[发明专利]基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法

说明书

基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法属于先进加工制造技术领域。现有技术定焦准确度低，光强自动搜索扫描的横向分辨力低。本发明其特征在于，根据两个光电探测器各自探测的光强电信号分别建立标定反射光‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线；由测量控制模块将‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线的光强信号逐点相减，获得差分轴向光强响应曲线，以差分轴向光强响应曲线为控制信号动态反馈控制扫描激光的聚焦；由测量控制模块将‑ΔZ离焦轴向光强响应曲线和+ΔZ离焦轴向光强响应曲线的光强信号逐点相加，获得加和轴向光强响应曲线；建立双轴扫描振镜的投影坐标系与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系的坐标转换矩阵；完成激光扫描投影。

技术领域

本发明涉及一种基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影方法，在智能制造和装配过程中，采用该方法实现各种零部件的激光辅助加工(如复合材料铺叠、蒙皮钻铆、焊接等)和指示定位装配，由扫描振镜实现激光循环扫描投影，将由三维CAD数模驱动的零部件三维外形轮廓激光线框准确投影显示在目标加工和装配区域，属于先进加工制造技术领域。

背景技术

激光扫描投影方法能够将待加工或者待装配的零部件，也就是待投影工件的三维外形轮廓以激光光线循环扫描投影的方式转换为激光线框并显示在目标加工和装配区域，该区域又称投影承接区域，从而实现各种零部件加工和装配辅助指示。

现有激光扫描投影方法包括以下各步骤，如图1、图2所示。

首先是扫描投影激光光斑的聚焦调整。激光器1出射的扫描投影激光先后通过聚焦模块2、分光棱镜3和双轴扫描振镜4向投影承接区域10投影，操作人员通过键盘或者遥控器等手动输入设备向测量控制模块6发送上下左右移动指令，由测量控制模块6向双轴扫描振镜4中的两个精密转角机构9发送转角控制信号，驱动双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13偏转，将扫描投影激光投射到投影承接区域10中。之后操作人员手动控制扫描激光的聚焦，由操作人员人眼观察并判断投影承接区域10中的激光光斑的聚焦情况，通过所述手动输入设备向测量控制模块6发送前后移动指令，由测量控制模块6向聚焦模块2中的精密位移机构8发送位移控制信号，驱动精密位移机构8前后移动，人眼观察判断光斑是否最小；当判断激光光斑达到最小时，则完成扫描投影激光光斑的聚焦调整。该步骤在一定程度上保证沿光轴方向的定焦准确度。

不过，现有方法该步骤未能利用扫描投影激光的标定反射光的光路分布来自动反馈控制扫描投影激光光斑的聚焦调整，人工操作难以最大程度提高定焦准确度。另外，现有方法是将扫描投影激光光斑汇聚于1～10米处，所述聚焦模块2须采用反远距型镜组，这种镜组的工作距离和像方焦距都在数米量级上，镜组的数值孔径(N.A.＝n×D/2f)势必极低，通常为10^-3，根据下式：

式中：Δx+和Δx-分别为前焦深和后焦深，f为镜组的像方焦距，D为镜组的通光孔径，a为像方焦点前后呈清晰像的弥散圆半径，可知镜组的焦深长达百毫米量级，人工进行聚焦调整难以得到最小的激光光斑。

其次是解算出双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-X^PY^PZ^P)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-X^OY^OZ^O)间的转换关系。

由于双轴扫描振镜4是精密转角器件，无法得知投影承接区域10的位置，无法确定反映待投影零部件三维外形轮廓特征的激光线框16应被扫描投影在哪里。这就需要确定投影承接区域10的位置，以及建立待投影工件三维CAD数模上任意点的三维坐标值与双轴扫描振镜4中的垂直扫描镜12和水平扫描镜13扫描角度值的对应关系，也就是建立双轴扫描振镜4的投影坐标系(P-X^PY^PZ^P)与待投影工件三维CAD数模的数模坐标系(O-X^OY^OZ^O)间的转换关系。