專利名稱：一種激光加工自動調焦裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光加工應用技術領域，具體涉及一種激光加工自動調焦裝置。
背景技術：
在激光加工應用中，用于加工的激光束通過光學聚焦系統將激光束聚焦為較小的光斑，獲得極高的功率密度或能量密度使材料被加熱、熔化或蒸發，實現所需的加工應用功能(如激光熱處理、熔覆、焊接、切割、鉆孔和刻蝕等加工應用)。同時，利用激光可聚焦尺寸小的優勢來實現高精度尺寸加工。然而，在激光加工過程中，被加工工件自身表面不平和激光加工過程中被加工間受熱變形以及聚焦激光束行走軌跡波動都會造成激光焦點位置的偏移。當激光聚焦點位置產生偏移大于焦深時，將會導致激光功率密度或能量密度以及激光光斑尺寸的較大變化(如當激光聚焦點位置偏離材料加工表面時，會導致激光在材料加工表面上的功率密度或能量密度較大下降以及光斑尺寸增加)，其結果會造成激光加工質量和尺寸精度的不一致。為了確保激光加工質量和尺寸的穩定性和一致性，要求激光焦點位置的波動范圍應小于激光聚焦焦深范圍以內。目前達到以上要求的方法是采用激光加工自動調焦技術，其基本原理是采用一種傳感器來檢測焦點位置的偏移量，一旦檢測到焦點位置偏離原位置，則立即輸出信號給控制系統，控制系統調節Z軸移動系統將激光焦點調回到原來位置，實現保持激光焦點位置不變的功能。當前激光加工系統焦點位置的檢測多基于接觸式傳感器或者電容式和電感式傳感器。如在“激光切割非接觸式高度自動控制裝置”(組合機床與自動化加工技術期刊.1992(10).-9-1 文獻中采用了電容式傳感器檢測激光焦點位置。當激光焦點位置發生偏移時，將輸出信號給信號處理電路、單片機控制器和伺服驅動系統，調節Z軸移動系統將激光焦點調回到原來位置。但電容式或電感式傳感器只能應用于金屬工件的激光加工中，不能用于非金屬工件的激光加工中，從而限制了應用范圍，并且結構復雜，價格較高。而接觸式傳感器具有精度誤差較大和易損壞加工表面覆蓋的功能薄膜，并且觸頭容易磨損影響精度，響應頻率不會很高等缺點。
發明內容
為了解決以上問題，本發明提供了一種激光加工自動調焦裝置，不但可用于金屬工件和非金屬工件的激光加工之中，而且具有結構簡單、成本低廉和精度高的特點。本發明提供的一種激光加工自動調焦裝置，該裝置包括Z軸移動系統、激光聚焦系統和控制系統；其特征在于，該裝置還包括激光位移檢測系統，控制系統與Z軸移動系統及激光位移檢測系統電連接，激光位移檢測系統與激光聚焦系統剛性連接在一起固定在Z 軸移動系統上，隨Z軸移動系統沿Z軸方向上下移動；控制系統根據激光位移檢測系統提供的電信號的符號和幅值控制Z軸移動系統的位移。本發明的基本原理是采用了激光三角測量原理，由激光位移檢測系統的激光器對激光加工工件發射一束檢測激光束，工件表面將檢測激光束以一定角度反射回到激光位移檢測系統的接收端，穿過透鏡，聚焦成像在光線收集器(由C⑶或CMOS組成的光線收集矩陣)上形成光斑。再通過電荷耦合器件將光線信號傳入微處理器，將測量結果以模擬電信號的形式輸出。改變激光位移檢測系統和激光加工工件表面之間的距離，檢測激光束的反射光線夾角和光線收集器上的光斑位置都會隨之變化。由于激光線反射后的角度和被測工件的距離成比例，因此，在處理獲得角度后，激光位移檢測系統通過計算便可得到實際距離的變化值大小。當距離的變化值不為零時；即焦點發生偏移，將通過控制系統來調節Z軸移動系統，消除該變化值，使焦點重新回到原來位置，從而達到自動調焦的目的。如當加工激光聚焦平面在工件表面上時，設定激光位移檢測系統將檢測激光束反射回到接收端的光線角度產生的輸出信號為零，故激光位移檢測系統對控制系統輸出信號為零，控制系統保持Z 軸移動系統不移動。當因某種原因導致激光聚焦平面向下偏離工件表面某一距離時，激光位移檢測系統的接收端測得的反射回激光線發生負角度和光線收集器上的光斑位置的變化，通過計算激光線負角度和光線收集器上的光斑位置的變化大小，將輸出給控制系統一個相應幅值的負電信號(負電壓或電流)，控制系統將根據電信號的符號和幅值來調節Z軸移動系統向上移動相同的某一距離，使加工激光聚焦平面重新回到工件表面上，反之亦然， 從而達到激光自動調焦的目的。本發明具有如下優點1.不受材料性質的限制，即金屬和非金屬均可應用，應用范圍廣；2.由于是非接觸測量，不受材料表面情況限制，不會損壞材料表面；3.檢測精度高，可達納米級精度，故可用于納米級的激光自動調焦高進度應用；4.結構簡單，價格低廉、穩定性好。
圖1為激光加工自動調焦一種具體實施方式
的結構示意圖；圖2為加工激光焦點向下偏移時，檢測激光束檢測光線的反射光線夾角和聚焦成像在光線收集器的變化；圖3為加工激光焦點向上偏移時，檢測激光束檢測光線的反射光線夾角和聚焦成像在光線收集器的變化。圖4為激光加工自動調焦第二種具體實施方式
的結構示意圖；圖5為加工激光焦點向下偏移時，檢測激光束檢測光線的反射光線夾角和聚焦成像在光線收集器的變化的示意圖；圖6為加工激光焦點向上偏移時，檢測激光束檢測光線的反射光線夾角和聚焦成像在光線收集器的變化的示意圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實例對本發明方法作進一步詳細的說明。實現上述方法的裝置之一，如圖1所示，本發明裝置包括Z軸移動系統1、激光聚焦系統3、激光位移檢測系統7和控制系統9。激光位移檢測系統7包括激光器10、透鏡12和光線收集器11，透鏡12和光線收集器11依次位于激光器10發射的激光束在工件表面上產生反射光的可視范圍內。激光器 10所發射的檢測激光束5的功率以不破壞平面工件8為限，通常只有幾瓦、幾毫瓦甚至幾個微瓦。
激光位移檢測系統7與激光聚焦系統3剛性連接在一起固定在Z軸移動系統1上， 隨ζ軸移動系統1沿Z軸方向上下移動。加工激光束2經激光聚焦系統3聚焦后形成聚焦激光束4，并聚焦在被加工平面工件8的表面上。激光位移檢測系統7中的激光器10對激光加工平面工件8發射一束檢測激光束5，平面工件8的表面將檢測激光束5以α ^角度反射，形成激光束6反射回到激光位移檢測系統7的接收端，穿過透鏡12，聚焦成像在光線收集器11 (由CCD或CMOS組成的光線收集器)的a處上形成光斑。設定聚焦激光束4聚焦在被加工平面工件8的表面時，激光位移檢測系統7的檢測激光束5反射回到接收端激光束6所產生角度和位置的輸出信號為零，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9保持Z軸移動系統1不移動。實例1 當因某種原因使加工激光聚焦點4向下偏離工件8表面Ill距離時(如圖2所示)， 激光位移檢測系統和工件表面之間的距離變短，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角增加為α工，并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從a處向下移動到e處。此時激光位移檢測系統7將向控制系統9輸出一定幅值的負電壓或電流信號，幅值的大小與工激光聚焦點4的偏移距離大小呈線性比例。控制系統9根據激光位移檢測系統7輸入信號的符號和幅值大小調節Z軸移動系統1向上移動，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離也同時增加。當Z軸移動系統1向上移動相同的Ill距離時，加工激光聚焦點4重新回到工件8表面上，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角也重新回到α ο,并穿過透鏡12 聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從e處向上移動到a處，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9將停止Z軸移動系統1移動，完成激光自動調節過程。實例2 當因某種原因使加工激光聚焦點4向上偏離工件8表面Ii2距離時(如圖3所示)， 激光位移檢測系統和工件表面之間的距離變長，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角減小為α 2，并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從a處向下移動到f處，此時激光位移檢測系統7將向控制系統9輸出一定幅值的正電壓或電流信號，幅值的大小與工激光聚焦點4的偏移距離大小呈線性比例。控制系統9根據激光位移檢測系統7輸入信號的符號和幅值大小調節Z軸移動系統1向下移動，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離也同時減小。當Z軸移動系統1向下移動相同的Ii2距離時，加工激光聚焦點4重新回到工件8表面上，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角也重新回到α ο,并穿過透鏡12 聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從f處向上移動到a處，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9將停止Z軸移動系統1移動，完成激光自動調節過程。實現上述方法的裝置之二，如圖4所示，用于激光曲面加工情況下的自動調焦方法及裝置。由Z軸移動系統1、激光聚焦系統3、激光位移檢測系統7和控制系統9組成。激光位移檢測系統7與激光聚焦系統3剛性連接在一起固定在Z軸移動系統1上，隨Z軸移動系統1沿Z軸方向上下移動。加工激光束2經激光聚焦系統3聚焦后形成聚焦激光束4， 并聚焦在被加工曲面工件15的表面上。激光位移檢測系統7中的激光器10對激光加工曲面工件15發射一束檢測激光束5，與聚焦激光束4之間的夾角θ不大于40°，在激光加工曲面工件15上與聚焦激光束4焦點的空間位置重合，確保精確的測量激光焦點的偏移量。 曲面工件15表面將檢測激光束5以δ ^角度反射，形成激光束6反射回到激光位移檢測系統7的接收端，穿過透鏡12，聚焦成像在光線收集器11 (由C⑶或CMOS組成的光線收集器) 的a處上形成光斑。設定聚焦激光束4聚焦在被加工曲面工件15的表面時，激光位移檢測系統7的檢測激光束5反射回到接收端激光束6所產生角度和位置的輸出信號為零，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9保持Z軸移動系統1不移動。實例3 當因某種原因使加工激光聚焦點4向下偏離曲面工件9表面Ii3距離時(如圖5所示)，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離變短，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角增加為δ ”并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從a處向下移動到d 處。此時激光位移檢測系統7將向控制系統9輸出一定幅值的負電壓或電流信號，幅值的大小與工激光聚焦點4的偏移距離大小呈線性比例。控制系統9根據激光位移檢測系統7 輸入信號的符號和幅值大小調節Z軸移動系統1向上移動，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離也同時增加。當Z軸移動系統1向上移動相同的Ii3距離時，加工激光聚焦點4 重新回到曲面工件15表面上，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角也重新回到δ 0,并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從d處向上移動到a處，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9將停止Z軸移動系統1移動，完成激光自動調節過程。實例4 當因某種原因使加工激光聚焦點4向上偏離曲面工件15表面h4距離時(如圖6 所示)，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離變長，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角減小為δ 2，并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從a處向下移動到 g處，此時激光位移檢測系統7將向控制系統9輸出一定幅值的正電壓或電流信號，幅值的大小與工激光聚焦點4的偏移距離大小呈線性比例。控制系統9根據激光位移檢測系統7 輸入信號的符號和幅值大小調節Z軸移動系統1向下移動，激光位移檢測系統和工件表面之間的距離也同時減小。當Z軸移動系統1向下移動相同的Ii2距離時，加工激光聚焦點4 重新回到曲面工件15表面上，反射激光線6與檢測激光束5之間的夾角也重新回到δ 0,并穿過透鏡12聚焦成像在光線收集器上的光斑位置從g處向上移動到a處，此時激光位移檢測系統7對控制系統輸出信號為零，控制系統9將停止Z軸移動系統1移動，完成激光自動調節過程。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是采用本發明的技術方案和思路，做一些簡單的變化或更改，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種激光加工自動調焦裝置，該裝置包括ζ軸移動系統(1)、激光聚焦系統C3)和控制系統(9)；其特征在于，該裝置還包括激光位移檢測系統(7)，控制系統(9)與Z軸移動系統(1)及激光位移檢測系統(7)電連接，激光位移檢測系統7與激光聚焦系統(3)剛性連接在一起固定在Z軸移動系統(1)上，隨Z軸移動系統(1)沿Z軸方向上下移動；控制系統 (9)根據激光位移檢測系統(7)提供的電信號的符號和幅值控制Z軸移動系統⑴的位移。
2.根據權利要求1所述的激光加工自動調焦裝置，其特征在于，所述激光位移檢測系統⑵包括激光器(10)、透鏡(12)和光線收集器(11)，透鏡(12)和光線收集器(11)依次位于激光器(10)發射的激光束在工件表面上產生反射光的可視范圍內，激光器(10)發射的檢測激光束經工作反射后，再經透鏡(12)進入光線收集器(11)。
3.根據權利要求2所述的激光加工自動調焦裝置，其特征在于，激光器(10)發射的檢測激光束( 與聚焦激光束(4)平行。
4.根據權利要求2所述的激光加工自動調焦裝置，其特征在于，激光器(10)發射的檢測激光束(5)與聚焦激光束(4)之間的夾角小于等于40度。
全文摘要
本發明公開了一種激光加工自動調焦裝置，該裝置包括Z軸移動系統、激光聚焦系統、控制系統和激光位移檢測系統，控制系統與Z軸移動系統及激光位移檢測系統電連接，激光位移檢測系統與激光聚焦系統剛性連接在一起固定在Z軸移動系統上，隨Z軸移動系統沿Z軸方向上下移動；控制系統根據激光位移檢測系統提供的電信號的符號和幅值控制Z軸移動系統的位移。本發明具有如下優點不受材料性質的限制，即金屬和非金屬均可應用，應用范圍廣；由于是非接觸測量，不受材料表面情況限制，不會損壞材料表面；檢測精度高，可達納米級精度，故可用于納米級的激光自動調焦高進度應用；結構簡單，價格低廉、穩定性好。
文檔編號G02B7/28GK102430858SQ20111030341
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月10日 優先權日2011年10月10日
發明者曾曉雁, 李祥友, 段軍, 王澤敏, 胡乾午 申請人:華中科技大學