CN213888643U

CN213888643U - 一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置

Info

Publication number: CN213888643U
Application number: CN202022374109.5U
Authority: CN
Inventors: 田晓琳; 张冬斌; 王勇
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2030-10-23

Abstract

本实用新型属于光路同轴校准技术领域，具体涉及激光切割头的光路同轴校准装置。一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，包括4f系统、图像探测系统，所述4f系统与激光切割头的喷嘴连接，用于对喷嘴端面及激光光斑进行成像；所述图像探测系统设置在所述4f系统的前方，用于采集激光光斑和喷嘴端面的图像信息。本实用新型的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，可实现同轴校准过程的可视化与自动化，实时测量切割头焦点的位置，并对激光光束特性及其中心轨迹进行三维显示。整个调节过程操作方便、快捷、高效、精确，摆脱传统人为调节的随机性，克服了人工调节方法的不足，降低激光设备组装时的人工成本。

Description

一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置

技术领域

本实用新型属于光路同轴校准技术领域，具体涉及激光切割头的光路同轴校准装置。

背景技术

激光切割机作为一种新兴的高精度、高效率的板材加工高端智能设备，在工业加工领域应用非常广泛，根据激光器的不同,目前主要有CO₂激光切割机、固体激光切割机和光纤激光切割机。激光切割头是激光切割机的核心部件，其性能好坏直接影响到板材切割质量，激光切割头一般由准直透镜、聚焦透镜、调焦系统、冷却单元、吹气单元、喷嘴等组成。高功率激光经过聚焦镜后形成高功率密度光斑，经过喷嘴中心作用于切割材料表面进行切割。

激光切割头在进行切割作业中，始终要保证激光束经过切割头喷嘴中心，这样才能保证切割质量，同时避免损坏喷嘴。另外，激光切割较厚的材料时，激光束的焦点需要根据板厚上下移动，在焦点移动过程中，激光束的轴线需要始终经过喷嘴的中心。因此，激光切割头在进行组装时，须进行光路同轴调节。目前，激光切割头组装时常用的光路调节手段主要是采用人工调整的方法，在激光切割头喷嘴的端面上贴上白色不干胶，以较低功率试射，观察光束中心点位置是否与喷嘴中心重合；不断调节准直镜和聚焦镜的安装位置及角度，同时移动焦点位置，进行激光试射及观察光束中心点位置的移动；经过多次反复调整和试射后，直至激光束与切割头系统光轴重合，并经过喷嘴中心；最后用螺丝固紧透镜位置，完成光束同轴调节。

现有的切割头同轴调节方法因为需要人工反复手动调节相应的透镜夹具，并经过多次试射操作才能实现系统同轴调节。调节过程由于操作人员无法实时且直观地获悉激光光束的光轴和相对于喷嘴中心准确的偏离方向及偏移量，每次调整透镜夹具后都要进行试射，观察中心点位置。因此，调节过程繁琐，效率低下，耗时较长，增加了激光切割设备的人工成本，且试射过程可能存在器件损伤或人体伤害等潜在风险；由于无法对光轴偏移程度进行量化，只能依靠人为主观判断激光是否位于喷嘴中心，同轴调节准确度较低。故而，可能影响板材切割质量或损坏喷嘴器件。

实用新型内容

为了解决现有技术中激光切割头在光路同轴调节中存在的问题和不足，本实用新型提供一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，实现激光切割头的自动校准和可视化调节。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，包括4f系统、图像探测系统，所述4f系统与激光切割头的喷嘴连接，用于对喷嘴端面及激光光斑进行成像；所述图像探测系统设置在所述4f系统的前方，用于采集激光光斑和喷嘴端面的图像信息。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的4f系统包括两个透镜、透镜套管；所述两个透镜分别固定在所述透镜套管内部的两端。

进一步优选地，所述透镜套管的一端通过螺纹转接件与所述图像探测系统连接，另一端通过屏蔽连接件与激光切割头的喷嘴连接。

进一步优选地，所述的屏蔽连接件一端与所述透镜套管连接，另一端将所述喷嘴包裹固定，选自橡胶螺纹管、遮光筒或屏蔽罩。

作为本实用新型的一种优选方式，所述图像探测系统固定在平移控制系统上，所述平移控制系统用于驱动所述图像探测系统自动确定喷嘴端面的位置，使喷嘴端面在图像探测系统上呈清晰的像。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置还包括透镜夹具电控系统，所述透镜夹具电控系统与激光切割头的透镜夹具连接，用于自动调节激光切割头，完成同轴校准。

进一步优选地，所述的平移控制系统或透镜夹具电控系统采用伺服电机或步进电机提供动力。

本实用新型的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，可实现同轴校准过程的可视化与自动化，实时测量切割头焦点的位置，并对激光光束特性及其中心轨迹进行三维显示。整个调节过程操作方便、快捷、高效、精确，摆脱传统人为调节的随机性，克服了人工调节方法的不足，降低激光设备组装时的人工成本。该装置集成化程度高，适用范围广，易于与多种激光切割头匹配安装，可适用于包括光纤激光切割机、CO2激光切割机和固体激光切割机在内的多种激光切割设备的切割头光学同轴校准。

附图说明

图1为本实用新型提供的实施例中可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置的整体结构示意图；

图2为图1中A处放大图（去掉橡胶波纹管后）。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

本实用新型提供的其中一个实施例是：一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，如图1和图2所示，该校准装置主要包括：图像探测系统、4f系统、平移控制系统、透镜夹具电控系统、切割头底座、底板等。

其中，图像探测系统包括图像探测器1、底座2、支柱3,图像探测器1置于底座2上。底座2与支柱3连接，组成了固定图像探测器1的支架。图像探测器1用于采集激光光斑和喷嘴12端面的图像信息，并通过US33.0接口把图像信息传输到计算机，通过计算机对图像进行处理与计算，并实时显示图像信息及计算结果。

如图1所示，4f系统包括L1透镜7、L2透镜8、卡环9、透镜套管10；L1透镜7与L2透镜8规格完全相同，两者相距2倍焦距放置，并通过卡环9固定于透镜套管10内部的两端。透镜套管10一端通过螺纹转接件6与图像探测器1的C口相连，另一端与橡胶螺纹管11相连；橡胶螺纹管11另一端与切割头喷嘴12相连接，并将喷嘴12包裹于其内，以屏蔽环境光对激光的干扰，并可在z轴上根据相机位置进行自动伸缩。4f系统用于将喷嘴12端面及激光光斑成像于图像探测器1上。

平移控制系统包括电控平移台4、伺服电机5及相应控制器。图像探测器1的支架固定在电控平移台4上，通过伺服电机5及相应驱动器，驱动电控平台4移动，进而带动图像探测器1移动，根据自动聚焦技术自动确定喷嘴端面的位置，使喷嘴端面能够在图像探测器1上呈清晰的像，并自动控制图像探测器在z轴上移动，以获取不同位置的激光光斑图像。

透镜夹具电控系统包括微型步进电机14及相应控制器；微型步进电机14通过微型夹持装置安装于透镜夹具上，用于自动驱动透镜夹具进行x、y方向上透镜的调节，实现同轴调节。计算机在对图像探测器1采集的激光光斑与喷嘴端面图像信息进行分析处理后获得激光光斑中心与喷嘴中心的相对位置及偏移量，根据计算分析结果，通过微型步进电机14驱动透镜夹具，对切割头进行同轴自动调节。

本实施例中，图像探测器1可以采用CCD或CMOS图像传感器等，实现系统的可视化调节校准。

本实施例中，平移控制系统和透镜夹具电控系统可以使用运动卡，也可以用PLC控制器实现自动控制。

切割头底座15用于固定待测激光切割头13，并通过螺纹孔固定于底板16上。

采用上述可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，对激光切割头进行自动光学同轴校准，具体步骤包括：

1、进行同轴度校准前，首先将待测激光切割头13固定于切割头底座15上，激光光束以微小功率进入待测激光切割头13，并经过4f系统成像于图像探测器1上。将图像探测器1的成像物面通过自动聚焦技术定位到喷嘴端面，喷嘴端面为z轴的零点位置。

2、通过驱动平移控制系统，移动图像探测器1，根据自动聚焦技术确定喷嘴端面的位置，使喷嘴端面在图像探测器1上呈清晰的像。

3、图像探测器1进行自动初始化，并在初始化过程完成自动曝光参数的计算。

4、通过驱动激光切割头13内部电控系统，将切割头焦点移动到合适位置，激光光斑照亮喷嘴端面边缘并在图像探测器1上呈清晰的像，并经过USB3.0接口传输到计算机；

5、固定于透镜夹具上的一组微型步进电机分别控制准直透镜在x、y方向的调节，精密控制微型步进电机分别在x、y方向依次移动Δx、Δy，在对应的二维坐标下（mΔx，nΔy），其中m,n=0,1,2,3……，平移控制系统控制电控平移台从-10mm~10mm范围内，每间隔1mm图像探测器自动采集一幅激光光斑图像，并通过数字图像处理技术计算光斑中心，依次获取21个光斑中心点的坐标（X,Y）组成一条激光束中心轨迹，结合先前获得的光轴坐标位置，计算两者在X、Y方向上的均方差Δd；对于每一个（mΔx，nΔy）坐标，可以获得对应Δdm,n ，最终可以获得一组二维的Δd矩阵，并求得该矩阵的最小值Δdmin，并把Δdmin所对应的准直透镜同轴调节坐标（mΔx，nΔy）反馈给固定于透镜夹具上的一组微型步进电机的控制器，控制夹具调整到相应的位置，此时即为同轴调节的最佳位置。

整个同轴调节过程完全自动化且可视化，摆脱人为干预，大大提高切割头同轴调节的精度和效率，进而保障了切割作业的顺利进行。

Claims

1.一种可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：包括4f系统、图像探测系统，所述4f系统与激光切割头的喷嘴连接，用于对喷嘴端面及激光光斑进行成像；所述图像探测系统设置在所述4f系统的前方，用于采集激光光斑和喷嘴端面的图像信息。

2.根据权利要求1所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：所述的4f系统包括两个透镜、透镜套管；所述两个透镜分别固定在所述透镜套管内部的两端。

3.根据权利要求2所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：所述透镜套管的一端通过螺纹转接件与所述图像探测系统连接，另一端通过屏蔽连接件与喷嘴连接。

4.根据权利要求3所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：所述的屏蔽连接件一端与所述透镜套管连接，另一端将所述喷嘴包裹固定，选自橡胶螺纹管、遮光筒或屏蔽罩。

5.根据权利要求1-4任一项所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：所述图像探测系统固定在平移控制系统上，所述平移控制系统用于驱动所述图像探测系统自动确定喷嘴端面的位置，使喷嘴端面在图像探测系统上呈清晰的像。

6.根据权利要求5所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：还包括透镜夹具电控系统，所述透镜夹具电控系统与激光切割头的透镜夹具连接，用于自动调节激光切割头，完成同轴校准。

7.根据权利要求6所述的可视化的激光切割头自动光学同轴校准装置，其特征在于：所述的平移控制系统或透镜夹具电控系统采用伺服电机或步进电机提供动力。