[发明专利]一种激光加工自动调焦装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种激光加工自动调焦装置。

背景技术

在激光加工应用中，用于加工的激光束通过光学聚焦系统将激光束聚焦为较小的光斑，获得极高的功率密度或能量密度使材料被加热、熔化或蒸发，实现所需的加工应用功能(如激光热处理、熔覆、焊接、切割、钻孔和刻蚀等加工应用)。同时，利用激光可聚焦尺寸小的优势来实现高精度尺寸加工。然而，在激光加工过程中，被加工工件自身表面不平和激光加工过程中被加工间受热变形以及聚焦激光束行走轨迹波动都会造成激光焦点位置的偏移。当激光聚焦点位置产生偏移大于焦深时，将会导致激光功率密度或能量密度以及激光光斑尺寸的较大变化(如当激光聚焦点位置偏离材料加工表面时，会导致激光在材料加工表面上的功率密度或能量密度较大下降以及光斑尺寸增加)，其结果会造成激光加工质量和尺寸精度的不一致。为了确保激光加工质量和尺寸的稳定性和一致性，要求激光焦点位置的波动范围应小于激光聚焦焦深范围以内。目前达到以上要求的方法是采用激光加工自动调焦技术，其基本原理是采用一种传感器来检测焦点位置的偏移量，一旦检测到焦点位置偏离原位置，则立即输出信号给控制系统，控制系统调节Z轴移动系统将激光焦点调回到原来位置，实现保持激光焦点位置不变的功能。当前激光加工系统焦点位置的检测多基于接触式传感器或者电容式和电感式传感器。如在“激光切割非接触式高度自动控制装置”(组合机床与自动化加工技术期刊.1992(10).-9-12)文献中采用了电容式传感器检测激光焦点位置。当激光焦点位置发生偏移时，将输出信号给信号处理电路、单片机控制器和伺服驱动系统，调节Z轴移动系统将激光焦点调回到原来位置。但电容式或电感式传感器只能应用于金属工件的激光加工中，不能用于非金属工件的激光加工中，从而限制了应用范围，并且结构复杂，价格较高。而接触式传感器具有精度误差较大和易损坏加工表面覆盖的功能薄膜，并且触头容易磨损影响精度，响应频率不会很高等缺点。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种激光加工自动调焦装置，不但可用于金属工件和非金属工件的激光加工之中，而且具有结构简单、成本低廉和精度高的特点。

本发明提供的一种激光加工自动调焦装置，该装置包括Z轴移动系统、激光聚焦系统和控制系统；其特征在于，该装置还包括激光位移检测系统，控制系统与Z轴移动系统及激光位移检测系统电连接，激光位移检测系统与激光聚焦系统刚性连接在一起固定在Z轴移动系统上，随Z轴移动系统沿Z轴方向上下移动；控制系统根据激光位移检测系统提供的电信号的符号和幅值控制Z轴移动系统的位移。

本发明的基本原理是采用了激光三角测量原理，由激光位移检测系统的激光器对激光加工工件发射一束检测激光束，工件表面将检测激光束以一定角度反射回到激光位移检测系统的接收端，穿过透镜，聚焦成像在光线收集器(由CCD或CMOS组成的光线收集矩阵)上形成光斑。再通过电荷耦合器件将光线信号传入微处理器，将测量结果以模拟电信号的形式输出。改变激光位移检测系统和激光加工工件表面之间的距离，检测激光束的反射光线夹角和光线收集器上的光斑位置都会随之变化。由于激光线反射后的角度和被测工件的距离成比例，因此，在处理获得角度后，激光位移检测系统通过计算便可得到实际距离的变化值大小。当距离的变化值不为零时；即焦点发生偏移，将通过控制系统来调节Z轴移动系统，消除该变化值，使焦点重新回到原来位置，从而达到自动调焦的目的。如当加工激光聚焦平面在工件表面上时，设定激光位移检测系统将检测激光束反射回到接收端的光线角度产生的输出信号为零，故激光位移检测系统对控制系统输出信号为零，控制系统保持Z轴移动系统不移动。当因某种原因导致激光聚焦平面向下偏离工件表面某一距离时，激光位移检测系统的接收端测得的反射回激光线发生负角度和光线收集器上的光斑位置的变化，通过计算激光线负角度和光线收集器上的光斑位置的变化大小，将输出给控制系统一个相应幅值的负电信号(负电压或电流)，控制系统将根据电信号的符号和幅值来调节Z轴移动系统向上移动相同的某一距离，使加工激光聚焦平面重新回到工件表面上，反之亦然，从而达到激光自动调焦的目的。本发明具有如下优点：

1.不受材料性质的限制，即：金属和非金属均可应用，应用范围广；

2.由于是非接触测量，不受材料表面情况限制，不会损坏材料表面；

3.检测精度高，可达纳米级精度，故可用于纳米级的激光自动调焦高进度应用；

4.结构简单，价格低廉、稳定性好。

附图说明

图1为激光加工自动调焦一种具体实施方式的结构示意图；