CN115415683A - 激光加工头、激光加工系统和激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工头、激光加工系统和激光加工方法。该激光加工头包括：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加工表面；第一分光镜组件，设置在透镜组件和喷嘴之间，其中熔池发出的辐射光穿过喷嘴被第一分光镜组件反射，同时所述汇聚的激光透射穿过第一分光镜组件；第二分光镜组件，用于将从第一分光镜组件反射的辐射光分成第一部分和第二部分；成像单元，用于接收第一部分的辐射光并采集喷嘴和熔池的图像；以及穿孔感测单元，用于接收第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据，其中，基于喷嘴和熔池的图像检测喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，同时基于穿孔相关数据判断穿孔情况。

Description

激光加工头、激光加工系统和激光加工方法

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、激光加工系统和激光加工方法。

背景技术

近些年随着激光器技术的发展，激光加工技术因为加工效率高、对板材热影响小的优点，正逐步取代一些传统加工方式。例如，可以对中厚板进行激光切割，这个过程中会伴随着穿孔(切割前在板材表面打孔，用作排除熔渣的通道)指令，以作为下一刀切割指令的开始。穿孔情况直接影响到激光切割质量，比如，穿孔质量不好，就会影响切割断面质量，甚至出现挂渣、切不透等现象，又比如，如果穿孔时间不够，会造成爆孔，穿孔时间过长，又会降低切割效率，因此需要及时掌握穿孔情况。

一般在激光切割过程中，操作工通过不断观察来及时掌握穿孔情况并做出相应调整。但这种方式显然在精确性、稳定性和高效性方面都越来越难以适应激光加工的需要。所以，渐渐地开始引入穿孔传感器，比如将其集成在激光加工头中，通过该穿孔传感器采集穿孔过程中的辐射信号，由此可以快速检测穿孔过程是否完成或者切割是否切透。

然而，这些穿孔传感器不在加工激光的光路中，在使用的喷嘴较小、或者对厚板穿孔等加工过程的辐射信号夹角较小的情况下，检测精度会降低甚至失效。

因此，亟需一种新的技术能在激光加工过程中方便、及时且精确地监控穿孔情况，以有利于激光加工的稳定性和高效性。

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、激光加工系统和激光加工方法，即便在小喷嘴、厚板材等辐射角度很小的情况下也能在监控喷嘴和激光焦点的同时快速、精确、稳定地检测穿孔过程是否完成或者切割是否切透，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，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；第一分光镜组件，设置在所述透镜组件和所述喷嘴之间，其中熔池发出的辐射光穿过所述喷嘴被所述第一分光镜组件反射，同时所述汇聚的激光透射穿过所述第一分光镜组件；第二分光镜组件，用于将从所述第一分光镜组件反射的辐射光分成第一部分和第二部分；成像单元，用于接收所述第一部分的辐射光并采集所述喷嘴和所述熔池的图像；以及穿孔感测单元，用于接收所述第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据，其中，基于所述喷嘴和所述熔池的图像检测喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，同时基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况。

本发明的激光加工头巧妙地采用了两个分光镜组件，不仅可以通过采集穿孔过程中的同轴辐射信号来实现在小喷嘴、厚板材等辐射角度很小的情况下的穿孔检测，还可以基于对熔池和喷嘴的同轴视觉成像来监控焦点偏移情况，从而避免因为采集同轴辐射导致的焦点偏移而使激光加工不稳定。

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第一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、所述第一分光镜组件、所述第二分光镜组件、所述成像单元和所述穿孔感测单元。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述第一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第二分光镜组件，以用于进行穿孔检测和同轴视觉成像。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传递给成像单元和穿孔感测单元，从而利于获得均匀、稳定的熔池和喷嘴图像并可具有足够的辐射信息用于穿孔检测。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述穿孔感测单元可包括：穿孔分光镜，用于将所述第二部分的辐射光分成多个光束；穿孔滤光片，用于分别使所述多个光束中各个所期望波段的光透射通过；以及穿孔传感器，用于接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。由此，可以检测加工过程辐射中的不同波段信息，并基于该不同波段信息来判断不同材质的板材是否穿透或切透。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述穿孔感测单元还可包括：穿孔聚焦镜，设置在所述穿孔滤光片与所述穿孔传感器之间，用于汇聚透射通过所述穿孔滤光片的光束。由此，可以增加穿孔传感器的信号幅值，提升所采集信号的信噪比。

上述穿孔分光镜可包括第一穿孔分光镜，用于将所述第二部分的辐射光分成第一光束和第二光束；所述穿孔滤光片可包括第一穿孔滤光片和第二穿孔滤光片，用于分别使所述第一光束和所述第二光束中各个所期望波段的光透过；所述穿孔传感器可包括第一穿孔传感器和第二穿孔传感器，用于分别接收所述第一光束和所述第二光束中所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据；所述穿孔聚焦镜可包括第一穿孔聚焦镜和第二穿孔聚焦镜，分别设置在所述第一穿孔滤光片与所述第一穿孔传感器之间以及所述第二穿孔滤光片与所述第二穿孔传感器之间。由此，可将进入穿孔感测单元的加工过程辐射信息分成两部分来分别透过特定波段的光，以作为采集的数据供穿孔传感器进行穿孔检测。

更进一步地，上述穿孔分光镜还可以包括第二穿孔分光镜和/或第三穿孔分光镜，所述第二穿孔分光镜用于将所述第一穿孔聚焦镜所汇聚的光束进一步分成第三光束和第四光束分别被第三穿孔传感器和第四穿孔传感器接收并转化成穿孔相关数据，所述第三穿孔分光镜用于将所述第二穿孔聚焦镜所汇聚的光束进一步分成第五光束和第六光束分别被第五穿孔传感器和第六穿孔传感器接收并转化成穿孔相关数据。由此，可以采集到更多波段的信息用于穿孔检测。

较佳地，在根据本发明的激光加工头中，所述穿孔感测单元可包括：穿孔聚焦镜，用于汇聚所述第二部分的辐射光；传导光纤，用于传导经所述穿孔聚焦镜汇聚的辐射光并使该传导后的辐射光分为多路光束；滤光片阵列，用于使所述多路光束中所期望波段的光透射通过；以及传感器阵列，用于接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。这样的设计成本更低，尺寸更小，还可以提升光能耦合效率。

根据本发明的第二方面，提供一种激光加工系统，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。所述数据处理单元用于基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况。所述控制单元配置为：控制所述激光加工头执行当前加工指令，同时将所述成像单元所采集的图像和从所述穿孔感测单元得到的穿孔相关数据传送给所述数据处理单元；控制所述数据处理单元计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者并判断穿孔情况；和根据所述数据处理单元的计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者，同时根据所述穿孔情况发出下一步加工指令。

上述激光加工系统因为采用了根据本发明的激光加工头，所以在数据处理单元和控制单元的配合下可以在监控喷嘴和/或激光焦点的同时准确掌握穿孔情况，由此生成加工指令，可有效地保证加工质量并提升加工效率。

根据本发明的第三方面，提供一种激光加工方法，包括如下步骤：激光加工头执行当前加工指令，同时将熔池发出的辐射光分成第一部分和第二部分；通过所述激光加工头的成像单元接收所述第一部分的辐射光并采集所述激光加工头的喷嘴和熔池的图像，同时通过所述激光加工头的穿孔感测单元接收所述第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据；基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况；以及根据所述计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者，同时根据所述穿孔情况发出下一步加工指令。

上述激光加工方法通过将辐射光分成两部分，分别用于采集喷嘴和熔池的图像以及生成穿孔相关数据，由此可在监控喷嘴和/或激光焦点的同时准确掌握穿孔情况，由此生成加工指令，可有效地保证加工质量并提升加工效率。

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激光加工方法。

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激光加工头从成像单元获取的图像所提取的各个参数的实例；

图4(a)～图4(e)分别示出了根据本发明的激光加工头的穿孔感测单元的不同实现方式；

图5示出了根据本发明的激光加工系统的结构框图；

图6为根据本发明的激光加工方法的流程图；以及

图7示出了现有技术中穿孔传感器的设置。

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、第一分光镜组件130、第二分光镜组件140、成像单元150和穿孔感测单元160。

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之间设置了第一分光镜组件130，熔池发出的辐射光穿过喷嘴120被该第一分光镜组件130反射，同时所述汇聚的激光透射穿过第一分光镜组件130。本发明的激光加工头100还特别设置了第二分光镜组件140，用于将从第一分光镜组件130反射的辐射光分成第一部分Beam_辐射1和第二部分Beam_辐射2。成像单元150接收Beam_辐射1并从中采集喷嘴和熔池的图像。穿孔感测单元160接收Beam_辐射2并基于该Beam_辐射2得到穿孔相关数据。激光加工头100可基于成像单元150采集的喷嘴和熔池的图像检测喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，同时可基于穿孔感测单元160得到的穿孔相关数据判断穿孔情况，这个过程可以通过分别对成像单元150和穿孔感测单元160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，为了及时掌握穿孔情况，一般会引入旁轴穿孔传感器，其所采集信号的方向与激光加工束的光轴成一定夹角，从传感器方向观察，所采集的信号是“斜着看”的，如图7所示。但这种旁轴传感器不在加工激光的光路中，因此在使用的喷嘴较小、或者对厚板穿孔等加工过程的辐射信号夹角较小的情况下，其检测精度会降低甚至失效。但若要采用同轴穿孔传感器，即，所采集的信号垂直于传感器照射，则必然要使用具有明显热透镜效应(镜片吸收激光能量，导致透镜内部折射率变化，形成类似透明的光程分布，从而使激光焦点的位置发生变化)的二向色镜。为了保证加工质量，在激光加工过程中，需要激光位于喷嘴中心(也就是“对中”)，而热透镜效应将会引起焦点偏移喷嘴中心，即，不对中，这会降低加工的稳定性。因为这个技术障碍，所以一直以来仍然主要使用旁轴穿孔传感器来掌握穿孔情况。

发明人进过大量的研究和实验，发现可以通过巧妙的设计来同时集成熔池检测功能和穿孔检测功能，在保证激光对中的同时使穿孔传感器采集同轴辐射。先通过一个分光镜组件来获得来自熔池的同轴辐射信息，再将该同轴辐射信息通过另一个分光镜组件传递给穿孔感测单元和成像单元。穿孔感测单元采集同轴辐射来得到穿孔相关数据，因此即便在使用的喷嘴较小、或者对厚板穿孔等加工过程的辐射信号夹角较小的情况下也仍然不会影响检测精度。而加工过程中因为热透镜效应所引起的激光不对中，则可以通过基于成像单元所采集的喷嘴和熔池的图像所进行的检测来监控和补偿。由此，在有效保证激光对中的情况下快速采集来自熔池的同轴辐射信息，即便在小喷嘴、厚板材等辐射角度很小的情况下也能快速检测穿孔过程是否完成以及是否切透。

事实上，本发明的激光加工头不仅可以在感测穿孔情况的同时监控激光是否对中，还可以同时基于成像单元所采集的喷嘴和熔池的图像来检测喷嘴完整度和/或熔池缝宽。在激光加工中，比如激光切割工艺中，喷嘴轮廓完整程度、穿孔质量、激光焦点位置等因素都会影响切割断面质量，甚至出现挂渣、切不透等现象，本发明的激光加工头可以同时对这些重要参数进行全面的实时检测，并在这些参数超出预设的阈值范围时及时提醒工作人员，停止加工操作、修改参数或更换配件等，这大大地提高了激光加工的稳定性和效率。

可选地，上述激光加工头100可进一步在第一分光镜组件130和喷嘴120之间设置保护镜，其可用于防止飞溅的金属熔渣损伤透镜组件110、第一分光镜组件130、第二分光镜组件140、成像单元150和穿孔感测单元160。

可选地，第一分光镜组件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第二分光镜组件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800nm，那么可以选用对于波长大于800nm的光束几乎完全通过、同时对于波长小于800nm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传递给成像单元150和穿孔感测单元160，以利于获得均匀、稳定的熔池和喷嘴图像并可具有足够的辐射信息用于穿孔检测。

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，且在第一分光镜组件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。

第一分光镜组件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。第一分光镜组件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第二分光镜组件140。假设加工光束的波长大于850nm，可以选用对于波长大于850nm的光束透射率>99％而对于波长小于850nm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第二分光镜组件140。

第二分光镜组件140将接收到的光束进一步分成第一部分Beam_辐射1和第二部分Beam_辐射2，分别提供给成像单元150和穿孔感测单元160。

如图2所示，成像单元150可例如包括视觉传感器157、镜头156和滤光片155。该镜头156可以比如是高分辨率镜头，且该视觉传感器157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。成像单元150相对于加工光束同轴成像(成像单元的主光路(光轴)与加工激光的主光路(光轴)重合)，Beam_辐射1通过滤光片155和高分辨率镜头156，被高分辨率多通道视觉传感器157采集。

穿孔感测单元160可例如包括穿孔传感器163，其可以是具有几千赫兹采集频率的穿孔传感器。如图2所示，该穿孔传感器163所采集的是同轴辐射信息，所以即便在厚板、小喷嘴等辐射角度更小的情况下，加工过程辐射信息的采集也不会受到影响，从而可以保证检测精度。

在激光加工头100进行加工时，穿孔传感器163实时基于Beam_辐射2得到穿孔相关数据，视觉传感器157实时基于Beam_辐射1采集熔池图像和喷嘴图像。激光加工头100还集成有处理器(图中未示出)，用于基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况，并对所述熔池和喷嘴的图像进行二值化、阈值分割、轮廓提取等操作，以提取得到加工过程中喷嘴轮廓完整度、对中偏移量和熔池缝宽，如图3所示。这样，一方面，激光加工头100可以在任何情况下快速检测穿孔过程是否完成或者切割过程是否切透，而不用设定固定的穿孔时间，从而既能防止穿孔时间不够造成的爆孔，又能防止由于穿孔时间过长而降低切割效率；另一方面，无论是因为二向色镜的热透镜效应所导致的对中偏移还是其它因素所导致的喷嘴轮廓不完整等，激光加工头100都能及时地检测出来，并在对中偏移量和/或喷嘴损伤度等超过加工精度所能接受的阈值范围时自动调整加工激光的焦点位置等参数、向工作人员发出警告信息以进行调试或更换部件等，从而闭环调控加工参数，保证加工的稳定性。

以上实例中，穿孔感测单元160包括穿孔传感器163，但实际上穿孔感测单元160还可以有其它配置。

例如，穿孔感测单元160可包括：穿孔分光镜，用于将Beam_辐射2分成多个光束；穿孔滤光片，用于分别使所述多个光束中各个所期望波段的光透射通过；以及穿孔传感器，用于接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。

作为一个实施例，穿孔感测单元160可如图4(a)所示地包括穿孔分光镜161、穿孔滤光片162a和162b、以及穿孔传感器163a和163b。Beam_辐射2进入穿孔感测单元160后被穿孔分光镜161分成两部分Beam_161a和Beam_161b，这两部分光束分别通过穿孔滤光片162a和162b，进入穿孔传感器163a和163b中。穿孔滤光片162a和162b为带通滤光片，其可以选择性地透过特定波段的光，从而可以根据不同的板材、加工切割模式等来选择使用穿孔传感器163a或163b采集到的数据。

作为另一个实施例，穿孔感测单元160也可如图4(b)所示地进一步包括穿孔分光镜165a和165b，其可分别将上述通过穿孔滤光片162a和162b的光束进一步分光后送入对应的穿孔传感器163a～163d，由此可以采集更多波段的信息。

当然，也可以根据需要在穿孔传感器163a～163d与被穿孔分光镜165a和165b进一步分出的光束之间设置穿孔滤光片，从而进一步选择性地透过特定波段的光。

另外，需要特别说明的是，上述图4(b)中进一步包括的穿孔分光镜165a和165b也可以任选其一进行设置，即，可以是通过穿孔滤光片162a的光束被穿孔分光镜165a进一步分光后送入对应的穿孔传感器163a和163c，但通过穿孔滤光片162b的光束仍然被直接送入对应的穿孔传感器163b；也可以是通过穿孔滤光片162b的光束被穿孔分光镜165b进一步分光后送入对应的穿孔传感器163b和163d，但通过穿孔滤光片162a的光束仍然被直接送入对应的穿孔传感器163a。

当然，也可以根据需要，在上述图4(b)的基础上进一步设置穿孔分光镜、对应的穿孔滤光片以及穿孔传感器，以更好地满足对不同波段信息的检测需求。

通过上述穿孔分光镜、穿孔滤光片和穿孔传感器的配置，穿孔感测单元160可以检测加工过程辐射中的不同波段信息，并基于该不同波段信息来判断不同材质的板材是否穿透或切透。

可选地，上述穿孔感测单元160还可包括穿孔聚焦镜，其可设置在所述穿孔滤光片与所述穿孔传感器之间，用于汇聚透射通过所述穿孔滤光片的光束。由此，可以增加穿孔传感器的信号幅值，提升所采集信号的信噪比。

作为一个实施例，可在图4(a)所示的设计中进一步引入穿孔聚焦镜164a和164b，得到图4(c)所示的穿孔感测单元160。如图4(c)所示，穿孔分光镜161将Beam_辐射2分成第一光束Beam_161a和第二光束Beam_161b，穿孔滤光片162a和穿孔滤光片162b分别使Beam_161a和Beam_161b中各个所期望波段的光透过，穿孔聚焦镜164a和穿孔聚焦镜164b分别设置在穿孔滤光片162a与穿孔传感器163a之间以及穿孔滤光片162b与穿孔传感器163b之间。原本发散形式的加工过程辐射信息在通过穿孔聚焦镜164a和穿孔聚焦镜164b之后，分别以汇聚的形式照射在穿孔传感器163a和穿孔传感器163b表面，信号更强。穿孔传感器163a和穿孔传感器163b根据需要分别接收所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。

作为另一个实施例，可在图4(c)所示的设计中进一步引入穿孔分光镜165a和165b以及穿孔传感器163c和163d，得到图4(d)所示的穿孔感测单元160。如图4(d)所示，穿孔分光镜165a将穿孔聚焦镜164a所汇聚的光束进一步分成第三光束Beam_165a1和第四光束Beam_165a2，分别被穿孔传感器163a和163c接收并转化成穿孔相关数据，穿孔分光镜165b将穿孔聚焦镜164b所汇聚的光束进一步分成第五光束Beam_165b1和第六光束Beam_165b2，分别被穿孔传感器163b和163d接收并转化成穿孔相关数据。

此外，穿孔感测单元160还可以采用光纤导光的配置方式。

例如，穿孔感测单元160可如图4(e)所示地包括穿孔聚焦镜166、传导光纤167、滤光片阵列168和传感器阵列169。穿孔聚焦镜166用于汇聚Beam_辐射2，汇聚后的辐射光经过传导光纤167传输后出射。传导光纤167可以包括两根或更多根光纤，其将辐射光分为多路光束后通过滤光片阵列168。滤光片阵列168包括多个滤光片，用于使所述多路光束中所期望波段的光透射通过后被传感器阵列169吸收。传感器阵列169包括多个传感器，用于分别接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。

上述采用光纤导光的穿孔感测单元的设计成本更低，尺寸更小。此外，还可以采用多模光纤或光纤束用作所述传导光纤，以进一步提升光能耦合效率。

根据本发明的实施例，还提供一种激光加工系统。

参考图5，其中示出了根据本发明的激光加工系统500。该激光加工系统500包括如上所述的激光加工头100、数据处理单元200和控制单元300。控制单元300控制整个激光加工系统500的运行，包括执行加工指令、控制数据处理单元200基于成像单元150和穿孔感测单元160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200具有强大的运算能力，可以实时从成像单元150所采集的图像中提取有用信息并实现对喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽的检测，也可以实时从穿孔感测单元160提供的穿孔相关数据判断穿孔情况，也因此激光加工头100中可以不再配置用于检测喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽以及判断穿孔情况的处理/控制装置。

另外，控制单元300可以比如是电脑或工控机。数据处理单元200可以比如与控制单元300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。

控制单元300控制激光加工头100执行当前加工指令，同时将成像单元150所采集的喷嘴和熔池的图像和从穿孔感测单元160得到的穿孔相关数据传送给数据处理单元200。数据处理单元200基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况。控制单元300根据所述穿孔情况发出下一步加工指令，同时根据数据处理单元200的计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者。

当喷嘴损伤和/或对中偏移量超过阈值时，控制单元300可以进行调整、发出报警或直接使激光加工头暂停工作，以方便及时做出诸如调试、修补或更换等应对措施。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。

上述激光加工系统因为采用了根据本发明的激光加工头，所以可以在采集同轴辐射信息的同时消除因为热透镜效应所引起的对中偏移，由此即便在厚板、小喷嘴等辐射角度更小的情况下也能准确、及时地判断穿孔过程是否完成或切割过程是否切透等，同时也不会降低激光加工的稳定性。因为同时集成了熔池检测和穿孔检测功能，本发明的激光加工系统可以在实时掌握穿孔情况的同时对喷嘴完整度和对中偏移量进行监控，由此可有效地保证加工质量并提升加工效率。

根据本发明的实施例，还相应地提供一种激光加工方法。

参考图6，其中示出了根据本发明的激光加工方法600。该方法600包括步骤620至步骤680。

在步骤620中，激光加工头执行当前加工指令，同时可将熔池发出的辐射光分成第一部分和第二部分。该激光加工头可以是前述根据本发明的激光加工头，也可以是其它同时包括成像单元和穿孔感测单元的激光加工头。

在步骤640中，可通过所述激光加工头的成像单元接收所述第一部分的辐射光并采集所述激光加工头的喷嘴和熔池的图像，同时可通过所述激光加工头的穿孔感测单元接收所述第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据。

在步骤660中，可基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并可基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况。

在步骤680中，可根据所述计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者，同时可根据所述穿孔情况发出下一步加工指令。

上述激光加工方法通过将辐射光分成两部分，分别用于采集喷嘴和熔池的图像以及生成穿孔相关数据，由此可在监控喷嘴和/或激光焦点的同时准确掌握穿孔情况，在此基础上生成加工指令，可有效地保证加工质量并提升加工效率。

而且，上述激光加工方法与根据本发明的激光加工系统也相对应。所以在上述本发明的激光加工系统中适用的很多设计构思和细节同样适用于上述激光加工方法，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激光加工方法。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 (11)

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；

第一分光镜组件，设置在所述透镜组件和所述喷嘴之间，其中熔池发出的辐射光穿过所述喷嘴被所述第一分光镜组件反射，同时所述汇聚的激光透射穿过所述第一分光镜组件；

第二分光镜组件，用于将从所述第一分光镜组件反射的辐射光分成第一部分和第二部分；

成像单元，用于接收所述第一部分的辐射光并采集所述喷嘴和所述熔池的图像；以及

穿孔感测单元，用于接收所述第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据，

其中，基于所述喷嘴和所述熔池的图像检测喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，同时基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况。

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第一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、所述第一分光镜组件、所述第二分光镜组件、所述成像单元和所述穿孔感测单元。

3.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述第一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第二分光镜组件。

4.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述穿孔感测单元包括：

穿孔分光镜，用于将所述第二部分的辐射光分成多个光束；

穿孔滤光片，用于分别使所述多个光束中各个所期望波段的光透射通过；以及

穿孔传感器，用于接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。

5.如权利要求4所述的激光加工头，其特征在于，所述穿孔感测单元还包括：

穿孔聚焦镜，设置在所述穿孔滤光片与所述穿孔传感器之间，用于汇聚透射通过所述穿孔滤光片的光束。

6.如权利要求5所述的激光加工头，其特征在于，所述穿孔分光镜包括第一穿孔分光镜，用于将所述第二部分的辐射光分成第一光束和第二光束，

其中，所述穿孔滤光片包括第一穿孔滤光片和第二穿孔滤光片，用于分别使所述第一光束和所述第二光束中各个所期望波段的光透过，

其中，所述穿孔传感器包括第一穿孔传感器和第二穿孔传感器，用于分别接收所述第一光束和所述第二光束中所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据，且

其中，所述穿孔聚焦镜包括第一穿孔聚焦镜和第二穿孔聚焦镜，分别设置在所述第一穿孔滤光片与所述第一穿孔传感器之间以及所述第二穿孔滤光片与所述第二穿孔传感器之间。

7.如权利要求6所述的激光加工头，其特征在于，所述穿孔分光镜还包括第二穿孔分光镜和第三穿孔分光镜中的至少一者，所述第二穿孔分光镜用于将所述第一穿孔聚焦镜所汇聚的光束分成第三光束和第四光束分别被第三穿孔传感器和第四穿孔传感器接收并转化成穿孔相关数据，所述第三穿孔分光镜用于将所述第二穿孔聚焦镜所汇聚的光束分成第五光束和第六光束分别被第五穿孔传感器和第六穿孔传感器接收并转化成穿孔相关数据。

8.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述穿孔感测单元包括：

穿孔聚焦镜，用于汇聚所述第二部分的辐射光；

传导光纤，用于传导经所述穿孔聚焦镜汇聚的辐射光并使该传导后的辐射光分为多路光束；

滤光片阵列，用于使所述多路光束中所期望波段的光透射通过；以及

传感器阵列，用于接收所述所期望波段的光并将其转化成穿孔相关数据。

9.一种激光加工系统，包括：

如权利要求1-8中任一项所述的激光加工头；

数据处理单元，用于基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况；以及

控制单元，配置为：

控制所述激光加工头执行当前加工指令，同时将所述成像单元所采集的图像和从所述穿孔感测单元得到的穿孔相关数据传送给所述数据处理单元；

控制所述数据处理单元计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者并判断穿孔情况；和

根据所述数据处理单元的计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者，同时根据所述穿孔情况发出下一步加工指令。

10.一种激光加工方法，包括如下步骤：

激光加工头执行当前加工指令，同时将熔池发出的辐射光分成第一部分和第二部分；

通过所述激光加工头的成像单元接收所述第一部分的辐射光并采集所述激光加工头的喷嘴和熔池的图像，同时通过所述激光加工头的穿孔感测单元接收所述第二部分的辐射光并基于该辐射光得到穿孔相关数据；

基于所述喷嘴和所述熔池的图像计算得到喷嘴完整度、对中偏移量和熔池缝宽中的至少一者，并基于所述穿孔相关数据判断穿孔情况；以及

根据所述计算结果监控喷嘴和激光焦点位置中的至少一者，同时根据所述穿孔情况发出下一步加工指令。

11.一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10所述的激光加工方法。

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