CN116252045A - 一种自校准激光加工装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种自校准激光加工装置，包括激光测距机，成像系统，两轴运动平台，单轴移动平台，数控系统，头部箱体二；所述激光测距机、成像系统分别用于通过测距、成像监测被加工对像与激光加工装置间的相对移动；所述数控系统用于根据激光测距机、成像系统监测的被加工对像与激光加工装置间的相对移动以及两轴运动平台、单轴移动平台相对于平衡位置的偏移量驱动两轴运动平台、单轴移动平台、头部箱体二进行移动补偿，能够实现在被加工对象与激光加工装置间存在难以预知的相对移动时的精确可靠加工；还公开了一种自校准激光加工方法，同样具有上述有益效果。

Description

一种自校准激光加工装置与方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种自校准激光加工装置与方法。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术方法灵活，激光束易于导向，极易与数控系统配合，作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
目前的激光加工装置均是通过微机程序根据事先规划好的运动轨迹、预定线和姿态作用于被加工对象，主要集中通过配置高品质配件保证激光束本身的聚焦尺寸、出光连续性、出光稳定性，通过改善工作环境保证机床稳定性来控制加工精度。但是当激光加工装置与被加工对象之间发生难以事先预知的相对移动时(如激光加工装置需要对处于在线工作环境下的被加工对象进行加工时，被加工对象的运动、振动、抖动难以精确预知或规划)，现存的激光加工装置或技术无法提前事先预判控制消除上述情况中超出装置控制系统运动控制范围之外难以预知的相对移动的影响，最终无法实现精准可靠加工。
发明内容
本发明意在提供一种自校准激光加工装置与方法，用来解决现有激光加工装置在被加工对象与激光加工装置间存在难以事先预知的相对移动时无法精准可靠加工的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种自校准激光加工装置，包括激光测距机、成像系统、两轴运动平台、单轴移动平台、数控系统，头部箱体二；所述激光测距机、成像系统、两轴运动平台、单轴移动平台分别与头部箱体二固连；所述激光测距机、成像系统分别用于通过测距、成像监测被加工对像与激光加工装置间的相对移动；所述数控系统用于根据激光测距机、成像系统监测的被加工对像与激光加工装置间的相对移动以及两轴运动平台、单轴移动平台相对于平衡位置的偏移量驱动两轴运动平台、单轴移动平台、头部箱体二进行移动补偿。
本发明的工作原理及优点在于：
提出了新的提高激光加工精准度的改进思路，从原来单纯集中在装置配件本身进行精度控制，变换为考虑加工装置与被加工对象之间存在难以事先预知的相对移动时的精度控制，这是仅仅单纯提高加工装置配件品质或改善工作环境无法解决的。
通过设计一种激光加工装置，在加工过程中，当加工装置与被加工对象之间出现相对移动时能够自校准，将现有加工装置无法处理的难以事先预知的相对移动变得能够实时处理，实现更高精准度的可靠加工。
具体的，通过激光测距机、成像系统实时监测激光加工装置与被加工对象间在包括出射激光光轴方向以及其垂直的两个方向的三维直线移动轴上的相对移动，利用两轴运动平台、单轴移动平台、数控系统控制激光加工装置进行实时移动补偿，完成激光加工装置与被加工对象在三维直线移动轴上相对移动的自校准，能够实现精确可靠加工，可以满足大量的现实需求，适用于激光焊接、激光切割等激光加工装置与被加工对象间具有相对移动尤其是不可预知的相对移动时的工作过程。
进一步，还包括激光器系统和分光镜；所述激光器系统与激光测距机、成像系统通过所述分光镜实现前端的共光路传输；具体的，激光测距机和成像系统利用激光器系统发出并经分光镜反射的激光进行激光测距和成像。
共光路传输的设置，使得激光测距机和成像系统对激光器系统发出的激光进行实时监测，达到实时控制进行移动补偿校准。
进一步，所述单轴移动平台包括底座和被驱动部分以及可移动的复合窗口，其中，被驱动部分与复合窗口固连；所述激光测距机用于测量和计算被加工对像与激光加工装置间在出射激光光轴方向上的相对位置和相对速度；所述数控系统用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体二进行低频段移动补偿；所述单轴移动平台用于通过上述相对位置和相对速度驱动复合窗口进行高频段移动补偿。
进一步，所述两轴运动平台包括底座和被驱动部分以及可移动的头部箱体一，其中，被驱动部分与头部箱体一固连；所述成像系统用于测量和计算被加工对像与激光加工装置间在与出射激光光轴垂直的两个方向上的相对位置和相对速度；所述数控系统用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体二进行低频段移动补偿；所述两轴运动平台用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体一进行高频段移动补偿。
本方案中移动补偿方式具有多种，方式一是利用激光测距机、数控系统、单轴移动平台实现在出射激光光轴方向上的低频、高频补偿校准，方式二是利用成像系统、数控系统、两轴运动平台实现在与出射激光光轴垂直的两个方向上的低频、高频补偿校准，通过快速响应可实现对被加工对象在三维空间运动、抖动、振动等情况的实时监测与三维直线移动轴上移动补偿，通过装置多方式自校准消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动高频成分的影响，从而保证了复杂环境(如运动和振动平台上被加工对象的在线加工)下激光加工的精确性与可靠性，避免了按规定的激光加工路径在上述情况下导致的加工误差。
进一步，所述数控系统用于根据两轴运动平台和/或单轴移动平台相对平衡位置的偏移量作为控制量驱动头部箱体二运动实现低频段移动补偿。
本方案中移动补偿方式三，通过数控系统控制装置本身可消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动低频成分的影响。
进一步，所述复合窗口用于对出射激光实现聚焦；所述复合窗口由中间的凸透镜部分和周围的平面镜部分复合而成。
复合窗口的特殊设置能够使成像系统的成像更加清晰，并且对激光测距机的光路不产生影响。
本发明基于一种自校准激光加工装置，还提供一种自校准激光加工方法，用来解决现有激光加工装置在被加工对象与激光加工装置间存在难以预知的相对移动时无法精确可靠加工的技术问题。
所述方法包括如下步骤：
步骤S1：初始状态调整，两轴运动平台、单轴移动平台保持在平衡位置；所述平衡位置为两轴运动平台在与出射激光光轴垂直的两个方向上的位移均为0，单轴移动平台在出射激光光轴方向上的位移为0；
步骤S2：通过成像系统获取完整的被加工对象的被加工面图像；
步骤S3：在被加工面图像上选择特征点，通过数控系统控制激光加工装置向被加工对象的被加工面垂直靠近；所述特征点包括在被加工面图像上选择的加工起始点和被加工面图像的质心；
步骤S4：激光器系统发出的出射激光的焦点到达相对被加工对象的既定位置时，对于被加工对象和激光加工装置的相对移动补偿具有多种方式：
方式一，获取通过成像系统测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在与出射激光光轴垂直的两个方向上的相对速度，根据上述相对速度和既定速度之差作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿，通过两轴运动平台进行高频段移动补偿；
方式二，获取通过激光测距机测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在出射激光光轴方向上的相对位置，根据上述相对位置和既定位置之差作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿，通过单轴移动平台进行高频段移动补偿。
进一步，方式三，获取两轴运动平台和/或单轴移动平台相对平衡位置的偏移量作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿。
进一步，低频段的频段宽度取决于数控系统的运动控制能力，而超出数控系统运动控制能力部分为高频段，高频段的频段宽度取决于两轴运动平台或单轴移动平台的运动控制能力。
基于数控系统本身的运动控制能力，即运动控制范围，进行低频段和高频段划分，再结合本方案装置设计，能够实现更大范围的校准控制，能够让加工精度控制不局限于装置系统本身，而是具有一定的校准能力应对无法事先预知的情况，从装置与被加工对象存在相对移动方面提高装置加工精度。
通过上述方法，将本系统设备安装与移动补偿结合起来，能够实现对被加工对象的自动瞄准和定位；通过数控系统可消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动低频成分的影响，通过激光测距机、成像系统结合单轴两轴平台进行实时监测和实时调控可消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动高频成分的影响，实现三维直线移动轴上的自校准，从而保证了复杂环境(如运动和振动平台上被加工对象的在线加工，被加工对象会在三维空间运动、移动、振动等)下激光加工的精确性与可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种自校准激光加工装置的结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的两台激光测距机相对成像系统的布局图。
图3本发明实施例所提供的复合窗口的主视图；
图4本发明实施例所提供的复合窗口的俯视图；
图5为本发明实施例所提供的一种自校准激光加工方法的流程图。
图6为本发明实施例所提供的被加工对象在成像系统传感器上成完整的像。
图7为本发明实施例所提供的做好加工起始点标记的被加工对象。
图8为本发明实施例所提供的激光加工装置与被加工对象垂直靠近距离较近时成像系统传感上成的像。
具体实施方式
本方案的核心是提供一种自校准激光加工装置与方法，通过使用本方案的激光加工装置能够实现工作过程中被加工对象与激光加工装置之间存在相对移动时的实时校准，进而达到精准可靠加工的目的。
为使本方案实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都属于本方案保护的范围。
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的标记包括：激光器系统(1)、分光镜(2)、激光测距机(3)、成像系统(4)、倾斜反射镜(5)、两轴运动平台(6)、头部箱体一(7)、复合窗口(8)、单轴移动平台(9)、数控系统(10)、头部箱体二(11)。
实施例一
如图1所示，为本实施例所提供的一种自校准激光加工装置的结构示意图，激光器系统(1)、分光镜(2)、激光测距机(3)、成像系统(4)固定在头部箱体二(11)上；两轴运动平台(6)包括底座和被驱动部分，底座固定在头部箱体二(11)上，被驱动部分与头部箱体一(7)固连；两轴运动平台(6)可驱动头部箱体一(7)沿与出射激光光轴垂直的两个方向快速移动；倾斜反射镜(5)通过镜座固定在头部箱体一(7)上，随头部箱体一移动而移动，调整激光反射光路；单轴移动平台(9)包括底座和被驱动部分，底座固定在头部箱体一(7)上，被驱动部分与复合窗口(8)固连；单轴移动平台(9)可驱动复合窗口(8)沿出射激光的光轴方向快速移动；数控系统(10)可驱动头部箱体二(11)运动。
如图1所示位置，分光镜(2)倾斜45°，倾斜反射镜(5)倾斜45°。头部箱体一沿与出射激光光轴垂直的水平方向移动范围±15mm，沿与出射激光光轴垂直的竖直方向移动范围±9mm。头部箱体二在垂直于出射激光光轴方向的移动范围±500mm，沿出射激光光轴方向的移动范围±100mm。复合窗口沿出射激光光轴方向移动范围±10mm。
如图2所示，本实施例中可采用两台激光测距机(3)以成像系统(4)的光轴为中心对称分布，具体距离为45mm(根据激光器光束大小进行调整)。
如图3和图4所示，复合窗口(8)由中间的凸透镜部分和周围的平面镜部分复合而成，位置如图所示，具体尺寸为窗口直径为60mm，凸透镜直径为38mm。
本实施例中激光器系统(1)、激光测距机(3)、成像系统(4)通过分光镜(2)实现前端的共光路传输，为相对移动的测量和计算提供实时准确的输入，确保计算实时，计算结果精准，具体的，激光器系统(1)发出的激光可透过分光镜(2)，激光测距机(3)和成像系统(4)均可通过分光镜(2)的反射进行激光测距和成像。
利用本实施例中的复合窗口(8)，能够实现对出射激光实现聚焦，使成像系统成清晰的像，并且对激光测距机(3)的光路不产生影响。
通过上述装置能够解决现有激光加工装置在被加工对象与激光加工装置间存在难以预知的相对移动时无法精确可靠加工的技术问题。具体调节过程如下。
实施例二
如图5所示为本方案实施例提供的一种自校准激光加工方法进行介绍，下文描述的方法与上文描述的一种自校准激光加工装置可相互对应参照。
在加工前，针对装置进行初始状态调整，两轴运动平台、单轴移动平台保持在平衡位置；所述平衡位置为两轴运动平台在与出射激光光轴垂直的两个方向上的位移均为0，单轴移动平台在出射激光光轴的位移为0，如果不在平衡位置，可通过数控系统进行参数调整，将平台调整到平衡位置，确保后续计算准确。
测试成像系统，确保能够获取完整的被加工对象的被加工面图像，如图6所示，如果没有完整的被加工面图像，需要进行调整，可通过调整被加工对象位置或者工作平台或者激光加工装置，只要能调整得到完整图像即可，只有图像完整，才能保证后续图像系统进行精确的图像处理分析。
选择特征点，为图像系统做图像匹配计算分析的准备工作，图像匹配是指：通过一定的匹配算法在两幅或多幅图像之间识别同名点。本实施例在被加工对象上做好加工起始点标记(在被加工对象没有明显特征的情况下)，如图7所示，也可以选择具有明显特征的点作为加工起始点，以起始点作为特征点，也可以选择被加工图像的质心作为特征点。
在被加工面图像上选择特征点后，通过数控系统控制激光加工装置向被加工对象的被加工面垂直靠近；激光器系统发出的出射激光的焦点到达相对被加工对象的既定位置时，如图8所示，通过激光测距机测量和计算的被加工对像与激光加工装置间沿出射激光光轴方向上的相对位置和相对速度，通过成像系统利用图像匹配方式测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在出射激光光轴垂直的两个方向上的相对位置和相对速度。
为了更好的描述移动方向和补偿调节步骤，将出射激光光轴及其垂直的三维直线移动轴分为X、Y、Z轴，三个轴的方向按常规右手定则确定，具体的，标注X、Y和Z轴的正轴方向，就将右手背对着屏幕放置，拇指即指向X轴的正方向。伸出食指和中指，食指指向Y轴的正方向，中指所指示的方向即是Z轴的正方向。由此，根据图1所示光路走向，出射激光光轴为Y轴，与出射激光光轴垂直的两个方向分别为X轴和Z轴。
获取通过成像系统利用图像匹配等方式测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在X轴和Z轴两个方向上的相对速度，根据上述相对速度和既定速度之差作为控制量，控制数控系统进行低频段移动补偿，控制两轴运动平台进行高频段移动补偿。
获取通过激光测距机测量和计算的被加工对像与激光加工装置间沿Y轴方向上的相对位置，根据上述相对位置和既定位置之差作为控制量，控制数控系统进行低频段移动补偿，控制单轴移动平台进行高频段移动补偿。
获取两轴运动平台和/或单轴移动平台相对平衡位置的偏移量作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿。
低频段的频段宽度取决于数控系统的运动控制能力，而超出数控系统运动控制能力部分为高频段，高频段的频段宽度取决于两轴运动平台或单轴移动平台的运动控制能力。
其中，现有数控系统对机床各个轴的控制都属于运动控制范围，包括位置和速度，一般是通过在数控系统上编写G代码来实现，系统通过对G代码进行解释、轨迹规划、插补运算等过程，发送指令给伺服系统，伺服系统驱动伺服电机带动机床包括主轴在内的各个轴的运转，不过主轴一般做速度控制，特殊应用时需要切换为位置控制。
具体的，例如，激光系统的数控系统运动控制范围具体为X轴、Z轴位置移动范围为1000mm，Y轴位置移动范围为300mm，定位速度20mm/s，在加工过程中，被加工产品发生Y轴方向抖动，通过数控系统驱动头部箱体二在抖动方向的反方向移动进行低频段移动补偿，通过单轴移动平台驱动复合窗口在抖动方向的反方向移动进行高频段移动补偿。在加工过程中，被加工产品发生X轴方向偏移，通过数控系统驱动头部箱体二在偏移方向的反方向移动进行低频段移动补偿，通过双轴运动平台驱动头部箱体一在偏移方向的反方向移动进行高频段移动补偿。
通过上述装置及方法，将设备安装与移动补偿结合起来，能够实现对被加工对象的自动瞄准和定位；通过数控系统可消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动低频成分的影响，通过激光测距机、成像系统结合单轴两轴平台进行实时监测和实时调控可消除工作过程中激光加工装置与被加工对象间相对移动高频成分的影响，同时实现的是三维直线移动轴上的相对移动校准，从而保证了复杂环境(如运动和振动平台上被加工对象的在线加工，被加工对象会在三维空间移动)下激光加工的精确性与可靠性。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本方案给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本方案的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.一种自校准激光加工装置，其特征在于，包括激光测距机、成像系统、两轴运动平台、单轴移动平台、数控系统，头部箱体二；所述激光测距机、成像系统、两轴运动平台、单轴移动平台分别与头部箱体二固连；所述激光测距机、成像系统分别用于通过测距、成像监测被加工对像与激光加工装置间的相对移动；所述数控系统用于根据激光测距机、成像系统监测的被加工对像与激光加工装置间的相对移动以及两轴运动平台、单轴移动平台相对于平衡位置的偏移量驱动两轴运动平台、单轴移动平台、头部箱体二进行移动补偿。
2.根据权利要求1所述的一种自校准激光加工装置，其特征在于，还包括激光器系统和分光镜；所述激光器系统与激光测距机、成像系统通过所述分光镜实现前端的共光路传输；具体的，激光测距机和成像系统利用激光器系统发出并经分光镜反射的激光进行激光测距和成像。
3.根据权利要求1所述的一种自校准激光加工装置，其特征在于，所述单轴移动平台包括底座和被驱动部分以及可移动的复合窗口，其中，被驱动部分与复合窗口固连；所述激光测距机用于测量和计算被加工对像与激光加工装置间在出射激光光轴方向上的相对位置和相对速度；所述数控系统用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体二进行低频段移动补偿；所述单轴移动平台用于通过上述相对位置和相对速度驱动复合窗口进行高频段移动补偿。
4.根据权利要求1所述的一种自校准激光加工装置，其特征在于，所述两轴运动平台包括底座和被驱动部分以及可移动的头部箱体一，其中，被驱动部分与头部箱体一固连；所述成像系统用于测量和计算被加工对像与激光加工装置间在与出射激光光轴垂直的两个方向上的相对位置和相对速度；所述数控系统用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体二进行低频段移动补偿；所述两轴运动平台用于通过上述相对位置和相对速度驱动头部箱体一进行高频段移动补偿。
5.根据权利要求1所述的一种自校准激光加工装置，其特征在于，所述数控系统用于根据两轴运动平台和/或单轴移动平台相对平衡位置的偏移量作为控制量驱动头部箱体二运动实现低频段移动补偿。
6.根据权利要求3所述的一种自校准激光加工装置，其特征在于，所述复合窗口用于对出射激光实现聚焦；所述复合窗口由中间的凸透镜部分和周围平面镜部分复合而成。
7.一种自校准激光加工方法，其特征在于，采用权利要求1-6所述的一种自校准激光加工装置，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：初始状态调整，两轴运动平台、单轴移动平台保持在平衡位置；所述平衡位置为两轴运动平台在与出射激光光轴垂直的两个方向上的位移均为0，单轴移动平台在出射激光光轴方向上的位移为0；
步骤S2：通过成像系统获取完整的被加工对象的被加工面图像；
步骤S3：在被加工面图像上选择特征点，通过数控系统控制激光加工装置向被加工对象的被加工面垂直靠近；所述特征点包括在被加工面图像上选择的加工起始点和被加工面图像的质心；
步骤S4：激光器系统发出的出射激光的焦点到达相对被加工对象的既定位置时，对于被加工对象和激光加工装置的相对移动补偿具有多种方式：
方式一，获取通过成像系统测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在与出射激光光轴垂直的两个方向上的相对速度，根据上述相对速度和既定速度之差作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿，通过两轴运动平台进行高频段移动补偿；
方式二，获取通过激光测距机测量和计算的被加工对像与激光加工装置间在出射激光光轴方向上的相对位置，根据上述相对位置和既定位置之差作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿，通过单轴移动平台进行高频段移动补偿。
8.根据权利要求7所述的一种自校准激光加工方法，其特征在于，方式三，获取两轴运动平台和/或单轴移动平台相对平衡位置的偏移量作为控制量，通过数控系统进行低频段移动补偿。
9.根据权利要求7或8任一所述的一种自校准激光加工方法，其特征在于，低频段的频段宽度取决于数控系统的运动控制能力，而超出数控系统运动控制能力部分为高频段，高频段的频段宽度取决于两轴运动平台或单轴移动平台的运动控制能力。
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