CN106271045A - 一种激光加工自动调焦装置、激光加工设备及调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工自动调焦装置、激光加工设备及调焦方法，该激光加工自动调焦装置能够在激光加工的过程中实现自动调焦，整个装置的相应速度快，结构小巧，能够实现精准调焦，在调焦完成后焦点中心位置也非常稳定，不会轻易发生变化，保证了加工质量。该自动调焦装置尤其适用于异形曲面或厚度不均匀材料的激光加工，能够大幅地提升激光加工的加工效率和加工质量。

Description

一种激光加工自动调焦装置、激光加工设备及调焦方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体为涉及一种激光加工自动调焦装置、具有其的激光加工设备及调焦方法。

背景技术

激光加工由于具有热影响小、加工精度高、速度快等多种优点而被广泛应用于多个领域。激光加工前，聚焦镜片与被加工材料之间的距离是需要调整的，也就是需要进行调焦。当焦点调节到最佳位置时，在焦点处才能获得高的能流密度，加工材料在激光的作用下瞬间气化，实现对材料的加工，产生最好的效果。随着集成电路和计算机技术的发展，自动调焦技术广泛应用于相机成像、机器视觉和光学自动化检测等领域。而激光自动调焦装置是一种有效调节激光焦点位置的装置，其能够使得激光加工时达到更好的加工效果。

传统的激光头调节焦距有手动调节旋钮方式，也就是时采用相关的机构将旋转运动转化为直线运动，来实现激光焦点位置的调节。该种方式不但扭矩相对较小，相关的零部件配合也会比较松，容易出现焦距调节后中心位置发生变动的问题，降低加工质量，甚至影响加工作业的连贯性。除此之外，目前在调焦领域应用较多的调焦方式是激光器与激光头刚性连接，当要改变焦点位置时，需要两者一起上下移动。该种处理方式响应缓慢，操作复杂，精度低，严重影响加工效率，再者对异形曲面或者不同厚度材料的加工，由于加工时激光焦距需要不断变化，常规的调焦方式不能满足加工要求，效率低下，严重影响加工效果，现有的调焦机构的故障率也偏高，维护成本较大。

发明内容

本发明的第一目的是克服现有技术的缺点，提供一种激光加工自动调焦装置，以提升激光加工的效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光加工自动调焦装置，所述调焦装置包括：

调焦基座，其具有沿自身轴向延伸的调焦滑道；

激光嘴，安装在所述调焦基座的轴端部上；

调焦筒，其上固定地安装有聚焦镜，所述调焦筒沿自身轴向滑动地设于所述调焦滑道中；

驱动机构，设于所述调焦基座上用于驱动所述调焦筒沿所述调焦滑道进行滑动；

图像采集器，用于获取经所述聚焦镜和所述激光嘴投射至待加工工件表面上的光斑图像；

控制器，所述控制器分别与所述图像采集器、所述驱动机构信号连接，所述控制器根据所述图像采集器采集到的光斑图像控制所述驱动机构工作而驱使所述调焦筒沿所述调焦滑道滑动来实现调焦。

优选地，所述激光嘴与所述聚焦镜同轴心线设置。

优选地，所述聚焦镜安装在聚焦镜座上，所述聚焦镜座可拆卸地安装在所述调焦筒上。

优选地，所述调焦基座上开设有沿轴向贯穿的中空腔，所述中空腔形成所述调焦滑道，所述调焦筒设置在所述调焦滑道中时所述调焦筒的外侧周部与所述调焦滑道之间通过多个密封件动密封连接设置。

优选地，所述图像采集器为与所述调焦基座相对固定设置的CCD探测器，所述CCD探测器将获取到的光斑图像传送至所述控制器，所述控制器根据所述光斑图像中的光斑直径大小而发出反馈信号至所述驱动机构以控制所述驱动机构的运行状态。

优选地，所述驱动机构为直线电机，所述直线电机包括固设于所述调焦基座上的次级、沿所述次级的长度延伸方向滑动的初级，所述初级与所述调焦筒固定连接。

优选地，所述调焦装置还包括保护镜，所述保护镜设于所述激光嘴与所述调焦基座之间。

进一步地，所述激光嘴通过螺纹结构可拆卸地安装在所述调焦基座的轴端部上，所述激光嘴上与所述调焦基座相连接的端部上设有容置槽，所述保护镜设于所述容置槽中。

本发明的第二目的是提供一种具有上述激光加工自动调焦装置的激光加工设备。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光加工设备，所述激光加工设备包括用于发出激光光束的激光器、用于放置待加工工件的工作台、如上述的激光加工自动调焦装置，所述激光器产生的激光光束通过所述调焦装置聚焦于所述待加工工件的表面上。

本发明的第三目的是提供一种激光加工自动调焦方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光加工自动调焦方法，其特征在于，采用上述的激光加工设备，该调焦方法包括如下步骤：

S1、设置所述激光器的加工参数；

S2、所述驱动机构驱使所述调焦筒沿所述调焦滑道朝向或远离所述激光嘴运动，所述图像采集器采集该过程中投射至所述待加工工件表面上的光斑图像，所述控制器获取所述光斑图像并根据其中的光斑直径大小而发出反馈信号至所述驱动机构，

当所述调焦筒朝向某一方向运动的过程中，若所述光斑图像上光斑直径逐渐变大，则所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构以使其带动所述调焦筒朝相反的方向滑动；若所述光斑图像上光斑直径逐渐变小，则所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构以使其带动所述调焦筒继续沿该方向滑动，直至获取的所述光斑图像上光斑直径为最小时，所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构而使得所述调焦筒停止运动。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的激光加工自动调焦装置，能够在激光加工的过程中实现自动调焦，整个装置的相应速度快，结构小巧，能够实现精准调焦，在调焦完成后焦点中心位置也非常稳定，不会轻易发生变化，保证了加工质量。该自动调焦装置尤其适用于异形曲面或厚度不均匀材料的激光加工，能够大幅地提升激光加工的加工效率和加工质量。

附图说明

附图1为本发明的调焦装置的内部结构示意图；

附图2为本发明的调焦装置的光路示意图；

附图3为本发明的调焦装置的工作原理示意图；

其中：100、调焦装置；200、待加工工件；1、调焦基座；1a、调焦滑道；1b、容纳腔；2、激光嘴；2a、嘴部；2b、容纳槽；3、调焦筒；4、聚焦镜座；5、聚焦镜；6、驱动机构；61、初级；62、次级；7、保护镜；8、连接块；9、图像采集器（CCD探测器）；10、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1至图3所示的激光加工自动调焦装置，该调焦装置100应用于激光加工设备上对待加工工件200进行加工时，激光加工设备还包括用于发出激光光束的激光器、用于放置待加工工件200的工作台，调焦装置100即设于工作台上的待加工工件与激光器之间，激光器产生的激光光束通过调焦装置100聚焦于待加工工件200的表面上。

参见图1、图2所示，该调焦装置100包括调焦基座1、安装在调焦基座1轴端部上用于激光输出的激光嘴2，滑动地设于调焦基座1上且固定地安装有聚焦镜5的调焦筒3，其中，调焦基座1上具有沿自身轴向延伸的调焦滑道1a，调焦筒3沿自身轴向滑动地设于调焦滑道1a中。具体地，调焦基座1上开设有沿轴向贯穿的中空腔，该中空腔便形成上述的调焦滑道1a而提供调焦筒3以滑动导向；调焦筒3设置在调焦滑道1a中时，调焦筒3的外侧周部与调焦滑道1a之间通过多个密封件形成动密封连接设置，具体可在调焦筒3的外侧周部上开设多个环形槽并在上述环形槽中设置O型密封圈10，以在调焦筒3与调焦滑道1a之间形成密封，从而起到阻隔灰尘的作用。

聚焦镜5固定地安装在聚焦镜座4上，该聚焦镜座4可拆卸地安装在调焦筒3上。设置时，聚焦镜5还与供液循环水冷却机相连，以保证冷却效果。

激光嘴2与聚焦镜5应同轴心线设置，具体为，激光嘴2端部上的嘴部2a的轴心线与聚焦镜5的轴心线共线设置，以使得经聚焦镜5聚焦后的激光光束穿过激光嘴2而投射至待加工工件200上。激光嘴2可通过螺纹结构可拆卸地安装于调焦基座1的轴端部上。激光嘴2与调焦基座1之间还设有保护镜7，以形成对聚焦镜5的保护作用。具体地，激光嘴2上与调焦基座1相连接的端部上设有容置槽2b，保护镜7即设于容置槽2b中，如图1所示。

参见图1所示，调焦装置100还包括驱动机构6，其用于驱动调焦筒3沿调焦滑道1a进行滑动，该驱动机构6安装在调焦基座1上。此处，驱动机构6采用的为直线电机，其具有高速直线运动特性和相应速度快、结构小巧、移动精度高、易于调节、控制等特点，能够快速地实现调焦筒3的位置调整。调焦基座1上开设有容纳腔1b，直线电机即设于该容纳腔1b中。该直线电机包括初级61与次级62，次级62固定地设于调焦基座1上，其长度延伸方向平行于调焦基座1的轴心线，初级61可沿次级62的长度延伸方向滑动地设置，且初级61通过连接块8与调焦筒3固定连接，这样，初级61沿次级62滑动时便可驱使调焦筒3沿调焦滑道1a滑动。

该调焦装置100还包括图像采集器9和控制器（图中未示出）。图像采集器9与调焦基座1之间位置相对固定地设置，此处图像采集器9采用的为CCD探测器，其用于获取经聚焦镜5及激光嘴2投射至待加工工件200表面上的光斑图像。控制器分别与图像采集器9及驱动机构6信号连接，图像采集器9将采集到的光斑图像传送至控制器，该控制器再根据该光斑图像上光斑直径的大小来发出相应的反馈信号至驱动机构6，从而控制驱动机构6的运行状态，进而驱使调焦座3沿调焦滑道1a相应地进行滑动而实现调焦。

调焦装置100在调焦的过程中，先通过驱动机构6驱使调焦筒3朝向或远离激光嘴2运动，在该运动的过程中通过图像采集器9来间隔地获取光斑图像，控制器先根据这些光斑图像上光斑直径的变化规律来判定调焦的方向，即当调焦筒3朝向某个方向运动的过程中，若光斑直径不断变大时，则说明激光光束偏离焦点，控制器则向驱动机构6发出反馈信号使其带动调焦筒3朝相反的方向滑动；而若光斑直径不断变小时，则说明激光光束越来越趋近焦点，控制器发出反馈信号至驱动机构6使其带动调焦筒3继续沿该方向滑动，直至图像采集器9采集到的光斑图像中光斑直径为最小时，则说明此时的光斑为所需要的最佳焦点，控制器发出反馈信号至驱动机构6而使得调焦筒3停止运动，这样便实现了快速精准地自动调焦。

参见图3所示，该调焦装置100与激光器相配合设于待加工工件200的上方，激光加工的过程中，激光器与调焦装置100沿竖直方向不发生位移，而仅沿水平方向发生平移。待加工工件200的表面为曲面结构，这样当调焦装置100与激光器沿水平方向平移而更换加工位置时，便需要进行重新调焦。

在激光加工前，预先根据加工要求设置激光器的加工参数，使得激光器产生的激光光束通过调焦装置100后投射在待加工工件200的表面上。接着，图像采集器9开始工作而采集激光光束投射至待加工工件200表面上后形成的光斑图像并反馈至控制器，调焦装置100启动而实现自动调焦，使得整个激光加工的过程中激光光束始终投射在最佳焦点位置处，实现最佳的聚焦效果，从而提高了激光加工效率。

综上，采用本发明的激光加工自动调焦装置，其能够在激光加工的过程中实现自动调焦，这相比传统的激光器与激光头一起移动而进行调焦的方式而言，该调焦装置的响应速度更为灵敏、迅速，能够实现更为精准的调焦。该调焦装置结构小巧，维护成本低，在调焦完成后焦点中心位置也非常稳定，不会轻易发生变化，保证了加工质量。该自动调焦装置尤其适用于异形曲面或厚度不均匀材料的激光加工，能够大幅地提升激光加工的加工效率和加工质量。

上述实施例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士能够了解本发明的内容并据以实施，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作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工自动调焦装置，其特征在于，所述调焦装置包括：

调焦基座，其具有沿自身轴向延伸的调焦滑道；

激光嘴，安装在所述调焦基座的轴端部上；

调焦筒，其上固定地安装有聚焦镜，所述调焦筒沿自身轴向滑动地设于所述调焦滑道中；

驱动机构，设于所述调焦基座上用于驱动所述调焦筒沿所述调焦滑道进行滑动；

图像采集器，用于获取经所述聚焦镜和所述激光嘴投射至待加工工件表面上的光斑图像；

控制器，所述控制器分别与所述图像采集器、所述驱动机构信号连接，所述控制器根据所述图像采集器采集到的光斑图像控制所述驱动机构工作而驱使所述调焦筒沿所述调焦滑道滑动来实现调焦。

2.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述激光嘴与所述聚焦镜同轴心线设置。

3.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述聚焦镜安装在聚焦镜座上，所述聚焦镜座可拆卸地安装在所述调焦筒上。

4.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述调焦基座上开设有沿轴向贯穿的中空腔，所述中空腔形成所述调焦滑道，所述调焦筒设置在所述调焦滑道中时所述调焦筒的外侧周部与所述调焦滑道之间通过多个密封件动密封连接设置。

5.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述图像采集器为与所述调焦基座相对固定设置的CCD探测器，所述CCD探测器将获取到的光斑图像传送至所述控制器，所述控制器根据所述光斑图像中的光斑直径大小而发出反馈信号至所述驱动机构以控制所述驱动机构的运行状态。

6.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述驱动机构为直线电机，所述直线电机包括固设于所述调焦基座上的次级、沿所述次级的长度延伸方向滑动的初级，所述初级与所述调焦筒固定连接。

7.根据权利要求1所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述调焦装置还包括保护镜，所述保护镜设于所述激光嘴与所述调焦基座之间。

8.根据权利要求7所述的激光加工自动调焦装置，其特征在于：所述激光嘴通过螺纹结构可拆卸地安装在所述调焦基座的轴端部上，所述激光嘴上与所述调焦基座相连接的端部上设有容置槽，所述保护镜设于所述容置槽中。

9.一种激光加工设备，其特征在于，所述激光加工设备包括用于发出激光光束的激光器、用于放置待加工工件的工作台、如权利要求1至8任一所述的激光加工自动调焦装置，所述激光器产生的激光光束通过所述调焦装置聚焦于所述待加工工件的表面上。

10.一种激光加工自动调焦方法，其特征在于，采用如权利要求9所述的激光加工设备，该调焦方法包括如下步骤：

S1、设置所述激光器的加工参数；

S2、所述驱动机构驱使所述调焦筒沿所述调焦滑道朝向或远离所述激光嘴运动，所述图像采集器采集该过程中投射至所述待加工工件表面上的光斑图像，所述控制器获取所述光斑图像并根据其中的光斑直径大小而发出反馈信号至所述驱动机构，

当所述调焦筒朝向某一方向运动的过程中，若所述光斑图像上光斑直径逐渐变大，则所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构以使其带动所述调焦筒朝相反的方向滑动；若所述光斑图像上光斑直径逐渐变小，则所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构以使其带动所述调焦筒继续沿该方向滑动，直至获取的所述光斑图像上光斑直径为最小时，所述控制器发出反馈信号至所述驱动机构而使得所述调焦筒停止运动。