一种激光焦点校准装置及方法与流程

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种激光焦点校准装置及方法。

背景技术：

1、激光作为上世纪发明的新光源，它具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等方面。激光加工作为激光系统最常用的应用，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。其技术原理为激光束能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。其中为保证激光加工的最佳效果、最佳效率以及加工稳定性，需要确保激光束经过透镜聚焦后的焦点准确落在待加工产品表面。

2、在现有技术中，目前存在着以下的缺点：不能实时在线检测激光束焦点位置的变化，从而不能实时的调整激光束焦点的位置；不能自动判别激光束焦点位置偏离方向，不能与上位机数据反馈，自动化呈度低；现有的激光束焦点位置校正操作方法安全性不足，通常采用人眼直接观察调试，激光辐射对人眼具有一定的损害；当前行业内类似的专业辅助装置多为视觉模块，价格昂贵无法普及商业化；不能模块化结构设计，导致维护过替换成本昂贵；目前行业内激光加工工艺中，针对在聚焦后的焦点调试及确认的方式是通过反复加工样品的效果比较最佳的工艺条件，方法繁琐并且调试周期长。

技术实现思路

1、为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种激光焦点校准装置及方法。

2、为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种激光焦点校准装置，包括：激光器、扩束装置、焦点偏差检测装置、反射聚焦装置、驱动装置、升降装置、加工平台；

3、激光器发射激光束；

4、扩束装置校准和扩大激光束；

5、焦点偏差检测装置透过激光束；

6、反射聚焦装置反射激光束并对激光束进行聚焦；

7、加工平台上放置待加工件，聚焦后的激光束加工待加工件，并产生辐射光束，辐射光束沿激光束传播方向逆向传播；

8、反射聚焦装置反射辐射光束至焦点偏差检测装置；

9、焦点偏差检测装置对辐射光束进行焦点偏差检测获得探测数据，并对探测数据进行放大；

10、焦点偏差检测设备显示放大后的探测数据，焦点偏差检测装置将探测数据进行对比获得对比数据，并将对比数据传输至驱动装置；

11、驱动装置根据对比数据控制升降装置上移或下移加工平台。

12、此技术方案中，焦点偏差检测装置检测激光束焦点所在位置与待加工件的表面所在的水平面是否存在偏差并显示探测数据，使操作人员无需观察激光束得到激光束焦点位置与待加工件上表面的水平面之间的情况，从而避免激光束对人眼造成伤害。通过驱动装置控制升降装置自动调试待加工件上表面与激光束焦点的之间的距离，使激光束焦点与待加工件上表面处于最佳位置，实现激光束焦点自动校准，从而避免了传统方法中的反复比较的繁琐操作并缩减了调试周期。激光焦点校准装置自动化呈度高，并通过对焦点偏差检测装置的模块设计降低了维护成本和替换成本。

13、在一些实施方式中，焦点偏差检测装置包括壳体、合束镜、聚焦镜、半反半透镜、第一小孔光栅片、第二小孔光栅片、第一探测装置、第二探测装置、信号放大器模块、信号数显模块；

14、聚焦镜与合束镜呈45°，半反半透镜与合束镜平行，第一小孔光栅片、第一探测装置与聚焦镜平行，第二小孔光栅片、第二探测装置与聚焦镜呈90°，第一探测装置、第二探测装置设置于壳体内壁上，信号放大器模块设置于壳体底部，信号数显模块设置于壳体上侧。

15、此技术方案中，合束镜将辐射光束呈45度反射，使辐射光束的轨迹改变从而使聚焦镜可以接收到辐射光束，聚焦镜将辐射光束进行聚焦，聚焦的辐射光束经过半反半透镜，其中一半的辐射光束透过半反半透镜，并经过第一小孔光栅片的滤光，将辐射光束投射至第一探测装置；另一半的辐射光束经过半反半透镜的反射，并经过第二小孔光栅片的滤光，将辐射光束投射至第二探测装置，第一探测装置和第二探测装置分别将投射的辐射光束的探测数据传输至信号放大器模块，信号放大器模块将第一探测装置传输的数据和第二探测装置传输的探测数据进行放大并对比，将对比数据分别传输至信号数显模块和驱动装置，信号数显模块将放大后的探测数据，使操作人员无需使用人眼直接观察激光束就可以得到激光焦点位置相对于待加工件上表面位置的情况。

16、在一些实施方式中，辐射光束沿激光束传播路径反向传播至焦点偏差检测装置；

17、合束镜与幅射光束呈45°，合束镜呈90°反射辐射光束；

18、聚焦镜聚焦辐射光束，半反半透镜在辐射光束形成焦点前透过一半幅射光束，形成第一辐射光束，第一幅射光束形成焦点之前穿过第一小孔光栅片，投射至第一探测装置；

19、半反半透镜在辐射光束形成焦点前呈90°反射一半辐射光束，形成第二辐射光束，第二辐射光束在形成焦点之后穿过第二小孔光栅片，投射至第二探测装置。

20、此技术方案中，合束镜呈90°反射辐射光束，有利于将辐射光束和激光束的光路进行分离，将辐射灌输分离为第一辐射光束和第二辐射光束，有利于进一步反推出激光束焦点和待加工件上表面的相对位置。第一小孔光栅片和第二小孔光栅片的设置有利于在激光束焦点和待加工件上表面的相对位置不处于同一水平面的情况下，分别对第一辐射光束和第二辐射光束进行滤光，使第一辐射光束和第二辐射光束照射在第一探测装置和第二探测装置上的强度不一致。

21、在一些实施方式中，第一探测装置、第二探测装置连接信号放大器模块，第一探测装置根据投射到第一探测装置上的第一幅射光束的强度获得第一探测数据，第二探测装置投射到第二探测装置上的第二幅射光束的强度获得第二探测数据，信号放大器模块将第一探测数据、第二探测数据进行放大并传输至信号数显模块，信号数显模块显示放大后的第一探测数据、第二探测数据，信号放大器模块对第一探测数据、第二探测数据进行差值比较获得对比数据。

22、此技术方案中，第一探测装置、第二探测装置连接信号放大器模块，便于第一探测装置和第二探测装置分别将第一探测数据和第二探测数据传输至信号放大器模块，信号放大器模块放大第一探测数据和第二探测数据，便于展示出第一探测数据和第二探测数据的差异，信号放大器模块对记忆探测数据和第二探测数据进行差值比较获得对比数据，便于确定或者激光焦点与待加工件之间的关系。

23、在一些实施方式中，比对数据为第一探测数据减第二探测数据。

24、此技术方案中，使用第一探测数据减第二探测数据，来判断激光束焦点与待加工件上表面之间的位置关系。

25、在一些实施方式中，若对比数据为正值，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；

26、若对比数据为负，则驱动装置控制升降装置下移加工平台；

27、若对比数据为0，则加工平台不移动。

28、此技术方案中，若对比数据为正值，表示激光束焦点处于加工件上表面的下侧，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；若对比数据为负，表示激光束焦点处于待加工件上表面的上侧，则驱动装置控制升降装置下移加工平台；若对比数据为0，表示激光束焦点与待加工件上表面处于同一水平面，则加工平台不移动。

29、在一些实施方式中，对比数据为第二探测数据减第一探测数据。

30、在一些实施方式中，若对比数据为正，则驱动装置控制升降装置下移加工平台；

31、若对比数据为负，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；

32、若对比数据为0，则加工平台不移动。

33、此技术方案中，若对比数据为正，表示激光束焦点处于待加工件上表面的上侧，则驱动装置控制升降装置下移加工平；若对比数据为负，表示激光束焦点处于加工件上表面的下侧，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；若对比数据为0，表示激光束焦点与待加工件上表面处于同一水平面，则加工平台不移动。

34、在一些实施方式中，信号放大器模块连接信号数显模块、驱动装置，信号放大器模块将放大后的第一探测数据和第二探测数据传输值信号数显模块，信号数显模块显示放大后的第一探测数据和第二探测数据，信号放大器模块将对比数据传输至驱动装置，驱动装置根据对比数据控制升降装置上升或下移加工平台。

35、此技术方案中，信号放大器模块将放大后的探测数据传输至信号数显模块，信号数显模块展示对放大后的探测数据，操作人员可以直接观察信号数显模块显示的数据获知激光束焦点与待加工件上表面之间的距离状态；信号放大器模块将探测数据进行对比获得对比数据，并将对比数据传输至驱动装置，驱动装置根据对比数据控制升降装置运动来控制加工台上移或下移，从而控制待加工件上移或下移，达到控制激光束焦点与待加工件之间的距离的调试。

36、在一些实施方式中，辐射光束包括第一最小束腰点和第二最小束腰点，第一最小束腰点位于第一小孔光栅片与第一探测装置之间，第二小孔光栅片设置于第二探测装置与第二最小束腰点之间，第一探测装置与第一最小束腰点之间的距离等于第二与第二最小束腰点之间的距离。

37、此技术方案中，第一最小束腰点位于第一小孔光栅片与第一探测装置之间，第二小孔光栅设置于第二探测装置与第二最小束腰点之间，有利于在激光束焦点位置与待加工件上表面未处于同一水平面时，辐射光束经过半反半透镜后第一最小束腰点位置、第二最小束腰点的位置与激光束焦点位置和待加工件上表面处于同一水平面的情况下的第一最小束腰点位置、第二最小束腰点位置出现偏差，光栅片小孔可以对其中发散较大的辐射光束进行滤光，从而使投射至第一探测装置和第二探测装置上的辐射光束的强度不一样；第一探测装置与第一最小束腰点之间的等于第二探测装置与第二最小束腰点之间的距离，排除辐射光束到达第一探测装置和第二探测装置的光呈不一致所带来的误差。

38、在一些实施方式中，合束镜透过激光束，合束镜反射辐射光束。

39、此技术方案中，激光束正常透过合束镜之后加工待加工件，辐射光束逆向传播至合束镜，合束镜将辐射光束反射至聚焦镜，改变辐射光束的传播方向。

40、在一些实施方式中，反射聚焦装置包括振镜和场镜，振镜内部设置有反射镜，反射镜用于将激光束进行与原传播方向呈90°的反射。

41、此技术方案中，反射镜用于反射激光束和辐射光束，场镜用于对激光束进行聚焦。

42、在一些实施方式中，反射聚焦装置包括激光切割头和激光聚焦镜，激光切割头设置有内部反射镜，内部反射镜用于将激光束进行与原传播方向呈90°的反射，激光聚焦镜用于聚焦激光束。

43、此技术方案中，内部反射镜用于反射激光束和辐射光束，聚焦镜用于对激光束进行聚焦。

44、在一些实施方式中，升降装置包括底座和升降杆，加工平台沿升降杆上移或下移，升降杆固定于底座。

45、此技术方案中，底座使激光焦点校准装置更加稳固的放置，升降杆用于为加工平台的运动进行导向。

46、本发明还提供一种激光焦点校准方法，包括：激光器、扩束装置、焦点偏差检测装置、反射聚焦装置、驱动装置、升降装置、加工平台；

47、激光器发射激光束；

48、扩束装置校准和扩大激光束；

49、焦点偏差检测装置透过激光束；

50、反射聚焦装置反射激光束并对激光束进行聚焦；

51、加工平台上放置待加工件，聚焦后的激光束加工待加工件，并产生辐射光束，辐射光束沿激光束传播方向逆向传播；

52、反射聚焦装置反射辐射光束至焦点偏差检测装置；

53、焦点偏差检测装置对辐射光束进行焦点偏差检测获得探测数据，并对探测数据进行放大；

54、焦点偏差检测设备显示放大后的探测数据，焦点偏差检测装置将探测数据进行对比获得对比数据，并将对比数据传输至驱动装置；

55、驱动装置根据对比数据控制升降装置上移或下移加工平台。

56、在一些实施方式中，焦点偏差检测装置包括壳体、合束镜、聚焦镜、半反半透镜、第一小孔光栅片、第二小孔光栅片、第一探测装置、第二探测装置、信号放大器模块、信号数显模块；

57、聚焦镜与合束镜呈45°，半反半透镜与合束镜平行，第一小孔光栅片、第一探测装置与聚焦镜平行，第二小孔光栅片、第二探测装置与聚焦镜呈90°，第一探测装置、第二探测装置设置于壳体内壁上，信号放大器模块设置于壳体底部，信号数显模块设置于壳体上侧。

58、在一些实施方式中，焦点偏差检测设备包括合束镜、聚焦镜、半反半透镜、第一小孔光栅片、第二小孔光栅片、第一探测装置、第二探测装置、信号放大器模块，辐射光束沿激光束传播路径反向传播至焦点偏差检测装置，合束镜与幅射光束呈45°，合束镜呈90°反射辐射光束，聚焦镜聚焦辐射光束，半反半透镜在辐射光束形成焦点前透过一半幅射光束，形成第一辐射光束，第一幅射光束形成焦点之前穿过第一小孔光栅片，投射至第一探测装置；半反半透镜在辐射光束形成焦点前呈90°反射一半辐射光束，形成第二辐射光束，第二辐射光束在形成焦点之后穿过第二小孔光栅片，投射至第二探测装置。

59、在一些实施方式中，第一探测装置、第二探测装置连接信号放大器模块，第一探测装置根据投射到第一探测装置上的第一幅射光束的强度获得第一探测数据，第二探测装置投射到第二探测装置上的第二幅射光束的强度获得第二探测数据，信号放大器模块将第一探测数据、第二探测数据进行放大并传输至信号数显模块，信号数显模块显示放大后的第一探测数据、第二探测数据，信号放大器模块对第一探测数据、第二探测数据进行差值比较获得对比数据。

60、在一些实施方式中，比对数据为第一探测数据减第二探测数据。

61、在一些实施方式中，若对比数据为正值，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；

62、若对比数据为负，则驱动装置控制升降装置下移加工平台；

63、若对比数据为0，则加工平台不移动。

64、在一些实施方式中，对比数据为第二探测数据减第一探测数据。

65、在一些实施方式中，若对比数据为正，则驱动装置控制升降装置下移加工平台；

66、若对比数据为负，则驱动装置控制升降装置上移加工平台；

67、若对比数据为0，则加工平台不移动。

68、在一些实施方式中，信号放大器模块连接信号数显模块、驱动装置，信号放大器模块将放大后的第一探测数据和第二探测数据传输值信号数显模块，信号数显模块显示放大后的第一探测数据和第二探测数据，信号放大器模块将对比数据传输至驱动装置，驱动装置根据对比数据控制升降装置上升或下移加工平台。

69、在一些实施方式中，辐射光束包括第一最小束腰点和第二最小束腰点，第一最小束腰点位于第一小孔光栅片与第一探测装置之间，第二小孔光栅片设置于第二探测装置与第二最小束腰点之间，第一探测装置与第一最小束腰点之间的距离等于第二探测装置与第二最小束腰点之间的距离。

70、在一些实施方式中，合束镜透过激光束，合束镜反射辐射光束。

71、在一些实施方式中，反射聚焦装置包括振镜和场镜，振镜内部设置有反射镜，反射镜用于将激光束进行与原传播方向呈90°的反射。

72、在一些实施方式中，反射聚焦装置包括激光切割头和激光聚焦镜，激光切割头设置有内部反射镜，内部反射镜用于将激光束进行与原传播方向呈90°的反射，激光聚焦镜用于聚焦激光束。

73、在一些实施方式中，升降装置包括底座和升降杆，加工平台沿升降杆上移或下移，升降杆固定于底座。

74、本发明的有益效果是，通过激光焦点偏差检测装置对辐射光束的对比分析，实时检测激光束焦点与待加工件上表面的相对位置，信号数显模块实时显示探测数据，操作人员可以根据信号数显模块所显示的数据获知激光束焦点位置与待加工件上表面的位置关系，无需直接观察激光束，从而避免了激光束对人眼的伤害；驱动装置可以同时根据探测数据的对比来实时控制升降装置上下移动来控制加工台上移或下移，使激光束焦点与待加工件的相对位置处于最佳位置，此过呈由激光加工装置实时完成，从而避免了传统方法中的反复比较的繁琐操作并缩减了调试周期，自动化呈度高，并通过模块设计降低了维护成本和替换成本。