CN208246046U - 一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公布了一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，该系统由激光位移传感器、控制器、激光熔覆加工头组成。本实用新型能够测量激光熔覆加工头的Z轴位移，在激光熔覆过程中保持激光工作焦距始终与实际距离相符，可解决由于人为操作、工件表面不规则、加工累计误差等所造成的离焦现象导致成形工件表面质量差、尺寸不符、成形失败等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光熔覆领域，具体涉及一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统。
背景技术
激光熔覆技术是通过激光将金属粉末熔化在所需的合金和涂层中，形成预先编辑的几何形状。该项技术可用于修复、增材制造、表面涂覆，以及在焊接过程中填充间隙，在很多工业领域应用广泛。在航空航天领域，可用于修复昂贵且复杂的组件，如叶片和外壳等；在汽车行业，可为工件提供局部强化并实现更好的焊接密封，如电动机。在工具制造行业，可开保护涂层使工件免受磨损，减少维修需求。
在激光熔覆过程中，激光焦点相对于工件加工面的Z向位置会影响光斑尺寸、熔池能量等参数，从而影响工件成形质量。激光熔覆加工头起点位置大多是工作人员凭经验调节，并且加工时多因素影响会造成实际熔覆层高度与理论有偏差，激光焦点不一定始终位于加工面表面，会出现正离焦和负离焦现象。正负离焦会改变激光工作焦距，从而改变激光光斑尺寸，熔池能量也会发生变化，最终会导致工件成形尺寸与实际有偏差或者工件坍塌等现象。
目前市面上的激光熔覆加工头不具备自动寻焦及自动调焦一体的功能，在激光切割应用中，多数采用电容传感器维持喷嘴与材料表面的距离，但是电容传感器量程很小，并且易受外界干扰。为了解决上述问题，需要对现有激光熔覆加工头进行完善，在激光熔覆过程中能够始终保持激光工作焦距始终与实际距离相符。
发明内容
本发明的目的在于针对现有设备及生产需求，提出一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，该系统能够测量激光熔覆加工头的Z轴位移，在激光熔覆过程中保持激光工作焦距始终与实际距离相符。
为了达到上述目的，本发明提出一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，包括激光位移传感器、控制器、激光熔覆加工头；
所述激光位移传感器通过转接件安装在激光熔覆加工头侧面；所述激光位移传感器和激光熔覆加工头都通过信号线与控制器进行信号传输；
所述激光位移传感器与激光熔覆加工头的焦点标示距离符号对齐，方向保证激光熔覆加工头的激光焦点在激光位移传感器的激光射线上；
所述激光位移传感器用于采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据；
所述激光熔覆加工头具有可编程电动调焦功能，可根据控制器的输出信号控制光学头内部电机驱动聚焦镜作上下运动，实现自动调焦；
所述控制器用于将激光位移传感器得输出模拟量数据处理为激光熔覆加工头可识别的信号，并与实际焦点位置作对比计算出调焦距离；
上述的测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其中，激光位移传感器量程为50～300mm，分辨率为0.01～0.33mm，可采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据并以4～20mA的模拟量值输出；安装时保证激光熔覆加工头的激光焦点在激光位移传感器的激光射线上；
上述的测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其中，控制器的模拟量输入端与激光位移传感器的模拟量输出端连接，模拟量输出端与激光熔覆加工头的模拟量输入端连接。激光位移传感器采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据，并以电流模拟量的形式输出给控制器；控制器将电流值按激光位移传感器的算法转化为对应的位移值，并将当前位移值与实际值对比，计算出离焦量，最后经相应算法处理将离焦量值转化为激光熔覆加工头能够识别的电压模拟量值。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是，该系统能够测量激光熔覆加工头的Z轴位移，在激光熔覆过程中保持激光工作焦距始终与实际距离相符，可解决由于人为寻焦、工件表面不规则、加工累计误差等所造成的离焦现象导致成形工件表面质量差、尺寸不符、成形失败等问题。
附图说明
图1是测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统的总体组成图；其中，1为控制器，2为激光位移传感器，3为转接件，4为激光射线，5为激光焦点，6为喷嘴，7为激光熔覆加工头；
图2是测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统的示意图；其中，1为控制器，2为激光位移传感器，5为激光焦点，6为喷嘴，7为激光熔覆加工头，8为加工工件，9为工作台；
图3是某型号激光位移传感器输出电流与位移关系；
图4是激光熔覆加工头离焦量△Z调节示意图；其中，5为激光焦点，10为电机驱动可调镜片，11为固定镜片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下将结合图1～图2对本发明测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统进行更详细的描述。
为了解决由于人为寻焦、工件表面不规则、加工累计误差等所造成的离焦现象导致成形工件表面质量差、尺寸不符、成形失败等问题。本发明提出一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，该系统原理简单，实用可靠，能够测量激光熔覆加工头的Z轴位移，在激光熔覆过程中保持激光工作焦距始终与实际距离相符。
图1是测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统的总体组成图。如图1所示，测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统由激光位移传感器2、控制器1、激光熔覆加工头7组成；激光位移传感器2通过转接件3安装在激光熔覆加工头7侧面，与激光熔覆加工头7的焦点标示距离符号对齐，方向保证激光熔覆加工头的激光焦点5在激光位移传感器的激光射线4上；激光位移传感器2和激光熔覆加工头7都通过信号线与控制器1进行信号传输。
图2是测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统的示意图。如图2所示，控制器的模拟量输入端与激光位移传感器的模拟量输出端连接，模拟量输出端与激光熔覆加工头的模拟量输入端连接。激光位移传感器采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据，并以电流模拟量的形式输出给控制器；控制器将电流值按激光位移传感器的算法转化为对应的位移值，并将当前位移值与实际值对比，计算出离焦量，最后经相应算法处理将离焦量值转化为激光熔覆加工头能够识别的电压模拟量值。
为了便于更好的理解本发明的使用，以下将结合某具体型号激光位移传感器、激光熔覆加工头、控制器对信号处理过程进行详细阐述：
选择baumer的型号为OADM 2012472/S14C的激光位移传感器，选择通快的BEO D70光学头，选择西门子的S7-1500PLC为控制器。激光位移传感器的量程为50～300mm，分辨率为0.01～0.33mm，可输出4～20mA的模拟量值，下图3是该激光位移传感器输出电流与位移关系。激光熔覆光学头具有可编程电动聚焦功能，可根据控制器的输出信号(0～10V)控制光学头内部电机驱动聚焦镜作上下运动，实现自动调焦,图4是激光熔覆加工头离焦量△Z调节示意图。
激光位移传感器输出电流I1，根据图3输出电流与位移关系，计算出激光位移传感器安装位置与工件表面的距离f，离焦量△Z＝实际距离f-理论距离fc。根据激光熔覆加工头的内部算法，可计算出离焦量△Z所对应的电压值US,如图4所示，激光熔覆加工头会根据输入的电压值US控制光学头内部电机驱动聚焦镜上下运动离焦量△Z，达到调焦功能。
综上，本发明提出的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，原理简单，实用可靠，安装发便，能够测量激光熔覆加工头的Z轴位移，在激光熔覆过程中保持激光工作焦距始终与实际距离相符，可解决由于人为寻焦、工件表面不规则、加工累计误差等所造成的离焦现象导致成形工件表面质量差、尺寸不符、成形失败等问题。
Claims (7)
1.一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，该系统包括激光位移传感器、控制器、激光熔覆加工头；所述激光位移传感器通过转接件安装在激光熔覆加工头侧面；所述激光位移传感器和激光熔覆加工头都通过信号线与控制器进行信号传输。
2.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述激光位移传感器与激光熔覆加工头的焦点标示距离符号对齐，方向保证激光熔覆加工头的激光焦点在激光位移传感器的激光射线上。
3.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述激光位移传感器用于采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据。
4.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述激光熔覆加工头具有可编程电动调焦功能，可根据控制器的输出信号控制光学头内部电机驱动聚焦镜作上下运动，实现自动调焦。
5.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述控制器用于将激光位移传感器的输出模拟量数据处理为激光熔覆加工头可识别的信号，并与实际距离作对比计算出调焦距离。
6.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述激光位移传感器量程为50～300mm，分辨率为0.01～0.33mm。
7.根据权利要求1所述的一种测距式激光熔覆加工头自动寻焦及调焦系统，其特征在于，所述控制器的模拟量输入端与激光位移传感器的模拟量输出端连接，模拟量输出端与激光熔覆加工头的模拟量输入端连接；激光位移传感器采集激光熔覆加工头的Z轴位移数据，并以电流模拟量的形式输出给控制器；控制器将电流值按激光位移传感器的算法转化为对应的位移值，并将当前位移值与实际值对比，计算出离焦量，最后经相应算法处理将离焦量值转化为激光熔覆加工头能够识别的电压模拟量值。
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