CN117655511A - 多角度聚焦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术和激光加工技术领域，涉及一种多角度聚焦控制方法，包括1)获取待加工零件的三维模型并将三维模型转换成机床坐标；2)根据机床坐标通过机床将待加工零件转移至聚焦镜底部；3)判断激光器的出射激光是否要进行角度调整，若是，则执行步骤4)；若否，则将激光器的出射激光直接对待加工零件进行聚焦加工；4)根据待加工零件的待加工部位调整激光器的出射激光的姿态，使调整后的出射激光能够聚焦在待加工零件的待加工部位上，随后将角度调整后的出射激光对待加工零件进行聚焦加工。本发明提供了一种可改变光束角度以及可适应不同需求和应用场景的多角度聚焦控制方法。

Description

多角度聚焦控制方法

技术领域

本发明属于光学技术和激光加工技术领域，涉及一种聚焦控制方法，尤其涉及一种多角度聚焦控制方法。

背景技术

在精密制造中微孔作为一种常见结构，广泛应用于航空、生物、化工以及新能源等领域。飞秒激光以其超短脉冲时间、超高峰值功率等特点使其在进行材料加工时具有加工效率快、材料适应性广、无污染、质量好等优点，使用越来越广泛。同时也由于加工中非接触、无需液体酸碱辅助的特点，飞秒激光微孔加工成为了最优的微孔加工方一。

随着设计的复杂多样化、加工的零件也出现了不规则形状，例如曲面或平面等；加工的零件由单一性开腔转换成了多样性干涉区域；加工的微孔分布为通孔、小空间以及多个叶片合在一起复杂角度贴壁孔；加工的微孔形状有簸箕孔、燕尾孔、喇叭孔等异型孔，还有异型孔加直圆孔结合孔等等。由于激光加工是利用高功率密度的激光束经过透镜聚焦后照射工件，使材料熔化气化而进行打孔切割和焊接等的特种加工，因此采用激光加工时对聚焦的焦点和加工零件的制孔角度特别重要，尤其是在干涉区域加工以及一次加工零件的完整性方面。如果不能一次性将零件的干涉区域和非干涉区域孔加工完成、二次定位加工会导致零件孔角度偏差、位置偏差等等，同时焦点位置偏差会使加工成型的孔径一致性差、孔口尺寸超差、孔表面粗糙度差等质量问题。

目前飞秒激光加工设备虽然具有如图1所示的平行Z轴的同轴直接式聚焦镜模块，光束直接聚焦镜作用在材料表面进行打孔。同时随着零件铸造的整体性、紧密性等方向发展趋势，飞秒激光目前聚焦镜模块加工时零件就会受到严重干涉(例如制孔角度或焦点位置)限制。因为在如图1所示的装置下激光束只能垂直聚焦到工件表面对材料进行去除，由于该聚焦模块的结构不能对光束进行偏转、焦距的改变从而造成了很大程度限制性，再加上需要加工的孔形状多、加工孔角度变化频繁，导致零件加工时需要不断进行调整制孔方向解决无法加工现状、针对同一排不同角度需要设计不同的夹具以及不同型号的聚焦镜来改变焦点位置等；同时零件铸造不同焦点偏差导致排渣能力减弱随着孔数量多加工整体效率下降等问题产生。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可改变光束角度以及可适应不同需求和应用场景的多角度聚焦控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述多角度聚焦控制方法包括以下步骤：

1)获取待加工零件的三维模型并将三维模型转换成机床坐标；

2)根据机床坐标通过机床将待加工零件转移至聚焦镜底部；

3)判断激光器的出射激光是否要进行角度调整，若是，则执行步骤4)；若否，则将激光器的出射激光直接对待加工零件进行聚焦加工；

4)根据待加工零件的待加工部位调整激光器的出射激光的姿态，使调整后的出射激光能够聚焦在待加工零件的待加工部位上，随后将角度调整后的出射激光对待加工零件进行聚焦加工。

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)获取待加工零件的待加工部位；

4.2)根据待加工零件的待加工部位调整反射元件；

4.3)采用检测光检测反射元件的调整角度，促使检测光入射至待加工零件的待加工部位；所述检测光与激光器的出射激光同轴；

4.4)调整检测光并使检测光聚焦在待加工零件的待加工部位；

4.5)开启激光器的出射激光，使出射激光经过反射元件后聚焦在待加工零件的待加工部位上；

4.6)通过出射激光对待加工零件进行聚焦加工。

上述步骤4.3)的具体实现方式是：检测***发出检测光经反射元件反射后入射在待加工零件的待加工部位，经待加工零件的待加工部位反射后，形成检测反射光，检测反射光经反射元件反射后入射在检测***中，直至检测***能够检测到检测反射光。

上述步骤4.4)的具体实现方式是：

4.4.1)将检测光准直后一分为二，形成参考光以及取样光；

4.4.2)将参考光经过偏振控制器使参考光对相位进行调整，经过45°反射镜将参考光折转；然后经过色散补偿使消除反射镜所带入的色散；参考光经过正透镜后汇聚于反射镜上；同时反射镜将参考光按照原光路反射回去至光谱***中的耦合器上；

4.4.3)将取样光经过耦合器后，再经过反射元件，使取样光汇聚于待加工零件的待加工部位；待加工零件的待加工部位对取样光进行反射后原路传输至光谱***中的耦合器上；将反射至耦合器的参考光与反射至耦合器的去阳光在光谱***中的耦合器上进行耦合，并经过光栅形成明暗相间的干涉条纹；

4.4.4)通过动态调整微调反射元件，使干涉条纹中央亮条纹与波峰最高点重合，即透镜聚焦的焦点位置时刻处于待加工零件的待加工部位上，完成检测光聚焦在待加工零件的待加工部位。

上述参考光的光强与取样光的光强比是50：50。

上述步骤4)中，所述姿态包括焦距位置和角度。

上述反射元件是反射镜、反射棱镜和/或反射器。

本发明的优点是：

本发明提供了一种多角度聚焦控制方法，该方法包括：1)获取待加工零件的三维模型并将三维模型转换成机床坐标；2)根据机床坐标通过机床将待加工零件转移至聚焦镜底部；3)判断激光器的出射激光是否要进行角度调整，若是，则执行步骤4)；若否，则将激光器的出射激光直接对待加工零件进行聚焦加工；4)根据待加工零件的待加工部位调整激光器的出射激光的姿态，使调整后的出射激光能够聚焦在待加工零件的待加工部位上，随后将角度调整后的出射激光对待加工零件进行聚焦加工。本发明通过动态调整反射镜的角度，***可以实现对光束的多角度聚焦。与现有聚焦镜模块相比，本发明所提供的该模块中镜片可以满足周向与径向不同维度转动，同时使得***能够在不同位置产生不同的焦点，从而满足不同光学需求。此外，本发明在反射镜自动调整加工角度时，可以动态调节微动进给所处位置既动态方式加工以实现最佳的聚焦效果。在实际三维曲面空间中，加工不同曲面位置孔时。就需要不同光束聚焦的角度和焦点位置进行加工。***可以根据实际三维模型中设置的制孔角度、孔位置坐标。自动调整反射镜的角度达到制孔角度，同时对目标距离进行测距改变光束焦距、使光束聚焦的焦点与零件表面重叠、使要加工孔处在焦点位置进行加工。可以保证加工孔的各质量状态高度一致性。本发明通过动态调整反射镜的角度，***具有很大的灵活性和可调节性。与现有的聚焦镜模块相比，这种自由调节自动改变光束角度和方向聚焦模块。可以根据具体需求和应用场景进行实时调整，从而适应不同光学任务的要求。不需要更加复杂的光学结构以及模块，角度调节方面更加准确。本发明与现有聚焦镜光束和加工方法相比动态调整反射镜角度加工方式，提供一种独立加工方法和思路。在解决狭小空间角度干涉、遮蔽区域干涉加工方面具有很大的优势如光束可以自由调整角度避开零级干涉、在遮蔽区域可以进行逆向加工等等。总之，本发明是一种动态调整反射镜角度实现多角度任意聚焦的方法可以扩展聚焦能力，并提供更好的成像效果和更大的灵活性。这样的***在许多光学领域，如成像、光束调整和激光加工等方面具有重要应用价值。

附图说明

图1是现有技术中平行Z轴的同轴直接式聚焦镜模块的原理示意图；

图2是本发明所提供的多角度下任意聚焦方法的整体结构示意图；

图3是基于本发明所提供的多角度下任意聚焦装置在不同角度聚焦状态示意图；

图4是干涉波形图；

图5是条纹与波形存在一一对应关系图。

具体实施方式

本发明提供了一种多角度聚焦控制方法，该方法包括以下步骤：

1)获取待加工零件的三维模型并将三维模型转换成机床坐标；

2)根据机床坐标通过机床将待加工零件转移至聚焦镜底部；

3)判断激光器的出射激光是否要进行角度调整，若是，则执行步骤4)；若否，则将激光器的出射激光直接对待加工零件进行聚焦加工；

4)根据待加工零件的待加工部位调整激光器的出射激光的姿态，使调整后的出射激光能够聚焦在待加工零件的待加工部位上，随后将角度调整后的出射激光对待加工零件进行聚焦加工，其中，姿态包括焦距位置和角度。具体是：

4.1)获取待加工零件的待加工部位；

4.2)根据待加工零件的待加工部位调整反射元件；本发明包括一或多个特殊设计的反射元件，用于反射、聚焦和调整光束。这些反射元件可以具有特殊反射镜、反射棱镜、反射器等结构，以实现对光束的精确控制。

4.3)采用检测光检测反射元件的调整角度，促使检测光入射至待加工零件的待加工部位；所述检测光与激光器的出射激光同轴，具体是：检测***发出检测光经反射元件反射后入射在待加工零件的待加工部位，经待加工零件的待加工部位反射后，形成检测反射光，检测反射光经反射元件反射后入射在检测***中，直至检测***能够检测到检测反射光。

4.4)调整检测光并使检测光聚焦在待加工零件的待加工部位，具体是：

4.4.1)将检测光准直后一分为二，形成参考光以及取样光；参考光的光强与取样光的光强比是50：50。

4.4.2)将参考光经过偏振控制器使参考光对相位进行调整，经过45°反射镜将参考光折转；然后经过色散补偿使消除反射镜所带入的色散；参考光经过正透镜后汇聚于反射镜上；同时反射镜将参考光按照原光路反射回去至光谱***中的耦合器上；

4.4.3)将取样光经过耦合器后，再经过反射元件，使取样光汇聚于待加工零件的待加工部位；待加工零件的待加工部位对取样光进行反射后原路传输至光谱***中的耦合器上；将反射至耦合器的参考光与反射至耦合器的去阳光在光谱***中的耦合器上进行耦合，并经过光栅形成明暗相间的干涉条纹；

4.4.4)通过动态调整微调反射元件，使干涉条纹中央亮条纹与波峰最高点重合，即透镜聚焦的焦点位置时刻处于待加工零件的待加工部位上，完成检测光聚焦在待加工零件的待加工部位。示例性的，在进行反射元件调整时，这可能包括电动机、压电器件、液压或气压控制装置等，用于实现对反射元件位置、形状或倾斜角度的调整。这样的调整机制可以由控制***精确控制，以实现对光束的动态调整。

4.5)开启激光器的出射激光，使出射激光经过反射元件后聚焦在待加工零件的待加工部位上；

4.6)通过出射激光对待加工零件进行聚焦加工。

本发明提供了一种多角度聚焦控制方法，其工作原理是由相干成像技术的实际需求设计的，光的相干是指两个光的光波在传输过程中保持着相同的相位差，具备相同的频率，或者有完全一致的波形。这样的两束光可以在传播中产生稳定的干涉，也就是相长干涉、相消干涉。计算出干涉条纹的间距即为实际聚焦镜焦点与零件表面之间存在的距离。制孔***由计算机控制激光器出射光束，经过扩束器准直后根据实际情况由透镜产生具有一定折射角出射光束，最后经微动进给模块带动聚焦镜上下运动使焦点一直处于在工件上表面上进行加工。

为了实现光束的动态调整，本装置还包括一个精密的控制***。该控制***可以包括传感器、执行器和控制算法，用于实时检测和调整反射元件的参数，以便控制光束的焦距位置和角度。为了方便用户或***集成，本装置可以还包括一个可编程接口，用于与外部设备进行通信和控制。通过此接口，用户可以根据特定需求调整光束的焦距位置和角度，从而实现多样化的应用和灵活性。

参见图2，示例性的，本发明在进行反射元件调整时，可采用由微动聚焦模块、聚焦镜、驱动电机、反射镜安装架(径向轨道、周向轨道)、转接结构、传动连杆、反射镜、相干成像诊断***其包括(检测光源、成像光源、光路传输***、参考光路、取样光路、光谱仪)、控制***、样件等、电脑等组成的装置对反射元件进行相应调整。本发明在调整该反射元件时，可克服现有技术中如图1所示的直接式聚焦***存在的一些问题和限制，提供更灵活、快速、精确的光束调整机制。通过设计和实现这种动态调整的新型装置。可以解决目前小腔体、多联叶片以及双曲面空间的加工，同时解决了遮蔽干涉孔激光加工瓶颈的技术问题。最后使不同角度光束聚焦后一直处于焦点处加工、加工出的孔孔径一致性具有保障性。

下面对本发明所提供的技术方案做详细的描述：

步骤S1：首先将设计的理论三维模型(存在小腔体间隙和多处气嘴、光束干涉)经过计算机相应的模型处理分析后转换成机床坐标(x、y、z、a、c)，通过机床控制程序将零件转移到聚焦镜下面进行打孔。

步骤S2：电脑将按照转换后的机床坐标(a、c)快速传输给驱动器，电机按照驱动器的命令带动传动连杆使反射镜运动。

步骤S3：电机带动连接可调节反射镜的传动连杆运动，传动连杆带动反射镜安装架始终沿着反射镜的中心点0处、进行径向运动和周向运动。最后可调节反射镜转到与制孔的坐标角度一致。例如在不同的角度值下反射镜转的状态不同具体以下图3所示：

步骤S4：检测***发出一束激光光源从聚焦镜中心透过，垂直传输到聚焦镜中心0点处、直接或经过反射镜在照射加工的零件表面处。然后按照光的可逆性打到零件表面的光线反向原路传输，光束将传输给检测***。

步骤S5：所述经成像光源发出一束准直激光光束，激光光束在光纤传导后经过光隔离器，光隔离器将输入的激光光束利用分束器将其一分为二、一路为参考光路另一路为取样光路，其中两路光强比为50：50；

其一，参考光路在光纤传输下经过偏振控制器使其对相位进行调整、经过45°反射镜将光路进行折转；然后经过色散补偿使消除反射镜以及其他一些光学元件中带入的色散；激光光束经过正透镜最后汇聚于反射镜上。同时反射镜将参考光路按照原光路反射回去至光谱***中的耦合器上。等待与取样光路反射回来的光进行耦合。

其二、取样光路在光纤传输下经过耦合器将出射光束与加工激光合束在半反半透镜处调整处于同心；然后经过微动进给模块中的聚焦镜，使光束汇聚于样品表面上进行钻孔等。样品表面对光束具有反射的作用，同时打到样品表面的光束经过反射后原路传输至光谱***中的耦合器上。最后参考光路中的反射光束与取样光路中的反射光束在光谱***中的耦合器上耦合完成，并经过光栅形成成相干光束，经过透镜后照射在相机上，相机最后显现即可。若不能形成形成相干图像；则调节参考光路中极化控制器等光学组件使得相位匹配，实现为图4a所示波形。

若两列光S1和S2的路程差Nλ(λ为波长，N为零或正整数)实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大如图4a所示。当S1和S2的路程差λ/2(或波长奇数倍)时，合成光的振幅和为零如图4b所示，此时光强最小。

利用这一原理使激光光束产生明暗相间的干涉条纹。利用光栅计算的相关公式，可以求出干涉条纹的间距Δx。

光栅方程：dsinθ＝kλk＝0,±1,±2,…d是光栅常数k是常数

第k级明纹在屏上的位置：f是缝到屏的距离

屏上干涉条纹的间距：

干涉条纹与波形存在一一对应关系，明条纹对应波峰、暗条纹对应波谷。干涉条纹明暗相间，对称分布；相邻条纹间距等于Δx如图5所示，需要将干涉条纹中央亮条纹与波峰最高点重合，则即为零点。

在光谱检测***中有光电探测器、计数器等，光电探测器经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。计数器实时记录有多少波峰即可，从而实现对位移量的检测，移动距离等于相邻条纹间距等于Δx乘于计数器上面数值。

最后将相机/探测器采集数据时刻发给电脑，电脑根据微动进给轴运动位置(微动进给轴采用高精度光栅尺寸)，动态调整微动进给位置使透镜聚焦的焦点位置时刻处于去除材料的表面，不产生离焦现象。

步骤S6：计算机控制激光器出光，按照零件需要加工的孔制孔方向进行开始加工。

通过以上技术方案，本发明实现了一种全新的动态反射光束调整装置。该装置通过精确控制反射元件参数和调整机制，使用户能够动态地改变光束的焦距位置和角度，以适应不同的应用需求和场景。

Claims (7)

1.一种多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述多角度聚焦控制方法包括以下步骤：

1)获取待加工零件的三维模型并将三维模型转换成机床坐标；

2)根据机床坐标通过机床将待加工零件转移至聚焦镜底部；

3)判断激光器的出射激光是否要进行角度调整，若是，则执行步骤4)；若否，则将激光器的出射激光直接对待加工零件进行聚焦加工；

4)根据待加工零件的待加工部位调整激光器的出射激光的姿态，使调整后的出射激光能够聚焦在待加工零件的待加工部位上，随后将角度调整后的出射激光对待加工零件进行聚焦加工。

2.根据权利要求1所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)获取待加工零件的待加工部位；

4.2)根据待加工零件的待加工部位调整反射元件；

4.3)采用检测光检测反射元件的调整角度，促使检测光入射至待加工零件的待加工部位；所述检测光与激光器的出射激光同轴；

4.4)调整检测光并使检测光聚焦在待加工零件的待加工部位；

4.5)开启激光器的出射激光，使出射激光经过反射元件后聚焦在待加工零件的待加工部位上；

4.6)通过出射激光对待加工零件进行聚焦加工。

3.根据权利要求2所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述步骤4.3)的具体实现方式是：检测***发出检测光经反射元件反射后入射在待加工零件的待加工部位，经待加工零件的待加工部位反射后，形成检测反射光，检测反射光经反射元件反射后入射在检测***中，直至检测***能够检测到检测反射光。

4.根据权利要求3所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述步骤4.4)的具体实现方式是：

4.4.1)将检测光准直后一分为二，形成参考光以及取样光；

4.4.2)将参考光经过偏振控制器使参考光对相位进行调整，经过45°反射镜将参考光折转；然后经过色散补偿使消除反射镜所带入的色散；参考光经过正透镜后汇聚于反射镜上；同时反射镜将参考光按照原光路反射回去至光谱***中的耦合器上；

4.4.3)将取样光经过耦合器后，再经过反射元件，使取样光汇聚于待加工零件的待加工部位；待加工零件的待加工部位对取样光进行反射后原路传输至光谱***中的耦合器上；将反射至耦合器的参考光与反射至耦合器的去阳光在光谱***中的耦合器上进行耦合，并经过光栅形成明暗相间的干涉条纹；

4.4.4)通过动态调整微调反射元件，使干涉条纹中央亮条纹与波峰最高点重合，即透镜聚焦的焦点位置时刻处于待加工零件的待加工部位上，完成检测光聚焦在待加工零件的待加工部位。

5.根据权利要求4所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述参考光的光强与取样光的光强比是50：50。

6.根据权利要求1-5任一项所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述姿态包括焦距位置和角度。

7.根据权利要求6所述的多角度聚焦控制方法，其特征在于：所述反射元件是反射镜、反射棱镜和/或反射器。