CN101856773B - 一种激光加工初始位置的对焦定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工初始位置的对焦定位方法，激光器发出的光束经激光加工头的光路***投射在被加工工件的表面形成光斑，移动激光加工头，同时用摄像头实时采集光斑图像，再通过计算机对比光斑图像的属性来找出位于焦平面的光斑图像，然后根据该光斑图像所对应的激光加工头的移动距离，移动激光加工头，对焦工作完成；然后，通过计算机确定加工初始点的中心与光斑中心之间的位置关系，根据该位置关系移动激光加工头，从而获得加工初始位置的精确定位。与现有技术相比，本发明对加工初始位置的对焦和定位精确性高，能满足精加工要求。同时本发明还公开了一种激光加工装置，该激光装置具有辅助对焦和定位的功能，方便了激光加工作业。

Description

一种激光加工初始位置的对焦定位方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术，特别是一种激光加工中初始位置的对焦定位方法及激光加工装置。 

背景技术

目前，激光加工设备在半导体和微电子产业、汽车工业、船舶工业、航天工业等领域应用广泛。由于激光是通过聚焦之后进行切割、焊接、打孔等加工，因此激光束焦点与被加工工件表面的相对位置也显得异常重要。常规的激光对焦方法主要有：烧斑法、红外摄像法、小孔扫描法等。其中烧斑法最为常用，只需取一张湿纸贴在工件表面即可，简单易行。但是此法只能向人们提供大致的焦点轮廓，且由于材料的横向热传导效应，使烧取的焦点图样失真，有时模糊不清，对焦不准确。而且，目前在确定加工初始位置时，采用精确度不高的目测法，不能满足精加工的要求。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种对焦和定位精确度高的激光加工初始位置的对焦定位方法。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光加工初始位置的对焦定位方法，包括如下步骤： 

(a)将被加工工件放在加工平台上，打开激光器，激光器发出的光束经激光加工头的光路***投射在被加工工件的表面，形成光斑； 

(b)沿着与加工平台表面相垂直的方向移动激光加工头，并用与该激光加工头同步运动的摄像头实时采集光斑图像，并传输至计算机处理，计算机将获取的光斑图像的属性进 行比较，确定位于焦平面的光斑图像，并以此为依据调节激光加工头在加工平台表面垂直方向的位置； 

(c)沿着与加工平台表面相平行的方向移动激光加工头至被加工工件的加工初始点D附近，摄像头采集加工初始点D的图像D1和在激光器出光状态下的光斑图像D2，分别获取D1和D2的中心，并以此次为依据调节激光加工头在加工平台表面平行方向的位置。 

本发明利用位于焦平面的光斑图像的属性(如亮度、清晰度、面积)与其它位置的光斑图像的属性不同的原理，先沿着与加工平台表面相垂直的方向移动激光加工头，同时用摄像头实时采集光斑图像，再通过计算机对比光斑图像的属性来找出位于焦平面的光斑图像，然后根据该光斑图像所对应的激光加工头在加工平台表面垂直方向的移动距离，移动激光加工头，对焦工作完成，精确度高可以达到0.05mm。对焦完成后，通过计算机确定加工初始点的中心与光斑中心之间的位置关系，根据该位置关系沿加工平台表面平行方向移动激光加工头，从而获得加工初始位置的精确定位，定位精确度高可以达到0.05mm。 

在上述方法的步骤(b)中，计算机获取的光斑图像的属性优选为亮度、清晰度和面积中的一种或多种。位于焦平面的光斑图像的亮度最大、清晰度最高、面积最小。 

作为上述方法的优选实施例，在步骤(a)之前还设有光路***校正步骤：先将所述激光加工头的喷嘴卸下，然后在所述加工平台上画一个中心带有十字交叉线的参照圆，移动激光加工头，使激光加工头的套筒与该参照圆同轴，再调整所述摄像头，使摄像头的十字交叉线与该参照圆的十字交叉线相重合；然后打开激光器，调整所述激光加工头的反射镜的偏转角度，使光斑中心与摄像头的十字交叉线重合；最后将所述喷嘴装上，微调喷嘴的位置，使喷嘴小孔中心与摄像头的十字交叉线交叉点重合。该光路***校正方法具有快速准确的优点。 

作为上述方法的另一优选实施例，所述激光加工头的光路***包括半透半反射镜，所述激光器发出的光束经过该半透半反射镜的反射后在被加工工件的表面形成光斑，该光斑图像透过半透半反射镜进入所述摄像头。 

本发明的另一目的在于提供一种激光加工装置，包括加工平台、激光器、激光加工头以及用于调节激光器、激光加工头与加工平台相对位置的驱动机构，还包括摄像头和计算机，该摄像头安装在所述激光加工头上且与所述计算机相连，所述计算机与所述驱动机构 相连；所述激光加工头包括半透半反射镜，所述激光器发出的光束经过该半透半反射镜的反射后在被加工工件的表面形成光斑，该光斑图像透过半透半反射镜进入所述摄像头。 

通过增设摄像头和计算机等部件，使得激光加工装置不仅可以用于常规的激光加工，还具有辅助对焦和定位的功能，方便了激光加工作业。 

上述装置中，所述摄像头优选采用CCD摄像头，以获取高解析度的光斑图像。另外，还包括HDMI采集卡，所述摄像头经该HDMI采集卡与所述计算机相连，利用HDMI采集卡采集高清图像。 

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的方法对加工初始位置的对焦和定位精确性高，能满足精加工要求，而且可以快速准确地校正光路***；本发明的激光装置不仅可以激光加工，还具有辅助对焦和定位的功能，方便了激光加工作业。 

附图说明

图1是本发明实施例激光加工装置的结构示意图； 

图2是本发明实施例初始位置的对焦和定位的原理图； 

图3是初始位置D的圆心D1与光斑图像的圆心D2之间的位置关系图。 

附图标记说明： 

1-加工平台、2-被加工工件、3-喷嘴、4-套筒、5-聚焦镜组、6-激光束、7-半透半反射镜、8-摄像头、9-支架、10-激光加工头、11-激光器、12-HDMI采集卡、13-计算机。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明： 

见图1，本发明实施例的激光加工装置主要由加工平台1、激光器11、激光加工头10、摄像头8、HDMI采集卡12和计算机13组成，其中激光加工头10垂直设于加工平台1的 正上方，在该激光加工头10的旁侧设置有激光器11，并在其顶部通过支架9安装置有摄像头8，该摄像头8通过HDMI采集卡12与计算机13相连，计算机13又与驱动机构相连。摄像头8为CCD摄像头。激光器11和摄像头与激光加工头10同步联动，可统一由驱动机构带动同步移动进行对焦和定位。本实施例的驱动机构采用机器手，其重复定位精度达0.05mm。也可以在加工平台1上设置丝杆驱动机构，通过丝杆驱动机构带动加工平台1相对于激光加工头10移动来进行对焦和定位。 

激光加工头10为激光切割头或激光焊接头，根据加工需要选择。本实施例激光加工头10主要由半透半反射镜7、喷嘴3、套筒4和聚焦镜组5组成。激光器11发出的光束6经过半透半反射镜7的反射后在被加工工件的表面形成光斑，该光斑图像透过半透半反射镜7进入摄像头8。激光加工头10的其它结构与现有技术相同。 

见图2，本实施例的激光加工初始位置的对焦和定位方法如下： 

(a)、首先进行光路***的校正。 

先将喷嘴3卸下，然后画一个与激光加工头10的套筒4直径相同且中心带有十字交叉线的参照圆，贴在工作台上，移动激光加工头10，保证套筒4与该参照圆同轴。再调出摄像头8屏幕的十字线窗口，调整摄像头8的偏转，使其十字交叉线与工作台上参照圆的十字线相重合。然后打开激光器11，在出光状态下调整半透半反射镜7的偏转角度，使激光光斑中心与摄像头8的十字交叉线重合；然后将激光加工头10末端的喷嘴3装上，微调喷嘴3的前后左右位置，使喷嘴3小孔中心与摄像头8的十字线交叉点重合。整个光路***校准完毕。 

(b)、然后，进行激光加工装置的对焦工作。 

将被加工工件2放在加工平台1上，打开激光器11的指示光源(红光)，激光器11发出的光束6经激光加工头10的光路***投射在被加工工件2的表面，形成红色点状光斑，光斑的形状可以是圆形、正方形或正多边形，易于换算即可；此时，机械手带动激光加工头10上下移动，光斑图像通过摄像头8、HDMI采集卡12实时传输到计算机13中，计算机13进行光斑图像的属性的对比来确定焦平面。具体过程为：由于位于焦平面的光斑图像的面积最小、亮度最大和清晰度最高，因此，通过对比面积、亮度和清晰度中的一项或多项即可找出位于焦平面的光斑图像。本实施例以清晰度为例，见图2，当激光束的焦点落在 位置B或者C处时，光斑图像的清晰度最低，通过上下移动激光加工头10，激光束的焦点落在B与C之间的某处，计算机13对这之间的光斑图像的清晰度进行比较，找出清晰最高的光斑图像，即A位置的光斑图像，也即是焦平面所在的位置，然后，计算机13根据该光斑图像所对应的激光加工头10的移动距离，控制激光加工头10向上或者向下移动，使激光束正好落在A处，即激光器11发出的激光束通过半透半反射镜7的反射，并由聚焦镜组5聚焦后，从喷嘴3出来后的激光焦点正好落在被加工工件2上，此时对焦工作完成。 

(c)、最后，进行初始位置的定位工作。 

将对焦后的激光加工头10沿着加工平台1表面相平行的方向，移动至被加工工件2的加工初始点D附近，通过摄像头8预先采集加工初始点D的图像D1存储在计算机13中，然后经过图像预处理、去除噪声和干扰后，再通过圆心定位算法获取图像D1的圆心；打开激光器11的指示光源，通过摄像头8采集该位置的光斑图像D2，然后经过图像预处理、去除噪声和干扰后，再通过圆心定位算法获取图像D2的圆心，由于是预定位，D2的圆心与D1的圆心不重合(见图3)，通过计算获取D2的圆心与D1的圆心之间的位置信息，根据该位置信息控制激光加工头10前后左右移动。此种方法操作简单，且定位精度可以达到0.05mm。 

此时整个对焦定位工作完成，然后调节激光器11至加工光源，即可进行激光加工。 

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种激光加工初始位置的对焦定位方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将被加工工件放在加工平台上，打开激光器，激光器发出的光束经激光加工头的光路***投射在被加工工件的表面，形成光斑；

(b)沿着与加工平台表面相垂直的方向移动激光加工头，并用与该激光加工头同步运动的摄像头实时采集光斑图像，并传输至计算机处理，计算机将获取的光斑图像的属性进行比较，确定位于焦平面的光斑图像，并以此为依据调节激光加工头在加工平台表面垂直方向的位置；

(c)沿着与加工平台表面相平行的方向移动激光加工头至被加工工件的加工初始点D附近，摄像头采集加工初始点D的图像D1和在激光器出光状态下的光斑图像D2，分别获取D1和D2的中心，并以此为依据调节激光加工头在加工平台表面平行方向的位置；

在步骤(a)之前还设有光路***校正步骤：先将所述激光加工头的喷嘴卸下，然后在所述加工平台上设置一个中心带有十字交叉线的参照圆，移动激光加工头，使激光加工头的套筒与该参照圆同轴，再调整所述摄像头，使摄像头的十字交叉线与该参照圆的十字交叉线相重合；然后打开激光器，调整所述激光加工头的反射镜的偏转角度，使光斑中心与摄像头的十字交叉线重合；最后将所述喷嘴装上，微调喷嘴的位置，使喷嘴小孔中心与摄像头的十字交叉线交叉点重合。

2.根据权利要求1所述的激光加工初始位置的对焦定位方法，其特征在于：步骤(b)中，计算机获取的光斑图像的属性为亮度、清晰度和面积中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的激光加工初始位置的对焦定位方法，其特征在于：所述激光加工头的反射镜为半透半反射镜，所述激光器发出的光束经过该半透半反射镜的反射后在被加工工件的表面形成光斑，该光斑图像透过该半透半反射镜进入所述摄像头。

4.根据权利要求3所述的激光加工初始位置的对焦定位方法，其特征在于：所述激光加工头为激光切割头或激光焊接头。

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