一种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法
【专利摘要】本发明提供了一种自动控制加工焦距的激光加工头，包括Z轴升降滑板、激光加工头底板和旋转测距机构；Z轴升降滑板安装在激光加工机床上，可由激光加工机床驱动而运动；激光加工头底板上设置有导光筒和聚焦透镜；旋转测距机构包括旋转盘、被动齿轮、主动齿轮、伺服电机和无线激光位移传感器，无线激光位移传感器固定安装在旋转盘的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器的测量点与加工焦点之间有偏移量。该激光加工头可以智能适应不同高度的多品种、多批量、自动化生产场合，无须停机调整，无须人工干预；本发明还同时提供了一种自动控制加工焦距的激光加工方法。
【专利说明】—种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工【技术领域】，具体涉及一种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法。
【背景技术】
[0002]激光加工头是激光加工方法(焊接、切割、熔覆等)中各类加工头的总称，激光加工头的基本原理是:激光器发出的激光束经导光光路传输，在激光加工头内经聚焦镜聚焦后，作用于被加工工件的表面实现加工。由于激光束在其焦距处的光强是最强的，因此激光加工时往往需要调整加工焦距，即使得激光束的聚焦位置位于被加工工件表面，以提高加工效率。[0003]目前的加工焦距调节方法的基本原理主要是事先通过测量手段获知被加工工件表面的三维起伏形貌及各处的确切高度坐标值，然后通过离线编程，使得激光束沿着扫描路径移动时，按着预先计算设定的加工焦距来调节加工头与被加工工件的相对方位。但这些离线编程方式的加工焦距调节方法一般都存在以下问题:自动化程度低，当工件高度发生改变时(如工件装夹误差、异型工件、更换工件等情况)，必须先停机、重新测量工件高度，然后调节加工头与工件之间的间距(即加工焦距)；这些调节方式费时费力，无法适应多品种、多批量、自动化生产场合。这也是目前激光加工技术应用领域的激光加工设备几乎都是单台套，极少见到激光加工技术在多品种、多批量、柔性化、自动化生产线上获得应用的原因。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种自动控制加工焦距的激光加工头；该激光加工头可以智能适应不同高度的多品种、多批量、自动化生产场合，无须停机调整，无须人工干预，是多品种、多批量、柔性化、自动化生产线上进行智能化激光切割、焊接、打标、热处理等加工应用的关键技术单元；本发明还同时提供了一种自动控制加工焦距的激光加工方法。
[0005]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0006]一种自动控制加工焦距的激光加工头，所述激光加工头用于安装在激光加工机床上的加工头位置；所述激光加工头包括Z轴升降滑板、导光聚焦机构和旋转测距机构；
[0007]所述Z轴升降滑板安装在激光加工机床上，可由激光加工机床驱动而运动；
[0008]所述导光聚焦机构包括激光加工头底板、导光筒和聚焦透镜，所述激光加工头底板水平设置，并固定连接在Z轴升降滑板上，其安装方位使得加工激光束的行进光路与Z轴升降滑板的运动方向平行；所述激光加工头底板上设置有一通孔，导光筒固定安装在所述通孔内，并延伸出激光加工头底板的下方，聚焦透镜安装在所述导光筒内；导光筒与聚焦透镜的安装方位应使得外部入射的激光束经过度反射镜的转折之后，垂直进入聚焦透镜，聚焦在工件表面；[0009]所述旋转测距机构包括旋转盘、被动齿轮、主动齿轮、伺服电机和无线激光位移传感器，所述伺服电机固定安装在Z轴升降滑板上，伺服电机的输出轴与主动齿轮相连，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮通过键连接套装在旋转盘的外围，所述旋转盘可转动的套装在导光筒的外围；所述无线激光位移传感器固定安装在旋转盘的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器的测量点与加工焦点之间有偏移量，并且无线激光位移传感器的测量光线位于测量点与加工激光束构成的平面内。
[0010]优选的，所述激光加工头底板与Z轴升降滑板为一体结构。
[0011]本发明还同时提供了一种自动控制加工焦距的激光加工方法，包括如下步骤:
[0012](I)将激光加工头安装在激光加工机床上的加工头位置，构成具有激光束能够在待加工工件表面做XYZ直角坐标系的三维扫描运动系统；
[0013](2)调节激光加工头的方位使得加工激光束聚焦在被加工工件表面，固定激光加工头中无线激光位移传感器的安装方位，使得无线激光位移传感器的测量点与加工激光束的焦点位置之间具有偏移量delta_f，delta_f的值大于1.5倍聚焦光斑直径；
[0014](3)开启激光器，激光束进入激光加工头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制激光束按照预设移动路径和移动速度做三维扫描运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，同时开启无线激光位移传感器进行测量；
[0015](4)始终保持测量点位于激光束照射工件表面的加工焦点沿激光束移动方向偏移delta_f的距离；
[0016]根据无线激光位移传感器测得的距离L，以及无线激光位移传感器安装方位角α，计算出当前激光束的焦点所在位置与无线激光位移传感器测量点在竖直Z方向的高度差delta_z ;计算关系式为delta_z = H-HO ，H = L*sina，HO为当前的激光加工焦距；
[0017]之后计算出delta_t秒后，当激光束焦点移动到当前无线激光位移传感器的测量点时需要调节到的加工焦距绝对值Z,其中delta_t = delta_f/v,Z = H0+delta_z, V为预先设定的激光束的移动速度；
[0018]将需要调节到的加工焦距绝对值Z加入到delta_t秒后的加工焦距调节策略；
[0019](5)激光加工过程中，按照第(4)步获得的激光束移动路径上每一处的加工焦距调节策略，沿Z方向调整激光加工头与被加工工件之间的距离，进行不停机、在线的加工焦距调节，直至完成激光加工。
[0020]优选的，步骤(4)还包括:当激光束移动方向不变时，驱动无线激光位移传感器来回转动一个小于90度的角度，以测量加工焦点附近的高度信息。
[0021]优选的，步骤(4)还包括:驱动无线激光位移传感器做360度的旋转运行，以测量激光加工路径前方起伏形貌和后方的加工区域起伏形貌。
[0022]本发明具有如下有益效果:
[0023]1、本发明所述的自动控制加工焦距的激光加工头，通过旋转测距机构实现了对加工点周边高度信息的测量，并根据高度信息实时进行加工焦距的调节；从而该激光加工头可以智能适应不同高度的多品种、多批量、自动化生产场合，无须停机调整，无须人工干预，是多品种、多批量柔性化自动化生产线上进行智能化激光切割、焊接、打标、热处理等加工应用的关键技术单元。
[0024]2、本发明所述的自动控制加工焦距的激光加工头还可以在激光束移动方向不变时，通过无线通信方式控制激光位移传感器来回转动一定角度，来测量加工焦点附近的高度信息并传回设备主控系统，从而进行综合判断，及时检测出工件表面本身存在的一些缺陷点，为加工过程的实时干预(暂停、停止、自动重加工、自动补偿或提示报警等)、工艺质量检测、产品良率评估提供支持。
[0025]3、本发明所述的自动控制加工焦距的激光加工头还可以在不用于激光加工过程中，而仅作为工件表面形貌的三坐标测量工具；即该激光加工头不输出激光，但沿着预设路径在工件表面行进，行进的同时激光位移传感器进行不停的旋转和测量，利用无线通信传回激光位移传感器测量数据，如此即可测量工件表面的三维形貌。相比目前的三坐标测量工具，本发明的测量方式结合了预设路径行进和激光位移传感器绕路径当前点旋转的功能，测量效率更高，且测量点更密集，三维重建精度更高。
[0026]4、本发明所述的自动控制加工焦距的激光加工头还可以实现一边激光加工，同时测量激光加工路径前方(未加工区域)起伏形貌和后方的已加工区域起伏形貌(如焊接焊缝余高形貌)，获得加工前后的起伏形貌对比，作为加工质量的在线检测与判断的依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明所述激光加工头的立体结构图；
[0028]图2为本发明所述激光加工头的局部结构图；
[0029]图3为旋转测距机构的立体结构图；
[0030]图4为加工焦距测量方法的示意图；
[0031]图中各标号的含义如下:
[0032]XY两轴运动支架1、Z轴升降滑板2、导光聚焦机构3、加工激光束4、旋转测距机构
5、镜片安装架6、测量光线7、水平滑板11、Z向导轨12、导光缺口 13、镜架缺口 21、导光筒31、聚焦透镜32、激光加工头底板33、旋转盘51、被动齿轮52、主动齿轮53、伺服电机54、无线激光位移传感器55、水平伸出部63、倾斜安装部64、光学反射镜65。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0034]如图1-3所示，本发明提供了一种自动控制加工焦距的激光加工头，包括Z轴升降滑板2、导光聚焦机构3和旋转测距机构5。
[0035]所述激光加工头需要安装在激光加工机床上使用，本实施例仅以结构简单的XY两轴运动支架I作为激光加工机床为例进行说明，但是该激光加工头用于其他激光加工机床也是可以的。
[0036]其中，XY两轴运动支架I上安装有一具有X、Y两个运动自由度的水平滑板11 ;所述水平滑板11上设置有两条Z向导轨12，以及位于两条Z向导轨12之间的一个用于激光束通过的导光缺口 13 ;所述导光缺口 13的上方安装有镜片安装架6，镜片安装架6包括紧固连接的水平伸出部63和倾斜安装部64，所述水平伸出部63固定在水平滑板11上，所述倾斜安装部64上安装有45度反射镜65 ;由导光缺口 13入射的激光束，经过45度反射镜65反射，之后入射到本发明所述的激光加工头上。
[0037]本发明中的Z轴升降滑板2可以直接安装在水平滑板11的两条Z向导轨12上，也可以通过安装在Z向导轨12上的滑块与XY两轴运动支架I连接。Z轴升降滑板2的运动由XY两轴运动支架I的控制系统进行控制。
[0038]所述激光加工头底板33固定安装在Z轴升降滑板2的底部，与Z轴升降滑板2联动；所述激光加工头底板33可以与Z轴升降滑板2为一体结构，也可以为分体结构。
[0039]所述导光聚焦机构3包括激光加工头底板33、导光筒31和聚焦透镜32,所述激光加工头底板33水平设置，并固定连接在Z轴升降滑板2上，其安装方位使得加工激光束4的行进光路与Z轴升降滑板2的运动方向平行；所述激光加工头底板33上设置有一通孔，导光筒31固定安装在所述通孔内，并延伸出激光加工头底板33的下方，聚焦透镜32安装在所述导光筒31内；导光筒31与聚焦透镜32的安装方位应使得外部入射的激光束经过45度反射镜65的转折之后，垂直进入聚焦透镜32，聚焦在工件表面。
[0040]优选的，所述Z轴升降滑板2上还设置有用于供镜片安装架6穿过的镜架缺口 21，这样在Z轴升降滑板2上下运动的同时，不会与镜片安装架6产生运动干涉。
[0041]所述旋转测距机构5包括旋转盘51、被动齿轮52、主动齿轮53、伺服电机54和无线激光位移传感器55，所述伺服电机54固定安装在Z轴升降滑板2的侧面(通过弯折的平板以及螺栓连接)，伺服电机54的输出轴与主动齿轮53相连，被动齿轮52与主动齿轮53啮合，被动齿轮52通过键连接套装在旋转盘51的外围，所述旋转盘51可转动的(通过轴承组件)套装在导光筒31的外围；所述无线激光位移传感器55固定安装在旋转盘51的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器55的测量点与激光束照射工件表面的光斑中心点(加工焦点)之间沿激光束移动方向有偏移量delta_f，，并且无线激光位移传感器55的测量光线8位于测量点与加工激光束4构成的平面内。该偏移量的存在，使得无线激光位移传感器55始终能够测量到加工点前方的高度信息，从而保证了激光加工过程中不停机、在线的加工焦距调节。同时，在激光焊接或激光打孔等加工方法中，由于激光作用区域会发生熔化，偏移量的存在，可保证测量的准确性。
[0042]其中，无线通信激光位移传感器基于三角法测量原理来测量其与工件表面之间的距离，并通过无线数据收发功能将测量结果输出至机床控制系统，这样无需布线，可避免信号线妨碍其绕聚焦透镜32旋转。机床控制系统获取无线激光位移传感器55传回的高度信息以及已设定的加工焦距之后就可以实时控制伺服电机的起停和Z轴升降滑板2的升降，来实现加工焦距的自动调节。
[0043]采用上述激光加工头进行激光加工的方法，具体包括如下步骤:
[0044](I)将激光加工头安装在激光加工机床上的加工头位置，构成具有激光束能够在待加工工件表面做XYZ直角坐标系的三维扫描运动的完整设备，可以有如下几种组合形式:(1)激光加工头不动(即激光束不动)，被加工工件由三轴运动工作台带动做XYZ移动；
(2)激光加工头(即激光束)由三轴运动机构带动做XYZ移动，被加工工件不动；(3)激光加工头(即激光束)和被加工工件均移动，例如激光束由加工头带动做Z向移动，被加工工件由二轴运动工作台带动做XY移动。采用以上三种形式中的任一种，都可以控制激光束在待加工工件表面做三维(XYZ直角坐标系)的相对扫描运动。
[0045](2)安装固定好激光加工头，并装夹固定好工件。根据激光焊接、切割等具体的加工工艺需求，设定激光扫描工艺参数，包括激光波长、激光功率、重复频率、脉冲宽度、移动速度、移动路径等，并调节激光加工头的方位使得加工激光束聚焦在被加工工件表面，固定无线激光位移传感器55的安装方位，使得测量点与加工激光束的焦点位置相距一定的偏移量delta_f，delta_f值大于1.5倍聚焦光斑直径。
[0046](3)开启激光器，激光束进入激光加工头的导光口并透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面。当控制激光束按照预设移动路径和移动速度做三维扫描运动时，激光束焦点相对工件发生对应移动，同时开启无线激光位移传感器55进行测量，控制伺服电机54驱动旋转盘51做相应必要的旋转运动，使得激光位移传感器的测量点始终位于激光束焦点向前的移动路径上(与焦点位置相距一定的偏移量delta_f，delta_f值大于1.5倍聚焦光斑直径)，该偏移量的存在，使得无线激光位移传感器55始终能够测量到加工点前方的高度信息，从而保证了激光加工过程中不停机、在线的加工焦距调节。同时，在激光焊接或激光打孔等加工方法中，由于激光作用区域会发生熔化，该偏移量的存在，可避开熔化区域，保证测量的准确性。
[0047](4)根据无线激光位移传感器55测得数据(距离测量点的空间距离L)，以及无线激光位移传感器55安装方位角α (无线激光位移传感器55发出的测量光线与水平方向的夹角)，可以计算出当前加工激光束4的焦点所在位置与无线激光位移传感器55测量点在竖直Z方向的高度差delta_z，计算关系为delta_z = H-HO |，H = L*sin α，(如图4，图中箭头方向为激光束行进方向)，从而可以计算出未来当激光束焦点移动到当前无线激光位移传感器55测量点时，需要调节到的加工焦距绝对值Z = H0+delta_z,H0为当前的激光加工焦距。
[0048]由于激光束的移动路径和移动速度V已经预先设定好，即激光束焦点将于delta_t秒后运动到当前无线激光位移传感器55测量点是已知的，计算公式为delta_t = delta,f/v，那么该计算得到的需要调节的加工焦距绝对值可以立刻实时编程，加入到delta_t秒后的加工焦距调节策略。
[0049](5)激光加工过程中，按照第(4)步获得的激光束移动路径上每一处的加工焦距调节策略，沿Z方向调整激光加工头与被加工工件之间的距离，进行不停机、在线的加工焦距调节。
[0050]当激光束的移动方向改变时(沿曲面路径扫描或直线路径扫描到转折处)，伺服电机54驱动旋转盘51相应的旋转，无线激光位移传感器55随之环形转动，并始终保持测量点位于激光束照射工件表面的光斑中心点(加工焦点)沿激光束移动方向偏移一定距离delta_f的位置。
[0051]当激光束移动方向不变时，伺服电机54也可以驱动旋转盘51和无线激光位移传感器55来回转动一定角度(该角度小于90度)，以测量加工焦点附近的高度信息，并传回设备主控系统，从而进行综合判断，及时检测出工件表面本身存在的一些缺陷点，为加工过程的实时干预(暂停、停止、自动重加工、自动补偿或提示报警等)、工艺质量检测、产品良率评估提供支持。
[0052]更进一步的，由于激光束移动较慢，测距机构作环形运动的速度可以很快，上述激光加工头还可以实现一边激光加工，同时测量激光加工路径前方(区域)起伏形貌和后方(已经加工完成的区域，如焊接焊缝余高形貌)的加工区域起伏形貌，获得加工前后的起伏形貌对比，作为加工质量的在线检测与判断的依据。
[0053]更进一步的，所述的自动控制加工焦距的激光加工头还可以在不用于激光加工过程中，而仅作为工件表面形貌的三坐标测量工具；即该激光加工头不输出激光，但沿着预设路径在工件表面行进，行进的同时激光位移传感器进行不停的旋转和测量，利用无线通信传回激光位移传感器测量数据，如此即可测量工件表面的三维形貌。相比目前的三坐标测量工具，本发明的测量方式结合了预设路径行进和激光位移传感器绕路径当前点旋转的功能，测量效率更高，且测量点更密集，三维重建精度更高。
[0054]本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.一种自动控制加工焦距的激光加工头，所述激光加工头用于安装在激光加工机床上的加工头位置；其特征在于，所述激光加工头包括Z轴升降滑板(2)、导光聚焦机构(3)和旋转测距机构(5)； 所述Z轴升降滑板(2)安装在激光加工机床上，可由激光加工机床驱动而运动； 所述导光聚焦机构(3)包括激光加工头底板(33)、导光筒(31)和聚焦透镜(32)，所述激光加工头底板(33)水平设置，并固定连接在Z轴升降滑板(2)上，其安装方位使得加工激光束⑷的行进光路与Z轴升降滑板⑵的运动方向平行；所述激光加工头底板(33)上设置有一通孔，导光筒(31)固定安装在所述通孔内，并延伸出激光加工头底板(33)的下方，聚焦透镜(32)安装在所述导光筒(31)内；导光筒(31)与聚焦透镜(32)的安装方位应使得外部入射的激光束经过(45)度反射镜的转折之后，垂直进入聚焦透镜(32)，聚焦在工件表面； 所述旋转测距机构(5)包括旋转盘(51)、被动齿轮(52)、主动齿轮(53)、伺服电机(54)和无线激光位移传感器(55)，所述伺服电机(54)固定安装在Z轴升降滑板(2)上，伺服电机(54)的输出轴与主动齿轮(53)相连，被动齿轮(52)与主动齿轮(53)啮合，被动齿轮(52)通过键连接套装在旋转盘(51)的外围，所述旋转盘(51)可转动的套装在导光筒(31)的外围；所述无线激光位移传感器(55)固定安装在旋转盘(51)的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器(55)的测量点与加工焦点之间有偏移量，并且无线激光位移传感器(55)的测量光线(8)位于测量点与加工激光束(4)构成的平面内。
2.根据权利要求1所述的自动控制加工焦距的激光加工头，其特征在于，所述激光加工头底板(33)与Z轴升降滑板(2)为一体结构。
3.一种自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将激光加工头安装在激光加工机床上的加工头位置，构成具有激光束能够在待加工工件表面做XYZ直角坐标系的三维扫描运动系统； (2)调节激光加工头的方位使得加工激光束聚焦在被加工工件表面，固定激光加工头中无线激光位移传感器(55)的安装方位，使得无线激光位移传感器(55)的测量点与加工激光束的焦点位置之间具有偏移量delta_f，delta_f的值大于1.5倍聚焦光斑直径； (3)开启激光器，激光束进入激光加工头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制激光束按照预设移动路径和移动速度做三维扫描运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，同时开启无线激光位移传感器(55)进行测量； (4)始终保持测量点位于激光束照射工件表面的加工焦点沿激光束移动方向偏移delta_f的距离； 根据无线激光位移传感器(55)测得的距离L，以及无线激光位移传感器安装方位角α，计算出当前激光束的焦点所在位置与无线激光位移传感器(55)测量点在竖直Z方向的高度差delta_z ;计算关系式为delta_z = H-HO | , H = L*sin α，HO为当前的激光加工焦距； 之后计算出delta_t秒后，当激光束焦点移动到当前无线激光位移传感器(55)的测量点时需要调节到的加工焦距绝对值Z,其中delta_t = delta_f/v,Z = H0+delta_z, V为预先设定的激光束的移动速度； 将需要调节到的加工焦距绝对值Z加入到delta_t秒后的加工焦距调节策略；(5)激光加工过程中，按照第(4)步获得的激光束移动路径上每一处的加工焦距调节策略，沿Z方向调整激光加工头与被加工工件之间的距离，进行不停机、在线的加工焦距调节，直至完成激光加工。
4.根据权利要求3所述的自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步骤(4)还包括:当激光束移动方向不变时，驱动无线激光位移传感器(55)来回转动一个小于90度的角度，以测量加工焦点附近的高度信息。
5.根据权利要求3所述的自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步骤(4)还包括:驱动无线激光位移传感器(55)做360度的旋转运行，以测量激光加工路径前方起伏形貌和后方的加工区域 起伏形貌。
【文档编号】B23K26/046GK103920990SQ201410142353
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】曹宇, 魏鑫磊, 李峰平, 余德格, 余婷婷, 冯爱新, 朱德华 申请人:温州大学