实现激光束焦点自动居中的校准方法

摘要

本发明公开了实现激光束焦点自动居中的校准方法，将虚拟工作平面的轴线段通过分治算法进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，确定轴线段的有效长度；在虚拟工作平面上任一轴向的线段上定位测试点；采用激光照射进行升温测试，获取每个轴向的照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法将两个相邻测试点之间的线段进行等分，来提高对吹气喷嘴的轮廓的定位精度，在此过程中不断进行激光照射的测试点定位和升温测试，直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点，精确确定激光束光路不和吹气喷嘴的轮廓发生干涉时，激光束焦点的位置，利用电机控制焦点位置来自动校准，使激光束焦点位置自动居中，此时激光光束的出射位置处于设备出口的正中间。

权利要求

1.实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：其建立以激光束的控制电机的中心位置为原点的二维坐标系的虚拟工作平面；将所述虚拟工作平面的XY轴的正反方向分为四个轴向线段，通过分治算法将所述轴向线段以逐步细分步长的方式进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，以此来确定每个轴向线段的有效长度，具体还包括如下步骤：S1:测试点定位：取任一轴的任一方向，通过控制电机将激光束的焦点移动到距离所述虚拟工作平面的中心点最近的线段的步长点作为测试点；

S2:升温测试：激光器在安全功率阈值范围下按设定时间对所述测试点进行出光照射，然后记录吹气喷嘴的最终温度，根据所述最终温度判断当前测试点是升温还是未升温；

其中，所述安全功率阈值范围为吹气喷嘴经激光束照射后不会熔化或损伤下激光器的功率范围；

S3:打开气阀进行吹气，使吹气喷嘴降温，吹气延时后关闭气阀；

S4:重复S1‑S3步骤，直到每个轴向的每个测试点均完成测试点定位后的升温测试，当每个轴向出现第一个升温的测试点后，跳过这个轴向的后续测试点；

S5:获取每个轴向的经激光束照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法将所述两个相邻测试点之间的线段通过逐步细分步长的方式再次进行等分，重复S1‑S3步骤，直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点；

S6:将X轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第一中心点的横坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的横坐标，将Y轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第二中心点的纵坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的纵坐标，然后通过控制电机将激光束的焦点移动至新原点，完成校准。

2.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：根据所述最终温度判断当前测试点是升温还是未升温的具体方法如下：判断所述最终温度处于升温阈值范围还是常温阈值范围，若处于升温阈值范围，则当前测试点为升温；若处于常温阈值范围，则当前测试点为未升温；

其中，所述升温阈值范围为当激光束照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度升高的温度范围；所述常温阈值范围为当激光束未照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度维持在常温的温度范围。

3.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：所述虚拟工作平面的边界大于吹气喷嘴的轮廓边界。

4.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：所述逼近操作需要执行若干轮，第一轮选择将所述虚拟工作平面的每个轴向线段等分为三个子线段。

5.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：S5中，所述最小步长为激光束焦点的精度要求范围，此时可以结束S1‑S3步骤。

6.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：若第一轮升温测试时，所有测试点均没有升温时，需要对激光器和激光束进行检查。

7.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：若第一轮升温测试时，所有测试点均升温时，需要对控制激光束焦点位置的控制电机进行检查。

8.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：若执行第一轮升温测试时，任一轴向未检出升温的测试点时，需要进行修正，具体如下：将所述虚拟工作平面的原点向未检出升温的测试点的轴向移动1或2个步长，然后再重新执行升温测试；或者在所述虚拟工作平面的原点也执行升温测试。

9.根据权利要求1所述的实现激光束焦点自动居中的校准方法，其特征在于：通过温度传感器来监测吹气喷嘴的温度变化，所述温度传感器为柱状热电偶探头。

说明书

实现激光束焦点自动居中的校准方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工技术领域，具体为实现激光束焦点自动居中的校准方法。

背景技术

[0002] 在激光焊接和激光切割的应用场合，由于需要使用激光将金属加热至熔融状态，一般采取施加保护气体的工艺进行防氧化、冷却和吹除熔渣等操作，出于节约气体用量，提高气体流速等目的，通常需要渐窄和较小的吹气喷嘴设计。

[0003] 吹气结构通常采用同轴模式，同轴模式即为气路和光路合二为一的结构，这种设计的好处是结构紧凑，实现小体积和轻量化，同时气流束与激光束平行，能实现比较理想的加工效果。

[0004] 但是同轴模式存在激光束聚焦的锥形收敛光路会和吹气喷嘴内部金属轮廓产生干涉的情况，如果产生干涉，会出现以下问题：

[0005] 1.激光束输出能量不准确，一部分被消耗了，影响加工效果；

[0006] 2.激光束的焦点位置偏移，实际加工轨迹和CAD设计轨迹不符合；

[0007] 3.高能量的激光持续照射，可能会损坏激光头或吹气喷嘴等零件。

发明内容

[0008] 为克服上述背景技术中，同轴模式存在激光束聚焦的锥形收敛光路会和吹气喷嘴内部金属轮廓产生干涉的情况，导致激光束输出能量不准确，一部分被消耗了，影响加工效果；导致激光束的焦点位置偏移，实际加工轨迹和CAD设计轨迹不符合；导致高能量的激光持续照射，可能会损坏激光头或吹气喷嘴等零件的缺点，本发明的目的在于提供一种实现激光束焦点自动居中的校准方法，通过对激光束的光路进行校准，让激光束焦点位于吹气喷嘴的中心位置，使激光束聚焦的锥形收敛光路不会和吹气喷嘴内部金属轮廓产生干涉。

[0009] 为了达到以上目的，本发明采用如下的技术方案：

[0010] 实现激光束焦点自动居中的校准方法，其建立以激光束的控制电机的中心位置为原点的二维坐标系的虚拟工作平面；将所述虚拟工作平面的XY轴的正反方向分为四个轴向线段，通过分治算法将所述轴向线段以逐步细分步长的方式进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，以此来确定每个轴向线段的有效长度，具体还包括如下步骤：

[0011] S1:测试点定位：取任一轴的任一方向，通过控制电机将激光束的焦点移动到距离所述虚拟工作平面的中心点最近的线段的步长点作为测试点；

[0012] S2:升温测试：激光器在安全功率阈值下按设定时间对所述测试点进行出光照射，然后记录吹气喷嘴的最终温度，根据所述最终温度判断当前测试点是升温还是未升温；

[0013] 其中，所述安全功率阈值为吹气喷嘴经激光束照射后不会熔化或损伤下激光器的功率范围；

[0014] S3:打开气阀进行吹气，使吹气喷嘴降温，吹气延时后关闭气阀；

[0015] S4:重复S1‑S3步骤，直到每个轴向的每个测试点均完成测试点定位后的升温测试，当每个轴向出现第一个升温的测试点后，跳过这个轴向的后续测试点；

[0016] S5:获取每个轴向的经激光束照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法将所述两个相邻测试点之间的线段通过逐步细分步长的方式再次进行等分，重复S1‑S3步骤，直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点；

[0017] S6:将X轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第一中心点的横坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的横坐标，将Y轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第二中心点的纵坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的纵坐标，然后通过控制电机将激光束的焦点移动至新原点，完成校准。

[0018] 本发明的有益效果在于：通过将虚拟工作平面的轴线段通过分治算法以逐步细分步长的方式进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，以此精确的确定轴线段的有效长度；在虚拟工作平面上的任一轴向的线段上定位测试点；然后采用激光照射进行升温测试，获取每个轴向的经激光束照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法将所述两个相邻测试点之间的线段通过逐步细分步长的方式再次进行等分，来提高对吹气喷嘴的轮廓的定位精度，在此过程中不断进行激光照射的测试点定位和升温测试，直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点，以此来精确的确定当激光束聚焦的锥形收敛光路不和吹气喷嘴的内部金属轮廓发生干涉时，激光束焦点的位置，然后利用电机控制激光束焦点位置来进行自动校准，使激光束焦点位置自动居中，此时激光光束的出射位置处于设备出口的正中间。

[0019] 在一些可能的实施方式中，根据所述最终温度判断当前测试点是升温还是未升温的具体方法如下：

[0020] 判断所述最终温度处于升温阈值还是常温阈值，若处于升温阈值，则当前测试点为升温；若处于常温阈值，则当前测试点为未升温；

[0021] 其中，所述升温阈值为当激光束照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度升高的温度范围；所述常温阈值范围为当激光束未照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度维持在常温的温度范围。

[0022] 在一些可能的实施方式中，所述虚拟工作平面的边界大于吹气喷嘴的轮廓边界。

[0023] 在一些可能的实施方式中，所述逼近操作需要执行若干轮，第一轮选择将所述虚拟工作平面的每个轴向线段等分为三个子线段。

[0024] 在一些可能的实施方式中，S5中，当细分步长的最小步数为激光束焦点的精度要求范围，此时可以结束S1‑S3步骤。

[0025] 在一些可能的实施方式中，若第一轮升温测试时，所有测试点均没有升温时，需要对激光器和激光束进行检查。

[0026] 在一些可能的实施方式中，若第一轮升温测试时，所有测试点均升温时，需要对控制激光束焦点位置的控制电机进行检查。

[0027] 在一些可能的实施方式中，若执行第一轮升温测试时，任一轴向未检出升温的测试点时，需要进行修正，具体如下：将所述虚拟工作平面的原点向未检出升温的测试点的轴向移动1或2个步长，然后再重新执行升温测试；或者在所述虚拟工作平面的原点也执行升温测试。

[0028] 在一些可能的实施方式中，通过温度传感器来监测吹气喷嘴的温度变化，所述温度传感器为柱状热电偶探头。

附图说明

[0029] 图1为本发明实施例实现激光束焦点自动居中的校准方法的校准步骤流程图；

[0030] 图2为本发明实施例第一轮逼近操作后的虚拟工作平面；

[0031] 图3为本发明实施例多轮升温测试后测试点的分布示意图；

[0032] 图4为本发明实施例虚拟工作平面的新原点获取示意图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0034] 本发明提供一种实施例，本实施例提供一种实现激光束焦点自动居中的校准方法，其通过建立以激光束的控制电机的中心位置为原点的二维坐标系的虚拟工作平面；示例，参见附图2所示，将所述虚拟工作平面的XY轴的正反方向（即X+、X‑、Y+和Y‑）分为四个轴向线段，通过分治算法中的二分法将所述轴向线段以逐步细分步长的方式进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，以此来确定每个轴向线段的有效长度。

[0035] 上述逼近操作需要执行若干轮，且第一轮选择将所述虚拟工作平面的每个轴向线段等分为三个子线段，其中，图2中白色圆圈表示为步长点。

[0036] 参见附图1所示，具体还包括如下步骤：

[0037] S1:测试点定位：取任一轴的任一方向，依次以X+、X‑、Y+和Y‑为例，通过控制电机将激光束的焦点移动到距离所述虚拟工作平面的中心点最近的线段的步长点作为测试点。

[0038] S2:升温测试：激光器在安全功率阈值下按设定时间对所述测试点进行出光照射，然后记录吹气喷嘴的最终温度，其中，所述安全功率阈值为吹气喷嘴经激光束照射后不会熔化或损伤下激光器的功率范围。

[0039] 然后根据所述最终温度判断当前测试点是升温还是未升温，具体方法如下：

[0040] 判断所述最终温度处于升温阈值还是常温阈值，若处于升温阈值，则当前测试点为升温；若处于常温阈值，则当前测试点为未升温；

[0041] 其中，所述升温阈值为当激光束照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度升高的温度范围；所述常温阈值范围为当激光束未照射到吹气喷嘴，吹气喷嘴的最终温度维持在常温的温度范围。

[0042] S3:打开气阀进行吹气，使吹气喷嘴降温，吹气延时后关闭气阀；

[0043] S4:重复S1‑S3步骤，直到每个轴向的每个测试点均完成测试点定位后的升温测试，当每个轴向出现第一个升温的测试点后，跳过这个轴向的后续测试点。

[0044] 每个轴向执行升温测试时，当得到第一个升温的测试点后，即停止此轴向的升温测试，然后进行下一轴向的升温测试。示例，参见附图3所示，图中的数字按照顺序依次表示为测试点的升温测试的顺序，其中3、5、7和10对应的黑色圆圈表示检测到升温的测试点，1、2、4、6、8、9对应的白色圆圈表示为检测到未升温的测试点。

[0045] S5:获取每个轴向的经激光束照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法中的二分法将所述两个相邻测试点之间的线段通过逐步细分步长的方式再次进行等分，重复S1‑S3步骤，这是为了提高对吹气喷嘴的轮廓的定位精度。

[0046] 直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点，所述最小步长为激光束焦点的精度要求范围，示例取0.1mm，此时可以结束S1‑S3步骤。

[0047] S6:将X轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第一中心点的横坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的横坐标，将Y轴中相邻两个升温的测试点之间的线段的第二中心点的纵坐标作为所述虚拟工作平面的新原点的纵坐标。具体示例，参见附图4所示，其中，X轴中相邻两个升温的测试点分别为黑色圆圈3（其坐标为x1，0）和7（其坐标为x2，0），Y轴中相邻两个升温的测试点分别为黑色圆圈5（其坐标为0，y1）和10（其坐标为0，y2）。

[0048] 即，第一中心点的横坐标为(x1+x2)/2，第二中心点的纵坐标为(y1+y2)/2，所以虚拟工作平面的新原点的坐标为[(x1+x2)/2，(y1+y2)/2]。

[0049] 然后通过控制电机将激光束的焦点移动至新原点，完成校准。

[0050] 校准之后，可通过巡边测试进行验证，具体如下：因为校准后的虚拟工作平面的新原点作为激光束的焦点，此时当前激光束的焦点作为移动轨迹的圆心，以设定比例（示例取90%）的吹气喷嘴的轮廓边界长度为半径，执行圆形轨迹运动。运动过程中激光器以前述安全功率阈值下发出激光束持续出光，实时监测吹气喷嘴的温度变化。

[0051] 当吹气喷嘴的温度处于前述升温阈值的温度范围内，则校准失败；当吹气喷嘴的温度未处于前述升温阈值的温度范围内，则校准成功，说明激光束聚焦的锥形收敛光路不和吹气喷嘴的内部金属轮廓发生干涉。

[0052] 本发明通过将虚拟工作平面的轴线段通过分治算法以逐步细分步长的方式进行等分来逼近吹气喷嘴的轮廓边界，以此精确的确定轴线段的有效长度；在虚拟工作平面上的任一轴向的线段上定位测试点；然后采用激光照射进行升温测试，获取每个轴向的经激光束照射后未升温和升温的两个相邻测试点，通过分治算法将所述两个相邻测试点之间的线段通过逐步细分步长的方式再次进行等分，来提高对吹气喷嘴的轮廓的定位精度，在此过程中不断进行激光照射的测试点定位和升温测试，直至获得四个轴向中最小步长的升温的测试点，以此来精确的确定当激光束聚焦的锥形收敛光路不和吹气喷嘴的内部金属轮廓发生干涉时，激光束焦点的位置，然后利用电机控制激光束焦点位置来进行自动校准，使激光束焦点位置自动居中，此时激光光束的出射位置处于设备出口的正中间。

[0053] 在一些实施方式中，所述虚拟工作平面的边界大于吹气喷嘴的轮廓边界，即虚拟工作平面的XY轴的转动范围大于吹气喷嘴的轮廓边界。本实施例设置虚拟工作平面的边界至少为吹气喷嘴的轮廓边界的1.5倍。这样设置的目的是为了保证当激光束焦点移动，激光束可以打到吹气喷嘴的出口截面的内边界，便于进行升温测试。

[0054] 在一些实施方式中，当细分步长的最小步数为激光束焦点的精度要求范围，此时可以结束S1‑S3步骤。这是因为当细分步长与激光束焦点的直径相近，重复S1‑S3步骤没有细分效果，所以为了简化程序，结束S1‑S3步骤，节省校准时间。

[0055] 在一些实施方式中，执行第一轮升温测试时，当所有测试点均没有升温时，需要检查激光器和激光束。这样可以避免由于激光器自身原因不出光，导致所有测试点均没有升温的情况出现。

[0056] 在一些实施方式中，执行第一轮升温测试时，当所有测试点均升温时，需要检查控制激光束焦点位置的控制电机。这样可以避免由于控制电机的自身原因，导致不能实现对激光束焦点位置调节，造成所有测试点均没有升温的情况出现。

[0057] 在一些实施方式中，执行第一轮升温测试时，当任一轴向未检出升温的测试点时，需要进行修正，具体如下：将所述虚拟工作平面的原点向未检出升温测试点的轴向移动1或2个步长，然后再执行升温测试；或者在所述虚拟工作平面的原点也执行升温测试。

[0058] 当任一轴未监测到升温测试点时，则意味着升温测试失败，最可能的原因是虚拟工作平面的中心与吹气喷嘴偏差过大，因此需要对中心点进行修正。

[0059] 在一些实施方式中，通过温度传感器来监测吹气喷嘴的温度变化，所述温度传感器为柱状热电偶探头。

[0060] 热电偶探头能够测量的温度上限比较高，为数百摄氏度，在此环境下测量准确且十分耐用。

[0061] 以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。