
步骤七、计算步骤五的中点坐标和步骤六的中点坐标的平均值,得到中点平均坐标,并通过调整第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4中的任意两个,使聚焦后的激光焦点位置移动到中点平均坐标,并确保激光从C轴中心穿过,此时激光与C轴轴线重合;
步骤八、保持C轴不动,将被加工试件14竖直放置,旋转A轴至+90°,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件14;开启飞秒激光器1,在被加工试件14上加工第五标记点,并在同轴相机11的靶面上记录此时的第五标记点坐标,即获取第五标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤九、旋转A轴至-90°,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件14;开启飞秒激光器1,在被加工试件14上加工第六标记点,并在同轴相机11的靶面上记录此时的第六标记点坐标,即获取第六标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤十、通过同轴相机11测量并记录步骤七以及步骤八所加工两点连线的中点坐标,即在相机图像坐标系中,将步骤八获取的第五标记点和步骤九获取的第六标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤十一、调整第四反射镜8,使聚焦后的激光焦点位置移动到步骤十所计算出中点坐标位置,即同轴相机11坐标位置,并确保激光从A轴中心穿过,此时激光束与A轴轴线重合。
Claims (4)
1.一种激光双摆轴的光束指向调节方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、在飞秒激光器(1)与双摆轴加工头之间设置第一反射镜(2)、第二反射镜(3)和第三反射镜(4),在聚焦头的上方设置同轴相机(11);
步骤二、设置飞秒激光器(1)的输出功率,将被加工试件(14)水平放置在加工平台上;
步骤三、保持A轴不动,将C轴旋转至角度N,开启飞秒激光器(1),在被加工试件(14)上加工第一标记点,随后通过同轴相机(11)记录此时第一标记点在同轴相机(11)靶面上的坐标,即获取第一标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤四、将C轴旋转至角度180+N,移动加工平台,通过同轴相机(11)寻找到步骤三加工的第一标记点,使得激光焦点与第一标记点在同轴相机(11)靶面上的坐标重合,随后开启飞秒激光器(1),在被加工试件(14) 上加工第二标记点,并在同轴相机(11)的靶面上记录此时第二标记点坐标,即获取第二标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤五、在相机图像坐标系中,将步骤三获取的第一标记点和步骤四获取的第二标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤六、参照步骤三至步骤五,在被加工试件(14)上加工第三标记点、第四标记点,在相机图像坐标系中,第三标记点、第四标记点的连线与第一标记点、第二标记点的连线垂直,随后记录第三标记点、第四标记点连线的中点坐标;
步骤七、计算步骤五的中点坐标和步骤六的中点坐标的平均值,得到中点平均坐标,并通过调整第一反射镜(2)、第二反射镜(3)和第三反射镜(4)中的任意两个,使聚焦后的激光焦点位置移动到中点平均坐标,并确保激光从C轴中心穿过,此时激光与C轴轴线重合;
步骤八、保持C轴不动,将被加工试件(14)竖直放置,将A轴旋转至角度M,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件(14);开启飞秒激光器(1),在被加工试件(14)上加工第五标记点,并在同轴相机(11)的靶面上记录此时的第五标记点坐标,即获取第五标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤九、将A轴旋转至角度180+M,使聚焦头的焦点位置对准被加工试件(14);开启飞秒激光器(1),在被加工试件(14)上加工第六标记点,并在同轴相机(11)的靶面上记录此时的第六标记点坐标,即获取第六标记点在相机图像坐标系中的坐标;
步骤十、通过同轴相机(11)测量并记录步骤七以及步骤八所加工两点连线的中点坐标,即在相机图像坐标系中,将步骤八获取的第五标记点和步骤九获取的第六标记点连线,并获取连线的中点坐标;
步骤十一、调整第四反射镜(8),使聚焦后的激光焦点位置移动到步骤十所计算出中点坐标位置,即同轴相机(11)坐标位置,并确保激光从A轴中心穿过,此时激光束与A轴轴线重合。
2.根据权利要求1所述的激光双摆轴的光束指向调节方法,其特征在于:步骤三中,将C轴旋转至0°,步骤四中,将C轴旋转 至180°。
3.根据权利要求1所述的激光双摆轴的光束指向调节方法,其特征在于:步骤八中,将A轴旋转至+90°,步骤九,旋转A轴至-90°。
4.根据权利要求1或2或3所述的激光双摆轴的光束指向调节方法,其特征在于:步骤二中,飞秒激光器(1)的输出功率为0.5w~1w。
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