[發明專利]一種激光束焦平面的確定方法

有效

• 申請號: 201410068886.3
• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN103862166A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 虞鋼;甘政濤;李少霞;寧偉健;鄭彩云
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: B23K26/02
• 分類號: B23K26/02
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及激光加工與制造技術領域，特別是涉及一種激光束焦平面的確定方法。

背景技術

為了使激光加工工件達到足夠的精度并且具有好的加工質量，各種激光加工、制造方法，如激光焊接、激光切割、激光熔覆等，都必須聚焦激光束并合理的選擇待加工工件平面與激光束焦平面之間的距離，即離焦量。但是問題在于如何確定激光束的焦平面與工件平面的相對位置。目前有一些方法能夠確定激光束的焦平面，例如，用激光束在基準工件上切割不同的槽，而不同的離焦量用于對應每個槽。隨后，基準工件被取下并且槽的寬度被手工測量。得到的最小的槽寬度的位置即為加工的焦點位置，這種方法相對復雜并且不能被自動化完成，并且必須通過基準工件而不能直接在待加工工件表面找到激光束的焦點，這樣將引入其他的測量誤差，影響精度。又如，通過CCD攝像機拍攝激光束照射在工件表面的光斑，通過圖像處理軟件，分析出光斑的面積，上下移動工件改變其與激光頭的相對位置，當圖像上的光斑面積最小時，激光束的焦平面與工件平面重合。該方法可以直接在待加工工件表面確定激光束的焦平面，但是需要復雜設備，對圖像處理軟件精度的要求很高。其最大的缺點在于，CCD的光譜響應范圍大約在0.2μm-1.06μm，如果激光束的波長不在這個范圍內時（如CO₂激光器波長為10.6μm），該方法因為無法拍攝到激光束的光斑而失效。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種激光束焦平面的確定方法。其包括如下步驟：

a.開啟激光器的指示光照射在工件表面，調整光電二極管的放置位置使反射后的指示光光束能照射在光電二極管的接收區域；

b.根據需要選擇合適的激光功率開啟激光器；

c.移動工作臺以改變工件與激光頭的距離，用光電二極管測量激光束在待加工表面反射后特定位置的光強，利用工控機采集計算光電二極管接收的光強極大值；

d.保存所述光強極大值對應的工作臺坐標，將工作臺移動到該坐標上，激光束焦平面確定完畢。

進一步地，激光束不垂直工件時，光電二極管位于激光束的反射中心。

進一步地，激光束垂直工件時，光電二極管靠近反射中心并且不被激光束直照射。

進一步地，所選擇的激光功率不使工件表面發生可見變化。

進一步地，根據激光器的波長，選擇響應波段包括激光波長的光電二極管。

進一步地，采用通用的排序算法計算光電二極管接收的光強極大值。

進一步地，所述通用的排序算法為冒泡排序法。

進一步地，對于易氧化或者易揮發的工件表面，通過減少表面粗糙度增強表面對激光束的反射率。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、該方法能直接在待加工工件表面確定激光束的焦平面，避免了由于使用基準平面而引入的誤差。

2、通過選擇不同響應波段的光電二極管，該方法可以適應各種不同波長的激光器。

3、通過閉環控制系統，該方法方便地實現了自動化確定激光束焦平面。

附圖說明

圖1為一種進行激光束焦平面的確定方法的實驗平臺示意圖。

圖2為焦點附近激光束的縱向剖面圖。

圖3為實驗結果示意圖。

圖4為激光束入射角度與對應的光電二極管放置位置示意圖。

圖5為驅動電路的電路圖。

具體實施方式

本發明所采用的技術方案是：如圖1所示的平臺包括激光頭（6）、光電二極管（4）及其夾具、待加工工件（3）、運動平臺（7）、光電二極管驅動電路（8）、信號調理采集模塊（9），工控機（10）。光電二極管驅動電路（8）的作用是將光電二極管（4）的接收到的光強值轉換為對應的電壓值，光電二極管驅動電路（8）的電路圖如圖5所示。信號調理采集模塊（9）包括：濾波模塊和A/D轉換模，它們塊均使用成熟的商業產品。

由于激光束的空間分布特性，如圖2所示，其中，d₀為束腰直徑，w₀為束腰半徑，Θ₀為束散角，θ₀為束散半徑，z_R為瑞利長度，z₀為束腰位置。聚焦后激光束在焦點位置最為匯聚，而離焦點位置越遠，發散作用越明顯。當激光束焦點位置照射在工件表面時，其反射的光強分布也最為匯聚，使其反射之后的光束軸線上的光強相比非焦點位置激光束的反射光強更強。這一結論在探測器位置位于反射中心附近時都有效。