CN115476062A - 一种激光外光路光束监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光外光路光束监控系统及方法，涉及激光加工的技术领域。包括激光发射部，激光发射部用于发射第一光束，第一分光部，第一分光部设置在第一光束的光路上，用于将第一光束分为第二光束和第三光束；第二分光部，第二分光部设置在第二光束的光路上，用于将第二光束分为第四光束和第五光束；激光衰减部，激光衰减部设置在第四光束的光路上，用于将第四光束的能量衰减至预设范围内；监控部，用于采集经过激光衰减部衰减后的第四光束的光束参数，并监控光束参数的状态。本申请能够对激光光束能量和通过精确软件算法计算能量的实时监控，并通过与设备作业软件通讯，及时反馈至主机，从而根据异常做出相应的警报。

Description

一种激光外光路光束监控系统及方法

技术领域

本申请涉及激光加工的技术领域，具体涉及一种激光外光路光束监控系统及方法。

背景技术

激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工的过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔等，利用激光束对材料进行各种加工，激光能够适应大多数材料的加工制造。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接摩擦产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度可调节，因此激光加工可应用到不同的层面和范围上。

目前，常规的激光设备加工系统的外光路中基本不包括对激光光束进行实时监控的系统，使得加工的可靠性较差，而且光束方面出现能量降低、功率降低等问题时，无法迅速的发现并进行问题的定位，从而导致激光系统中的光路发生问题时维修效率低下。

现有的高端的激光加工设备中，也采用了一部分手段用于对激光进行监控，例如采用集成CCD相机的方式，通过CCD相机对光束的位置、光束的直径等进行采集并进行调节，而当光束出现问题时无法快速地判断出光束的质量。

发明内容

为了解决上述背景技术中提到的至少一个问题，本申请提供了一种激光外光路光束监控系统及方法，能够对从主光路分出的一束能量极弱的光束，经过多层衰减，然后进入高灵敏的相机，从而实现激光设备在生产作业过程中对激光光束能量和通过精确软件算法计算能量的实时监控，并通过与设备作业软件通讯，及时反馈至主机，从而根据异常做出相应的警报，操作人员可根据警报及时进行对应的措施，极大了提高激光设备的维护效率，而且减少了不必要的损失。

本申请实施例提供的具体技术方案如下：

第一方面，提供一种激光外光路光束监控系统，包括激光发射部，所述激光发射部用于发射第一光束，还包括：

第一分光部，所述第一分光部设置在所述第一光束的光路上，用于将所述第一光束分为第二光束和第三光束；

第二分光部，所述第二分光部设置在所述第二光束的光路上，用于将所述第二光束分为第四光束和第五光束；

激光衰减部，所述激光衰减部设置在所述第四光束的光路上，用于将所述第四光束的能量衰减至预设范围内；

监控部，用于采集经过所述激光衰减部衰减后的第四光束的光束参数，并监控所述光束参数的状态。

在一个具体的实施例中，所述系统还包括：

功率检测部，所述功率检测部设置在所述第五光束的光路上，所述功率检测部包括光电功率探头，所述光电功率探头用于检测第五光束的功率参数。

在一个具体的实施例中，所述系统还包括：

衰减镜片，所述衰减镜片设置在所述第五光束进入所述功率检测部之前的光路上。

在一个具体的实施例中，所述监控部包括CMOS装置，所述CMOS装置设置在经过激光衰减部输出的所述第四光束的光路上，用于捕捉并采集第四光束的所述光束参数。

在一个具体的实施例中，所述第二光束用于激光加工，在所述第二光束的光路上还设置有第一反射镜和第二反射镜。

在一个具体的实施例中，所述激光衰减部包括分光式衰减装置或者吸收式衰减装置；

优选的，所述分光式衰减装置至少包括楔形分光镜、分光棱镜、分束镜以及透反镜中的一个；

所述吸收式衰减装置包括反射式滤波器或者吸收式滤波器。

在一个具体的实施例中，所述系统还包括：

消光部，所述消光部设置在所述第五光束的光路上，所述消光部包括激光消光座，所述激光消光座用于对所述第五光束进行消光。

第二方面，提供一种基于如上所述的激光外光路光束监控方法，所述方法包括：

激光发射部发射第一光束进入第一分光部分为第二光束和第三光束；

所述第二光束进入所述第二分光部，并分为第四光束和第五光束；

激光衰减部对所述第四光束进行衰减，使得所述第四光束的能量衰减至预设范围内；

通过监控部采集经过所述激光衰减部衰减后的第四光束的光束参数，通过功率检测部检测所述第五光束的功率参数；

结合所述第四光束的光束参数和所述第五光束的功率参数确认激光光束的状态。

在一个具体的实施例中，结合所述第四光束的光束参数和所述第五光束的功率参数确认所述光束参数的状态，具体包括：

将所述第四光束的光束参数与第一预设范围进行对比，若所述第四光束的光束参数超过所述第一预设范围，则所述第四光束异常；

将所述第五光束的功率参数与第二预设范围进行对比，若所述第五光束的功率参数超过所述第二预设范围，则所述第五光束异常；

当所述第四光束异常或者所述第五光束异常时，则激光光束异常。

在一个具体的实施例中，所述激光光束异常时，进行反馈并且预警。

本申请实施例具有如下有益效果：

1.本申请实施例提供的第一分光部、第二分光部，第一光束经过第一分光部的分为第二光束和第三光束，其中第三光束用于激光加工，第二光束经过第二分光部再次被分为第四光束和第五光束，第四光束经过激光衰减部的衰减将其能量衰减至预设范围内，监控部采集经过激光衰减部衰减后的第四光束的光束参数，然后根据光束参数监控激光光束的状态，通过以上设置，能够对从主光路分出的一束能量极弱的光束，经过多层衰减，然后进入高灵敏的相机，从而实现激光设备在生产作业过程中对激光光束能量和通过精确软件算法计算能量的实时监控，并通过与设备作业软件通讯，及时反馈至主机，从而根据异常做出相应的警报，操作人员可根据警报及时进行对应的措施，极大了提高激光设备的维护效率，而且减少了不必要的损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本申请实施例一中的激光外光路光束监控系统的示意图；

图2示出根据本申请实施例二的包括消光座的监控系统的示意图；

图3示出本申请中的激光外光路光束监控方法的示意图；

图中，1、激光发射部；101、第一光束；2、第一分光部；201、第二光束；202、第三光束；3、第二分光部；301、第四光束；302、第五光束；4、激光衰减部；5、监控部；6、第一反射镜；7、第二反射镜；8、功率检测部；9、消光部；

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术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，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请中附图中的虚线表示从附图中的角度，不可见的部分。本申请实施例中所涉及的“上”“下”均以图1和图2中所示的方位为基准。

如背景技术中所述，现有的激光加工设备中，采用了一部分手段用于对激光的光束的质量进行监控，例如通过CCD相机对光束的位置、光束的直径等进行采集，但是当光束出现问题时无法快速地判断出光束的质量。

实施例一

一种激光外光路光束监控系统，如图1所示，所述系统包括：激光发射部1、第一分光部2、第二分光部3、激光衰减部4以及监控部5。具体的，激光发射部1用于发射第一光束101，第一分光部2设置在第一光束101的光路上，第一分光部2用于按照一定的比例将第一光束101分为第二光束201和第三光束202，具体的，第一分光部2为等比例或者非等比例的分光棱镜、分光透反镜或者楔形镜中的一个。

经过第一分光部2分离出来的第三光束202用于激光加工，其中在第三光束202的输出光路上还设置有第一反射镜6和第二反射镜7，第一反射镜6和第二反射镜7用于改变第三光束202的传输方向，并使得第三光束202能够照射到待加工产品表面。第二分光部3设置在第二光束201的输出光路上，第二分光部3用于按照一定的比例将第二光束201分为第四光束301和第五光束302，具体的，第二分光部3为等比例或者非等比例的分光棱镜、分光透反镜或者楔形镜光学器件中一种。

在一个具体的实施例中，激光衰减部4设置在第四光束301的输出的光路上，激光衰减部4用于将第四光束301的能量衰减至预设范围内。

激光衰减部4具有降低或者损失光束能量的功能，具体的激光衰减部4包括分光式衰减装置或者吸收式衰减装置。当激光衰减部4为分光式衰减装置时，分光式衰减装置为楔形分光镜、分光棱镜、分光透反镜中的一个；当激光衰减部4为吸收式衰减装置时，分光式衰减装置为反射式滤波器或者吸收式滤波器。

在一个具体的实施例中，监控部5设置在激光衰减部4的输出光路上，监控部5用于采集经过激光衰减部4衰减后的第四光束301的光束参数，并监控所述光束参数的状态。具体的，监控部5包括CMOS装置，CMOS装置设置在经过激光衰减部4输出的第四光束301的光路上，用于捕捉并采集第四光束301的光束参数。

具体的，CMOS装置灵敏度高、清晰度高、分辨率高而且响应速度快，其采用精准分光技术，从主光路以一定比例分出一束能量极弱的光束，经过多层衰减，其中包括分光衰减或者吸收式衰减过程，进入高灵敏度的CMOS装置，从而使得CMOS装置能够对光路的各个参数进行采集。具体的，CMOS装置可以采集的激光的参数包括：光斑的功率、光束的位置、光斑直径、椭圆度、高斯拟合度等；激光的能量分布参数包括光束能量的2D视图和X/Y截面图；光束稳定性的测量，涉及到的光束参数包括光束的位置稳定性、光斑的直径大小的稳定性、功率稳定性等；发散角的测量，涉及到的光束参数包括：X和Y方向的发散角的大小，M2因子的测量，涉及到的光束参数有：M2值、束腰位置、束腰大小、瑞利长度和发散角等。

在一个具体的实施例中，CMOS装置可以替换为CCD相机。

在一个具体的实施例中，CMOS装置的对图像的处理原理包括：在不出光的情况下，对相机原来的图像进行取样作为背景，激光光束在视野中呈现为不同于背景的红色圆形区域，转换为灰度图后与背景有明显对比度，为了排除干扰，以事先采集的背景图像做差过滤，并且将不同灰度标定为不同的功率值，通过视野内光束的灰度值，计算出对应功率值。进一步的，对图像进行二值化处理，所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于光束，以此来对光束的位置进行定位，作为光束的位置稳定性，直径大小的计算。对图像进行边缘检测，一般采用Sobel，Robertt算法，计算出图像边缘，获得光斑轮廓上全部像素点，右图为参考公式，Distance为轮廓上像素点到中心的平均距离，Sigma为轮廓像素点到中心的距离与平均距离的偏差，计算得Roundness为光束圆度值。

具体的，还包括功率检测部8，功率检测部8设置在第五光束302的输出光路上，功率检测部8包括光电功率探头，光电功率探头用于检测第五光束302的功率参数。其光功率探头能够直接或间接的测量光的功率。为了确保第五光束302进入功率检测部8时的能量满足预设的要求，在功率检测部8之前还设置有衰减镜片，衰减镜片用于对第五光束302的能量进行衰减，具体的衰减片可以为Filter衰减片。

通过以上设置，CMOS装置和光电功率探头所接收的光都属于同源光的分束所得到的，二者的光束在时间、空间和光束质量等方面基本等同，即实时的、同质的。而且，以上两种测量方式的灵敏度高、响应速度快(毫秒级别)，测量准确、数据生成速度快，正因如此，两种测量仪器可实施接收光束的状态信息，并分别对应生成检测到的参数数据发送给主控软件，经过主控软件的分析判断给出光束是否出现异常的结果，并且在出现异常时进行预警。以上系统，能够对从主光路分出的一束能量极弱的光束，经过多层衰减，然后进入高灵敏的相机，从而实现激光设备在生产作业过程中对激光光束能量和通过精确软件算法计算能量的实时监控，并通过与设备作业软件通讯，及时反馈至主机，从而根据异常做出相应的警报，操作人员可根据警报及时进行对应的措施，极大了提高激光设备的维护效率，而且减少了不必要的损失。

实施例二

对应上述实施例，本实施例提供了一种激光外光路光束监控系统，如图2所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，将实施例一中的功率检测部8替换为消光部9，消光部9设置在第五光束302的输出光路上，消光部9包括激光消光座，所述激光消光座用于对第五光束302进行消光。

实施例三

本实施例提出了一种激光外光路光束监控方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：激光发射部发射第一光束进入第一分光部分为第二光束和第三光束；

步骤S2：所述第二光束进入所述第二分光部，并分为第四光束和第五光束；

步骤S3：激光衰减部对所述第四光束进行衰减，使得所述第四光束的能量衰减至预设范围内；

步骤S4：通过监控部采集经过所述激光衰减部衰减后的第四光束的光束参数，通过功率检测部检测所述第五光束的功率参数；

步骤S5：结合所述第四光束的光束参数和所述第五光束的功率参数确认激光光束的状态；

步骤S6:当所述激光光束异常时，进行反馈并且预警。

在一个具体的实施例中，步骤S5具体包括将所述第四光束的光束参数与第一预设范围进行对比，若所述第四光束的光束参数超过所述第一预设范围，则所述第四光束异常；将所述第五光束的功率参数与第二预设范围进行对比，若所述第五光束的功率参数超过所述第二预设范围，则所述第五光束异常；当所述第四光束异常或者所述第五光束异常时，则激光光束异常。

具体的，其中第一预设范围和第二预设范围可以根据实际加工要求自行设置，例如设置第一预设范围中的光束的椭圆度为大于等于95％，然后开始对激光外光路中的光束进行检测，初始的光束的椭圆度均为100％，监控部采集到光束的实时椭圆度为90％，则说明此时的光束的椭圆度低于第一预设范围，则说明此时第四光束异常；若采集到的第四光束的椭圆度为98％，此时光束的椭圆度在第一预设范围内，则说明此时第四光束正常。同理可对第五光束的状态进行分析，当第四光束或者第五光束出现异常时，则说明激光光束异常，此时给出对应的警报提示，同时在激光光束异常时，主控软件通过弹窗预警，并通过弹窗打印出异常信息。

通过以上方法，能够对从主光路分出的一束能量极弱的光束，经过多层衰减，然后进入高灵敏的相机，从而实现激光设备在生产作业过程中对激光光束能量和通过精确软件算法计算能量的实时监控，并通过与设备作业软件通讯，及时反馈至主机，从而根据异常做出相应的警报，操作人员可根据警报及时进行对应的措施，极大了提高激光设备的维护效率，而且减少了不必要的损失。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光外光路光束监控系统，包括激光发射部(1)，所述激光发射部(1)用于发射第一光束(101)，其特征在于，还包括：

第一分光部(2)，所述第一分光部(2)设置在所述第一光束(101)的光路上，用于将所述第一光束(101)分为第二光束(201)和第三光束(202)；

第二分光部(3)，所述第二分光部(3)设置在所述第二光束(201)的光路上，用于将所述第二光束(201)分为第四光束(301)和第五光束(302)；

激光衰减部(4)，所述激光衰减部(4)设置在所述第四光束(301)的光路上，用于将所述第四光束(301)的能量衰减至预设范围内；

监控部(5)，用于采集经过所述激光衰减部(4)衰减后的第四光束(301)的光束参数，并监控所述光束参数的状态。

2.根据权利要求1所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述系统还包括：

功率检测部(8)，所述功率检测部(8)设置在所述第五光束(302)的光路上，所述功率检测部(8)包括光电功率探头，所述光电功率探头用于检测第五光束(302)的功率参数。

3.根据权利要求2所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述系统还包括：

衰减镜片，所述衰减镜片设置在所述第五光束(302)进入所述功率检测部(8)之前的光路上。

4.根据权利要求2所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述监控部(5)包括CMOS装置，所述CMOS装置设置在经过激光衰减部(4)输出的所述第四光束(301)的光路上，用于捕捉并采集第四光束(301)的所述光束参数。

5.根据权利要求2所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述第三光束(202)用于激光加工，在所述第三光束(202)的光路上还设置有第一反射镜(6)和第二反射镜(7)。

6.根据权利要求1所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述激光衰减部(4)包括分光式衰减装置或者吸收式衰减装置；

优选的，所述分光式衰减装置至少包括楔形分光镜、分光棱镜、分光透反镜中的一个；

所述吸收式衰减装置包括反射式滤波器或者吸收式滤波器。

7.根据权利要求1所述的激光外光路光束监控系统，其特征在于，所述系统还包括：

消光部(9)，所述消光部(9)设置在所述第五光束(302)的光路上，所述消光部(9)包括激光消光座，所述激光消光座用于对所述第五光束(302)进行消光。

8.一种基于权利要求1～7中任一项所述的激光外光路光束监控方法，其特征在于，所述方法包括：

激光发射部(1)发射第一光束(101)进入第一分光部(2)分为第二光束(201)和第三光束(202)；

所述第二光束(201)进入所述第二分光部(3)，并分为第四光束(301)和第五光束(302)；

激光衰减部(4)对所述第四光束(301)进行衰减，使得所述第四光束(301)的能量衰减至预设范围内；

通过监控部(5)采集经过所述激光衰减部(4)衰减后的第四光束(301)的光束参数，通过功率检测部(8)检测所述第五光束(302)的功率参数；

结合所述第四光束(301)的光束参数和所述第五光束(302)的功率参数确认激光光束的状态。

9.根据权利要求8所述的激光外光路光束监控方法，其特征在于，结合所述第四光束(301)的光束参数和所述第五光束(302)的功率参数确认所述光束参数的状态，具体包括：

将所述第四光束(301)的光束参数与第一预设范围进行对比，若所述第四光束(301)的光束参数超过所述第一预设范围，则所述第四光束(301)异常；

将所述第五光束(302)的功率参数与第二预设范围进行对比，若所述第五光束(302)的功率参数超过所述第二预设范围，则所述第五光束(302)异常；

当所述第四光束(301)异常或者所述第五光束(302)异常时，则激光光束异常。

10.根据权利要求9所述的激光外光路光束监控方法，其特征在于，当所述激光光束异常时，进行反馈并且预警。

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