CN117340458A - 一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法，属于激光加工技术领域。其中，包括激光器、聚焦镜、伺服电机、数据采集模块和数据处理终端；所述聚焦镜与伺服电机传动连接；相较于现有技术，本发明可以根据聚焦镜温度的变化，统计出不同聚焦镜温度下的三轴位置数据，并利用数据处理终端绘制出相应的温度三轴位置曲线，再根据温度三轴位置曲线计算出任意聚焦镜温度T对应的焦距补偿值Δd，然后得出离焦后聚焦镜在滑轨上的位置补偿值ΔL，最后通过判断温度差值ΔT的正、负值得到聚焦镜移动的方向，实现聚焦镜位置随温度的变化而变化，修正了聚焦镜因高温导致的离焦问题，进而有利于提高激光加工设备的加工效率和加工质量。

Description

一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法。

背景技术

随着科技的发展，激光加工设备的激光输出功率越来越高，高功率激光可以提供更大的能量密度，并具有更高的加工效率和速度，这使得激光加工设备在许多行业中得到广泛应用，如金属加工、塑料加工、电子制造等；而且，高功率激光技术的进步还推动了激光切割、激光焊接、激光打标等加工技术的发展。

在现有技术中，传统激光加工设备的激光输出，往往需要使用反射镜、扩束镜、偏振片、聚焦透镜等光学元件来搭建传输光路；如现有技术中，公开号为CN202498831U的中国专利，公开了一种激光打标机，其中，此现有技术中就提及激光打标机设有扩束镜、聚焦透镜等光学元件。但在使用高功率激光加工时，传统激光加工设备的机器腔体内的温度会随着激光功率的增高而上升，而机器腔体内的光学元件就会由于高温发生变化，比如聚焦透镜表面的增透膜受热变形，从而导致激光焦距产生轻微的变化，这些轻微的变化会直接影响激光加工工艺。

因此，亟需一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法来解决上述问题。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题，本发明可以实现聚焦镜位置随温度的变化而变化，并能修正聚焦镜因高温导致的离焦问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括激光器和聚焦镜，所述激光器发出的激光束透过聚焦镜，所述聚焦镜的温度数据会随时间变化；还包括伺服电机、数据采集模块和数据处理终端；所述聚焦镜与伺服电机传动连接，聚焦镜在伺服电机的驱使下，沿激光束的光轴方向呈正向或反向移动；

所述伺服电机、数据采集模块分别与数据处理终端电性连接；

所述数据采集模块，用于采集聚焦镜实时的温度数据，并发送至数据处理终端；

所述数据处理终端，内置有与温度数据对应的焦距补偿值，数据处理终端根据实时的温度数据选定相应的焦距补偿值，数据处理终端再根据所述焦距补偿值确定位置补偿值，所述位置补偿值与聚焦镜在光轴方向上的移动距离相互对应；

所述数据处理终端还用于比较温度变化前、后的聚焦镜温度大小以得到温度差值，再将温度差值与预先设定的温度阈值作对比判断，形成比较结果，所述比较结果与聚焦镜的移动方向相对应；所述数据处理终端根据比较结果、位置补偿值向所述伺服电机发送相应的改变焦距信号；

所述伺服电机，根据改变焦距信号，带动所述聚焦镜按相应的方向移动相应的距离。

进一步地，所述伺服电机安装于一底座上，所述聚焦镜安装于一镜座上；所述伺服电机通过一摆臂与连杆连接；所述连杆一端与摆臂连接，连杆另一端与镜座连接；所述底座上设有滑轨，所述滑轨上设有滑块，所述滑块与滑轨滑动连接；所述镜座底部与滑块顶部连接；

所述摆臂转动会带动连杆移动，所述镜座在连杆的带动下沿着滑轨移动，所述聚焦镜随镜座一起移动。

进一步地，所述数据采集模块包括温度采集单元，所述温度采集单元包括温度探头，所述温度探头与所述镜座贴合连接；所述镜座采用导热材料制成。

进一步地，所述数据处理终端为计算机。

进一步地，所述聚焦镜的表面镀有增透膜。

一种基于温度检测的后聚焦补偿方法，应用于上述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括以下步骤：

步骤S1：打开激光器，让激光束透过聚焦镜；所述数据处理终端通过预处理绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd；

步骤S2：所述数据采集模块重新采集当前的聚焦镜温度T₀ ^′，并发送至所述数据处理终端，同时记录当前的位置值L₀ ^′；

步骤S3：待聚焦镜温度变化为T_n ^′后，所述数据采集模块采集变化后的实时聚焦镜温度T_n ^′，并发送至所述数据处理终端；

步骤S4：所述数据处理终端比较变化后的聚焦镜温度T_n ^′和变化前的聚焦镜温度T₀ ^′，得到温度差值ΔT，通过判断温度差值ΔT的正、负值向伺服电机发送对应的改变焦距信号；

步骤S5：所述数据处理终端根据温度三轴位置曲线计算出变化后的聚焦镜温度T_n ^′对应的焦距补偿值Δd，再根据焦距补偿值Δd计算位置补偿值ΔL，并将位置补偿值ΔL发送至伺服电机；

步骤S6：所述伺服电机根据改变焦距信号，将位置补偿值ΔL叠加到当前的位置值L₀ ^′上，即伺服电机控制聚焦镜移动ΔL以补偿焦距。

进一步地，在所述步骤S1中，所述预处理包括以下步骤：

步骤S1-1:在常温环境下，所述数据采集模块采集初始聚焦镜温度T₀并发送至数据处理终端；手动测量此时正确焦距对应的初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)、此时聚焦镜在滑轨上对应的初始位置值L₀，并录入数据处理终端；所述数据处理终端设定初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)中的Z₀值为此时聚焦镜的正确焦距值d₀；其中，所述三轴位置数据指三维坐标系中的三维坐标值(X,Y,Z)，其中，三轴分别为X轴、Y轴和Z轴；

步骤S1-2:所述数据处理终端设定温度取值范围和预设温度阈值为t，根据温度阈值t确定n个不同的目标温度值T_n，手动调节激光器的输出功率大小以获取对应的目标温度值T_n；再根据不同目标温度值T_n分别测量离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)、离焦后的位置值L_n，并录入数据处理终端；其中，n取正整数，X₀和Y₀为定值，Z_n为变化值；所述数据处理终端设定离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)中的Z_n值为离焦后的焦距值d_n；

步骤S1-3:所述数据处理终端统计初始聚焦镜温度T₀、正确焦距值d₀、初始位置值L₀、目标温度值T_n、离焦后的焦距值d_n和离焦后的位置值L_n，并写入软件；数据处理终端再根据上述统计的数据绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd。

进一步地，在所述步骤S1-2中，所述温度阈值t为自定义数值；所述温度取值范围为自定义取值范围。

进一步地，在所述步骤S1-3中通过平滑三个相邻目标温度值T_n对应的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)获得所述温度三轴位置曲线对应的抛物曲线公式：d＝aT²+bT+c；其中，a、b、c为常数，且a≠0；d为某个聚焦镜温度T对应的焦距值，即Z_n值；温度T为变量，Z_n值为因变量；

焦距补偿值Δd＝d₀-d，其中d₀为正确焦距值；

所述数据处理终端根据不同的目标温度值T_n，设定各焦距补偿值Δd对应的聚焦镜在滑轨上的位置补偿值ΔL；其中，ΔL＝L₀-L_n，且位置补偿值ΔL取绝对值。

进一步地，在所述步骤S4中，所述改变焦距信号包括正信号和负信号；当温度差值ΔT为正且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机发送正信号；当温度差值ΔT为负且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机发送负信号；

进一步地，在所述步骤S6中，所述伺服电机接收到正信号会往正方向移动ΔL的距离，所述伺服电机接收到负信号会往负方向移动ΔL的距离。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于温度检测的后聚焦补偿系统及其方法，包括激光器、聚焦镜、伺服电机、数据采集模块和数据处理终端，所述聚焦镜与伺服电机传动连接；相较于现有技术，本发明可以根据聚焦镜温度的变化，统计出不同聚焦镜温度下的三轴位置数据，并绘制出相应的温度三轴位置曲线，再根据温度三轴位置曲线计算出任意聚焦镜温度T对应的焦距补偿值Δd，然后再根据焦距补偿值Δd得出离焦后聚焦镜在滑轨上的位置补偿值ΔL，实现聚焦镜位置随温度的变化而变化，修正了聚焦镜因高温导致的离焦问题，进而有利于提高激光加工设备的加工效率和加工质量。

附图说明

图1为本发明的聚焦镜与伺服电机组合的结构示意图；

图2为本发明的聚焦镜与伺服电机组合的另一角度结构示意图；

图3为本发明的一种基于温度检测的后聚焦补偿方法的流程示意图。

标记说明：

1、聚焦镜；2、伺服电机；3、底座；31、滑轨；32、滑块；4、镜座；5、摆臂；6、连杆；7、温度探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，本实施例提供了一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括激光器和聚焦镜1，所述激光器发出的激光束透过聚焦镜1，所述聚焦镜1的温度数据会随时间变化；还包括伺服电机2、数据采集模块和数据处理终端；所述聚焦镜1与伺服电机2传动连接，聚焦镜1在伺服电机2的驱使下，沿激光束的光轴方向呈正向或反向移动；

所述伺服电机2、数据采集模块分别与数据处理终端电性连接；

所述数据采集模块，用于采集聚焦镜1实时的温度数据，并发送至数据处理终端；

所述数据处理终端，内置有与温度数据对应的焦距补偿值，数据处理终端根据实时的温度数据选定相应的焦距补偿值，数据处理终端再根据所述焦距补偿值确定位置补偿值，所述位置补偿值与聚焦镜1在光轴方向上的移动距离相互对应；

所述数据处理终端还用于比较温度变化前、后的聚焦镜1温度大小以得到温度差值，再将温度差值与预先设定的温度阈值作对比判断，形成比较结果，所述比较结果与聚焦镜1的移动方向相对应；所述数据处理终端根据比较结果、位置补偿值向所述伺服电机2发送相应的改变焦距信号；

所述伺服电机2，根据改变焦距信号，带动所述聚焦镜1按相应的方向移动相应的距离。

具体地，所述伺服电机2安装于一底座3上，所述聚焦镜1安装于一镜座4上；所述伺服电机2通过一摆臂5与连杆6连接；所述连杆6一端与摆臂5连接，连杆6另一端与镜座4连接；所述底座3上设有滑轨31，所述滑轨31上设有滑块32，所述滑块32与滑轨31滑动连接；所述镜座4底部与滑块32顶部连接；

所述摆臂5转动会带动连杆6移动，所述镜座4在连杆6的带动下沿着滑轨31移动，所述聚焦镜1随镜座4一起移动。

具体地，所述数据采集模块包括温度采集单元，所述温度采集单元包括温度探头7，所述温度探头7与所述镜座4贴合连接；所述镜座4采用导热材料制成。

具体地，所述数据处理终端为计算机。

具体地，所述聚焦镜1的表面镀有增透膜。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于温度检测的后聚焦补偿方法，应用于上述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括以下步骤：

步骤S1：打开激光器，让激光束透过聚焦镜1；所述数据处理终端通过预处理绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd；

步骤S2：所述数据采集模块重新采集当前的聚焦镜1温度T₀ ^′，并发送至所述数据处理终端，同时记录当前的位置值L₀ ^′；

步骤S3：待聚焦镜1温度变化为T_n ^′后，所述数据采集模块采集变化后的实时聚焦镜1温度T_n ^′，并发送至所述数据处理终端；

步骤S4：所述数据处理终端比较变化后的聚焦镜1温度T_n ^′和变化前的聚焦镜1温度T₀ ^′，得到温度差值ΔT，通过判断温度差值ΔT的正、负值向伺服电机2发送对应的改变焦距信号；

步骤S5：所述数据处理终端根据温度三轴位置曲线计算出变化后的聚焦镜1温度T_n ^′对应的焦距补偿值Δd，再根据焦距补偿值Δd计算位置补偿值ΔL，并将位置补偿值ΔL发送至伺服电机2；

步骤S6：所述伺服电机2根据改变焦距信号，将位置补偿值ΔL叠加到当前的位置值L₀ ^′上，即伺服电机2控制聚焦镜1移动ΔL以补偿焦距。

具体地，在所述步骤S1中，所述预处理包括以下步骤：

步骤S1-1:在常温环境下，所述数据采集模块采集初始聚焦镜1温度T₀并发送至数据处理终端；手动测量此时正确焦距对应的初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)、此时聚焦镜1在滑轨31上对应的初始位置值L₀，并录入数据处理终端；所述数据处理终端设定初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)中的Z₀值为此时聚焦镜1的正确焦距值d₀；其中，所述三轴位置数据指三维坐标系中的三维坐标值(X,Y,Z)，其中，三轴分别为X轴、Y轴和Z轴；

步骤S1-2:所述数据处理终端设定温度取值范围和预设温度阈值为t，根据温度阈值t确定n个不同的目标温度值T_n，手动调节激光器的输出功率大小以获取对应的目标温度值T_n；再根据不同目标温度值T_n分别测量离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)、离焦后的位置值L_n，并录入数据处理终端；其中，n取正整数，X₀和Y₀为定值，Z_n为变化值；所述数据处理终端设定离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)中的Z_n值为离焦后的焦距值d_n；

步骤S1-3:所述数据处理终端统计初始聚焦镜1温度T₀、正确焦距值d₀、初始位置值L₀、目标温度值T_n、离焦后的焦距值d_n和离焦后的位置值L_n，并写入软件；数据处理终端再根据上述统计的数据绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd。

具体地，在所述步骤S1-2中，所述温度阈值t为自定义数值；所述温度取值范围为自定义取值范围。

具体地，在所述步骤S1-3中通过平滑三个相邻目标温度值T_n对应的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)获得所述温度三轴位置曲线对应的抛物曲线公式：d＝aT²+bT+c；其中，a、b、c为常数，且a≠0；d为某个聚焦镜1温度T对应的焦距值，即Z_n值；温度T为变量，Z_n值为因变量；

焦距补偿值Δd＝d₀-d，其中d₀为正确焦距值；

所述数据处理终端根据不同的目标温度值T_n，设定各焦距补偿值Δd对应的聚焦镜1在滑轨31上的位置补偿值ΔL；其中，ΔL＝L₀-L_n，且位置补偿值ΔL取绝对值。

具体地，在所述步骤S4中，所述改变焦距信号包括正信号和负信号；当温度差值ΔT为正且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机2发送正信号；当温度差值ΔT为负且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机2发送负信号；

具体地，在所述步骤S6中，所述伺服电机2接收到正信号会往正方向移动ΔL的距离，所述伺服电机2接收到负信号会往负方向移动ΔL的距离。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括激光器和聚焦镜，所述激光器发出的激光束透过聚焦镜，所述聚焦镜的温度数据会随时间变化；其特征在于，还包括伺服电机、数据采集模块和数据处理终端；所述聚焦镜与伺服电机传动连接，聚焦镜在伺服电机的驱使下，沿激光束的光轴方向呈正向或反向移动；

所述伺服电机、数据采集模块分别与数据处理终端电性连接；

所述数据采集模块，用于采集聚焦镜实时的温度数据，并发送至数据处理终端；

所述数据处理终端，内置有与温度数据对应的焦距补偿值，数据处理终端根据实时的温度数据选定相应的焦距补偿值，数据处理终端再根据所述焦距补偿值确定位置补偿值，所述位置补偿值与聚焦镜在光轴方向上的移动距离相互对应；

所述数据处理终端还用于比较温度变化前、后的聚焦镜温度大小以得到温度差值，再将温度差值与预先设定的温度阈值作对比判断，形成比较结果，所述比较结果与聚焦镜的移动方向相对应；所述数据处理终端根据比较结果、位置补偿值向所述伺服电机发送相应的改变焦距信号；

所述伺服电机，根据改变焦距信号，带动所述聚焦镜按相应的方向移动相应的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，其特征在于，所述伺服电机安装于一底座上，所述聚焦镜安装于一镜座上；所述伺服电机通过一摆臂与连杆连接；所述连杆一端与摆臂连接，连杆另一端与镜座连接；所述底座上设有滑轨，所述滑轨上设有滑块，所述滑块与滑轨滑动连接；所述镜座底部与滑块顶部连接；

所述摆臂转动会带动连杆移动，所述镜座在连杆的带动下沿着滑轨移动，所述聚焦镜随镜座一起移动。

3.根据权利要求2所述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，其特征在于，所述数据采集模块包括温度采集单元，所述温度采集单元包括温度探头，所述温度探头与所述镜座贴合连接；所述镜座采用导热材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，其特征在于，所述聚焦镜的表面镀有增透膜。

5.一种基于温度检测的后聚焦补偿方法，其特征在于，应用于如权利要求1～4任一项所述的一种基于温度检测的后聚焦补偿系统，包括以下步骤：

步骤S1：打开激光器，让激光束透过聚焦镜；所述数据处理终端通过预处理绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd；

步骤S2：所述数据采集模块重新采集当前的聚焦镜温度T₀ ^′，并发送至所述数据处理终端，同时记录当前的位置值L₀ ^′；

步骤S3：待聚焦镜温度变化为T_n ^′后，所述数据采集模块采集变化后的实时聚焦镜温度T_n ^′，并发送至所述数据处理终端；

步骤S4：所述数据处理终端比较变化后的聚焦镜温度T_n ^′和变化前的聚焦镜温度T₀ ^′，得到温度差值ΔT，即ΔT＝T₀ ^′-T_n ^′；通过判断温度差值ΔT的正、负值向伺服电机发送对应的改变焦距信号；

步骤S5：所述数据处理终端根据温度三轴位置曲线计算出变化后的聚焦镜温度T_n ^′对应的焦距补偿值Δd，再根据焦距补偿值Δd计算位置补偿值ΔL，并将位置补偿值ΔL发送至伺服电机；

步骤S6：所述伺服电机根据改变焦距信号，将位置补偿值ΔL叠加到当前的位置值L₀ ^′上，即伺服电机控制聚焦镜移动ΔL以补偿焦距。

6.根据权利要求5所述的后聚焦补偿方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述预处理包括以下步骤：

步骤S1-1:在常温环境下，所述数据采集模块采集初始聚焦镜温度T₀并发送至数据处理终端；手动测量此时正确焦距对应的初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)、此时聚焦镜在滑轨上对应的初始位置值L₀，并录入数据处理终端；所述数据处理终端设定初始三轴位置数据(X₀,Y₀,Z₀)中的Z₀值为此时聚焦镜的正确焦距值d₀；

步骤S1-2:所述数据处理终端设定温度取值范围和预设温度阈值为t，根据温度阈值t确定n个不同的目标温度值T_n，手动调节激光器的输出功率大小以获取对应的目标温度值T_n；再根据不同目标温度值T_n分别测量离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)、离焦后的位置值L_n，并录入数据处理终端；其中，n取正整数，X₀和Y₀为定值，Z_n为变化值；所述数据处理终端设定离焦后的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)中的Z_n值为离焦后的焦距值d_n；

步骤S1-3:所述数据处理终端统计初始聚焦镜温度T₀、正确焦距值d₀、初始位置值L₀、目标温度值T_n、离焦后的焦距值d_n和离焦后的位置值L_n，并写入软件；数据处理终端再根据上述统计的数据绘制出相应的温度三轴位置曲线和计算焦距补偿值Δd。

7.根据权利要求6所述的后聚焦补偿方法，其特征在于，在所述步骤S1-2中，所述温度阈值t为自定义数值；所述温度取值范围为自定义取值范围。

8.根据权利要求6所述的后聚焦补偿方法，其特征在于，在所述步骤S1-3中通过平滑三个相邻目标温度值T_n对应的三轴位置数据(X₀,Y₀,Z_n)获得所述温度三轴位置曲线对应的抛物曲线公式：d＝aT²+bT+c；其中，a、b、c为常数，且a≠0；d为某个聚焦镜温度T对应的焦距值，即Z_n值；温度T为变量，Z_n值为因变量；

焦距补偿值Δd＝d₀-d，其中d₀为正确焦距值；

所述数据处理终端根据不同的目标温度值T_n，设定各焦距补偿值Δd对应的聚焦镜在滑轨上的位置补偿值ΔL；其中，ΔL＝L₀-L_n，且位置补偿值ΔL取绝对值。

9.根据权利要求6所述的后聚焦补偿方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述改变焦距信号包括正信号和负信号；当温度差值ΔT为正且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机发送正信号；当温度差值ΔT为负且大于预设定的温度阈值t，所述数据处理终端向伺服电机发送负信号。

10.根据权利要求9所述的后聚焦补偿方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述伺服电机接收到正信号会往正方向移动ΔL的距离，所述伺服电机接收到负信号会往负方向移动ΔL的距离。