CN105750544A - 一种激光头自动对焦定位装置及其对焦定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光头自动对焦定位装置，包括对焦定位传感器及控制***，对焦定位传感器包括4个温度传感器，其中部设有通孔，温度传感器围绕通孔布设。本发明还公开了上述装置的对焦定位方法：激光头移至对焦定位传感器上方并穿过通孔；分别计算X轴、Y轴方向温度传感器间的温差，记为T1和T2；输入温差误差值±Tm，判断T1和T2与±Tm大小，激光头在X、Y轴方向移动，完成X、Y轴定位；记录实时温度数据T0，激光头向上移动2S1后，再次记录当前温度数据T1，判断T0与T1的大小，激光头在Z轴方向移动，完成Z轴对焦，最终完成激光头整体对焦定位。本发明能够实现激光头自动、准确对焦定位，提高零件成形精度。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种激光头自动对焦定位装置，本发明还涉及上述装置的对焦定位方法。
背景技术
基于送粉方式的激光增材制造技术，通过CAD/CAM软件进行零件三维模型设计，计算机软件对零件三维模型进行分层切片及扫描路径规划，将上述生成的切片信息及扫描信息导入送粉式增材制造设备，控制***控制激光头沿零件单层扫描路径运动，同时控制***控制送粉喷嘴将金属粉末直接送进激光熔池中熔化，在基材上逐层扫描堆积，完成零件的成型。
加工过程中，激光头在进行零件单层扫描前，需要进行对焦定位，使得激光焦平面能够与位于成形工作平台上的控制***参考点重合，控制***根据零件单层待扫描区域内各点相对于控制***参考点的相对位移来控制激光头进行扫描成形，从而保证零件的成形精度。现有的对焦定位方法为：操作人员凭借肉眼、经验来调整激光头，使其与控制***参考点重合，但是，人工对焦定位时误差大，难以保证激光头的精确位置，从而影响加工出的零件的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光头自动对焦定位装置，该装置解决了现有送粉式增材制造设备激光头因人工对焦定位造成误差大的问题。
本发明的另一目的是提供上述装置的对焦定位方法，解决了现有送粉式增材制造设备激光头需人工对焦定位的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种激光头自动对焦定位装置，包括位于成形工作平台上的对焦定位传感器及控制***，对焦定位传感器与控制***相连接，对焦定位传感器包括温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C和温度传感器D共4个传感器，且对焦定位传感器中部具有通孔，通孔中心与位于成形工作平台上的控制***参考点重合；温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C和温度传感器D围绕所述通孔布设，温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C和温度传感器D位于以控制***参考点为原点的坐标系的坐标轴上，温度传感器A和温度传感器C分别设置在X轴的正方向和负方向上，温度传感器D和温度传感器B分别设置在Y轴的正方向和负方向上。
本发明的特点还在于，
通孔的形状为圆形或方形。
通孔的最小宽度大于激光头发射的最小光斑直径。
本发明的另一技术方案是，一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，具体包括以下步骤：
步骤1、控制***控制激光头移动至成形工作平台上的对焦定位传感器上方，开启激光器，并将激光器功率调低，同时使激光穿过通孔；
步骤2、温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C和温度传感器D将测得的实时温度数据Ta、Tb、Tc、Td传送至控制***，控制***分别计算出X轴方向温度传感器间的温度差T1，Ta-Tc；以及Y轴方向温度传感器间的温度差T2，T2＝Tb-Td；
步骤3、向控制***输入温差误差值±Tm，判断T1与±Tm的大小关系，使激光头在X轴方向上进行激光头的微调移动，使T1位于±Tm范围内，完成X轴定位；
步骤4、向控制***输入温差误差值±Tm，根据T2与±Tm的大小关系，使激光头在Y轴方向上进行激光头的微调移动，使T2位于±Tm范围内，完成Y轴定位；
步骤5、记录当前任一温度传感器的实时温度数据T0，控制***控制激光头向上移动一定距离后，再次记录该温度传感器当前温度数据T1；判断T0与T1的大小关系，使激光头在Z轴方向上移动至激光焦平面处，完成Z轴对焦，最终完成激光头的整体对焦及定位。
本发明另一技术方案的特点还在于，
步骤3中的具体判断方法为：当T1＞Tm时，则激光头向X轴负方向移动，重复步骤2；当T1＜-Tm时，则激光头向X轴正方向移动，重复步骤2；当-Tm＜T1＜Tm时，则激光头在X方向上保持不动，即X轴方向上定位成功。
步骤4中的具体判断方法为：当T2＞Tm时，则激光头向Y轴负方向移动；当T2＜-Tm时，则激光头向Y轴正方向移动；当-Tm＜T2＜Tm时，则激光头在Y方向上保持不动，即Y轴方向上定位成功。
步骤5中的具体判断方法为：
当T0﹥T1时，控制***控制激光头以步长2S1继续上移，则该传感器感应到的温度数据逐渐变小，当传感器温度数据趋势发生逆转时，激光头停止上移，控制***控制激光头下降S1，完成Z轴定位；
当T0﹤T1时，控制***控制激光头以步长2S1下移，则该传感器感应到的温度数据逐渐变小，当传感器温度数据趋势发生逆转时，激光头停止下移，控制***控制激光头上升S1，完成Z轴定位。
本发明的有益效果是：
1)一种激光头自动对焦定位装置，通过本装置能自动对激光头进行对焦及定位，与传统人工对焦定位方法相比，具有更高的定位效率，更高的定位精度，完全避免了人工定位法存在误差的问题，从而保证零件成形精度，适合大规模工业化推广；
2)一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，通过获取位于X轴(或Y轴)正负方向上的两个传感器间温差来调整激光头的位置，并最终以温差为零或小于用户设定误差处激光头的位置作为其在X轴(或Y轴)方向上的定位；通过获取不同时刻同一温度传感器的温度变化趋势，调节激光头在Z轴方向上的位置，并以温度传感器检测到的温度变化趋势发生逆转时，激光头所对应的Z轴坐标为激光焦平面所在位置，从而完成激光头的整体对焦定位，无需人工操作，大大提高定位效率。
附图说明：
图1是本发明一种激光头自动对焦定位装置的结构示意图；
图2是本发明对焦定位装置中对焦定位传感器的结构示意图；
图3本发明中对Z轴进行对焦时的原理示意图。
图中，1.对焦定位传感器，2.成形工作平台，3.通孔，4.控制***，5.温度传感器A，6.温度传感器B，7.温度传感器C，8.温度传感器D。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种激光头自动对焦定位装置，如图1所示，包括固定在成形工作平台2上的对焦定位传感器1及控制***4，如图2所示，包括温度传感器A5、温度传感器B6、温度传感器C7和温度传感器D8共4个传感器，且对焦定位传感器1中部设置有通孔3，通孔3的形状为圆形或方形，通孔3的最小宽度大于激光头发射的最小光斑直径；温度传感器A5、温度传感器B6、温度传感器C7和温度传感器D8围绕通孔3布设，且四个温度传感器位于同一水平面，温度传感器A5和温度传感器C7分别设置在X轴的正方向和负方向上，温度传感器D8和温度传感器B6分别设置在Y轴的正方向和负方向上。
本发明一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，具体包括以下步骤：
步骤1、控制***4控制激光头移动至成形工作平台2上的对焦定位传感器1上方，开启激光器，并将激光器功率调低，同时使激光穿过通孔3；
步骤2、以通孔3为原点设定空间直角坐标系，通过温度传感器A5、温度传感器B6、温度传感器C7和温度传感器D8将测得的实时温度数据Ta、Tb、Tc、Td传送至控制***，控制***4分别计算出X轴方向温度传感器间的温度差T1，T1＝Ta-Tc；以及Y轴方向温度传感器间的温度差T2，T2＝Tb-Td；
步骤3、向控制***4输入温差误差值±Tm，根据T1与±Tm的大小关系，使激光头在X轴方向上进行激光头的微调移动，使T1位于±Tm范围内：当T1＞Tm时，则激光头向X轴负方向移动，重复步骤2；当T1＜-Tm时，则激光头向X轴正方向移动，重复步骤2；当-Tm＜T1＜Tm时，则激光头在X方向上保持不动，即X轴方向上定位成功；
步骤4、向控制***4输入温差误差值±Tm，根据T2与±Tm的大小关系，使激光头在Y轴方向上进行激光头的微调移动，使T2位于±Tm范围内：当T2＞Tm时，则激光头向Y轴负方向移动；当T2＜-Tm时，则激光头向Y轴正方向移动；当-Tm＜T2＜Tm时，则激光头在Y方向上保持不动，即Y轴方向上定位成功；
步骤5、记录当前任一温度传感器2的实时温度数据T0，控制***4控制激光头向上移动2S1后，再次记录该温度传感器2当前温度数据T1，判断T0与T1的大小关系，当T0﹥T1时，表明激光焦平面位于传感器所在平面的下方，控制***4控制激光头以步长2S1继续上移，则该温度传感器2感应到的温度数据逐渐变小，当温度传感器2的温度数据趋势发生逆转时，激光头停止上移，控制***控制激光头下降S1，完成Z轴定位；当T0﹤T1时，表明激光焦平面位于传感器所在平面的上方，控制***控制激光头以步长2S1下移，则该温度传感器2感应到的温度数据逐渐变小，当温度传感器2温度数据趋势发生逆转时，激光头停止下移，控制***控制激光头上升S1，完成Z轴定位，其中，S1为控制***4的最小步进单位。
本装置的定位对焦原理为，本装置在X、Y轴方向上的定位方法相同，即通过获取位于X轴(或Y轴)正负方向上的两个传感器间温差来调整激光头的位置，并最终以温差为零或小于用户设定误差处激光头的位置作为其在X轴(或Y轴)方向上的定位。其原理为未成功定位的激光束穿过传感器***孔径处，各温度传感器会检测到自身位置上激光所带来的温度，由于温度传感器在X轴(或Y轴)上的分布位置不同，距离激光的远近也就不同，温度传感器所测得具体温度数值也不相同，根据传感器数值的差异对激光头在X轴(或Y轴)方向上的位置进行调节，使其在X轴(或Y轴)上的温度差为零或保持在用户设定误差范围内，即激光头在X轴(或Y轴)方向上定位成功。
完成激光头在X、Y轴方向上的定位后，进行激光头在Z轴方向的对焦，对焦方法为：通过获取不同时刻同一温度传感器的温度变化趋势，调节激光头在Z轴方向上的位置，并以温度传感器检测到的温度变化趋势发生逆转时，激光头所对应的Z轴坐标为激光焦平面所在位置。其原理如图3所示，激光光束一般呈两头大、中间小的柱状，由激光光学原理可知，激光光斑半径最小处即为焦平面所在处，距离焦平面越远，光斑半径越大，又任意高度处激光总功率相同，因此，将激光束从一端开始逐渐移动穿过传感器***时，任一温度传感器感应到的温度先由大变小，之后又由小变大。因而，在进行激光头在Z轴方向上的对焦过程中，当传感器感应到的温度变化趋势发生逆转时，即激光焦平面与传感器所在平面处于同一平面，激光头在Z轴方向上对焦成功。
Claims (7)
1.一种激光头自动对焦定位装置，其特征在于：包括位于成形工作平台(2)上的对焦定位传感器(1)及控制***(4)，所述对焦定位传感器(1)与控制***(4)相连接，所述对焦定位传感器(1)包括温度传感器A(5)、温度传感器B(6)、温度传感器C(7)和温度传感器D(8)共4个传感器，且对焦定位传感器(1)中部具有通孔(3)，通孔(3)中心与位于成形工作平台(2)上的控制***(4)参考点重合；所述温度传感器A(5)、温度传感器B(6)、温度传感器C(7)和温度传感器D(8)围绕所述通孔(3)布设，温度传感器A(5)、温度传感器B(6)、温度传感器C(7)和温度传感器D(8)位于以控制***(3)参考点为原点的坐标系的坐标轴上，温度传感器A(5)和温度传感器C(7)分别设置在X轴的正方向和负方向上，温度传感器D(8)和温度传感器B(6)分别设置在Y轴的正方向和负方向上。
2.根据权利要求1所述的一种激光头自动对焦定位装置，其特征在于，所述通孔(3)的形状为圆形或方形。
3.根据权利要求1所述的一种激光头自动对焦定位装置，其特征在于，所述通孔(3)的最小宽度大于激光头发射的最小光斑直径。
4.根据权利要求1所述的一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、控制***(4)控制激光头移动至成形工作平台(2)上的对焦定位传感器(1)上方，开启激光器，并将激光器功率调低，同时使激光穿过通孔(3)；
步骤2、温度传感器A(5)、温度传感器B(6)、温度传感器C(7)和温度传感器D(8)将测得的实时温度数据Ta、Tb、Tc、Td传送至控制***，控制***(4)分别计算出X轴方向温度传感器间的温度差T1，T1＝Ta-Tc；以及Y轴方向温度传感器间的温度差T2，T2＝Tb-Td；
步骤3、向控制***(4)输入温差误差值±Tm，根据T1与±Tm的大小关系，使激光头在X轴方向上进行激光头的微调移动，使T1位于±Tm范围内，完成X轴定位；
步骤4、向控制***(4)输入温差误差值±Tm，根据T2与±Tm的大小关系，使激光头在Y轴方向上进行激光头的微调移动，使T2位于±Tm范围内，完成Y轴定位；
步骤5、记录当前任一温度传感器(2)的实时温度数据T0，控制***(4)控制激光头向上移动一定距离后，再次记录该温度传感器(2)当前温度数据T1；判断T0与T1的大小关系，使激光头在Z轴方向上移动至激光焦平面处，完成Z轴对焦，最终完成激光头的整体对焦及定位。
5.根据权利要求4所述的一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，其特征在于，所述步骤3中的具体判断方法为：当T1＞Tm时，则激光头向X轴负方向移动，重复步骤2；当T1＜-Tm时，则激光头向X轴正方向移动，重复步骤2；当-Tm＜T1＜Tm时，则激光头在X方向上保持不动，即X轴方向上定位成功。
6.根据权利要求4所述的一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，其特征在于，所述步骤4中的具体判断方法为：当T2＞Tm时，则激光头向Y轴负方向移动；当T2＜-Tm时，则激光头向Y轴正方向移动；当-Tm＜T2＜Tm时，则激光头在Y方向上保持不动，即Y轴方向上定位成功。
7.根据权利要求4所述的一种激光头自动对焦定位装置的对焦定位方法，其特征在于，步骤5中的具体判断方法为：当T0﹥T1时，控制***(4)控制激光头以步长2S1继续上移，则该温度传感器(2)感应到的温度数据逐渐变小，当温度传感器(2)的温度数据趋势发生逆转时，激光头停止上移，控制***控制激光头下降S1，完成Z轴定位；当T0﹤T1时，控制***控制激光头以步长2S1下移，则该温度传感器(2)感应到的温度数据逐渐变小，当温度传感器(2)温度数据趋势发生逆转时，激光头停止下移，控制***控制激光头上移S1，完成Z轴定位。
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