CN115178860A - 激光加工头、用于激光加工的检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工头、用于激光加工的检测系统和检测方法。所述激光加工头包括：透镜组件、喷嘴、分光镜组件和成像组件，其中，基于实时采集的熔池图像和喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者是否超过阈值，所述喷嘴初始数据为每次更换喷嘴后对该更换的喷嘴进行标定而获得的该更换的喷嘴在所采集熔池图像中的相关数据。所述检测系统包括前述激光加工头、数据处理单元和控制单元，其可对喷嘴进行标定以获得所述喷嘴初始数据，基于实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者，并当喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时发出报警。所述检测方法与上述检测系统相对应。

Description

激光加工头、用于激光加工的检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，更具体地涉及激光加工头、用于激光加工的检测系统和检测方法。

背景技术

激光加工技术因为具有高效率、高精度等优点，已经广泛应用在金属加工领域。激光加工头是激光加工设备的核心部件。激光通过加工头内部的准直镜和聚焦镜，以聚焦高能光束的形式从加工头的喷嘴出射，在同样经由喷嘴出射的辅助气体的协助下，对加工材料进行诸如切割之类的加工。为了保证加工质量，在加工过程中，激光必须位于喷嘴中心(也就是本领域中常说的“对中”)，并且喷嘴轮廓必须完整，以保证加工激光和辅助气体的相互作用具有各向同性。否则就可能出现喷嘴烧毁、加工件单边挂渣、四边不一致等问题。因此，需要对上述“对中”和喷嘴轮廓进行检测。

一种检测方法是由加工人员在喷嘴表面贴胶纸或十字金属丝，接着在低功率情况下，在0焦位置低功率激光点射，并观察点射形成的孔洞与喷嘴或金属丝的相对位置，从而判断加工激光与喷嘴的同轴度，即，是否对中。这种方法是在加工前进行的，虽然成本低廉，但是因为依靠肉眼识别，所以误差较大，且容易受操作者主观判断影响；而且，机械加工和装配误差导致在0焦和高焦位置处激光在水平方向会发生偏移，因此无法保证检测的准确性。另外有一种检测方法是利用外置视觉传感器，通过在喷嘴处外置成像系统，同时拍摄激光以及喷嘴影像，通过轮廓提取来判断喷嘴损伤，计算光束与喷嘴之间的相对位置，并定量分析对中偏移情况。这种方法虽然相比上述人工检测方法提高了检测的准确性，但因为在加工过程中该外置视觉传感器是无法工作的，所以同样仅限于在非加工时间进行检测。

然而，在实际加工过程中，工件碰擦、粘渣、热辐射等会损坏原本正常的喷嘴，而且高功率激光的热透镜效应(镜片吸收激光能量，导致透镜内部折射率变化，从而使激光焦点的位置发生变化)也会影响激光对中的准确性。所以相比加工前检测，更加需要的是在激光加工过程中能够实时检测喷嘴轮廓的完整程度和对中偏移程度，这样才能保证加工精度和稳定性。

目前，最常用的加工过程中的检测手段，是由有经验的操作工通过连续不断地观察来发现加工火花异常、落料不稳定等现象后，再停机进行检测。这会影响良品率，也会使加工效率降低，还给操作员带来了极大的工作量。

还有一种实时检测的方法是利用集成在加工头内部的视觉模块来检测喷嘴轮廓和对中偏移量，但这种方法必需同时内置照明源来照亮喷嘴及板材表面，否则无法进行检测，因此存在成本高、维护难的问题。

因此，亟需一种新的技术能在激光加工过程中方便、快捷且低成本地对喷嘴轮廓及激光对中进行精确且稳定的实时检测。

发明内容

本发明就旨在克服现有技术中的上述和/或其它问题。通过本发明所提供的激光加工头、用于激光加工的检测系统和检测方法，可以在不内置照明源的情况下对喷嘴轮廓和激光对中进行精确且稳定的实时检测，从而有效地提升激光加工的效率和稳定性。

根据本发明的第一方面，提供一种激光加工头，包括透镜组件、喷嘴、分光镜组件和成像组件。所述透镜组件用于将激光汇聚到加工表面，该汇聚的激光穿过所述喷嘴到达所述加工表面。所述分光镜组件设置在所述透镜组件和所述喷嘴之间。所述成像组件包括视觉传感器。熔池发出的辐射光穿过所述喷嘴由所述分光镜组件汇聚到所述成像组件，所述视觉传感器实时采集熔池图像。基于所述实时采集的熔池图像和喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者是否超过阈值，所述喷嘴初始数据为每次更换喷嘴后对该更换的喷嘴进行标定而获得的该更换的喷嘴在所采集熔池图像中的相关数据。

本发明的激光加工头特别在每次更换喷嘴后就对该更换的喷嘴进行标定，该标定所需要的亮度借助经由分光镜组件到达成像组件的熔池辐射光就可以获得，而且有了该标定所获得的喷嘴初始数据，从只借助熔池辐射光所采集的熔池图像就可以对喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者进行实时检测，由此在不使用内置照明源的情况下巧妙地实现了低成本、高稳定性的喷嘴检测和对中检测功能。

较佳地，根据本发明的激光加工头可进一步包括设置在所述分光镜组件和所述喷嘴之间的保护镜，用于防止飞溅的金属熔渣损伤所述透镜组件、所述分光镜组件和所述成像组件。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述成像组件可相对于加工光束同轴成像。这样的设置可使激光加工头的内部空间更加紧凑。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述分光镜组件可包括二向色镜，用于将加工光束几乎完全透射到所述喷嘴，同时将所述熔池发出的辐射光几乎完全反射到所述成像组件。由此，可在不影响加工光束能量的情况下，将喷嘴收集的加工过程辐射信息反射至成像组件，以利于所述视觉传感器采集到均匀、稳定的图像。

根据本发明的第二方面，提供一种用于激光加工的检测系统，其包括根据本发明的激光加工头、数据处理单元和控制单元。所述控制单元用于控制所述激光加工头和所述数据处理单元，包括：对所述喷嘴进行标定，以使所述数据处理单元基于所述视觉传感器所采集到的熔池图像获得所述喷嘴初始数据；控制所述数据处理单元基于所述视觉传感器实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者；和当所述喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，发出报警。

根据本发明的第三方面，提供一种用于激光加工的检测方法，包括如下步骤：a)对激光加工头的喷嘴进行标定，以获得所述喷嘴在视觉传感器所采集到的熔池图像中的相关数据，并将该相关数据作为喷嘴初始数据；b)基于所述视觉传感器实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者；以及c)当所述喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，发出报警。

上述检测系统和检测方法通过激光加工头、数据处理单元和控制单元之间的配合来进行实时检测，特别因为对喷嘴预先进行标定而得到了喷嘴初始数据，所以即便没有内置照明源，只要基于该喷嘴初始数据和实时采集的熔池图像，也能够准确判定喷嘴损伤度和对中偏移量是否超出阈值，并在超出阈值时进行相应报警和处理，使得能够在喷嘴损伤和/或对中偏移将影响加工效果之前作出调整。由此，可在降低成本的情况下保证激光加工过程的稳定性，提高加工效率和良品率。

上述对喷嘴的标定只要在准备进行实时检测之前进行即可，但较佳地是在每次更换喷嘴后就进行，因为这样可以更准确地判断出喷嘴是否损伤以及激光是否对中。

较佳地，对所述喷嘴进行标定时，可使激光点射出光，以在加工表面上形成熔池，接着可由所述视觉传感器采集所形成熔池的图像，再对该图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴初始数据。

所述喷嘴初始数据可包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。这些参数可被用来作为判定喷嘴损伤度和对中偏移量的基准。

较佳地，在确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者的过程中，所述视觉传感器可实时采集在激光加工过程中形成在加工表面上的熔池的图像，再对该实时采集的熔池的图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据，接着可基于所述喷嘴初始数据、所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。

所述喷嘴的实时数据可包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度，所述熔池的实时数据可包括熔池宽度和熔池中心。将这些参数与喷嘴初始数据中的喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度进行比对并进行相应计算，可快速、准确地确定喷嘴损伤度和对中偏移量。

较佳地，在本发明的检测系统和检测方法中，可从所述喷嘴吹出辅助气体以防止飞溅的金属熔渣损伤所述激光加工头。

根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时可实现如上所述的根据本发明的检测方法。

通过下面结合附图的详细描述，本发明的其它特征和方面会变得更加清楚。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的激光加工头的示意图；

图2示意性地示出了根据本发明的激光加工头的一个实例；

图3示出了根据本发明的用于激光加工的检测系统的结构框图；

图4(a)和图4(b)分别示出了根据本发明对喷嘴进行标定过程中获取的原始熔池图像以及标定了喷嘴相关参数后的熔池图像；

图5示出了激光加工过程中实时采集的熔池图像；

图6是根据本发明的用于激光加工的检测系统的一个操作实例的流程图；

图7为根据本发明的用于激光加工的检测方法的流程图；

图8示出了根据本发明的用于激光加工的检测方法中的喷嘴标定的一种实现方式；以及

图9示出了根据本发明的用于激光加工的检测方法中的检测喷嘴损伤度和对中偏移量的一种实现方式。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于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精神的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请的说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

根据本发明的实施例，提供一种激光加工头。

参考图1，其中示出了根据本发明的激光加工头100。该激光加工头100包括透镜组件110、喷嘴120、分光镜组件130和成像组件140。

如图1所示，透镜组件110用于将激光汇聚到加工表面，该汇聚的激光穿过喷嘴120到达加工表面。激光与加工表面相互作用会形成熔融金属区域，即，熔池。本发明的激光加工头100特别在透镜组件110和喷嘴120之间设置了分光镜组件130，熔池发出的辐射光穿过喷嘴120将被该分光镜组件130汇聚到成像组件140。该成像组件140包括有视觉传感器1410，可实时采集熔池图像。本发明的激光加工头在每次更换喷嘴后就对该更换的喷嘴进行标定，并由此获得该更换的喷嘴在所采集熔池图像中的相关数据作为喷嘴初始数据，基于该喷嘴初始数据，再结合视觉传感器1410实时采集的熔池图像可确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者是否超过阈值。该喷嘴标定和对喷嘴损伤度及对中偏移量的确定可以通过对成像组件140集成控制器或处理器来实现，也可以在激光加工头100内部额外设置控制/处理装置或由激光加工头100外部的控制/处理装置来实现。

在现有技术中，为了实时检测喷嘴轮廓和激光是否对中，需要将视觉传感器集成在激光加工头的内部，但这样所采集的熔池图像极不稳定且亮度也很低，根本无法从中识别出喷嘴轮廓，也无法判定激光是否对中。因此，需要额外的内置照明源来提供足够的亮度，以采集到稳定且均匀的熔池图像，并从中识别喷嘴轮廓并判定激光是否对中。而本发明的激光加工头却可以不需要上述内置照明源，也能实时地检测喷嘴轮廓的损伤度和激光是否对中。

发明人创新地在每次更换喷嘴后对该更换的喷嘴进行标定，从而可以预先获得喷嘴在该内置视觉传感器所采集的熔池图像中的对应初始数据，也即，获得喷嘴在该内置视觉传感器所采集的熔池图像中应该具有的各参数。本发明的激光加工头还通过巧妙地设置分光镜组件，从而可使熔池发出的辐射光被内置视觉传感器充分采集到，所以只需要熔池发出的辐射光就可以实现上述对喷嘴的标定。有了该预先标定所得的喷嘴初始数据，在激光加工过程中，只需要同样在熔池辐射光的照耀下由同样的内置视觉传感器实时采集熔池图像并作相应处理，就能获得喷嘴在该内置视觉传感器所采集的熔池图像中所具有的实时参数，由此，基于该喷嘴的实时参数和之前获得的初始参数以及从熔池图像中提取的激光焦点位置，可以准确地判定喷嘴轮廓是否损伤以及激光是否对中，而完全不需要额外内置照明源，这显著降低了设备成本，还节省了原本为了维护内置照明源而耗费的人工成本，更避免了因为内置照明源的故障而导致无法对喷嘴轮廓和激光对中进行实时检测。

可选地，上述激光加工头100可进一步在分光镜组件130和喷嘴120之间设置保护镜125，其可用于防止飞溅的金属熔渣损伤透镜组件110、分光镜组件130和成像组件140。

可选地，成像组件140可相对于加工光束同轴成像。同轴成像是指，成像组件140的主光路(光轴)与加工光束的主光路(光轴)重合(或平行)。相比于成像组件的主光路与加工光束的主光路垂直或成其它角度，成像组件相对于加工光束同轴成像可使激光加工头的内部空间更加紧凑。

可选地，分光镜组件130可包括二向色镜，用于将加工光束几乎完全透射到喷嘴120，同时将所述熔池发出的辐射光几乎完全反射到成像组件140。二向色镜的特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。这里的“几乎完全”表示大于99％。比如，如果加工光束的波长大于900nm，那么可以选用对于波长大于900nm的光束几乎完全通过、同时对于波长小于900nm的光束几乎完全反射的二向色镜，由此可在不影响加工光束能量的情况下，将喷嘴收集的加工过程辐射信息几乎完全反射至成像组件140，从而使内置的视觉传感器1410在充足的亮度下采集到更加均匀和稳定的图像。

图2示意性地示出了上述激光加工头100的一个实例。

如图2所示，透镜组件110可例如由准直镜113和聚焦镜114组成，且在分光镜组件130和喷嘴120之间设置保护镜125。光纤出射的加工激光经过准直镜113准直后，通过聚焦镜114以汇聚的形式穿过保护镜125和喷嘴120聚焦到加工件的表面进行加工。

分光镜组件130可包括如上所述的二向色镜132，二向色镜132可倾斜地设置在聚焦镜114和保护镜125之间。分光镜组件130还可包括比如反射镜133，如图2所示，该反射镜133可将二向色镜132反射过来的光束进一步反射给成像组件。假设加工光束的波长大于700nm，可以选用对于波长大于700nm的光束透射率>99％而对于波长小于700nm的光束反射率>99％的二向色镜132，从而可以在不影响加工光束能量的情况下，将喷嘴120收集的熔池辐射光几乎全部反射给反射镜133。可设置反射镜133的倾斜角度，以使其将从二向色镜132反射过来的辐射光束以平行于加工光束的方向反射给成像组件140。

如图2所示，成像组件140除了包括视觉传感器1410之外，还可包括比如滤光片144和镜头145。该镜头145可以比如是高分辨率镜头，且该视觉传感器1410可以比如是高分辨率多通道视觉传感器，例如，激光加工头中内置的相机等。成像组件140相对于加工光束同轴成像，从反射镜133反射而来的熔池辐射光束通过滤光片144以及高分辨率镜头145，被高分辨率多通道视觉传感器1410采集。

激光加工头100在每次更换喷嘴后就对该新喷嘴进行标定，以获得当前新喷嘴在所采集熔池图像中的相关数据作为喷嘴初始数据。在激光加工头100进行加工时，视觉传感器1410实时采集熔池图像。激光加工头100还集成有处理器(图中未示出)，用于基于所述标定所得的喷嘴初始数据和实时采集的熔池图像确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者是否超过阈值，并可以在喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时通知工作人员做出应对措施。

根据本发明的实施例，还提供一种用于激光加工的检测系统。

参考图3，其中示出了根据本发明的用于激光加工的检测系统300。该检测系统300包括如上所述的激光加工头100、数据处理单元320和控制单元340。控制单元340控制整个检测系统300的运行，包括移动激光加工头100、使激光加工头100出光等，还包括控制数据处理单元320基于视觉传感器1410所采集的数据进行分析和计算，以及在需要的时候发出报警提示等。数据处理单元320具有强大的运算能力，可以快速从视觉传感器1410所采集的熔池图像中提取有用信息，并实现对喷嘴损伤度和对中偏移量的判定，也因此激光加工头100中可以不再配置用于实现喷嘴标定和对喷嘴损伤度及对中偏移量进行判定的处理/控制装置。

另外，控制单元340可以比如是电脑或工控机。数据处理单元320可以比如与控制单元340共用一台电脑或工控机，也可以采用单独的电脑或单工控机，或者可以是嵌入式数据处理模块，例如如前面所述地集成到激光加工头100中。

在激光加工头100每次更换喷嘴后，控制单元340控制整个检测系统300对新更换的喷嘴进行标定，数据处理单元320基于视觉传感器1410所采集到的熔池图像获得喷嘴初始数据，即，喷嘴120在视觉传感器1410所采集的熔池图像中的对应初始数据。之后，在激光加工过程中，控制单元340继续控制视觉传感器1410实时采集熔池图像，并控制数据处理单元320基于该实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。当喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，检测系统300发出报警，以通知操作人员进行更换或调试。

本发明的检测系统同样可以在没有内置照明源的情况下实时地检测喷嘴轮廓的损伤度和激光是否对中。激光加工头、控制单元和数据处理单元互相配合，通过在实时检测前创新地对喷嘴进行标定，为实时检测提供了精确的参数基准，使得只要在熔池辐射光的亮度下实时采集熔池图像，就可以基于喷嘴标定所得的喷嘴初始数据和实时采集的熔池图像准确地判断出喷嘴是否损伤以及激光是否对中，由此彻底摆脱了对内置照明源的依赖，大大降低了设备成本和维护成本。

可选地，在对喷嘴120进行标定时，控制单元340控制整个检测系统300工作如下：使激光点射出光，以在加工表面上形成熔池；视觉传感器1410采集所形成熔池的图像，数据处理单元320对该图像进行筛选和处理以得到喷嘴初始数据。

视觉传感器1410会采集到多个熔池图像，这些熔池图像不一定都包含真正对应喷嘴的图像，所以数据处理单元320需要先根据喷嘴的实际大小、形状等参数筛选出符合真实喷嘴的图像。如果符合筛选条件(比如，喷嘴的实际大小和形状)的图像有多个，可以将这些图像进行叠加，使用该叠加后的图像进行处理，可进一步提高检测精度。接着，再对筛选或叠加后的图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取等操作，计算出跟喷嘴相关的参数作为喷嘴初始参数。

对喷嘴进行标定，可以获得喷嘴在视觉传感器所采集到的数据中的位置。所述喷嘴初始数据可例如包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。图4(a)示出了根据喷嘴实际物理参数筛选后得到的熔池图像，中间明亮部分即对应熔池。通过对该熔池图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取等操作，可以得到如图4(b)中所示的喷嘴轮廓B和喷嘴中心C，相应地也掌握了喷嘴圆度和喷嘴轮廓大小。该图4(b)即为完成了喷嘴标定后的熔池图像。上述喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度可以存入数据处理单元320中，也可以存入其它存储装置中，以便于在后续实时检测中作为参照对象。

可选地，在对喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者进行实时检测过程中，控制单元340控制整个检测系统300工作如下：视觉传感器1410实时采集在激光加工过程中形成在加工表面上的熔池的图像；数据处理单元320对所述实时采集的熔池的图像进行筛选和处理以得到喷嘴120的实时数据和熔池的实时数据；接着，数据处理单元320再基于之前得到的喷嘴初始数据、实时得到的喷嘴的实时数据和熔池的实时数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。

同样地，视觉传感器1410所实时采集的熔池图像不一定都包含真正对应喷嘴的图像，所以数据处理单元320需要先剔除不符合真实喷嘴的图像，即，如在喷嘴标定过程中那样进行筛选(若有多个图像符合筛选条件，则同样可以将这些图像进行叠加)，此处不再赘述。

接着，数据处理单元320再次对筛选后的图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取等操作，以计算出跟喷嘴相关的实时参数，即，喷嘴的实时数据。该喷嘴的实时数据也可以包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度等。这个过程也与前面标定喷嘴的过程相同。再将实时得到的喷嘴轮廓与之前喷嘴初始数据中的喷嘴轮廓进行比对，便可以准确地判定当前喷嘴的损伤程度。

同时，数据处理单元320也会通过对筛选后的图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取、边界拟合等操作，再结合光束加工方向的信息，来得到跟熔池相关的实时参数，即，熔池的实时数据。该熔池的实时数据可包括熔池宽度和熔池中心。例如，在激光切割的加工过程中，可以在与切割方向(加工表面所在平面的X-Y水平方向)垂直的方向(垂直于X-Y平面的Z轴方向)上检测熔池宽度和熔池中心位置，其中，熔池宽度正比于激光焦点在Z轴方向(切割深度方向)上的位置，熔池中心为激光焦点在X-Y方向(切割方向)上的位置。实时采集的熔池图像即为沿着Z轴方向拍摄的X-Y平面的图像，如图5中所示，熔池中心在熔池宽度C的中垂线B上，而喷嘴中心在A点处。因为只要比较喷嘴中心与熔池中心在X-Y方向上的差异，而实时采集的熔池图像本就是沿着Z轴方向拍摄的X-Y平面的图像，所以只要确定A点到中垂线B的距离，就可以准确地判定当前的对中偏移量(若A点与中垂线B重合，则说明激光对中)。

可选地，为了更好地保护激光加工头100，控制单元340可以控制从喷嘴120吹出辅助气体，以防止飞溅的金属熔渣从喷嘴120穿过而损伤其它部件。特别当在分光镜组件130和喷嘴120之间设置了保护镜125时，从喷嘴120吹出的辅助气体可以防止飞溅的金属熔渣从喷嘴120穿过而对保护镜125的下表面造成损伤。

以下结合图6详细描述上述检测系统300的一个操作实例。

如图6中所示，在更换喷嘴后，对喷嘴120进行标定。具体地，控制单元340控制激光加工头100移动至距离加工板材的上表面例如50～100mm高度的位置，接着激光以比如500W～2000W的功率点射出光，用以在板材表面形成均匀稳定的熔池。熔池发出的辐射以可见光的形式照亮喷嘴120，视觉传感器1410可以采集到均匀、稳定的熔池图像。在此过程中，控制单元340控制辅助气体以比如1～2bar的气压从喷嘴120吹出，以防止飞溅的金属熔渣从喷嘴120穿过而损伤到设置在分光镜组件130和喷嘴120之间的保护镜125的下表面。

数据处理单元320先在视觉传感器1410所采集的熔池图像中筛选得到符合喷嘴实际大小的图像，并将所有符合喷嘴实际大小的图像进行叠加，接着对该叠加后的图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取等操作，以计算得到喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度，并将这些参数作为喷嘴初始数据存储在数据处理单元320中。可以设置一个喷嘴标定周期(比如大约10秒)，在这个周期中，如果数据处理单元320无法筛选出符合喷嘴实际大小的图像，则激光加工头100将继续在相同的高度以相同功率的激光点射出光，视觉传感器1410也将继续采集熔池图像，直到数据处理单元320能从采集的熔池图像筛选出符合喷嘴实际大小的图像。如果直到这个周期结束，数据处理单元320仍然无法筛选出符合喷嘴实际大小的图像，那么可以提示用户重新标定，即，可以改变激光加工头100距离加工板材上表面的高度以及出射激光功率中的至少一者来重新在板材表面形成均匀稳定的熔池，并由视觉传感器1410采集熔池图像，这期间还可以配合地改变辅助气体的气压。

完成喷嘴标定后，激光加工头100开始对加工板材进行加工，检测系统300相应地也在控制单元340的控制下开始实时检测。本实例以中厚板激光切割过程为例，但需要说明的是，其它的激光加工处理同样适用于本发明。

中厚板激光切割过程中会伴随着穿孔指令，以作为下一刀切割指令的开始。穿孔过程同样会在板材表面形成明亮的熔池，其辐射的可见光也可以照亮喷嘴。视觉传感器1410可以采集到均匀、稳定的熔池图像，并由数据处理单元320对这些熔池图像进行筛选和处理，以再次得到可确定当前喷嘴轮廓的喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度，这个筛选和处理的过程与上述喷嘴标定相同，此处不再赘述。虽然每级穿孔过程只有几百毫秒，但是视觉传感器1410为高帧率视觉传感器，所以仍然可以采集到几十帧图像供数据处理单元320进行数据筛选。数据处理单元320将上述穿孔过程中检测到的喷嘴轮廓与喷嘴标定后存储的喷嘴轮廓进行对比，从而可以实时掌握喷嘴120的损伤情况。当喷嘴损伤超过阈值时，检测系统300发出报警或直接使激光加工头暂停工作，以使操作人员可以及时做出诸如修补喷嘴或更换喷嘴的应对措施。

同时，数据处理单元320还对切割过程中实时采集的熔池图像进行筛选，并进行二值化、阈值分割、轮廓提取、边界拟合等操作，再结合控制单元340所提供的切割方向信息，可以得到熔池宽度和熔池中心。数据处理单元320通过对比喷嘴轮廓中心的位置与激光焦点的位置在切割方向上的差异，可以实时检测激光是否对中，并且当激光不对中时可以获知对中偏移量。当对中偏移量超过阈值时，检测系统300发出报警或直接使激光加工头暂停工作，以使操作人员可以及时调试激光加工头100中的各个部件或采用其它合适的补救措施来使激光对中或对中偏移量不超过阈值。

可基于加工要求和加工精度等来设置上述喷嘴损伤度和对中偏移量的阈值。在该阈值范围内，即便喷嘴轮廓有一定损伤或激光不对中，也不会出现喷嘴烧毁、切割件单边挂渣、四边不一致等问题。

至此，描述了根据本发明的用于激光加工的检测系统，其可以在没有内置照明源的情况下对喷嘴轮廓和激光对中进行高稳定和高精度的实时检测，从而在降低成本的同时显著地提高了激光加工的效率和稳定性。

根据本发明的实施例，还相应地提供一种用于激光加工的检测方法。

参考图7，其中示出了根据本发明的用于激光加工的检测方法700。该方法700包括步骤720至步骤760。

在步骤720中，可对激光加工头的喷嘴进行标定，以获得所述喷嘴在视觉传感器所采集到的熔池图像中的相关数据，并将该相关数据作为喷嘴初始数据。该激光加工头可以是前述根据本发明的激光加工头，也可以是其它激光加工头。

在步骤740中，可基于所述视觉传感器实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。

在步骤760中，当所述喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，可发出报警。

上述步骤720只要在准备进行实时检测之前进行即可，但较佳地是在每次更换喷嘴后就进行，从而可更准确地判断出喷嘴是否损伤以及激光是否对中。

可选地，步骤720可进一步包括子步骤722和子步骤724，如图8所示。

在子步骤722中，可使激光点射出光，以在加工表面上形成熔池。

在子步骤724中，可通过所述视觉传感器采集所形成熔池的图像，并对该图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴初始数据。该喷嘴初始数据可包括比如喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。

可选地，步骤740可进一步包括子步骤742至子步骤746，如图9所示。

在子步骤742中，可通过所述视觉传感器实时采集在激光加工过程中形成在加工表面上的熔池的图像。

在子步骤744中，可对所述实时采集的熔池的图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据。

在子步骤746中，可基于所述喷嘴初始数据、所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。该喷嘴的实时数据可例如包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。该熔池的实时数据可例如包括熔池宽度和熔池中心。

可选地，在检测方法700的操作过程中，可从所述喷嘴吹出辅助气体以防止飞溅的金属熔渣损伤所述激光加工头。

上述检测方法700与根据本发明的用于激光加工的检测系统相对应。上述在本发明的用于激光加工的检测系统中适用的很多设计构思和细节同样适用于上述检测方法700，且可以得到相同的有益技术效果，此处不再赘述。

根据本发明的实施例，还提供一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时可实现上述用于激光加工的检测方法。所述计算机可读存储介质可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘读/写(CD-R/W)驱动器、数字通用磁盘(DVD)驱动器、闪存驱动器和/或固态存储装置等。

以上通过一些示例性实施例对本发明的各个方面进行了描述。然而，应该理解的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以对上述示例性实施例做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，也可以实现合适的结果，那么相应地，这些修改后的其它实施方式也落入权利要求书的保护范围内。

Claims (17)

1.一种激光加工头，包括：

透镜组件，用于将激光汇聚到加工表面；

喷嘴，所述汇聚的激光穿过该喷嘴到达所述加工表面；

分光镜组件，设置在所述透镜组件和所述喷嘴之间；以及

成像组件，包括视觉传感器，

其中，熔池发出的辐射光穿过所述喷嘴由所述分光镜组件汇聚到所述成像组件，所述视觉传感器实时采集熔池图像，并且

其中，基于所述实时采集的熔池图像和喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者是否超过阈值，所述喷嘴初始数据为每次更换喷嘴后对该更换的喷嘴进行标定而获得的该更换的喷嘴在所采集熔池图像中的相关数据。

2.如权利要求1所述的激光加工头，进一步包括设置在所述分光镜组件和所述喷嘴之间的保护镜，用于防止飞溅的金属熔渣损伤所述透镜组件、所述分光镜组件和所述成像组件。

3.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述成像组件相对于加工光束同轴成像。

4.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述分光镜组件包括二向色镜，用于将加工光束几乎完全透射到所述喷嘴，同时将所述熔池发出的辐射光几乎完全反射到所述成像组件。

5.一种用于激光加工的检测系统，包括：

如权利要求1-4中任一项所述的激光加工头；

数据处理单元；以及

控制单元，用于控制所述激光加工头和所述数据处理单元，包括：

对所述喷嘴进行标定，以使所述数据处理单元基于所述视觉传感器所采集到的熔池图像获得所述喷嘴初始数据；

控制所述数据处理单元基于所述视觉传感器实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者；和

当所述喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，发出报警。

6.如权利要求5所述的检测系统，其特征在于，对所述喷嘴进行标定时，所述控制单元被进一步配置为：

使激光点射出光，以在加工表面上形成熔池；以及

控制所述视觉传感器采集所形成熔池的图像，并控制所述数据处理单元对该图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴初始数据。

7.如权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述喷嘴初始数据包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。

8.如权利要求5所述的检测系统，其特征在于，在确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者的过程中，所述控制单元被进一步配置为：

控制所述视觉传感器实时采集在激光加工过程中形成在加工表面上的熔池的图像；

控制所述数据处理单元对所述实时采集的熔池的图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据；以及

控制所述数据处理单元基于所述喷嘴初始数据、所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。

9.如权利要求8所述的检测系统，其特征在于，所述喷嘴的实时数据包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度，所述熔池的实时数据包括熔池宽度和熔池中心。

10.如权利要求5至9中任一项所述的检测系统，其特征在于，所述控制单元被进一步配置为：

从所述喷嘴吹出辅助气体以防止飞溅的金属熔渣损伤所述激光加工头。

11.一种用于激光加工的检测方法，包括如下步骤：

a)对激光加工头的喷嘴进行标定，以获得所述喷嘴在视觉传感器所采集到的熔池图像中的相关数据，并将该相关数据作为喷嘴初始数据；

b)基于所述视觉传感器实时采集的熔池图像和所述喷嘴初始数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者；以及

c)当所述喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者超过阈值时，发出报警。

12.如权利要求11所述的检测方法，其特征在于，所述步骤a)在每次更换喷嘴后进行且包括：

使激光点射出光，以在加工表面上形成熔池；以及

通过所述视觉传感器采集所形成熔池的图像，并对该图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴初始数据。

13.如权利要求12所述的检测方法，其特征在于，所述喷嘴初始数据包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度。

14.如权利要求11所述的检测方法，其特征在于，所述步骤b)包括：

通过所述视觉传感器实时采集在激光加工过程中形成在加工表面上的熔池的图像；

对所述实时采集的熔池的图像进行筛选和处理以得到所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据；以及

基于所述喷嘴初始数据、所述喷嘴的实时数据和所述熔池的实时数据来确定喷嘴损伤度和对中偏移量中的至少一者。

15.如权利要求14所述的检测方法，其特征在于，所述喷嘴的实时数据包括喷嘴轮廓大小、喷嘴中心和喷嘴圆度，所述熔池的实时数据包括熔池宽度和熔池中心。

16.如权利要求11至15中任一项所述的检测方法，其特征在于，从所述喷嘴吹出辅助气体以防止飞溅的金属熔渣损伤所述激光加工头。

17.一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时实现如权利要求11至16中任一项所述的检测方法。

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