激光聚焦光斑定位方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种激光聚焦光斑定位装置，其包括至少具有X轴、Y轴、Z轴和工作台的机床、设置于所述Z轴的扫描头、设置于所述扫描头下方的聚焦镜、用于夹持一个标准块进行定位的夹具及传感器，所述工作台设置于所述X轴和所述Y轴、且通过所述X轴和所述Y轴实现移动，所述夹具和所述传感器均设置于所述工作台，所述传感器获取所述聚焦镜聚焦形成的激光聚焦光斑的坐标。本发明还提供一种激光聚焦光斑定位方法，采用非接触的方式将激光聚焦光斑位置和工件被加工区域的位置相重合，克服了接触式测量中对加工工件定位不准确的问题，从而可实现高精度的加工定位。所述激光聚焦光斑定位装置结构简单，易于操作实现所述激光聚焦光斑定位方法。
【专利说明】
激光聚焦光斑定位方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光聚焦光斑定位方法及装置。
【背景技术】
[0002] 激光加工是利用光束经过聚焦镜后的聚焦光斑（即"光刀"）进行零件加工。激光加 工无需工具，光束经聚焦镜聚焦后，能量高度集中，作为光刀对材料进行如打孔、切割、焊 接、复杂曲面刻蚀、超精细未加工等，其加工速度快，表面变形小，可加工材料范围广泛。
[0003] 在激光加工过程中，激光光束聚焦光斑的定位问题是影响加工质量和加工效率的 关键因素。在一些传统的加工设备中，对于加工位置的定位，一般采用与工件直接作用的方 式来进行，或者采用相机直接观察的方式来实现，这些方法虽在一定程度上提高了定位精 度，但由于其很容易引进外界误差，所以很难实现高精度的定位。
[0004] 近年来激光加工技术迅猛发展，各类激光加工系统(机床)得到了广泛应用。与传 统机床的区别在于，目前激光加工系统所需能量大，对工件加工质量要求高，激光聚焦光斑 (光刀）能量密度很高，热效应大，传统机床普遍采用的接触式的方法，由于其操作步骤繁 琐，工件成本高，对于激光加工行业已不适用。尤其在被加工区域位置精度要求较高的情况 下，光斑的定位精度直接影响到被加工区域的定位精度，传统的光斑定位技术已经不能满 足激光加工行业需求。因此，开发一种针对于激光加工行业的高精度的激光聚焦光斑定位 方法和装置是市场必然。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种激光聚焦光斑定位 方法及装置。
[0006] 一种激光聚焦光斑定位装置，其包括至少具有X轴、Y轴、Z轴和工作台的机床、设置 于所述Z轴的扫描头、设置于所述扫描头下方的聚焦镜、用于夹持一个标准块进行定位的夹 具及传感器，所述工作台设置于所述X轴和所述Y轴、且通过所述X轴和所述Y轴实现移动，所 述夹具和所述传感器均设置于所述工作台，所述传感器获取所述聚焦镜聚焦形成的激光聚 焦光斑的坐标，并和加工件在所述机床上的坐标进行换算定位。
[0007] 本发明一较佳实施方式中，所述夹具具有垂直的X靠面和Y靠面，所述X靠面和所述 Y靠面的一个相交点为所述机床的原点。
[0008] 本发明一较佳实施方式中，所述标准块为正方体结构，其X边和Y边分别抵靠于所 述夹具的X靠面和Y靠面。
[0009] 本发明一较佳实施方式中，所述传感器为CCD感测器，其接受端装有用以保护所述 传感器不被损坏的滤光片。
[0010] -种激光聚焦光斑定位方法，其包括如下步骤：
[0011] S101、将安装有标准块的夹具通过机床的工作台移动至聚焦镜的下方，使用所述 机床在所述标准块距离所述夹具的原点较近的位置画一个第一标记圆，记录所述机床的X 轴坐标和Y轴坐标；
[0012] S102、将所述标准块取下，并置于测量显微镜下，通过拟合的方式获取所述第一标 记圆的中心坐标，使用所述显微镜的测距功能分别测出所述第一标记圆的圆心距离所述标 准块的X边的距离和所述第一标记圆的圆心距离所述标准块的Υ边的距离，即获得激光聚焦 光斑相对于所述夹具的原点的坐标和激光聚焦光斑在所述机床中的坐标；
[0013] S103、将安装在所述机床的工作台上的传感器移动至所述聚焦镜的下方，使用所 述机床以传感器的靶面的中心坐标为圆心画一个第二标记圆，记录所述机床的坐标，即所 述传感器在所述机床中的坐标，进而可获得所述传感器的中心坐标和所述夹具的原点的位 置关系；
[0014] S104、使用所述传感器确定所述聚焦光斑的位置坐标，再将其和加工件在机床上 的坐标进行换算。
[0015] 本发明一较佳实施方式中，所述机床的工作台通过X轴与/或Υ轴移动。
[0016] 本发明一较佳实施方式中，所述传感器的接受端装有用以保护传感器不被损坏的 滤光片。
[0017] 本发明一较佳实施方式中，通过Ζ轴的上下移动，对聚焦不同位置的光斑位置测 量，记录所述传感器的坐标位置，计算出光束轴线与所述Ζ轴的倾斜角度，与要求角度比对， 即可实现光束的倾斜测量。
[0018] 本发明一较佳实施方式中，所述传感器为(XD感测器，用于记录光斑坐标位置的特 性及时序或时间特性，将测得的一系列具有时序特性的光斑坐标位置直接记录，或通过最 小二乘法进行轨迹拟合，将拟合所得的轨迹与要求轨迹比对，即可实现对光学扫描头扫描 精度的在线测试。
[0019] 本发明一较佳实施方式中，所述CCD感测器至少具有8位的采样位数、至少具有256 阶强度分辨能力；其对入射的光斑的能量分布进行量化显示，并通过软件对分布曲线进行 拟合，所述分布曲线呈高斯函数^"^分布，光强从中心向外平滑的降落，光强降低为峰值 强度的-1、·时，光斑的直径定义为光束直径;通过Ζ轴带动所述聚焦镜上下移动，进行距所述 /：? 聚焦镜不同位置的垂直光束轴面内的所述光束直径的测试。
[0020] 本发明一较佳实施方式中，通过对所述聚焦镜焦点前后不同位置的所述光束直径 的测量，并对测量数据进行双曲线拟合，可获得最小光束直径为束腰直径，标记为ω 〇;双曲 线的法线与所述Ζ轴所成的角度为远场发散角，标记为θ〇;激光束的波长λ和常数π为已知， 可由此计算出激光的光束质量Μ 2因子：
[0021]
[0022] 即可实现对光束质量Μ2因子的在线测量。
[0023] 相对于现有技术，本发明提供的激光聚焦光斑定位方法采用非接触的方式将激光 聚焦光斑位置和工件被加工区域的位置相重合，克服了接触式测量中对加工工件定位不准 确的问题，从而可实现高精度的加工定位。所述激光聚焦光斑定位装置结构简单，易于操作 实现所述激光聚焦光斑定位方法。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明第一实施例提供的激光聚焦光斑定位装置的组成示意图；
[0025] 图2为图1所示激光聚焦光斑定位装置中夹具的示意图；
[0026] 图3为本发明第二实施例提供的激光聚焦光斑定位方法的流程图；
[0027] 图4为采用图3所示激光聚焦光斑定位方法进行标准块画圆测试的示意图；
[0028] 图5为采用图3所示激光聚焦光斑定位方法进行传感器靶面画圆的示意图；
[0029] 图6为采用图3所示激光聚焦光斑定位方法进行激光聚焦光斑的位置坐标测量及 调整流程示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专 利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间 接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
[0031] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个 相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0032] 请参阅图1，本发明第一实施例提供一种激光聚焦光斑定位装置，其包括至少具有 X轴（图未示）、Y轴（图未示）、Z轴11和工作台12的机床10、设置于所述Z轴11的扫描头13、设 置于所述扫描头13下方的聚焦镜14、用于夹持一个标准块15(如图2所示)进行定位的夹具 16及传感器17，所述工作台12设置于所述X轴和所述Y轴、且通过所述X轴和所述Y轴实现移 动，所述夹具16和所述传感器17均设置于所述工作台12,所述传感器17获取所述聚焦镜14 聚焦形成的激光聚焦光斑的坐标，并和加工件在所述机床上的坐标进行换算定位。
[0033] 可以理解的是，所述工作台12通过所述X轴和所述Y轴实现移动时，可以移动所述 夹具16和所述传感器17,如将所述夹具16移动至所述聚焦镜14的下方。本实施例中，所述机 床10为三轴机床，当然，并不局限于此，所述机床也可以为四轴、五轴或六轴机床。
[0034] 本实施例中，通过所述Z轴11的上下移动，对聚焦不同位置的光斑位置测量，记录 所述传感器17的坐标位置，可计算出光束轴线与所述Z轴11的倾斜角度，与要求角度比对， 即可实现光束的倾斜测量。
[0035] 请参阅图2，所述夹具16具有垂直的X靠面18和Y靠面19，所述X靠面18和所述Y靠面 19的一个相交点为所述机床10的原点20。具体地，所述X靠面18和所述Y靠面19分别和所述 机床10的X轴和Y轴使用千分表打平，所述标准块15由所述X靠面18和所述Y靠面19夹持。所 述X靠面18和所述Y靠面19相交处定为坐标原点，坐标定为(0,0)，该原点可认为是所述机床 10的原点，即整个加工系统的原点。
[0036] 本实施例中，通过对所述聚焦镜14焦点前后不同位置的光束直径的测量，并对测 量数据进行双曲线拟合，可获得最小光束直径为束腰直径，标记为ω%双曲线的法线与Z轴 11所成的角度为远场发散角，标记为θ〇。激光束的波长λ和常数π已知，可由此计算出激光的 光束质量Μ2因子：
[0037]
[0038] 即可实现对光束质量Μ2因子的在线测量。
[0039]所述标准块15用于测试激光加工位置，其一般为正方体结构，具有完全垂直的X边 和Υ边，本实施例中，所述标准块15的X边和Υ边分别抵靠于所述夹具16的X靠面18和Υ靠面 19,所述标准块15的上表面用千分表打平后固定。
[0040] 本实施例中，所述传感器17为CCD感测器，可记录光斑坐标位置的特性，同时还具 有记录时序或时间特性，可将测得的一系列具有时序特性的光斑坐标位置直接记录，或通 过最小二乘法进行轨迹拟合，将拟合所得的轨迹与要求轨迹比对，即可实现对光学扫描头 扫描精度的在线测试。优选地，CCD感测器至少具有8位的采样位数，至少具有256阶强度分 辨能力。CCD传感器可对入射的光斑的能量分布进行量化显示，并可通过软件对分布曲线进 行拟合，该曲线一般呈高斯函数^^^分布，光强按此规律从中心向外平滑的降落，光强降 低为峰值强度的^时光斑的直径，定义为光束直径。通过Ζ轴带动聚焦镜上下移动，本装置 e : 可进行距聚焦镜不同位置的垂直光束轴面内的光束直径的测试。
[0041] 可以理解的是，所述传感器17接收到激光聚焦光斑的信息时，可以通过图像处理 的方式或其它方式，实时、精确地获取所述激光聚焦光斑的质心坐标值。优选地，所述传感 器17的接受端装有用以保护所述传感器17不被损坏的滤光片（图未示）。
[0042]请参阅图3,本发明第三实施例提供一种激光聚焦光斑定位方法，其包括如下步 骤：
[0043] S101、将安装有标准块15的夹具16通过机床10的工作台12移动至聚焦镜14的下 方，使用所述机床10在所述标准块15距离所述夹具16的原点较近的位置画一个第一标记圆 21，如图4所示，记录所述机床10的X轴坐标和Y轴坐标。
[0044] 具体地，即记录画所述第一标记圆21时，所述机床10的X轴坐标XI和Y轴坐标Y1。 [0045]可以理解的是，所述机床10的工作台12通过X轴与/或Y轴移动，具体地，单独通过X 轴可以实现X轴方向移动，单独通过Y轴可以实现Y轴方向移动，组合X轴和Y轴则可以实现XY 平面的移动。
[0046] S102、将所述标准块15取下，并置于测量显微镜（图未示)下，通过拟合的方式获取 所述第一标记圆21的中心坐标，使用所述显微镜的测距功能分别测出所述第一标记圆21的 圆心距离所述标准块15的X边的距离和所述第一标记圆21的圆心距离所述标准块15的Y边 的距离，即获得激光聚焦光斑相对于所述夹具16的原点的坐标和激光聚焦光斑在所述机床 10中的坐标。
[0047] 具体地，可获得激光聚焦光斑相对于所述夹具16的原点的坐标为（ΔΧ1，ΔΥ1)，进 而，据此可进一步获得激光聚焦光斑在所述机床10中的坐标为(Χ〇 = Χ1-ΔΧ1，ΥΟ = Υ1-Δ Yl)〇
[0048] S103、将安装在所述机床10的工作台12上的传感器17移动至所述聚焦镜14的下 方，使用所述机床10以传感器17的靶面171的中心坐标为圆心画一个第二标记圆22,如图5 所示，记录所述机床10的坐标，即所述传感器17在所述机床10中的坐标，进而可获得所述传 感器17的中心坐标和所述夹具16的原点的位置关系。
[0049] 具体地，使用所述机床10以传感器17的靶面171的中心坐标为圆心画一个第二标 记圆2 2时，所记录的所述机床10的坐标为(X2，Y2 )，此坐标即所述传感器17在所述机床10中 的坐标，进而可获得所述传感器17的中心坐标和所述夹具16的原点的位置关系为(X2-X0， Y2-Y0)。
[0050] S104、使用所述传感器17确定所述聚焦光斑的位置坐标，再将其和加工件在机床 10上的坐标进行换算。
[0051] 具体地，所述传感器17可接收激光聚焦光斑的信息，通过所述工作台12,所述传感 器17的靶面171可调整至所述聚焦镜14的下方。
[0052]本实施例中，所述传感器17为CCD感测器，可记录光斑坐标位置的特性，同时还具 有记录时序或时间特性，可将测得的一系列具有时序特性的光斑坐标位置直接记录，或通 过最小二乘法待进行轨迹拟合，将拟合所得的轨迹与要求轨迹比对，即可实现对光学扫描 头扫描精度的在线测试。优选地，CCD感测器至少具有8位的采样位数，至少具有256阶强度 分辨能力。CCD传感器可对入射的光斑的能量分布进行量化显示，并可通过软件对分布曲线 进行拟合，该曲线一般呈高斯函数分布，光强按此规律从中心向外平滑的降落，光强 降低为峰值强度的^时光斑的直径，定义为光束直径。通过Z轴带动聚焦镜上下移动，本装 置可进行距聚焦镜不同位置的垂直光束轴面内的光束直径的测试。
[0053]可以理解的是，所述传感器17接收到激光聚焦光斑的信息时，可以通过图像处理 的方式或其它方式，实时、精确地获取所述激光聚焦光斑的质心坐标值。优选地，所述传感 器17的接受端装有用以保护所述传感器17不被损坏的滤光片（图未示）。
[0054]可以理解的是，所述传感器17相对于所述机床10的位置是完全固定的，即所述传 感器17获得的激光聚焦光斑的坐标值相对于所述机床是固定的，由此，通过此种方法，即可 获得激光聚焦光斑在所述机床1〇(即整个机床坐标系统）中的准确位置。在所述机床10进行 加工前或其它需要确认激光聚焦光斑的坐标时，将所述传感器17移至所述聚焦镜14下方直 至所述传感器17可接受到准确的激光聚焦光斑坐标，将获取的激光聚焦光斑坐标值和所述 机床10的原始记录的坐标值(可认为坐标零点）对比，若有差值，即为激光聚焦光斑位置的 变化量，可通过所述机床10的运动轴(X轴、Y轴)将所述传感器17调整至坐标零点(所述机床 10的原始记录的坐标值）。
[0055] 可以理解的是，通过编程处理，可实现激光聚焦光斑的自动找正。
[0056] 本实施例中，所述激光聚焦光斑定位方法利用所述传感器17完成所述机床10中激 光聚焦光斑的坐标位置的测量，并将该位置与所述机床10的坐标系对应起来。对于在所述 机床10中有精确位置的工件而言，仅需将激光聚焦光斑位置与工件被加工区域的位置相重 合，即可完成高精度的加工。
[0057] 可以理解的是，当所述机床10为全自动的智能加工系统时，将工件置于所述机床 10的夹具16上后，所述机床10的三维扫描系统即可快速完成工件形貌数据的扫描，并对数 据进行拟合形成三维图形输出到所述机床10的坐标系中，然后在拟合出来的工件表面进行 坐标定位，该坐标定位点与所述机床10的坐标系完全对应。同时，激光聚焦光斑在所述机床 10中的位置坐标也被测量并输入所述机床10的坐标系统。然后，所述机床10将工件坐标定 位点与激光聚焦光斑坐标对应起来，即可实现高精度的加工定位。
[0058] 请参阅图6,采用所述激光聚焦光斑定位方法进行激光聚焦光斑的位置坐标测量 及调整的流程如下：
[0059] A、将激光器的功率调至足够小，打开激光器的快门。
[0060] B、通过所述机床10 (即激光加工系统）的运动轴(X轴、Y轴、Z轴）的调整，将所述传 感器17(即测量装置)调到所述聚焦镜14的下方，并将激光器移动到坐标标记点（首次使用 确认的零点）。
[0061 ] C、读取此时所述机床10的运动轴的坐标，并和原始记录进行对比。
[0062] D、如果对比后的偏差在要求范围内，则允许所述机床10正常运行。
[0063] E、如果对比后的偏差在可调节范围内，则允许所述机床10进行修正，修正后允许 加工。
[0064] F、如果对比后的偏差超出调节允许范围，则需对激光光路进行调节，调节完成后 允许加工。
[0065] 相较于现有技术，所述激光聚焦光斑定位方法采用非接触的方式将激光聚焦光斑 位置和工件被加工区域的位置相重合，克服了接触式测量中对加工工件定位不准确的问 题，从而可实现高精度的加工定位。所述激光聚焦光斑定位装置结构简单，易于操作实现所 述激光聚焦光斑定位方法。
[0066] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种激光聚焦光斑定位装置，其特征在于，包括至少具有X轴、Y轴、Z轴和工作台的机 床、设置于所述Z轴的扫描头、设置于所述扫描头下方的聚焦镜、用于夹持一个标准块进行 定位的夹具及传感器，所述工作台设置于所述X轴和所述γ轴、且通过所述X轴和所述γ轴实 现移动，所述夹具和所述传感器均设置于所述工作台，所述传感器获取所述聚焦镜聚焦形 成的激光聚焦光斑的坐标，并和加工件在所述机床上的坐标进行换算定位。2. 如权利要求1所述的激光聚焦光斑定位装置，其特征在于，所述夹具具有垂直的X靠 面和Y靠面，所述X靠面和所述Y靠面的一个相交点为所述机床的原点。3. 如权利要求2所述的激光聚焦光斑定位装置，其特征在于，所述标准块为正方体结 构，其X边和Y边分别抵靠于所述夹具的X靠面和Y靠面。4. 如权利要求1所述的激光聚焦光斑定位装置，其特征在于，所述传感器为CCD感测器， 其接受端装有用以保护所述传感器不被损坏的滤光片。5. -种激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，包括如下步骤： 5101、 将安装有标准块的夹具通过机床的工作台移动至聚焦镜的下方，使用所述机床 在所述标准块距离所述夹具的原点较近的位置画一个第一标记圆，记录所述机床的X轴坐 标和Y轴坐标； 5102、 将所述标准块取下，并置于测量显微镜下，通过拟合的方式获取所述第一标记圆 的中心坐标，使用所述显微镜的测距功能分别测出所述第一标记圆的圆心距离所述标准块 的X边的距离和所述第一标记圆的圆心距离所述标准块的Y边的距离，即获得激光聚焦光斑 相对于所述夹具的原点的坐标和激光聚焦光斑在所述机床中的坐标； 5103、 将安装在所述机床的工作台上的传感器移动至所述聚焦镜的下方，使用所述机 床以传感器的靶面的中心坐标为圆心画一个第二标记圆，记录所述机床的坐标，即所述传 感器在所述机床中的坐标，进而可获得所述传感器的中心坐标和所述夹具的原点的位置关 系； 5104、 使用所述传感器确定所述聚焦光斑的位置坐标，再将其和加工件在所述机床上 的坐标进行换算。6. 如权利要求5所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，所述机床的工作台通过X 轴与/或Y轴移动。7. 如权利要求5所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，所述传感器的接受端装有 用以保护传感器不被损坏的滤光片。8. 如权利要求5所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，通过Z轴的上下移动，对聚 焦不同位置的光斑位置测量，记录所述传感器的坐标位置，计算出光束轴线与所述Z轴的倾 斜角度，与要求角度比对，即可实现光束的倾斜测量。9. 如权利要求5所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，所述传感器为CCD感测器， 用于记录光斑坐标位置的特性及时序或时间特性，将测得的一系列具有时序特性的光斑坐 标位置直接记录，或通过最小二乘法进行轨迹拟合，将拟合所得的轨迹与要求轨迹比对，即 可实现对光学扫描头扫描精度的在线测试。10. 如权利要求9所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，所述CCD感测器至少具有 8位的采样位数、至少具有256阶强度分辨能力;其对入射的光斑的能量分布进行量化显示， 并通过软件对分布曲线进行拟合，所述分布曲线呈高斯函数^^^分布，光强从中心向外平 滑的降落，光强降低为峰值强度的^时，光斑的直径定义为光束直径;通过Z轴带动所述聚 焦镜上下移动，进行距所述聚焦镜不同位置的垂直光束轴面内的所述光束直径的测试。11.如权利要求10所述的激光聚焦光斑定位方法，其特征在于，通过对所述聚焦镜焦点 前后不同位置的所述光束直径的测量，并对测量数据进行双曲线拟合，可获得最小光束直 径为束腰直径，标记为ωο;双曲线的法线与所述Z轴所成的角度为远场发散角，标记为θο;激 光束的波长λ和常数31为已知，可由此计算出激光的光束质量Μ 2因子：即可实现对光束质量Μ2因子的在线测量。
【文档编号】B23K26/042GK105855696SQ201610304773
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】王宁, 杨小君, 康伟, 田冰心
【申请人】西安中科微精光子制造科技有限公司