CN101422848B - 一种应用于激光切割加工的测距对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开激光切割加工的测距对焦方法，核心是在切割激光头的旁侧设置有同步联动的平行光发生器、凹透镜、摄像头，凹透镜将平行光发生器的光斑放大，投射于工件表面上，摄像头将光斑图像采集，随着切割激光束进行切割加工，光斑始终投射于工件移动方向的前方，光斑图像会随着工件表面的起伏变形而作变化，摄像头对光斑图像实时采样，通过数据处理器将采样光斑图像与标准光斑图像比对，得出工件即将被切割表面的变形量，数据处理器根据变形量发出控制信号，驱动调节焦升降装置，改变切割激光头相对于工件的距离，从而始终保持与工件精确对焦，这样的方法，具有对焦精度高，对被加工工件表面反应敏捷、适应性强，成本低廉实用，切割效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及非接触式切割、加工领域的测距、对焦、调焦技术，特别是辅助激光切割器加工的测距对焦方法。
背景技术
目前，激光切割设备在板材的开料、加工过程中已经有比较广泛的应用。由于是利用聚能激光进切割加工，因此，对切割激光束与被加工工件之间的距离精度要求是比较高的。在一些高要求的加工切割过程中，为保证切割的效果、质量，要用相应的辅助***对切割激光束进行动态的调焦。在常规的激光切割所使用的调焦方法中，主要有机械式、电感式、电容式，激光点反射式等几种。而这些调焦方式均有着各种不同程度的缺陷。其中，机械式由于需要使用机械构件直接与被加工工件接触，一方面容易导致被加工工件表面划花或破损，另一方面令对焦***产生机械磨损后影响对焦精度，耐用性差、精度差；电感式和电容式则加工对象只能限于金属材料，而且其抗干扰能力差，极容易受外界环境的电磁干扰影响，感应的精度也不高、工作可靠性差；加工精度较高的要算激光点反射式，它是利用从旁发出的测距激光，在工件表面形成点反射，利用反射的时间差来进行测距，故精度高，但装置要依赖进口，其价格昂贵，尤其是整个调焦装置体积庞大，无法贴近切割激光束的切割点安装，导致测距点与切割点之间跨度大，误差大，而且测距方式只能逐个点进行，一旦反射点刚好落于工件表面的碎屑上激光就测不准，而如果反射点刚好落于工件表面的割缝或者空洞，激光就无反射而无法测距，技术的适应能力差。而在实际的激光切割加工生产过程中，被加工工件或材料并非绝对的水平面，不可避免地存在一定的弯曲、变形、翘曲，如何根据被加工工件或材料表面的情况而准确、适时地调节切割激光束的焦距，传统技术还没有完善的解决方案。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术的不足之处，提出一种动态对焦精度高，对被加工工件表面反应敏捷，对不同材质、加工面适应性强，成本低廉实用的应用于激光切割加工的测距对焦方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：激光切割加工的测距对焦方法，包括有常规的激光切割器，常规的数据处理器，可带动激光切割器的切割激光头上下移动对焦的对焦升降装置，其特征在于：在切割激光头的旁侧设置有平行光发生器、凹透镜、摄像头，它们均与切割激光头同步联动，切割激光头发出的切割激光束与被加工工件初始对好焦点时，平行光发生器发光，凹透镜将光放大，并垂直投射于靠近切割激光束焦点的被加工工件表面上，形成光斑，摄像头将该光斑图像采集并作为初始标准光斑，通过数据处理器保存；随着被加工工件移动、切割激光束进行切割加工，光斑始终投射于被加工工件移动方向的前方，光斑图像会随着被加工工件表面的凹凸、起伏变形而作大小变化或变形，这些动态的光斑图像便直接反映了被加工工件表面的平整度，摄像头对光斑图像实时采样，通过数据处理器将采样光斑图像与初始的标准光斑图像等倍放大，再比对，可预先得出被加工工件即将被切割表面的距离变形量，数据处理器根据距离变形量发出控制信号，驱动调节焦升降装置，改变切割激光头相对于被加工工件的距离，使切割激光束的焦点及时调整，从而始终保持与被加工工件精确对焦。进一步地，为保证产生的光斑轮廓清晰、易于识别，平行光发生器采用激光发生器。为了提高光斑反映的待加工面精确度，产生的光斑越接近切割激光束的焦点越好，综合考虑各装置的安装因素，采取在贴近切割激光头的下方分别设有45度镀膜单向透射反光镜片和45度反光镜片，激光发生器发出的激光先经过凹透镜的放大，然后经过45度镀膜单向透射反光镜片的反射才垂直投射到被加工工件表面，而形成于被加工工件的光斑图像则先透过45度镀膜单向透射反光镜片的透射、再经过45度反光镜片反射后才进入摄像头。为便于采样和计算，投射于被加工工件表面上的光斑是对称的规则几何形状，最好为圆形。圆形光斑的大小在直径10至30mm之间。为匹配焦点调控的精度，对焦升降装置由伺服电机和传动丝杆构成。
这样的设计，本发明具有明显的优点和优势；
1、可精确控制激光切割割缝大小，避免割缝由于对焦不准导致的宽度不一，这点对于改善工件的加工质量有较大的意义。
2、通过光斑采样配合伺服电机和传动丝杆构成的对焦升降装置，对焦精度可以达到0.01mm的级别，有效地解决了对焦精度的问题。
3、采用了光斑表面测距的方式，在光斑的采集时选择多点进行计算，可以避免旧有的激光点测距遇到工件上有碎屑测不准、有空洞和缝则测不到的弊端，对不同材质、不同状况的表面均有很强的适应能力。
4、由于光斑处于加工方向的前方，可以对切割焦距的变化预先侦测，令激光切割***始终保持在完美的对焦准确的工作状态。
5、与国外同等水平的设备对比，本发明既能达到行业的要求，又比较经济实用，无须使用昂贵的点激光测距器，其成本仅为国外同等点激光测距设备的十分一左右。
附图说明
图1是本发明形成标准光斑图像的示意图；
图2是形成变形光斑图像的示意图；
图3是标准光斑图像与变形光斑图像的对比示意图；
图4实施例2的装置示意图。
具体实施方式
众所周知，板材尤其是较大面积的板材，在1200mm长度范围内有5—10mm甚至20mm的变形是十分正常的，而这5—20mm的变形对于激光切割加工而言是必须调整克服的。本方法正适合于这类金属或非金属板材的开料切割。
实施例1，参见图1，本实施例的激光切割加工的测距对焦方法包括常规的激光切割器，公知常用的数据处理器9。激光切割器的切割激光头1垂直设于被加工工件2的正上方，切割激光头1由对焦升降装置8带动，对焦升降装置8由伺服电机和传动丝杆(图中没有画出)构成，其移动精度可达到0.01mm。特别之处在于，在切割激光头1的旁侧设置有激光发生器3、凹透镜组4、摄像头5、45度镀膜单向透射反光镜片6和45度反光镜片7，它们均与切割激光头1同步联动，可统一由对焦升降装置8带动同步上下移动。
测距用的激光发生器3的功率为30mw，其发出直径为2mm的红光激光束3’，红光激光束3’经过凹透镜组4的等效放大，然后经过45度镀膜单向透射反光镜片6的反射，在被加工工件2表面形成直径为20mm的红色正圆形光斑，此时，切割激光头1发出的切割激光束1’与被加工工件2初始对好焦点，因此直径为20mm的红色正圆形光斑可视为初始标准光斑，该光斑图像又先透过45度镀膜单向透射反光镜片6的透射、再经过45度反光镜片7反射后才进入摄像头5，最后通过数据处理器9保存。
当切割激光束1’进行切割加工时，随着被加工工件2的移动，红光光斑始终投射于被加工工件2移动方向的前方，如果被加工工件2平整度与标准保持一致，则光斑图像呈现的也是直径为20mm的红色正圆形---与标准光斑图像一致，数据处理器9将光斑图像放大比对判别后，对焦升降装置8位置无须改变，只须保持原状态。如果被加工工件2的待加工面比标准凹陷了0.1mm，这样红光激光束3’射到被加工工件2的距离增大了0.1mm，通过凹透镜组4的等效放大，自然会在被加工工件2的表面形成增大了0.1mm---即直径为20.1mm的圆形光斑图像，尽管这0.1mm的差别很小，肉眼难以分辨，但摄像头5对该光斑图像实时采样，并将该光斑图像送入数据处理器9，数据处理器9将该图像放大10(或者50)倍，再与放大同样倍数的标准光斑图像比对，数据处理器9可由此分辨、判断出着被加工工件2的待加工面比之前凹陷了0.1mm，数据处理器9根据这0.1mm距离变形量发出控制信号，驱动调节焦升降装置8，令切割激光头1下降0.1mm，使切割激光束1’的焦点及时调整，从而始终保持与被加工工件2精确对焦。同样地，如果被加工工件2的待加工面比标准凸起了0.2mm，则红光激光束3’射到被加工工件2的距离缩小了0.2mm，通过凹透镜组4的等效放大，自然会在被加工工件2的表面形成减少0.2mm---即直径19.8mm的光斑图像，摄像头5对光斑图像实时采样，并将该光斑图像送入数据处理器9，经过图像放大、比对，数据处理器9可由此判断出着被加工工件2的待加工面高出了0.2mm，数据处理器9根据距离变形量发出控制信号，驱动调节焦升降装置8，令切割激光头1上升0.2mm，使切割激光束1’的焦点及时调整，始终保持与被加工工件2精确对焦。此外，如图2、3所示，如果在被加工工件2的表面形成的是非正圆、而是椭圆形的光斑，数据处理器9也可根据椭圆形的长轴、短轴的大小来判断被加工工件2表面的变形趋势----是处于上升还是下降的坡面，从而正确地估计被加工工件2的表面情况，及时调整切割激光束1’的焦距。
实施例2，参见图4，为使光斑图像能尽量体现、反映即将切割处的高低情况或平整度，激光发生器产生的光斑越靠近切割激光束的切割焦点越好，为此，可将45度镀膜单向透射反光镜片6和45度反光镜片7布置于贴近切割激光头的下方，产生的红光光斑最好投射于距离切割激光束1’焦点5--15mm的范围内。实际上，凹透镜组将测距激光放大的倍数以及产生光斑的大小都可根据不同的情况来调节设定，5倍、20倍均可，并无定数，光斑的形状也可以是正方形、正多边形等，易于换算即可。数据处理器9也可采用专业的设备或常规的计算机。
当然，这里仅列举了两种较佳的实施方式，其它等同、类同的构造均应属于本专利的保护范畴，这里不再赘述。
Claims (6)
1.一种应用于激光切割加工的测距对焦方法，包括有常规的激光切割器，常规的数据处理器，可带动激光切割器的切割激光头上下移动对焦的对焦升降装置，其特征在于：在切割激光头的旁侧设置有平行光发生器、凹透镜、摄像头，它们均与切割激光头同步联动，切割激光头发出的切割激光束与被加工工件初始对好焦点时，平行光发生器发光，凹透镜将光放大，并垂直投射于靠近切割激光束焦点的被加工工件表面上，形成光斑，摄像头将该光斑图像采集并作为初始标准光斑，通过数据处理器保存；随着被加工工件移动、切割激光束进行切割加工，光斑始终投射于被加工工件移动方向的前方，光斑图像会随着被加工工件表面的凹凸、起伏变形而作大小变化或变形，这些动态的光斑图像便直接反映了被加工工件表面的平整度，摄像头对光斑图像实时采样，通过数据处理器将采样光斑图像与初始的标准光斑图像等倍放大，再比对，可预先得出被加工工件即将被切割表面的距离变形量，数据处理器根据距离变形量发出控制信号，驱动调节对焦升降装置，改变切割激光头相对于被加工工件的距离，使切割激光束的焦点及时调整，从而始终保持与被加工工件精确对焦。
2.根据权利要求1所述的测距对焦方法，其特征是平行光发生器采用激光发生器。
3.根据权利要求2所述的测距对焦方法，其特征是贴近切割激光头的下方分别设有45度镀膜单向透射反光镜片和45度反光镜片，激光发生器发出的激光先经过凹透镜的放大，然后经过45度镀膜单向透射反光镜片的反射才垂直投射到被加工工件表面，而形成于被加工工件的光斑图像则先透过45度镀膜单向透射反光镜片的透射、再经过45度反光镜片反射后才进入摄像头。
4.根据权利要求1或2或3所述的测距对焦方法，其特征是投射于被加工工件表面上的光斑是圆形。
5.根据权利要4所述的测距对焦方法，其特征是圆形光斑的大小在直径10至30mm之间。
6.根据权利要求1或2或3所述的测距对焦方法，其特征是所述的对焦升降装置由伺服电机和传动丝杆构成。
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