CN113701609B - 激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法与装置，控制及测量装置包括包括气浮转台，用于夹持激光器输出头并对激光器输出头进行X、Y、θX、θY调节；千分表，用于校验所述激光器输出头的输出头金属外壳与气浮转台是否共轴；同轴度测量模块，用于校验所述激光器输出头的输出头玻璃柱与气浮转台是否共轴，并对输出头玻璃柱与输出头金属外壳的装配同轴度进行测量；装置支撑架，用于固定气浮转台和同轴度测量模块。本发明大大提高了激光器输出头玻璃柱的装配同轴度精度，提升激光器切割、焊接等应用的质量；降低机械壳体加工精度要求，从而降低激光器输出头生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法与装置。
背景技术
高功率光纤激光器在输出激光时纤芯功率密度非常高，在光纤输出端面，很容易产生损伤，造成激光器失效，解决这一问题的主要方法是在光纤的输出端面熔接一个较大的玻璃柱来降低输出光功率密度。由于熔接光纤和玻璃柱后还无法满足后续集成使用且容易损坏，因此需要对熔接后的玻璃柱做进一步封装形成激光器输出头。为了满足后续激光切割、焊接等应用的加工质量要求，对输出头的输出光束指向角有很高要求，而玻璃柱装配同轴度公差大小对于输出光束指向角的控制起着关键作用。
当前技术一般是加工公差较小的机械件，使之内径和玻璃柱外径尽量匹配，但是这样对于加工精度要求非常高，加工难度大，价格昂贵，且单纯依靠公差匹配无法在生产过程中定量控制玻璃柱装配的同轴度，导致无法满足激光输出光束指向角的参数要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有激光器输出头玻璃柱装配同轴度控制方法要求高、难度大的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置，其特征在于：包括气浮转台，用于夹持激光器输出头并对激光器输出头进行X、Y、θX、θY调节；
千分表，用于校验所述激光器输出头的输出头金属外壳与气浮转台是否共轴；
同轴度测量模块，用于校验所述激光器输出头的输出头玻璃柱与气浮转台是否共轴，并对输出头玻璃柱与输出头金属外壳的装配同轴度进行测量；
装置支撑架，用于固定气浮转台和同轴度测量模块，所述同轴度测量模块设在激光器输出头的正上方。
优选地，所述同轴度测量模块包括光束发射模块、半透半反镜、透镜、平面反射镜、CCD和CCD感光面显示屏，所述平面反射镜设在气浮转台上，所述透镜设在半透半反镜和平面反射镜之间，CCD设在半透半反镜上方，光束发射模块发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜，被半透半反镜反射的光束入射到透镜形成平行光束发射到平面反射镜上，平面反射镜与气浮转台的轴线共轴时反射回CCD感光面显示屏的十字分划板图像中心为原始位置；
调节气浮转台上输出头玻璃柱的角度直至CCD接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量最小，对输出头玻璃柱的装配同轴度进行控制；
根据CCD接收到的输出头玻璃柱反射回的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，计算得到输出头玻璃柱的装配同轴度参数，对输出头玻璃柱的装配同轴度进行测量。
优选地，所述气浮转台上设有供激光器输出头尾纤穿过的通孔。
本发明的另一个技术方案是提供了一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法，其特征在于，应用如上任意一项所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置，包括如下步骤：
步骤一、将输出头金属外壳夹持到气浮转台的台面上，并旋转气浮转台带着输出头金属外壳一起绕气浮转台的轴线转动；
步骤二、用千分表接触输出头金属外壳的任意中心对称圆环表面，调节气浮转台的X、Y、θX、θY轴，使千分表上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台的转动数值不变，此时输出头金属外壳的轴线与气浮转台的轴线共轴；
步骤三、将输出头玻璃柱放入输出头金属外壳，继续旋转气浮转台，气浮转台带着输出头金属外壳及输出头玻璃柱转动；
同轴度测量模块发射带有十字分化板图像的平行光束入射到输出头玻璃柱的端面，带有十字分化板图像的输出头玻璃柱端面反射光被同轴度测量模块接收，同轴度测量模块根据接收到的输出头玻璃柱反射回的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，得到输出头玻璃柱相对输出头金属外壳轴线的偏移角度值；
调节输出头玻璃柱角度直至同轴度测量模块接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量最小，此时输出头玻璃柱端面与输出头金属外壳的轴线最大程度的垂直；
步骤四、将最小拟合圆半径下的输出头玻璃柱与输出头金属外壳固定形成激光器输出头，并根据同轴度测量模块接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，计算得出输出头玻璃柱的装配同轴度参数。
优选地，所述步骤四中采用胶水或者顶丝的方式将最小拟合圆半径下的输出头玻璃柱与输出头金属外壳固定形成激光器输出头。
优选地，所述同轴度测量模块包括光束发射模块、半透半反镜、透镜、平面反射镜、CCD和CCD感光面显示屏，所述平面反射镜设在气浮转台上，所述透镜设在半透半反镜和平面反射镜之间，CCD设在半透半反镜上方，光束发射模块发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜，被半透半反镜反射的光束入射到透镜形成平行光束发射到平面反射镜上，平面反射镜与气浮转台的轴线共轴时反射回CCD感光面显示屏的十字分划板图像中心为原始位置。
优选地，CCD感光面显示屏的十字分划板图像中心的原始位置确定方法包括：
将平面反射镜夹持到气浮转台上，旋转气浮转台带着平面反射镜一起绕气浮转台的轴线转动，用千分表接触平面反射镜的中心对称圆环表面，调节气浮转台的X、Y、θX、θY轴，使千分表上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台的转动数值不变，此时平面反射镜的轴线与气浮转台的轴线共轴；
调整入射光路光束发射模块、半透半反镜、透镜以及CCD的位置，使从平面反射镜反射回来的十字分划板图像中心恰好处于CCD的成像区域中心，即CCD感光面显示屏的中心，将此时平面反射镜反射回来的十字分划板图像中心标记为原始位置。
优选地，所述输出头玻璃柱的装配同轴度参数计算公式如下：
α＝d/(2*f)
其中α为装配同轴度即倾斜角，d为CCD感光面显示屏接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，f为透镜的焦距。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过借助气浮转台依次对输出头金属外壳和输出头玻璃柱的同轴度进行校验，大大提高了激光器输出头玻璃柱的装配同轴度精度，提升激光器切割、焊接等应用的质量；降低机械壳体加工精度要求，从而降低激光器输出头生产成本。
附图说明
图1为本发明一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置结构示意图；
图2为激光器输出头的示意图；
图3为装置支撑架的底面示意图；
图4为同轴度测量模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1～3所示，本发明一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置包含可以夹持激光器输出头1并且可以进行X、Y、θX、θY调节的气浮转台2、用于轴线校验的千分表3、用于玻璃柱角度校验及测量的同轴度测量模块4以及装置支撑架5。
激光器输出头1用于将输出激光耦合到应用端的设备中，包含熔接了激光器输出尾纤的输出头玻璃柱1-1和输出头金属外壳1-2。气浮转台2用于夹持输出头，并可提供输出头的X、Y、θX、θY调节，并在输出头玻璃柱1-1的装配同轴度控制及测量过程中提供高精度定位作用。气浮转台2包含无阻尼转动模块，无阻尼转动模块上方安装4维调整架，可以进行X、Y、θX、θY调节，无阻尼转动模块和4维调整架中心都包含一个通孔，通孔最小内切直径一般为2～10cm。4维调整架上方安装有可以夹持激光器输出头1的卡盘。将千分表3安装到装置支撑架5的底座上或者其他稳定的桌面上，用于校验输出头金属外壳1-2与气浮转台2的共轴。
装置支撑架5用于固定气浮转台2及同轴度测量模块4，同轴度测量模块4固定在气浮转台2上激光器输出头1的正上方。装置支撑架5底面包含一个贯穿的通孔5-1，通孔5-1可以为圆形、方形或其他形状，用于穿过激光器输出尾纤，最小内切直径一般为1～10cm。
同轴度测量模块4用于校验输出头玻璃柱1-1的端面反射光与气浮转台2共轴，并测量玻璃柱的装配同轴度。如图4所示，同轴度测量模块4包括光束发射模块4-1、半透半反镜4-2、透镜4-3、平面反射镜4-4、CCD 4-5和CCD感光面显示屏4-6。光束发射模块4-1发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜4-2，被半透半反镜4-2反射的光束入射到透镜4-3形成平行光束。平面反射镜4-4安装在气浮转台2上，透镜4-3设在半透半反镜4-2和平面反射镜4-4之间，CCD4-5设在半透半反镜4-2上方。平行光束发射到平面反射镜4-4上，平面反射镜4-4与气浮转台2的轴线共轴时反射回CCD感光面显示屏4-6的十字分划板图像中心为原始位置4-6-1。
将一个平面反射镜4-4夹持到气浮转台2上，旋转气浮转台2带着平面反射镜4-4一起绕气浮转台2的轴线转动，用千分表3接触平面反射镜4-4的中心对称圆环表面，调节气浮转台2的X、Y、θX、θY轴，使千分表3上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台2的转动数值不变，此时平面反射镜4-4的轴线与气浮转台2的轴线共轴。调整入射光路各个部件以及CCD4-5的位置，使从平面反射镜4-4反射回来的十字分划板图像中心恰好处于CCD 4-5的成像区域中心，即CCD感光面显示屏4-6的中心，将此时平面反射镜4-4反射回来的十字分划板图像中心标记为原始位置4-6-1。
旋转气浮转台2，输出头玻璃柱1-1反射回的十字分划板图像中心点4-6-2形成一个圆环4-6-3，当圆环4-6-3圆心偏离原始位置4-6-1时，需要用平面反射镜4-4再次调整光路重新标定原始位置4-6-1。
将平面反射镜4-4取下来，光束发射模块4-1发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜4-2，被半透半反镜4-2反射的光束入射到透镜4-3形成平行光束，并入射到输出头玻璃柱1-1的端面，CCD 4-5接收输出头玻璃柱1-1端面的带有十字分化板图像的反射光，并将接收到的十字分划板图像发送至CCD感光面显示屏4-6，根据接收到的十字分划板图像中心点4-6-2与原始位置4-6-1的偏移量，计算得到输出头玻璃柱1-1的装配同轴度参数。
本发明一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法应用上述控制及测量装置，具体操作方法如下：
步骤一、将输出头金属外壳1-2夹持到气浮转台2的台面上，并旋转气浮转台2带着输出头金属外壳1-2一起绕气浮转台2的轴线转动。
步骤二、用千分表3接触输出头金属外壳1-2的任意中心对称圆环表面，调节气浮转台2的X、Y、θX、θY轴，使千分表3上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台2的转动数值不变，此时输出头金属外壳1-2的轴线与气浮转台2的轴线共轴。
步骤三、将输出头玻璃柱1-1放入输出头金属外壳1-2，继续旋转气浮转台2，气浮转台2带着输出头金属外壳1-2及输出头玻璃柱1-1转动。同轴度测量模块4的光束发射模块4-1发射的带有十字分化板图像的平行光束入射到输出头玻璃柱1-1的端面，带有十字分化板图像的端面反射光被同轴度测量模块4内部的成像模块CCD 4-5接收，成像模块CCD 4-5根据接收到的输出头玻璃柱1-1反射回的十字分划板图像中心点4-6-2与原始位置4-6-1的偏移量，得到输出头玻璃柱1-1相对输出头金属外壳1-2轴线的偏移角度值。
调节输出头玻璃柱1-1角度直至同轴度测量模块4接收到的十字分划板图像中心点4-6-2与原始位置4-6-1的偏移量最小，此时输出头玻璃柱1-1端面与输出头金属外壳1-2的轴线最大程度的垂直。
步骤四、采用胶水或者顶丝等方式将最小拟合圆半径下的输出头玻璃柱1-1与输出头金属外壳1-2固定形成输出头1，并根据同轴度测量模块4接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，计算得出输出头玻璃柱1-1的装配同轴度参数。
输出头玻璃柱1-1的装配同轴度计算公式如下：
α＝d/(2*f)
其中α为装配同轴度即倾斜角，d为CCD感光面显示屏4-6接收到的十字分划板图像中心点4-6-2与原始位置4-6-1的偏移量，f为透镜4-3的焦距。
Claims (6)
1.一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置，其特征在于：包括气浮转台（2），用于夹持激光器输出头（1）并对激光器输出头（1）进行X、Y、θX和θY调节；
千分表（3），用于校验所述激光器输出头（1）的输出头金属外壳（1-2）与气浮转台（2）是否共轴；
同轴度测量模块（4），用于校验所述激光器输出头（1）的输出头玻璃柱（1-1）与气浮转台（2）是否共轴，并对输出头玻璃柱（1-1）与输出头金属外壳（1-2）的装配同轴度进行测量；
装置支撑架（5），用于固定气浮转台（2）和同轴度测量模块（4），所述同轴度测量模块（4）设在激光器输出头（1）的正上方；
所述同轴度测量模块（4）包括光束发射模块（4-1）、半透半反镜（4-2）、透镜（4-3）、平面反射镜（4-4）、CCD（4-5）和CCD感光面显示屏（4-6），所述平面反射镜（4-4）设在气浮转台（2）上，所述透镜（4-3）设在半透半反镜（4-2）和平面反射镜（4-4）之间，CCD（4-5）设在半透半反镜（4-2）上方，光束发射模块（4-1）发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜（4-2），被半透半反镜（4-2）反射的光束入射到透镜（4-3）形成平行光束发射到平面反射镜（4-4）上，平面反射镜（4-4）与气浮转台（2）的轴线共轴时反射回CCD感光面显示屏（4-6）的十字分划板图像中心为原始位置（4-6-1）；
调节气浮转台（2）上输出头玻璃柱（1-1）的角度直至CCD（4-5）接收到的十字分划板图像中心点（4-6-2）与原始位置（4-6-1）的偏移量最小，对输出头玻璃柱（1-1）的装配同轴度进行控制；
根据CCD（4-5）接收到的输出头玻璃柱（1-1）反射回的十字分划板图像中心点（4-6-2）与原始位置（4-6-1）的偏移量，计算得到输出头玻璃柱（1-1）的装配同轴度参数，对输出头玻璃柱（1-1）的装配同轴度进行测量；
所述输出头玻璃柱（1-1）的装配同轴度参数计算公式如下：
α=d/(2*f)
其中α为装配同轴度即倾斜角，d为CCD感光面显示屏（4-6）接收到的十字分划板图像中心点（4-6-2）与原始位置（4-6-1）的偏移量，f为透镜（4-3）的焦距。
2.如权利要求1所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置，其特征在于：所述气浮转台（2）上设有供激光器输出头（1）尾纤穿过的通孔（5-1）。
3.一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法，其特征在于，应用如权利要求1至2任意一项所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量装置，包括如下步骤：
步骤一、将输出头金属外壳（1-2）夹持到气浮转台（2）的台面上，并旋转气浮转台（2）带着输出头金属外壳（1-2）一起绕气浮转台（2）的轴线转动；
步骤二、用千分表（3）接触输出头金属外壳（1-2）的任意中心对称圆环表面，调节气浮转台（2）的X、Y、θX、θY轴，使千分表（3）上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台（2）的转动数值不变，此时输出头金属外壳（1-2）的轴线与气浮转台（2）的轴线共轴；
步骤三、将输出头玻璃柱（1-1）放入输出头金属外壳（1-2），继续旋转气浮转台（2），气浮转台（2）带着输出头金属外壳（1-2）及输出头玻璃柱（1-1）转动；
同轴度测量模块（4）发射带有十字分化板图像的平行光束入射到输出头玻璃柱（1-1）的端面，带有十字分化板图像的输出头玻璃柱（1-1）端面反射光被同轴度测量模块（4）接收，同轴度测量模块（4）根据接收到的输出头玻璃柱（1-1）反射回的十字分划板图像中心点（4-6-2）与原始位置（4-6-1）的偏移量，得到输出头玻璃柱（1-1）相对输出头金属外壳（1-2）轴线的偏移角度值；
调节输出头玻璃柱（1-1）角度直至同轴度测量模块（4）接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量最小，此时输出头玻璃柱（1-1）端面与输出头金属外壳（1-2）的轴线最大程度的垂直；
步骤四、将最小拟合圆半径下的输出头玻璃柱（1-1）与输出头金属外壳（1-2）固定形成激光器输出头（1），并根据同轴度测量模块（4）接收到的十字分划板图像中心点与原始位置的偏移量，计算得出输出头玻璃柱（1-1）的装配同轴度参数。
4.如权利要求3所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法，其特征在于：所述步骤四中采用胶水或者顶丝的方式将最小拟合圆半径下的输出头玻璃柱（1-1）与输出头金属外壳（1-2）固定形成激光器输出头（1）。
5.如权利要求3所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法，其特征在于：所述同轴度测量模块（4）包括光束发射模块（4-1）、半透半反镜（4-2）、透镜（4-3）、平面反射镜（4-4）、CCD（4-5）和CCD感光面显示屏（4-6），所述平面反射镜（4-4）设在气浮转台（2）上，所述透镜（4-3）设在半透半反镜（4-2）和平面反射镜（4-4）之间，CCD（4-5）设在半透半反镜（4-2）上方，光束发射模块（4-1）发射带有十字分划板图像的光束入射到半透半反镜（4-2），被半透半反镜（4-2）反射的光束入射到透镜（4-3）形成平行光束发射到平面反射镜（4-4）上，平面反射镜（4-4）与气浮转台（2）的轴线共轴时反射回CCD感光面显示屏（4-6）的十字分划板图像中心为原始位置（4-6-1）。
6.如权利要求5所述的一种激光器输出头玻璃柱的装配同轴度控制及测量方法，其特征在于，CCD感光面显示屏（4-6）的十字分划板图像中心的原始位置（4-6-1）确定方法包括：
将平面反射镜（4-4）夹持到气浮转台（2）上，旋转气浮转台（2）带着平面反射镜（4-4）一起绕气浮转台（2）的轴线转动，用千分表（3）接触平面反射镜（4-4）的中心对称圆环表面，调节气浮转台（2）的X、Y、θX、θY轴，使千分表（3）上的数值处于量程范围内并且随着气浮转台（2）的转动数值不变，此时平面反射镜（4-4）的轴线与气浮转台（2）的轴线共轴；
调整入射光路光束发射模块（4-1）、半透半反镜（4-2）、透镜（4-3）以及CCD（4-5）的位置，使从平面反射镜（4-4）反射回来的十字分划板图像中心恰好处于CCD（4-5）的成像区域中心，即CCD感光面显示屏（4-6）的中心，将此时平面反射镜（4-4）反射回来的十字分划板图像中心标记为原始位置（4-6-1）。
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