CN118009916A - 一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，属激光焊接检测技术领域，其特征在于：参考光经过准直镜将发散光准直成平行光，由合束镜合成后进入反射镜自动调节模块，通过获取样品臂的振镜扫描角度和焊接偏摆位置，计算求解反射镜的距离或角度，实现自动调节反射镜的距离或角度，保持参考光与探测光的光程差小于12cm，参考臂内的参考光和样品臂内的探测光反射后返回至干涉仪产生干涉，经光电探测器对信号进行接收，分析得出其成像图像，由于增加了参考臂内的反射镜的距离或角度调节，保持参考光与探测光光程差小于预设值，检测准确度和精度都非常高，满足了激光熔深实时检测的各种要求，保证了激光焊接的质量。
Description
技术领域
本发明属激光焊接检测技术领域，涉及一种激光熔深实时检测系统，特别是一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统。
背景技术
在激光焊接中，因为被焊接金属汽化过程中会出现匙孔，而匙孔的不稳定性会导致内部空隙和较高的焊接孔隙率，进而导致焊接失败，因此激光焊接在线监测熔深越来越重要。
目前实时检测系统主要是采用基于光学相干成像(OCT)的激光焊接熔深监测方法，通过在激光焊接过程中引入一束近红外激光作为检测光源，通过分光镜将其分为两束，参考光进入参考臂经反射镜反射回干涉仪，与同样反射回干涉仪的探测光在干涉仪中发生干涉，通过OCT对干涉信号的功率谱密度进行逆傅里叶变换处理，即可得到两束光的相位差，进而求解出匙孔深度。中国专利公开号CN112247382A《基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测系统及方法》提供一种基于光学弱相干成像的激光焊接熔深信息监测系统，探测光源发射探测光传输至光纤环形器并从其端口输出，输入至所述光纤耦合器后分为两束，分别作为探测光和参考光，我们看到，该技术方案中仍然采用的是常规的固定不可调节的参考臂，但是，在焊接头焊接过程中，如果是没有偏摆幅度，参考光和测试光的光程差稳定在一定区间，干涉信号稳定准确，而在振镜系统焊接过程中，振镜焊接系统在场镜全幅面内焊接，由于振镜焊接系统扫描幅面大，偏摆角度大，探测光跟随振镜焊接系统扫描，探测光光程差变化幅度增大而参考光偏转位置受限导致参考光与探测光光程差增大，从而引起监测系统准确度与灵敏度下降，由于参考光与探测光的光程差距离越小，精度越高，当参考光与探测光光程差大于12cm时，系统准确率骤降。
发明内容
本发明的目的就是发明一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，通过在激光焊接过程中引入低功率近红外激光作为检测光源，通过分光镜分别进入参考臂和样品臂，其中，样品臂内的检测光由振镜调整，通过光路耦合与加工激光保持高度同轴同时作用在被焊材料上，直接打到匙孔底部，参考臂内的参考光则经过自动光程补偿调整，减小参考光与探测光光程差，实时光程补偿，保证获得更大幅面的熔深准确值，具体实施方案是：
一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：采用可调谐的窄带激光作为检测光源，由分光镜分光后分别进入样品臂和参考臂，参考臂内称为参考光，样品臂内称为探测光；所述的样品臂包括探测光准直模块、探测光振镜调整模块和探测光反射镜调节模块，探测光经过探测光准直模块将探测光由发散光准直成平行光，由探测光振镜调整模块和反射镜调节模块再将平行光调整后进入合束镜，合束镜将探测光反射与透射的焊接激光合成到一条光路调成同轴，探测光由聚焦镜聚焦后再经保护镜打在产品的匙孔以及表面上反射，并按原光路返回；所述的参考臂包括参考光透镜、参考光合束镜和参考光反射镜自动调节模块，参考光经过透镜将发散光准直成平行光，由合束镜合成后进入参考光反射镜自动调节模块，通过获取样品臂的振镜扫描角度和焊接偏摆位置，计算求解反射镜的距离或角度，实现自动调节反射镜的距离或角度，保持参考光与探测光的光程差小于预设值；参考臂内的参考光和样品臂内的探测光反射后返回至干涉仪产生干涉，经光电探测器对信号进行接收，分析得出其成像图像。
所述的焊接激光由激光输出头输出，经过准直镜准直后成为平行光，平行光透射过合束镜后，将焊接激光由聚焦镜聚焦后，再经保护镜打在产品上形成匙孔。
所述的探测光准直模块由光纤座、套筒、压圈、镜套、准直镜组成，套筒内呈阶梯孔，光纤座的外螺纹和套筒前端的内螺纹配合，通过螺纹连接固定在套筒前端位置，镜套的外螺纹和套筒后端的内螺纹配合，通过螺纹连接固在套筒后端位置，压圈的外螺纹和镜套内螺纹配合，准直镜装在镜套中，并由压圈将其压紧。
所述的探测光振镜调整模块包括由高速高精度电机带动的X轴旋转振镜和Y轴旋转振镜，探测光沿X轴到达Y轴旋转振镜偏转后沿Z轴到达X轴旋转振镜偏转再沿Y轴输出到参考光反射镜自动调节模块的反射镜。
所述的探测光反射镜调节模块由反射镜、基座、镜座、镜盖、轴向调节螺钉、销轴和径向调节螺钉组成，镜座为阶梯轴，阶梯轴小轴前端面为斜面，斜面优选为45°，在阶梯处切有一定宽度的切口，阶梯轴大轴圆面对称开有平面豁口，镜座放置在基座内，反射镜固定安装在镜座前端的斜面上，基座上对应反射镜的光路开有X方向和Y方向的通孔，镜盖安装在镜座后端，由螺钉固定在基座上，穿过镜座切口开口处由销钉将销轴固定在镜座上，轴向调节螺钉螺纹连接在镜座上，轴向调节螺钉的前端面顶在销轴的后端面，轴向调节螺钉外端伸出到镜盖外部，当旋转轴向调节螺钉时，顶住销轴向前，使镜座切口变大，调节反射镜的俯仰倾角，两侧径向调节螺钉螺纹连接镜盖并穿过镜盖顶在平面豁口，旋转径向调节螺钉使得镜座转动，调节反射镜的偏转。
所述的合束镜或者将焊接激光反射和探测光透射合成到一条光路调成同轴后，再经过扫描振镜调节，焊接激光经过场镜聚焦后打在产品上形成匙孔，探测光经过场镜聚焦后打在产品的匙孔及表面后反射。
所述的扫描振镜包括由高速高精度电机带动的X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜，焊接激光和探测光由X轴扫描振镜偏振到Y轴扫描振镜后进入到场镜。
所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的距离调节通过直线电机带动反射镜伸缩筒内的反射镜实现。
所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的角度调节通过旋转电机带动反射镜架上的反射镜实现。
所述的参考臂的参考光透镜为平凸镜片或双凸镜片或复合镜片，起到将参考光进行准直和聚焦作用。
所述的参考光与探测光的光程差为Δl＝l2-l1＝λ2/(4δ·λ)，其中，l2为探测光光程，l1为参考光光程，δ为光谱仪分辨率，λ为探测光源主波长；所述的探测光的光程为l2＝2n·d2，其中，n为折射率，d2为样品臂长度；所述的参考光的光程为l1＝l2-Δl＝2n·d2-λ2/(4δ·λ)。
所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的调节距离为Δh＝Δx·sinθ，其中，Δx为振镜扫描位置，θ为振镜扫描时振镜片偏转角度，参考臂中反射镜自动调节距离为Δh。
所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的调节角度为cosα＝l1/d1,其中，l1为参考光光程，d1为参考臂到反射镜长度，α为反射镜偏转角度。
所述的样品臂的探测光和参考臂的参考光返回到光电探测器，光电探测器利用单点探测按时间顺序接收干涉信号，对干涉信号进行傅里叶变换处理，得到两束光的相位差，进而求解出匙孔深度。
本发明产生的积极有益效果是：采用了高速高精度电机带动的振镜可以快速地对匙孔和表面进行扫描，探测光振镜调整模块和反射镜调整机构共同作用实现三维调整，对检测光进行快速调整和焊接激光保持同轴，提高了扫描精度，因此实现了快速反应获得高精度位置信息；同时增加了参考臂的调节，保证了参考臂的参考光与样品臂的探测光的光程差小于预设值，检测准确度和精度都非常高，满足了激光熔深实时检测的各种要求，保证了激光焊接的质量。
附图说明
图1为本发明的熔深检测原理示意图。
图2为本发明的实施例1焊接头光路示意图。
图3为本发明的实施例2焊接头光路示意图。
图4为本发明的探测光准直模块剖面结构示意图。
图5为本发明的旋转振镜光路示意图。
图6为本发明的探测光反射镜调节模块的结构示意图。
图7为本发明的参考臂反射镜的距离调整光路示意图。
图8为本发明的参考臂反射镜的倾角调整光路示意图。
图9为本发明的实施例单点测试熔深示意图。
图10为本发明的实施例连续焊接测试熔深示意图。
图中，001、检测光，002、光电探测器，003、干涉仪，004、参考臂，005、焊接头，1、焊接激光输出头，2、焊接激光准直镜，3、合束镜，04、聚焦镜，05、保护镜，4、X轴扫描振镜，5、Y轴扫描振镜，6、场镜，7、探测光纤，8、探测光准直镜，9、X轴旋转振镜，10、Y轴旋转振镜，11、反射镜，12、匙孔，13、高速高精度电机，14、探测光准直模块，1401、套筒，1402、光纤座，1403、镜套，1404、压圈，15、二维调节机构，1501、基座，1502、镜座，1502-1、切口，1502-2、豁口，1503、镜盖，1504、轴向调节螺钉，1505、销轴，1506、销钉，1507、径向调节螺钉，1601、参考光透镜，1602、第一参考光反射镜，1603、第二参考光反射镜，1604、第三参考光反射镜，1605、第四参考光反射镜，1606、反射光栅。
具体实施方式
如图1所示，是本发明的熔深检测原理示意图，检测光001为可调谐的窄带激光，经分光镜呈两路，一路进入参考臂004，一路进入样品臂005(亦称为焊接头)，两路光反射后经干涉仪003产生干涉，最后经探测器002对信号接收，进而分析得出其成像图像。
如图2所示，是实施例1的样品臂005的光路示意图，焊接激光输出头1输出焊接激光经过焊接激光准直镜2准直后成为平行光进入合束镜3，探测光纤7输出探测光经过探测光准直镜8将探测光由发散光准直成平行光，探测光沿X轴到达Y轴旋转振镜10偏转后，沿Z轴到达X轴旋转振镜9偏转，再沿Y轴输出到反射镜11，反射镜11由二维调节机构15将探测光调整进入合束镜3，合束镜3将焊接激光透射、将探测光反射合束到一个光路后，再经聚焦镜04聚焦和保护镜05，将焊接激光打在产品上形成匙孔12，将探测光打在产品上的匙孔12和表面后，并按原光路返回。
如图3所示，是实施例2的样品臂005的光路示意图，焊接激光输出头1输出焊接激光经过焊接激光准直镜2准直后成为平行光进入合束镜3，平行光通过分光镜3后再经高速高精度电机13带动的X轴扫描振镜4偏振到Y轴扫描振镜5后到达场镜6上，探测光纤7输出探测光经过探测光准直镜8将探测光由发散光准直成平行光，探测光沿X轴到达Y轴旋转振镜10偏转后沿Z轴到达X轴旋转振镜9偏转再沿Y轴输出到反射镜11，反射镜11由二维调节机构15将探测光调整进入合束镜3，合束镜3将焊接激光反射、将探测光透射合束到一个光路后，再经高速高精度电机13带动的X轴扫描振镜4偏振到Y轴扫描振镜5后到达场镜6上，场镜6将焊接激光打在产品上形成匙孔12，将探测光打在产品上的匙孔12和表面后，并按原光路返回。我们看到经过前后两次的振镜扫描调整探测光，探测光可以斜的方向去探测熔深，不会因匙孔形状复杂导致探测光被拦截，产生测量偏差，因此对于斜面激光焊接产生的匙孔测量更精确。
如图4所示，是探测光准直模块14剖面结构示意图，光纤座1402的外螺纹和套筒1401前端的内螺纹配合，通过螺纹连接固定在套筒1401前端位置，镜套1403的外螺纹和套筒1401后端的内螺纹配合，通过螺纹连接固在套筒1401后端位置，压圈1404的外螺纹和镜套1403内螺纹配合，探测光准直镜8装在镜套1403中，并由压圈1404将其压紧。
如图5所示，是旋转振镜光路示意图，探测光001沿X轴到达由高速高精度电机13带动的Y轴旋转振镜10偏转后沿Z轴到达X轴旋转振镜9偏转再沿Y轴输出到反射镜11上。
如图6所示，是二维调节机构15的结构示意图，镜座1502放置在基座1501内，反射镜11固定安装在镜座1502前端的斜面上，镜盖1503安装在镜座1502后端，由螺钉固定在基座1501上，穿过镜座切口1502-1开口处由销钉1506将销轴1505固定在镜座1502，轴向调节螺钉1504螺纹连接在镜座1502上，轴向调节螺钉1504的前端面顶在销轴1505的后端面，轴向调节螺钉1504外端伸出到镜盖1503外部，当旋转轴向调节螺钉1504时，顶住销轴1505向前，使镜座切口1502-1变大，调节反射镜11的俯仰倾角，两侧径向调节螺钉螺纹1507连接并穿过镜盖1503顶在平面豁口1502-2，旋转径向调节螺钉1507使得镜座1502转动，调节反射镜11的偏转。
如图7所示，是参考臂004内的反射镜的距离调整光路示意图，当参考光经参考光透镜1601准直成平行光后再经参考光合束镜后到直角形的第一参考光反射镜1602，将参考光再反射到参考光透镜1601后聚焦到第二参考光反射镜1603，第二参考光反射镜1603再将参考光原路反射回，参考臂的参考光的调节距离为Δh＝Δx·sinθ。
如图8所示，是参考臂004内的反射镜的角度调整光路示意图，当已经过准直后的参考光由反射光栅1606反射后，再经参考光透镜1601准直后由参考光合束镜后到平面形的第三参考光反射镜1604，将参考光再反射到参考光透镜1601后聚焦到反射光栅1606，反射光栅1606将参考光反射到第四参考光反射镜1605，第四参考光反射镜1605再将参考光原路反射回，参考臂的参考光的调节角度为cosα＝l1/d1。
如图9所示，是实施例单点测试熔深示意图，实验过程中采用1片厚不锈钢板+10片薄不锈钢板重合堆叠，1片厚不锈钢板厚度为0.2mm，薄不锈钢板的单片厚度为0.02mm，10片薄不锈钢板总厚度为0.23mm，因钢板间隙产生的厚度误差已被修正，进行单点测试熔深20次，测试数据如下表：
如图10所示，是实施例的连续焊接实际测试熔深数据与横截面金相图，实测OCT熔深监测误差与焊接的产品横截面金相图误差小于10％。
综上所述，焊接头集成熔深检测模块后，可以实时在线的检测焊接过程中的熔深，根据检测结果快速准确的判断产品焊接是否合格，省去了人工对焊接熔深检测，同时可以快速保存熔深数据，以便追溯，为焊接工艺参数调整提供依据，本案中采用的光学相干断层扫描技术，属于无损检测，大大节省了成本，本案中的两个方向的旋转振镜及反射镜片的二维调节机构，共同配合使得检测光更容易找到匙孔位置，保证了测量的精度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：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，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：采用可调谐的窄带激光作为检测光源，由分光镜分光后分别进入样品臂和参考臂，参考臂内称为参考光，样品臂内称为探测光；所述的样品臂包括探测光准直模块、探测光振镜调整模块和探测光反射镜调节模块，探测光经过探测光准直模块将探测光由发散光准直成平行光，由探测光振镜调整模块和反射镜调节模块再将平行光调整后进入合束镜，合束镜将探测光反射与透射的焊接激光合成到一条光路调成同轴，探测光由聚焦镜聚焦后再经保护镜打在产品的匙孔以及表面上反射，并按原光路返回；所述的参考臂包括参考光准直镜、参考光合束镜和参考光反射镜自动调节模块，参考光经过准直镜将发散光准直成平行光，由合束镜合成后进入反射镜自动调节模块，通过获取样品臂的振镜扫描角度和焊接偏摆位置，计算求解反射镜的距离或角度，实现自动调节反射镜的距离或角度，保持参考光与探测光的光程差小于预设值；参考臂内的参考光和样品臂内的探测光反射后返回至干涉仪产生干涉，经光电探测器对信号进行接收，分析得出其成像图像。
2.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的焊接激光由激光输出头输出，经过准直镜准直后成为平行光，平行光透射过合束镜后，将焊接激光由聚焦镜聚焦后，再经保护镜打在产品上形成匙孔。
3.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的探测光准直模块由光纤座、套筒、压圈、镜套、准直镜组成，套筒内呈阶梯孔，光纤座的外螺纹和套筒前端的内螺纹配合，通过螺纹连接固定在套筒前端位置，镜套的外螺纹和套筒后端的内螺纹配合，通过螺纹连接固在套筒后端位置，压圈的外螺纹和镜套内螺纹配合，准直镜装在镜套中，并由压圈将其压紧。
4.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的探测光振镜调整模块包括由高速高精度电机带动的X轴旋转振镜和Y轴旋转振镜，探测光沿X轴到达Y轴旋转振镜偏转后沿Z轴到达X轴旋转振镜偏转再沿Y轴输出到参考光反射镜自动调节模块的反射镜。
5.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的探测光反射镜调节模块由反射镜、基座、镜座、镜盖、轴向调节螺钉、销轴和径向调节螺钉组成，镜座为阶梯轴，阶梯轴小轴前端面为斜面，斜面优选为45°，在阶梯处切有一定宽度的切口，阶梯轴大轴圆面对称开有平面豁口，镜座放置在基座内，反射镜固定安装在镜座前端的斜面上，基座上对应反射镜的光路开有X方向和Y方向的通孔，镜盖安装在镜座后端，由螺钉固定在基座上，穿过镜座切口开口处由销钉将销轴固定在镜座上，轴向调节螺钉螺纹连接在镜座上，轴向调节螺钉的前端面顶在销轴的后端面，轴向调节螺钉外端伸出到镜盖外部，当旋转轴向调节螺钉时，顶住销轴向前，使镜座切口变大，调节反射镜的俯仰倾角，两侧径向调节螺钉螺纹连接镜盖并穿过镜盖顶在平面豁口，旋转径向调节螺钉使得镜座转动，调节反射镜的偏转。
6.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的合束镜或者将焊接激光反射和探测光透射合成到一条光路调成同轴后，再经过扫描振镜调节，焊接激光经过场镜聚焦后打在产品上形成匙孔，探测光经过场镜聚焦后打在产品的匙孔及表面后反射。
7.如权利要求6所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的扫描振镜包括由高速高精度电机带动的X轴扫描振镜和Y轴扫描振镜，焊接激光和探测光由X轴扫描振镜偏振到Y轴扫描振镜后进入到场镜。
8.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的距离调节通过直线电机带动反射镜伸缩筒内的反射镜实现；所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的角度调节通过旋转电机带动反射镜架上的反射镜实现。
9.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的参考光与探测光的光程差为Δl＝l2-l1＝λ2/(4δ·λ)，其中，l2为探测光光程，l1为参考光光程，δ为光谱仪分辨率，λ为探测光源主波长；所述的探测光的光程为l2＝2n·d2，其中，n为折射率，d2为样品臂长度；所述的参考光的光程为l1＝l2-Δl＝2n·d2-λ2/(4δ·λ)；所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的调节距离为Δh＝Δx·sinθ，其中，Δx为振镜扫描位置，θ为振镜扫描时振镜片偏转角度，Δh为参考臂中反射镜自动调节距离；所述的参考臂的参考光反射镜自动调节模块的调节角度为cosα＝l1/d1,其中，l1为参考光光程，d1为参考臂到反射镜长度，α为反射镜偏转角度。
10.如权利要求1所述的一种基于高速高精度电机具有自动光程补偿的激光熔深实时检测系统，其特征在于：所述的样品臂的探测光和参考臂的参考光返回到光电探测器，光电探测器利用单点探测按时间顺序接收干涉信号，对干涉信号进行傅里叶变换处理，得到两束光的相位差，进而求解出匙孔深度。
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