一种激光光束终端指向检测与校正方法及激光加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光光束终端指向检测与校正方法及激光加工装置，用以解决激光加工过程中，由于激光装备的长时间工作，激光器出射光束指向偏移、振镜温漂及时漂等原因造成激光光束在加工终端产生指向偏移从而影响被加工图形位置精度的问题。根据光程共轭原理对激光光束终端指向的检测与校正装置的空间位置进行布局以及标定，使得其视野内的光斑位置偏移量与实际激光加工光斑位置的偏移量相等，从而可以通过检测装置的光斑位置表征激光加工表面的光斑偏移情况；可广泛应用于我国航空航天、汽车、3C、光电子、模具等领域的激光精细表面制造、制孔、精细切割方面。

A Laser Beam Terminal Pointing Detection and Correction Method and Laser Machining Device

The invention relates to a laser beam terminal pointing detection and correction method and a laser processing device, which is used to solve the problem of laser beam pointing offset at the processing terminal caused by the long-time operation of laser equipment, laser beam pointing offset, temperature drift of galvanometer and timely drift, and so on, thus affecting the position accuracy of the processed graphics. According to the principle of optical path conjugation, the spatial position of the laser beam terminal pointing detection and correction device is laid out and calibrated, so that the spot position offset in the field of vision is equal to the actual spot position offset in laser processing, so the spot offset on the laser processing surface can be characterized by the spot position of the detection device; it can be widely used in aerospace and vapor industry in China. Laser fine surface fabrication, hole making and fine cutting in automobile, 3C, optoelectronics, mould and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种激光光束终端指向检测与校正方法及激光加工装置
本专利技术属于激光加工
，具体涉及一种激光光束终端指向检测与校正方法及激光加工装置。
技术介绍
激光加工是一种新兴的特种加工方式，并成为取代传统制造方式的必然选择。利用激光光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等。传统的激光加工装置主要包括用于产生激光光束的激光光源及用于将激光光束引导至待加工工件上的振镜系统，振镜系统包括控制系统及两组快速反射镜。加工过程中，激光光束指向的不稳定，会造成激光加工的位置精度降低，目前，由于现有国内装备均是属于一些打标、切割等技术含量较低的激光加工装备，因此激光指向的精度要求并不高，但是，如果将激光加工应用在高精细加工制造中，激光光束指向的不稳定性对加工精度影响很大，激光指向的稳定性决定了精细激光制造装备的加工精度，因此稳定激光光束的指向是各类激光高精细制造装备需解决的核心问题之一。引起激光光束指向不稳定的主要原因包括激光光束抖动及振镜系统长时间工作后的温漂及时漂。目前，对于少数高精度的激光加工装备，解决该问题的主要方法是从激光光束前端进行离线测量，即在加工开始之前采用光束质量分析仪等工具进行离线测量，测量完成后根据结果进行校正，但随着加工时间的增长，在加工过程中，激光光束指向不稳定现象会再次出现，离线测量无法在线校正加工过程中出现的激光光束指向不稳定现象。且从激光前端完成校正后，无法保证在加工过程中外部环境及后续的光学器件对激光光束的影响。
技术实现思路
为了解决离线前端测量无法在线监测反馈校正以及无法保证在加工过程中外部环境及后续的光学器件对激光光束的影响的问题，本专利技术提出一种激光光束终端指向检测与校正方法及激光加工装置。本专利技术的技术解决方案是提供一种激光光束终端指向检测与校正方法，包括以下步骤：步骤一：分光；采用分光元件，将从振镜系统出射的激光光束分为激光加工光束及激光检测光束；步骤二：采集激光检测光束并标定获得目标光斑；2.1、引入视觉系统，用于采集激光检测光束，根据光程共轭原理确定分光元件、视觉系统的位置；2.2、在光束指向稳定时，视觉系统采集激光检测光束，获得目标光斑位置；步骤三：采集实时光斑；视觉系统在线采集加工过程中的激光检测光束，获取实时光斑的位置；步骤四：获取激光加工光束的偏移量；对比实时光斑的位置与步骤三获取的目标光斑位置；若实时光斑与目标光斑的位置不符，则通过图像处理算法解算实时光斑与目标光斑的位置偏差，获得激光加工光束的偏移量；若实时光斑与目标光斑的位置无偏差，则继续进行加工；步骤五：反馈控制；视觉系统将步骤四获得的偏移量反馈至振镜系统，振镜系统根据接收的偏移量调节内部反射镜对光路进行调整，实现激光光束指向校正。进一步地，还包括步骤六：对矫正后的激光光束进行识别校验，视觉系统采集校正后加工过程中的激光检测光束，获得校正后的光斑位置，重复步骤四与步骤五。进一步地，步骤二中调整分光元件与视觉系统的位置，使激光终端的指向偏移量等于激光光束终端指向视觉系统靶面中光斑的偏移量。进一步地，步骤五中振镜系统根据接收的偏移量分别调节振镜内部两个空间分布的电动反光镜的偏移实现光路调整。偏移量可以表示为(△X、△Y)，振镜系统内部是由两个空间分布的电动反光镜组成，一个反光镜可以实现X方向的扫描，另一个反光镜可以实现Y方向的扫描，振镜系统根据接收的偏移量(△X、△Y)，调整第一反光镜与第二反光镜偏移来实现光路调整。进一步地，上述视觉系统为CCD相机或CMOS相机。进一步地，上述分光元件为分光镜。本专利技术还提供一种激光加工装置，包括激光光源及振镜系统，其特殊之处在于：还包括分光镜与视觉系统，上述分光镜位于振镜系统的出光光路中，上述视觉系统与待加工工件分别位于分光镜的两路出射光路的终端，两路出射光路的光程相等。进一步地，为了优化空间，还包括位于分光镜与视觉系统之间的反光镜。进一步地，上述视觉系统为高分辨率高帧频CCD相机、COMS相机。进一步地，上述振镜系统包括两个空间分布的电动反光镜，一个反光镜可以实现X方向的扫描，另一个反光镜可以实现Y方向的扫描。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术从光束终端实现校正，综合考虑了激光器、光路外部环境、尤其是振镜的温漂时漂等各种因素，可以更为精准的表征加工激光的指向，即提高激光加工时的位置精度。2、本专利技术能够在线实时调整，确保整个加工过程中以恒定的精度进行加工。3、本专利技术光束指向校正精度≤3um，可广泛应用于我国航空航天、汽车、3C、光电子、模具等领域的激光精细表面制造、制孔、精细切割方面。附图说明图1为本专利技术检测校正方法流程框图；图2为实施例中分光镜、视觉系统的位置关系原理图；图中附图标记为：1-视觉系统，2-反射镜，3-分光镜，4-环形指示光源。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的描述。本专利技术激光光束终端指向检测与校正方法，用以解决激光加工过程中，由于激光装备的长时间工作，激光器出射光束指向偏移、振镜温漂及时漂等原因造成激光光束在加工终端产生指向偏移从而影响被加工图形位置精度的问题。根据光程共轭原理对激光光束终端指向的检测与校正装置的空间位置进行布局以及标定，使得其视野内的光斑位置偏移量与实际激光加工光斑位置的偏移量相等，从而可以通过检测装置的光斑位置表征激光加工表面的光斑偏移情况。从图1可以看出，本实施例检测与校正过程如下：S1、采用分光元件，将从振镜系统出射的激光光束分为激光加工光束及激光检测光束。S2、根据光程共轭原理，确定视觉系统空间位置，具体如图2所示，使L1+L2＝L，即激光终端的指向偏移距离等于激光光束终端指向检测与校正中CCD靶面中光斑的偏移距离，因此，利用透射的检测激光束投射到靶面上光斑的质心坐标实时检测，获取加工光束的指向偏离。S3、在光束指向稳定时，视觉系统采集激光检测光束，获得目标光斑位置。S4、视觉系统在线采集加工过程中经分光镜透射、反光镜反射后的激光检测光束，获取实时光斑的位置。S5、对比实时光斑的位置与目标光斑位置偏差；如果没有偏差则激光装备正常进行加工；S6、若实时光斑的位置与目标光斑位置有偏差，则视觉系统通过图像处理算法解算获得偏移量(△X、△Y)。S7、视觉系统将获得的偏移量(△X、△Y)反馈至振镜系统，振镜系统内部是由两个空间分布的电动反光镜组成，一个反光镜可以实现X方向的扫描，另一个反光镜可以实现Y方向的扫描，振镜系统根据接收的偏移量(△X、△Y)，调整第一反光镜与第二反光镜偏移来实现光路调整。S8、校正完成后，视觉系统再次采集校正后的激光光束，对矫正后的光斑进行识别校验，如若校验合格则直接加工，否则重复步骤S6至S7。能够实现上述检测及校正过程的激光加工装置，主要是在现有的激光加工装置上添加检测及校正器件，主要包括激光光源、振镜系统、环形指示光源4分光镜3及视觉系统1，本实施例中视觉系统为高分辨率高帧频CCD相机或COMS相机，分光镜3位于振镜系统的出光光路中，视觉系统1与待加工工件分别位于分光镜3的两路出射光路的终端，两路出射光路的光程相等，在本实施例中为了优化空间，在分光镜3与视觉系统1之间还设置反光镜2，且视觉系统1位于分光镜3的透射光路中，待加工工件位于分光镜3的反射光路中。本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光光束终端指向检测与校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：分光；采用分光元件，将从振镜系统出射的激光光束分为激光加工光束及激光检测光束；步骤二：采集激光检测光束并标定，获得目标光斑；2.1、引入视觉系统，用于采集激光检测光束，根据光程共轭原理确定分光元件、视觉系统的位置；2.2、在光束指向稳定时，视觉系统采集激光检测光束，获得目标光斑位置；步骤三：采集实时光斑；视觉系统在线采集加工过程中的激光检测光束，获取实时光斑的位置；步骤四：获取激光加工光束的偏移量；对比实时光斑的位置与步骤三获取的目标光斑位置；若实时光斑与目标光斑的位置不符，则通过图像处理算法解算实时光斑与目标光斑的位置偏差，获得激光加工光束的偏移量；若实时光斑与目标光斑的位置无偏差，则继续进行加工；步骤五：反馈控制；视觉系统将步骤四获得的偏移量反馈至振镜系统，振镜系统根据接收的偏移量调节内部反光镜对光路进行调整，实现激光光束指向校正。

【技术特征摘要】
1.一种激光光束终端指向检测与校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：分光；采用分光元件，将从振镜系统出射的激光光束分为激光加工光束及激光检测光束；步骤二：采集激光检测光束并标定，获得目标光斑；2.1、引入视觉系统，用于采集激光检测光束，根据光程共轭原理确定分光元件、视觉系统的位置；2.2、在光束指向稳定时，视觉系统采集激光检测光束，获得目标光斑位置；步骤三：采集实时光斑；视觉系统在线采集加工过程中的激光检测光束，获取实时光斑的位置；步骤四：获取激光加工光束的偏移量；对比实时光斑的位置与步骤三获取的目标光斑位置；若实时光斑与目标光斑的位置不符，则通过图像处理算法解算实时光斑与目标光斑的位置偏差，获得激光加工光束的偏移量；若实时光斑与目标光斑的位置无偏差，则继续进行加工；步骤五：反馈控制；视觉系统将步骤四获得的偏移量反馈至振镜系统，振镜系统根据接收的偏移量调节内部反光镜对光路进行调整，实现激光光束指向校正。2.根据权利要求1所述的激光光束终端指向检测与校正方法，其特征在于：还包括步骤六：对矫正后的激光光束进行识别校验；视觉系统采集校正后加工过程中的激光检测光束，获得校正后的光斑位置，重复步骤四与步骤五。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珣，李明，谭羽，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61