CN117309328A - 一种激光焦点的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焦点的标定方法，包括如下步骤：S1、将激光镜头与光电感应测量仪相连，在激光镜头的位置固定激光测距仪；S2、将焦点板放置在焦点板传送装置的输送面上，焦点板传送装置能够驱动焦点板沿其输送方向移动，并在激光镜头出光后驱动焦点板移动至下个出光位置。本发明中，通过设置光电感应测量仪能够对检测激光光束的反射光强度，将接收的光信号，转化为电信号，可将电信号模拟显示光强度曲线，并可对曲线实现积分运算，并可将连续、多个强度曲线的积分连成曲线方便趋势判断，从而确定最佳出光位置，并准确识别焦点。

Description

一种激光焦点的标定方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体涉及一种激光焦点的标定方法。

背景技术

现代新能源行业锂离子电池制造过程越来越多的使用激光加工加工、连接技术，应用激光加工技术，激光光束焦点位置(离焦量、焦距)对加工效果的影响尤为显著，成为控制加工效果的重要变量。在加工设备选择时一般采用光纤激光器搭配激光加工头，实现加工。采用短焦距加工头可获得较高的能量密度，光斑小，要求工件配合间隙小。采用长焦距加工头或振镜相较于短焦距能量密度低，聚焦光斑更大，但仍可维持一定的能量密度。

在加工时激光光束焦平面位于工件上方的为正离焦，反之为负离焦。连续光纤激光光束能量为“高斯分布”因此正、负离焦量相等时，平面上的功率密度近似相同，但实际加工作用形成的金属熔池形状不同。薄板加工时，熔深小，适宜用正离焦；熔深较大时，采用负离焦；实际加工过程中需要先找到光束焦点再根据加工工件及实际的加工效果确定离焦量，因此焦点位置的标定准确性和对加工效果影响非常明显，如何准确找到焦点位置，找到合适的离焦量至关重要。

目前激光焦点的确认多为人工方式，既通过将带焊工件置于激光下方不同距离，激光短暂出光，通过辨别激光作用在母材上作用形成的“火花”大下和作用时产生的声音来辨别焦点距离，此方案需要调试人员通过经验判定，极为不准确，且没有量化数据，无法追溯；在长焦距加工因光束存在较长的“景深距离”；在“景深距离”范围内激光光束功率密度变化不大，因此使判断焦点位置更加困难，所以在激光加工中对光束焦点的标定及量化尤为重要。

现有专利公布号为CN114324302A公开了一种激光聚焦位置自动定位方法及系统，调节激光聚焦镜与样品表面之间的相对距离，使激光聚焦点处于样品表面，记录此时激光聚焦点对应的聚焦位置信息；向样品表面投射参考点光斑，获取参考点光斑的参考位置信息；根据聚焦位置信息和参考位置信息，自动调节样品平台高度位置，将参考点光斑的参考位置移动至激光聚焦点对应的聚焦位置，检测与参考点同一横截面上的样品表面成分信息。该方案适用于在检测不同厚度样品时，LIBS系统中激光聚焦位置的快速自动定位，实现LIBS系统中激光脉冲可快速精确地自动聚焦在样品表面，提升光谱信号的稳定性以及检测精度的可靠准确性。

但其存在加工焦点确认不准确，也无法量化及追溯等问题，其识别精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，如何提高焦点的识别精度。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种激光焦点的标定方法，包括如下步骤：

S1、将激光镜头与光电感应测量仪相连，在激光镜头的位置固定激光测距仪；

S2、将焦点板放置在焦点板传送装置的输送面上，焦点板传送装置能够驱动焦点板沿其输送方向移动，并在激光镜头出光后驱动焦点板移动至下个出光位置；

S3、将激光器的引导光投射在焦点板上，在Z轴线方向上，竖向移动激光镜头并确定出引导光光斑最小、最亮的点，以此时激光镜头的Z轴位置为原点O点；

S4、在Z轴方向上，激光镜头向上移动一段距离并标记此位置为A点，激光镜头回到O点，再次向下移动一段距离标记此位置为B点，A点与B点之间的距离为L；

S5、激光镜头在Y轴方向上移动并自动出光；

S6、激光镜头在A点与B点之间竖向移动，每当激光镜头在Z轴方向降低Sz时完成一次出光，焦点板传送装置对应带动焦点板移动Sx，直至激光镜头或振镜在Z轴方向降低至B点时结束，并得到焦点板上的痕迹依次标记为H1～Hn；

S7、光电感应测量仪接收并计算得到上述S6中多个激光的反射光强度，取其中最大值对应焦点板上的痕迹Hmax为焦点出光痕迹；

S8、通过Hmax对应的出光次数与Sz的乘积计算得到焦距。

通过设置光电感应测量仪能够对检测激光光束的反射光强度，将接收的光信号，转化为电信号，可将电信号模拟显示光强度曲线，并可对曲线实现积分运算，并可将连续、多个强度曲线的积分连成曲线方便趋势判断，从而确定最佳出光位置，并准确识别焦点。

作为优选的技术方案，所述激光镜头设有过程监控接口，且过程监控接口与光电感应测量仪的连接端相适配，所述光电感应测量仪通过转接环与过程监控接口相连。

作为优选的技术方案，所述标定装置还包括控制器，所述光电感应测量仪、激光镜头、激光器均与控制器电性连接，所述焦点板传送装置与控制器通信连接。

作为优选的技术方案，所述S5中激光镜头沿Y轴方向直线移动并出光，所述激光器的出光激光功率P为10～500W、所述激光镜头移动速度V为60～300mm/s。

作为优选的技术方案，所述焦点板传送装置包括输送支架、驱动电机、输送轮，所述输送支架朝向输送面的一端通过弹簧弹性连接有两个输送轮，一个所述输送轮上设有驱动电机，并与所述驱动电机的输出端相连，所述输送轮用于压紧焦点板并驱动焦点板移动，所述焦点板传送装置及焦点板均固定于激光镜头的正下方。

作为优选的技术方案，所述激光镜头固定连接在驱动装置的输出端，所述驱动装置为丝杠直线模组，所述丝杠直线模组的驱动端与控制器电性连接。

作为优选的技术方案，所述S6中，所述Sz长度均相等，且Sz长度小于激光光束瑞利长度，所述Sz大小为0.1mm≤Sz≤0.5mm，所述S6中Sx长度均相等且≥2mm，且激光作用点均位于焦点板上。

作为优选的技术方案，所述S5中激光镜头画直线移动时，所述激光镜头在X和Z轴保持不动或激光镜头在Z轴运动时，振镜在Z轴不运动，振镜内部激光向对应y方向偏摆出光。

作为优选的技术方案，所述S6竖向运动具体步骤为：激光镜头在S4中位于所述A点位置时，激光器出光打在焦点板上，完成第一次出光，激光镜头或振镜在Z轴方向降低单位距离Sz，焦点板传送装置将焦点板输送单位距离Sx，完成第二次出光；重复上述过程，直至激光镜头或振镜在Z轴方向降低至B点，并将激光作用在焦点板上的痕迹依次标记为H1～Hn。

作为优选的技术方案，所述S8中焦距为激光镜头及振镜从A点延Z轴向下移动距离Lz。

本发明的优点在于：

(1)本发明中，通过设置光电感应测量仪能够对检测激光光束的反射光强度，将接收的光信号，转化为电信号，可将电信号模拟显示光强度曲线，并可对曲线实现积分运算，并可将连续、多个强度曲线的积分连成曲线方便趋势判断，从而确定最佳出光位置，并准确识别焦点。

(2)本发明中，通过控制器与光电感应测量仪、激光镜头、激光器均与控制器电性连接，与焦点板传送装置通信连接，可自动完成S6、S7、S8，无需人工干预，避免人工操作带来的安全隐患及长期观察激光带来了的不可逆损伤，并且不依赖激光作用发生的声音所以不用考虑外部噪音干扰。

(3)本发明中，可实现焦点精度小于0.2mm，而人工找焦点方式可分辨的极限精度1mm，相较于“焦点光学相干检测标定法及设备”，成本仅为十分之一，且检测精度却可以达到甚至超过该方法，操作流程也较之简化，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光电感应测量仪示意图；

图2为本发明实施例提供的激光镜头及振镜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的O点、A点、B点位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的出光位置及运动路径关系示意图；

图5为本发明实施例提供的出光痕迹示意图；

图6为本发明实施例提供的光电感应测量仪检测到的某两段相邻出光的光强曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的出光全过程I1至In形积分值连接曲线示意图；

附图标号：1、光电感应测量仪；11、转接环；12、紧固螺栓；13、信号线接口；14、x轴调位螺栓；15、y轴调位螺栓；2、激光镜头；3、焦点板传送装置；4、激光器；5、激光测距仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1，一种标定装置，包括光电感应测量仪1、激光镜头2、焦点板传送装置3、激光器4、激光测距仪5、控制器；激光器4的激光能够射入激光镜头2的输入端，激光镜头2的一端与光电感应测量仪1相连，另一端位于焦点板传送装置3上方，本实施例中，激光镜头2为振镜，振镜具有Y向调节功能，型号为通快PFO-33，激光器4为市购的普雷茨特激光发生器；光电感应测量仪为激光焊接传感器，光电感应测量仪1采样波段为960nm～1070nm，采样频率≥1kHz，激光测距仪精度要求±0.2mm，重复精度±0.3mm；焦点板传送装置3(涉及保密无法提供)包括输送支架、驱动电机、输送轮，输送支架朝向输送面的一端通过弹簧弹性连接有两个输送轮，一个输送轮上设有驱动电机，并与驱动电机的输出端相连，输送轮用于压紧焦点板并驱动焦点板移动，焦点板传送装置3上的焦点板均固定于激光镜头的正下方，焦点板插入口宽度大于12mm，以保证焦点板能够输送进入焦点板传送装置的输送面。

标定方法包括如下步骤：

S1、将振镜镜头的过程监控接口插入光电感应测量仪1，并检查是否可以记录反射光强度，具体方式为：短暂激光点射，查看光电感应测量仪1，能否感应并记录曲线；在振镜上固定激光测距仪5，并对激光测距仪5进行校准，校准的具体方式为：使用测量精度为0.1mm、长度100mm的“标准尺”，使用激光测距仪5，测试此标准尺，查看示数是否一致，如果不一致需要校准，振镜内安装有振镜镜片，振镜镜片可以为多组，振镜光束置于振镜原点；

S2、将长条形焦点板插入焦点板传送装置3中，焦点板传送装置3的弹簧使滚轮压紧在焦点板两侧，焦点板传送装置3辅助焦点板向前传动；焦点板传送装置3与控制器通信连接，实现出光后自动将焦点板传送至下个出光位置；

S3、开启激光器4的引导光功能，将引导光投射在焦点板上，在Z轴线方向上，由上至下，移动振镜位置，找到引导光光斑最小，最亮的点，以此时振镜的Z轴位置为原点O点；激光器也可以是现有技术中的固体激光器、各种频率的脉冲激光器，但不限于于此；

S4、以此时振镜在Z轴位置为原点O点，在Z轴方向，向上移动一段距离La＝10mm标记此位置为A点，回到O点，再次向下移动一段距离Lb＝10mm标记此位置为B点，由A点至B点移动的过程为L＝20mm；振镜连接在驱动装置的输出端，驱动装置为丝杠直线模组，丝杠直线模组的驱动端与控制器电性连接；其中，La＝Lb，但其取值可以在5mm-10mm之间，即5mm≤La＝Lb≤10mm。

S5、振镜在Y轴方向上采用画直线模式运动(即直线运动)，直线长度Sy＝7mm，移动同时出光，画直线模式需要设置匹配的出光激光功率，其中出光激光功率P为10～500W，激光移动速度V为：60～300mm/s；本实施例中以P＝200w、激光移动速度V＝100mm/s为例；采用画直线模式运动时激光镜头或振镜在X和Z轴保持不动，激光镜头或振镜在Z轴不运动，激光镜头或振镜内部激光向对应y方向偏摆出光；

S6、振镜在S4中所述A点上，激光器4出光打在焦点板上，即完成第一次出光，振镜在Z轴方向降低距离为Sz＝0.2mm，焦点板传送装置3将焦点板向前运动，移动距离为Sx＝2mm，此过程为二次出光；重复上述过程，直至振镜在Z轴方向降低至B点，完成B点出光，如图4所示；将激光作用在焦点板上的痕迹依次标记为H1～H101，如图5所示；其中，Sz长度越小则焦点的精确度越高，反之精确度越低，本实施例中，Sz长度均相等，Sz长度通常选用小于激光光束瑞利长度，Sz大小为：0.1mm≤Sz≤0.5mm；Sx长度均相等且≥2mm，激光作用位置需要全部位于焦点板上；

S7、光电感应测量仪1接收上述S6中激光反射光信号，并记录H1～H101的激光反射光强度，将记录反射光强度绘制曲线(如图6所示)，并求曲线积分，反射光强度积分数值为I1～I101，I1～I101数值符合正态分布曲线，如图7所示，则I1～I101中最大值I77，此时光电感应测量仪1接收光信号最强，对应焦点板上的痕迹H77，即为焦点出光痕迹；

需要说明的是，S6、S7中，激光镜头或振镜通过PLC程序控制自动完成，图2中激光镜头2顶部为激光光束的射入口，激光器4及激光测距仪5在图中均未示出。

S8、H77痕迹数量与Sz＝0.2mm的乘积为Lz＝15.4mm，激光镜头及振镜从A点延Z轴向下移动距离Lz＝15.4mm，此点为实施例1振镜“最佳出光位置”激光在相同高度作用工件，能量最强，此时采用激光测距仪测量振镜与焦点板的距离为516.60mm，即为焦距，记录激光镜头及振镜位置及焦距以供后续使用。

对比例1

以O点位置计算，O点位置下降5.4mm，说明激光器4引导光经过振镜后，焦点与激光焦点位置在Z轴方向相差5.4mm，若直接使用振镜说明书推荐的焦距520mm，相差3.4mm，激光聚焦光束的瑞利长度计算公式为：ZRayleigh＝πω0²/BPP，其中，ω0为聚焦后光斑半径，BPP为激光器固有参数，经过计算激光聚焦光束的瑞利长度约为1.82mm，及范围约为：518.4～514.8mm，显然无法覆盖焦距520mm的距离，说使用引导光焦点位置距离或直接使用振镜说明书推荐的焦距520mm都不是“最佳出光位置”；

设置激光功率3000w，速度100mm/s，分别在振镜下沿距离工件520mm、518.4mm、516.6mm、514.8mm、510mm位置出光作用在工件上，工件厚度为5mm，分别测量5个位置的出光作用“熔深”，即激光作用形成金属熔池深度，分别为1.26mm、3.08mm、3.67mm、3.33mm、0.76mm，在516.6mm距离进行激光加工，获得最深熔深，说明在其他条件相同情况下，使用本方法获得的最佳出光位置，是激光作用最强，能量密度最高，在此位置对工件进行激光加工，获得的效能达到最佳，而其他位置若获得相同的加工效果，需要额外付出更多的能量，且若振镜下沿与工件未在518.4～514.8mm范围内，激光能量衰减严重，可能无法获得理想的激光加工效果。

与实施例1的区别在于，实施例S5至S8采用PLC程序自动控制，自动完成H1至H101出光，在接受到100条反射光强度信号，系统自动识别并求曲线积分，并自动生成出光全过程I1至I100形积分值连接曲线，得出最佳出光位置，共用时15s。

对比例2

使用与实施例1相同的激光镜头即振镜，并使用人工进行肉眼辨认最佳工作位置；

S1、调整激光器4功率至800w；激光出光时间10ms；

S2、将激光加工钢板(焦点板)放置在找焦点工装内，焦点板在找焦点工装内与x轴及z轴夹角为，45°，激光镜头下降至需求高度；

S3、使用手杆水平移动激光镜头位置，使其引导光红点最亮、最小位置，位于焦点工装中心；

S4、保证激光镜头z轴高度不变，使用手杆控制其沿着x轴方向点动并选择激光连续打点出光模式进行出光在焦点板上打一列点；

S5、选择光斑最小，光亮最大的点作为焦点；

S6、将焦点板放回焊接工装，将激光头旁的测距仪的红光对准等高线，并读出测距仪数值为：136mm即激光焦点位置；

其中134mm至138mm位置激光打点，已经无法分别光斑最小，光亮最大点，故取中间值136mm为对比例焦距，由无法分辨，采用熔深测试法辅助确认，设置激光功率3000w，速度100mm/s，分别在激光镜头距离工件134mm、135mm、136mm、137mm、138mm、139mm位置出光作用在工件上，工件厚度为5mm，分别测量6个位置的出光作用“熔深”，分别为：0.46mm、0.99mm、1.48mm、2.26mm、2.53mm、1.67mm，通过熔深测试发现激光镜头距离工件为138mm时才是激光镜头真正焦距，与对比例确定的焦点相差2mm，与最激光最佳工作位置，激光作用形成的熔深相差1.04mm，由于人眼的局限在火花相差不大情况下无法分辨激光能量，且还存在，人眼会产生疲劳，过程无法记录，所以此方法标定的焦距，存在较大误差。

对比例实施方式较为复杂，大部分工序需要人工操作完成，共用时30min，效率低。

通过对实施例及对比例验证，实施例可以快速且准确的得出激光镜头及振镜的“最佳工作位置”及“焦距”，准确度及效率较对比例有明显优势，且对操作人员无损害，由此可以得出一种激光焦点的标定方法及系统，可以快速、准确的帮助工艺调试人员快速确定激光系统的最佳工作位置及激光焦距。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光焦点的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将激光镜头与光电感应测量仪相连，在激光镜头的位置固定激光测距仪；

S2、将焦点板放置在焦点板传送装置的输送面上，焦点板传送装置能够驱动焦点板沿其输送方向移动，并在激光镜头出光后驱动焦点板移动至下个出光位置；

S3、将激光器的引导光投射在焦点板上，在Z轴线方向上，竖向移动激光镜头并确定出引导光光斑最小、最亮的点，以此时激光镜头的Z轴位置为原点O点；

S4、在Z轴方向上，激光镜头向上移动一段距离并标记此位置为A点，激光镜头回到O点，再次向下移动一段距离标记此位置为B点，A点与B点之间的距离为L；

S5、激光镜头在Y轴方向上移动并自动出光；

S6、激光镜头在A点与B点之间竖向移动，每当激光镜头在Z轴方向降低Sz时完成一次出光，焦点板传送装置对应带动焦点板移动Sx，直至激光镜头或振镜在Z轴方向降低至B点时结束，并得到焦点板上的痕迹依次标记为H1～Hn；

S7、光电感应测量仪接收并计算得到上述S6中多个激光的反射光强度，取其中最大值对应焦点板上的痕迹Hmax为焦点出光痕迹；

S8、通过Hmax对应的出光次数与Sz的乘积计算得到焦距。

2.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述激光镜头设有过程监控接口，且过程监控接口与光电感应测量仪的连接端相适配，所述光电感应测量仪通过转接环与过程监控接口相连。

3.根据权利要求2所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述标定装置还包括控制器，所述光电感应测量仪、激光镜头、激光器均与控制器电性连接，所述焦点板传送装置与控制器通信连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述S5中激光镜头沿Y轴方向直线移动并出光，所述激光器的出光激光功率P为10～500W、所述激光镜头移动速度V为60～300mm/s。

5.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述焦点板传送装置包括输送支架、驱动电机、输送轮，所述输送支架朝向输送面的一端通过弹簧弹性连接有两个输送轮，一个所述输送轮上设有驱动电机，并与所述驱动电机的输出端相连，所述输送轮用于压紧焦点板并驱动焦点板移动，所述焦点板传送装置及焦点板均固定于激光镜头的正下方。

6.根据权利要求3所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述激光镜头固定连接在驱动装置的输出端，所述驱动装置为丝杠直线模组，所述丝杠直线模组的驱动端与控制器电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述S6中，所述Sz长度均相等，且Sz长度小于激光光束瑞利长度，所述Sz大小为0.1mm≤Sz≤0.5mm，所述S6中Sx长度均相等且≥2mm，且激光作用点均位于焦点板上。

8.根据权利要求4所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述S5中激光镜头画直线移动时，所述激光镜头在X和Z轴保持不动或激光镜头在Z轴运动时，振镜在Z轴不运动，振镜内部激光向对应y方向偏摆出光。

9.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述S6竖向运动具体步骤为：激光镜头在S4中位于所述A点位置时，激光器出光打在焦点板上，完成第一次出光，激光镜头或振镜在Z轴方向降低单位距离Sz，焦点板传送装置将焦点板输送单位距离Sx，完成第二次出光；重复上述过程，直至激光镜头或振镜在Z轴方向降低至B点，并将激光作用在焦点板上的痕迹依次标记为H1～Hn。

10.根据权利要求1所述的一种激光焦点的标定方法，其特征在于，所述S8中焦距为激光镜头及振镜从A点延Z轴向下移动距离Lz。