CN117123913A - 一种自动调焦方法及手持式激光焊接设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自动调焦方法及手持式激光焊接设备，所述自动调焦方法包括以下步骤：发射可见指示光束；可见指示光束通过准直聚焦输出焦点光斑；获取焦点光斑的位置，判断焦点是否处于预设范围的中心位置；若焦点位置不处于预设范围的中心位置，则自动调整准直聚焦光路，直至焦点位置处于预设范围的中心位置。本发明实现了可见指示光束的自动调焦，利用可见指示光束与焊接激光光束焦点位置同步变化的原理，实现了对激光光束的间接调节。相对于现有技术中通过手动调整光路中的镜片，本发明的自动调焦方法大大提高了可见指示光调焦定焦的准确率，同时节约了人力成本。

Description

一种自动调焦方法及手持式激光焊接设备

技术领域

本申请属于激光加工技术领域，具体涉及到一种自动调焦方法及手持式激光焊接设备。

背景技术

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法，其加工过程通常是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，使得激光辐射的能量迅速传导到材料内部并扩散，在材料熔化之后形成特定的熔池，从而实现材料焊接。为了保证一定的焊缝宽度，激光通常是被振镜等控制摆动输出到待加工工件上的，激光光束的摆幅取决于焊枪内部振镜的摆幅。

在实际加工过程中，为了防止激光束在摆动过程中和枪管内壁接触，因此设置激光束在不摆动的时候经过焊枪管状通道的中心线。具体操作过程通常是使得焊接机发射可见指示光束，可见指示光束与焊接激光光束的光路一致，在可见指示光束的焦点位置调好之后焊接激光光束的焦点位置也同步位于预设目标位置，即通过调试可见指示光的焦点来调节焊接激光光束的焦点。而现有技术中主要是依靠工作人员手工调试焊接枪头内部的反射镜片或准直镜片的位置来调整可见指示光的焦点位置的，随后再通过人工观察可见指示光位置是否居中，调整好后再使用螺栓等紧固件固定好反射镜片或准直镜片的位置。而由于人眼误差，调试的准确率并不高，且反复调试的时候需要多次固定反射镜片或准直镜片，人工成本也高。

因此，为了解决现有技术中可见指示光调焦不方便的问题，需要设计一种自动调焦方法及手持式激光加工设备。

发明内容

本申请的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种自动调焦方法及手持式激光加工设备，旨在解决现有技术中可见指示光调焦不方便的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

一种手持式激光焊接设备的自动调焦方法，其包括如下步骤：

S1、发射可见指示光束；

S2、可见指示光束经过准直聚焦输出焦点光斑；

S3、获取焦点光斑的位置，判断焦点是否处于预设范围的中心位置；

S4、若焦点位置不处于预设范围的中心位置，则自动调整准直聚焦光路，直至所述焦点位置处于预设范围的中心位置。

作为优选方案，若焦点位置处于预设范围的中心位置，则设置可发射焊接激光光束。

作为优选方案，可见指示光束的焦点位置不处于预设范围的中心位置，则设置禁止发射焊接激光光束。

作为优选方案，可见指示光束与焊接激光光束为共焦输出，预设范围为光束在手持式激光焊接设备出光通道中的摆动范围。

本申请还提出一种手持式激光焊接设备，包括激光出光模块和焊接枪头，激光出光模块用于输出焊接激光光束和可见指示光束到枪头，枪头采用上述任一项的方法进行自动调焦。

作为优选方案，枪头包括准直镜片、聚焦镜片、调焦模块、主控制单元和可见指示光检测单元。

作为优选方案，可见指示光检测单元设置于焊接枪头外部，可见指示光检测单元与枪头出光通道的中心对准。

作为优选方案，主控制单元分别与调焦模块和可见指示光检测单元电连接，用于获取所述可见指示激光检测单元反馈输出的检测信号，并根据检测信号判断可见指示光束的焦点位置是否处于枪头出光通道的中心位置。

作为优选方案，主控制单元根据判断结果自动调整发送给调焦模块的控制信号，直至焦点位置处于焊接枪头出光通道的中心位置。

作为优选方案，枪头的主控制单元与激光出光模块的控制单元连接，用于控制激光出光模块输出焊接激光光束和/或可见指示光束。

与现有技术相比，本发明的方法实现了可见指示光束的自动调焦定焦，并利用可见指示光束与焊接激光光束焦点位置同步变化的原理，实现了对激光光束的间接调节。相对于现有技术中通过手动调整光路中的镜片，本申请提出的方案大大提高了可见指示光束调焦定焦的准确率，同时节约了人力成本。

申请在准直聚焦模块的出光侧设计了调焦模块，再结合激光检测模块，通过可见指示光和焊接激光光束焦点位置同步变化的原理，实现了对激光焦距的调节。相对于现有技术中通过手动调整准直镜片，本申请提出的方案大大提高了可见指示光调焦定焦的准确率，同时节约了人力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中调焦组件的光路图；

图2为本申请中调焦组件中光信号、电信号传递的示意图；

图3为一实施例中手持式激光加工头的结构示意图；

图4为图3实施例中不使用调焦模块时的光路图；

图5为图3实施例中使用调焦模块时的光路图；

图6为本申请中自动调焦方法的流程图。

各附图标记：1、光束发射单元；2、激光输出端；3、准直聚焦模块；31、准直镜片；32、聚焦镜片；4、调焦模块；41、调节装置控制电路；5、激光检测模块；51、可见指示光检测电路；6、保护镜；7、主控板；71、主控制单元；8、光束转向元件。

实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

现有技术中，由于激光束对人体有害，所以通常会使得激光器内部发射焊接激光光束之前发射与其光路相同的可见指示光束，通过测试可见指示光束的焦点位置来判断焊接激光光束的光路是否符合预期。请参照图4和图5，此处的预期是指可见指示光束光轴与装配腔内出光通道的中心轴同轴，即可见指示光束的焦点位于所述出光通道的中心轴上。焊接过程中为了保证一定的焊缝宽度，激光光束是摆动输出到待加工工件上的，激光光束的摆幅取决于焊枪内部振镜的摆幅；在激光光束不摆动的时候，则需要经过出光通道的中心轴，以防打偏之后光束打到焊枪装配腔内壁，最终达不到所需的加工效果。因此需要先对可见指示光进行调焦定焦。而现有技术中通常是通过调整焊枪内部光路的反射镜或准直镜进行手动调焦，由于人眼误差等因素，该调焦方式精度不高，且步骤较为繁琐，人力物力损耗较多。

基于上述背景，本申请提出一种调焦组件，请参照图1。该组件具体包括准直聚焦模块3、调焦模块4、激光检测模块5以及主控制单元71。准直聚焦模块3用于输出准直聚焦光束，调焦模块4用于调节光束的焦点位置，激光检测模块5用于检测光束的焦点位置，并将检测信号反馈输出，主控制单元71则与调焦模块4以及激光检测模块5电连接，并根据反馈输出的所述检测信号，判断可见指示光束的焦点位置是否处于目标位置（即与出光通道中心轴同轴）。

在本申请中，定义出光通道中心轴的延伸方向为第一方向X，以聚焦镜焦平面的延伸方向为第二方向Y来对本申请进行说明。

在本申请的实施例中，调焦组件是用于对光束发射单元1发出的光束进行沿第二方向Y上的调焦定焦，所述光束发射单元1可发出两种光路完全一致的光束，即可见指示光束和焊接激光光束，本申请的调焦过程是针对于可见指示光束而言，可以理解的是，当可见指示光的焦点被调至目标位置后，焊接激光光束的焦点也处于目标位置。

请继续参照图1，准直聚焦模块3、调焦模块4以及激光检测模块5均沿出光方向依次设置。光束发射单元1发射出可见指示光束后，依次经过准直聚焦模块3中的准直镜片31和聚焦镜片32，准直镜片31用于对该光束准直，即使得发散的可见指示光束变成平行的光束，经过准直镜片31准直后的可见指示光束聚焦后的焦点面积更小；聚焦镜片32则使得经过其的可见指示光束形成焦点，再通过调焦模块4使得可见指示光束的焦点被调试至目标位置。

在本实施例中，调焦模块4内部具有调焦镜片，调焦模块4根据主控制单元71发出的控制信号，控制该调焦镜片活动，以调节可见指示光束的焦点位置。

可以理解的是，调焦模块4具体包括调节装置和调节装置控制电路，调节装置包括调焦镜片，调节装置控制电路41与调焦组件中的主控制单元71相连接，由此，调节装置控制电路在接收到主控制单元71发出的控制信号之后，控制调节装置驱动其中的调焦镜片活动，从而调节可见指示光束的焦点位置。

可以理解的是，所述调焦镜片可以是楔形镜组等可以使得光束焦点沿第二方向Y调节的镜片。

具体的，调节装置还包括步进电机，电机驱动所述楔形镜组的至少一个楔形棱镜围绕可见指示光束的光轴旋转，从而改变自准直聚焦模块所发射的可见指示光束的光程，进而实现焦点位置的调节。可以理解的是，在此实施例中，相对于楔形棱镜围绕其光轴旋转之前，可见指示光束的焦点位置是沿第二方向Y变化。

请参照图2，激光检测模块5具体包括可见指示光检测单元和可见指示光检测电路51，可见指示光检测单元设置于目标位置，用于获取可见指示光束焦点位置信息，同时基于该焦点位置信息生成控制信号。

当调焦组件中的主控制单元71接收到所述可见指示光检测单元通过可见指示光检测电路51发出的第一控制信号后，判断可见指示光束的焦点与预定目标位置不一致时，可自动调整发送给调焦模块4的第二控制信号，直至焦点位置与预定目标位置一致。

具体的，可见指示光检测单元可以是CCD相机，CCD相机是工业相机的简称，以用于将可见指示光束焦点成像并记录所述焦点位置信息。

在一个实施例中，调节装置可以驱动其内部的调焦镜片活动，以改变自准直聚焦模块出射可见指示光束的光程，进而实现焦点位置的调节。主控制单元71与调节装置控制电路41电连接，调节装置控制电路41主要用于接收主控制单元71的控制信号，并将其传递给调焦模块4的调节装置，调节装置再基于该控制信号对其内部的调焦镜片进行控制，最终使得可见指示光束的焦点处于目标位置。

在实际操作过程中，先搭建好光路，使得激光检测模块位于可见指示光束的焦平面上，且可见光检测单元的中心与出光通道的中心同轴，随后开启光束发射单元1，使之产生可见指示光束，可见指示光束依次经过调焦组件的准直聚焦模块3和调焦模块4，最终到达激光检测模块5。由于激光检测模块位于可见指示光束的焦平面上，在理想状态下，此时可见指示光束成像边缘最为清晰，且对比度最高，更便于观察。

请参照图4，在组件中不配置调焦模块4或者调焦模块4处于初始状态的情况下（此时调节装置处于未工作状态），激光检测模块5中的可见指示光检测单元检测到可见指示光束焦点的位置为第一位置，显然，此时可见指示光束焦点位置与出光通道中心轴不共线。可见指示光检测单元通过可见指示光检测电路51将第一位置信息传递给调焦组件中的主控制单元71，主控制单元71判断第一位置不属于目标位置后，自动根据第一位置信息生成第一控制信号，并将第一控制信号传递至调节装置控制电路41。调节装置控制电路41接收到第一控制信号后传递至调焦模块4的调节装置，并由调节装置基于该第一控制信号对其内部的镜片进行控制，具体是对所述调焦镜片的位置进行控制，由此使得可见指示光束的焦点处于第二位置，请参阅图5，此时第二位置正位于出光通道中心轴上，可见指示光检测电路51将第二位置信息继续传递给主控制单元71，主控制单元71判断第二位置即为目标位置。

可以理解的是，当主控制单元71检测到第二位置不属于目标位置时，则主控制单元71设置禁止发射焊接激光，同时再次根据第二位置信息生成第二控制信号，并将第二控制信号传递至调节装置控制电路41。调节装置控制电路41接收到第二控制信号后传递至调焦模块中的调节装置，并由调节装置基于该第二控制信号对其内部的镜片进行控制，由此使得焦点的位置信息发生改变，直至主控制单元71判断该位置属于目标位置，调焦过程结束。在其他实施例中，调节装置基于第二控制信号对其内部的调焦镜片进行控制，通过改变自准直聚焦模块3出射可见指示光束的光程，进而实现焦点调节位置。

在本申请的实施例中，具体是对可见指示光束焦点在第二方向Y上做调节，对第一方向X则不做限制，此调节方式的目的主要是将偏离于出光通道中心轴的可见指示光束的焦点调至出光通道的中心轴上。

由于可见指示光束与激光光束的光路相一致，因此在可见指示光束的调焦定焦过程结束后，即设置预定时间以自动发射焊接激光光束，此时激光光束的光轴即与出光通道的中心轴同轴。

可选的，主控制单元通过高斯拟合法或互相关法判断可见指示光束的光斑的坐标位置是否与预定的目标位置一致。

在一个实施例中，光束发射单元1可以是自带可见指示光的激光器。

根据本申请的另一方面，还提出了一种激光加工头，所述激光加工头包括上述任一项方案中的调焦组件。

请参照图3，激光加工头包括激光输出端2和加工头本体，激光输出端2即为上述实施例中的光束发射单元1，加工头本体内部设置有装配腔，以用于收容准直聚焦模块3和调焦模块4。装配腔内部还具有出光通道，以供可见指示光束和激光光束通过。

可以理解的是，调焦组件中的可见指示光检测单元设置于激光加工头外部，具体设置于激光加工头出光通道的中心轴上，调焦组件的主控制单元71设置于激光加工头的主控板7上，并与可见指示光检测单元安通过可见指示光检测电路51电连接。激光加工头的主控板7与调焦组件的主控制单元71具体为电连接，以用于更好的控制调焦组件。

具体的，请继续参照图3，加工头本体的装配腔呈L形或枪形，即具有第一腔和第二腔，第一腔与第二腔交叉设置并相互连通。激光加工头的调焦装置还包括光束转向元件8。可以理解的是，激光输出端2与准直聚焦模块3中的准直镜片31沿光束发射方向依次设置于第一腔；准直聚焦模块3中的聚焦镜32与调焦模块4沿光束发射方向依次设置于第二腔；光束转向元件8设置于第一腔与第二腔的交叉处，且分别与准直镜片31与聚焦镜片32相对，以用于将自准直镜片31发出的可见指示光束反射进聚焦镜片32，结合图4，光束转向元件8的设置，使得激光输出端2、准直聚焦模块3和调焦模块4能够适应多种作业场景，空间布局更为紧凑、灵活；调焦组件中的激光检测模块5沿光束发射方向设置于激光加工头外部，具体设置于所述出光通道的中心轴上，激光检测模块5中的可见指示光检测单元设置于目标位置。可以理解的是，当主控制单元71判断可见指示光束的焦点位置不处于目标位置时，自动调整发送给调焦模块4的控制信号，直至可见指示光束的焦点位置处于目标位置，所述目标位置与激光加工头出光通道的中心轴相对准。

在一个实施例中，所述光束转向元件8可以是反射镜。

在其他实施例中，装配腔也可呈笔形，激光输出端2、准直聚焦模块3、调焦模块4以及激光检测模块5均位于沿同一方向发射的可见指示光光轴之上。装配腔呈笔形的加工头更适用于握持场景。

在一个实施例中，激光加工头还包括保护镜6，保护镜6位于调焦模块4背离于聚焦镜片32的一侧，同样位于可见指示光的出光方向上。保护镜6主要用于保护聚焦镜片32，以防在焊接过程中产生的烟尘倒灌进入出光通道损伤聚焦镜片。

本申请还提供了一种自动调焦方法，如图6所示，其包括如下步骤：

S1、发射可见指示光束，可以是任意一种带有颜色的可见光；

S2、可见指示光束经过准直聚焦模块3准直聚焦输出焦点光斑；

S3、激光检测模块5获取焦点光斑的位置，判断焦点是否处于预设范围的中心位置；

S4、若焦点位置不处于预设范围的中心位置，调焦模块4则自动调整准直聚焦光路，直至所述焦点位置处于预设范围的中心位置。

可以理解的是，在主控制单元71判断焦点位置处于预设范围的中心位置时，直接发送控制信号以设置可发射焊接激光光束；当判断可见指示光束的焦点位置不处于预设范围的中心位置时，主控制单元71发送控制信号以设置禁止发射焊接激光光束。

在本实施例的自动调焦方法中，光束发射单元1发射的可见指示光束与焊接激光光束为共焦输出，预设范围是指光束在手持式激光焊接机出光通道内的摆动范围。

本申请实施例还提出了一种手持式激光焊接设备，具体包括激光出光模块和激光加工枪头，激光出光模块用于输出焊接激光光束和/或可见指示光束到枪头，枪头采用上述方法进行自动调焦。

本实施例中的激光加工枪头包括上述调焦组件，即包括准直镜片31、聚焦镜片32、调焦模块4、主控制单元71和可见指示光检测单元。可见指示光检测单元设置于激光加工枪头外部，可见指示光检测单元与枪头中出光通道的中心相对准。

枪头的具体调焦过程如下：在光束发射单元1发出可见指示光之后，依次经过准直镜片31、聚焦镜片32后输出焦点光斑，再通过激光检测模块5；其中的可见指示光检测单元获取焦点光斑的位置，并将该位置信息传递至主控制单元71，主控制单元71随后判断焦点是否处于预设范围的中心位置。若焦点位置不处于预设范围的中心位置，则主控制单元71生成相应的控制信号并发送至调焦模块4，自动调整准直聚焦光路，直至焦点位置处于预设范围的中心位置。在本实施例中，枪头内部还具有主控板，主控制单元集成设置于主控板上，且主控板与激光出光模块电连接，以用于控制激光出光模块出光。当主控制单元判断焦点位置处于预设范围内的中心位置时，主控板即向激光出光模块发送控制信号以设置可发射焊接激光光束；当主控制单元判断焦点位置不处于预设范围内的中心位置时，主控板向激光出光模块发送控制信号以设置禁止发射激光光束。

可以理解的是，主控制单元71与调焦模块4以及可见指示光检测单元电连接，以用于获取可见指示激光检测单元反馈输出的所述检测信号，以判断所述焦点位置是否处于预设范围的中心位置。

当所述主控制单元71判断所述可见指示光的焦点位置不处于所述枪头出光通道的中心位置时，则自动调整发送给所述调焦模块的控制信号，即再次向调焦模块发送新的控制信号，直至所述焦点位置处于所述激光加工枪头出光通道的中心位置。

在一个实施例中，激光出光模块可以是任意一种自带可见指示光的激光器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种手持式激光焊接设备的自动调焦方法，其特征在于，包括：

发射可见指示光束；

所述可见指示光束经过准直聚焦输出焦点光斑；

获取所述焦点光斑的位置，判断所述焦点是否处于预设范围的中心位置；

若所述焦点位置不处于预设范围的中心位置，则自动调整准直聚焦光路，直至所述焦点位置处于预设范围的中心位置。

2.根据权利要求1所述的自动调焦方法，其特征在于，若所述焦点位置处于预设范围的中心位置，则设置可发射焊接激光光束。

3.根据权利要求1所述的自动调焦方法，其特征在于，所述可见指示光束的焦点位置不处于预设范围的中心位置，则设置禁止发射焊接激光光束。

4.根据权利要求2或3所述的自动调焦方法，其特征在于，所述可见指示光束与所述焊接激光光束为共焦输出，所述预设范围为所述焊接激光光束在所述手持式激光焊接设备出光通道中的摆动范围。

5.一种手持式激光焊接设备，其特征在于，包括激光出光模块和焊接枪头，所述激光出光模块用于输出焊接激光光束和可见指示光束到所述枪头，所述枪头采用如权利要求1-4任一项所述的方法进行自动调焦。

6.根据权利要求5所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述枪头包括准直镜片、聚焦镜片、调焦模块、主控制单元和可见指示光检测单元。

7.根据权利要求6所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述可见指示光检测单元设置于所述焊接枪头外部，所述可见指示光检测单元与所述枪头出光通道的中心对准。

8.根据权利要求7所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述主控制单元分别与所述调焦模块和所述可见指示光检测单元电连接，用于获取所述可见指示激光检测单元反馈输出的检测信号，并根据所述检测信号判断所述可见指示光束的焦点位置是否处于所述枪头出光通道的中心位置。

9.根据权利要求8所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述主控制单元根据判断结果自动调整发送给所述调焦模块的控制信号，直至所述焦点位置处于所述焊接枪头出光通道的中心位置。

10.根据权利要求6所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述枪头的主控制单元与所述激光出光模块的控制单元连接，用于控制所述激光出光模块输出焊接激光光束和/或可见指示光束。