用于激光加工中激光工作距离的测量工具的制作方法
【专利摘要】一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，包括基座，角度卡尺、高度卡尺、高度量爪和基准量爪；角度卡尺包括固定于基座上的角度主尺、可在角度主尺上滑动的角度游标和可将角度游标固定于角度主尺上的锁紧头；所述高度卡尺包括中部与角度游标固定连接、端部通过可转动连杆轴与基座连接的高度主尺、可在高度主尺上滑动的高度游标和可将高度游标固定于高度主尺上的定位螺钉；高度量爪的一端通过高度量爪更换装置与高度游标可拆卸连接，高度量爪的另一端设置有引导光斑通孔；基准量爪的一端通过基准量爪更换装置与基座可拆卸连接，基准量爪的另一端设置有引导光斑定位孔。该测量工具可精确快速地测量激光加工的激光工作距离并辅助定位激光头位置。
【专利说明】
用于激光加工中激光工作距离的测量工具
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，属于激光加工领域。
【背景技术】
[0002]激光熔覆技术中，同轴送粉由于没有方向性的限制，应用较多。以前的同轴送粉由于距离喷嘴较近，在高温下粉体容易堵塞喷嘴。为了解决该问题，最后通过粉末汇聚性试验、粉末粒子反弹试验、粉末利用率试验等选取了最佳的粉末管倾斜角度，设计了四孔式同轴送粉喷嘴。四孔式同轴送粉最大的特点是四个送粉管沿激光束通道外围轴向分布，粉末由四个送粉管送出，汇聚到型腔外离喷嘴有一定距离的轴线上的某一点，暂时称为交点。同样的一束平行的激光束通过透镜也是汇聚在轴线上的某一点。在激光熔覆中为了获得较高的激光能量密度和提高粉末的利用率，较为理想的熔覆工艺是四孔式同轴送粉的粉体交点和激光束的焦点能够尽可能的重合，在此称之为汇聚点，将汇聚点到熔覆头(也可称激光头)端部的距离称为激光工作距离。
[0003]激光熔覆中的激光工作距离对激光熔覆的质量有着很重要的影响。在实际应用中，激光工作距离在不同的加工工艺条件下不一样，为了达到最佳的加工质量，实际加工之前会通过一系列的试验方法得出最佳激光加工距离。在激光熔覆中，为了防止激光反射烧坏熔覆头和获得较好的熔覆质量，在激光熔敷中会调整熔覆头与工件成一定夹角(激光头倾角)，在激光焊中同样为了保护激光头和获得较好的焊接质量，使得激光头与焊接行走路径始终保持一定的夹角。这就导致由于空间位置的限制，一般的测量工具难以准确测量激光工作距离。确定最佳激光工作距离后，在实际激光熔覆中需将激光束的焦点调整到与粉体的交点重合的汇聚点处(也即调整激光头到工件表面距离为最佳激光工作距离)，再通过微调焦距获得合适的光斑直径，但是如何将汇聚点精确调整到熔覆工件表面是现有技术的一个难点。如果无法保证熔覆时的激光束的焦点与粉体的交点的汇聚点刚好在熔覆工件的表面，熔覆粉体材料的利用率就会很低，更重要的是难以保证每次熔覆时的熔覆质量。在激光焊中，如果无法保证激光束的焦点汇聚在加工件的表面，也无法保证激光焊接质量。
[0004]为了保证激光焊接质量和激光熔覆质量、提高激光熔覆效率，现多采用机械手来控制激光头的行走路径。而机械手在编成控制行走路径时运用最多的是示教式。通过人为控制让机械手在空间内捕捉一些特殊点(其中汇聚点是机械手示教式编程中要捕捉的一个空间位置特殊点)，然后通过一定的速度和轨迹连接这些特殊点，即可完成行走路径的编成。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具。该测量工具可精确快速地测量激光熔覆或者激光焊中的激光工作距离，也可以精确地用于激光头空间位置的辅助定位，提高激光熔覆和激光焊的加工质量。
[0006]本发明实现其发明目的所采取的技术方案是:一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，包括基座，角度卡尺、高度卡尺、高度量爪和基准量爪；
[0007]所述角度卡尺包括固定于基座上的角度主尺、可在角度主尺上滑动的角度游标和可将角度游标固定于角度主尺上任意位置的锁紧头；
[0008]所述高度卡尺包括中部与角度游标固定连接、端部通过可转动连杆轴与基座连接的高度主尺、可在高度主尺上滑动的高度游标和可将高度游标固定于高度主尺上任意位置的定位螺钉；
[0009]所述高度游标上设置有高度量爪更换装置，所述高度量爪的一端通过高度量爪更换装置与高度游标可拆卸连接，高度量爪的另一端设置有引导光斑通孔;所述基座上在高度量爪更换装置的同侧设置有基准量爪更换装置，所述基准量爪的一端通过基准量爪更换装置与基座可拆卸连接，基准量爪的另一端设置有引导光斑定位孔。
[0010]本发明的工作过程如下:
[0011 ]第一步，在进行激光焊或激光熔覆之前，将测量工具放置在工件上面，将高度量爪通过高度量爪更换装置安装于高度游标上，将基准量爪通过基准量爪更换装置安装于基座上。此处选择长度合适的高度量爪和基准量爪，高度量爪上设置的引导光斑通孔和基准量爪上设置的引导光斑定位孔的连线与角度主尺的平面平行。
[0012]第二步，使高度量爪和基准量爪在长度方向上平行，并保持基准量爪的长度方向与激光加工的起始路径垂直，让激光头的引导光斑照射在基准量爪上引导光斑定位孔中心位置。然后在角度主尺上面转动角度游标连同一体的高度主尺和高度主尺上的高度量爪，让引导光斑同时也穿过高度量爪上的引导光斑通孔中心，这时角度游标的刻度即为现在激光头所处位置的倾角的角度值，同时锁紧制动头。
[0013]第三步，保持高度主尺与基座之间的夹角不变，基准量爪的长度方向与激光加工的起始路径垂直。移动高度游标调整高度量爪到激光头端部位置，并且让激光头的引导光斑通过引导光斑通孔照射在引导光斑定位孔的中心。
[0014]第四步，保持引导光斑在引导光斑定位孔中央，微调高度游标，让高度量爪完全和激光头接触，拧紧高度游标的定位螺钉，高度主尺上的读数即为激光工作距离。
[0015]在实际应用中，最佳的激光头倾角Θ和激光工作距离D是根据加工工艺条件，通过反复试验，在保证加工质量、优化加工工艺之后得出的。在得出最佳的激光头倾角Θ和激光工作距离D后，本发明还可用于在激光加工中对激光头的辅助定位，辅助定位的工作过程是:
[0016]第一步，在进行激光焊或激光熔覆之前，将测量工具放置在工件上面，根据实际被加工件的与激光熔覆或激光焊的激光头空间位置，选择能达到测量位置的长度合适的高度测量爪和基准测量爪，将高度量爪通过高度量爪更换装置安装于高度游标上，将基准量爪通过基准量爪更换装置安装于基座上。此处需保证高度量爪和基准量爪在长度方向上平行，高度量爪上设置的引导光斑通孔和基准量爪上设置的引导光斑定位孔的连线与角度主尺的平面平行。
[0017]第二步，根据已知激光头的倾角Θ(根据试验确定的最佳激光头倾角Θ)，在角度主尺上面转动角度游标连同一体的高度主尺，将角度游标的刻度调整到激光头倾角Θ的角度值，同时锁紧制动头，此时高度主尺与基座之间的夹角即为激光头的倾角Θ。
[0018]第三步，保持高度主尺与基座之间的夹角不变，将高度游标调整到已知的激光工作距离D(根据试验确定的最佳激光工作距离D)，将高度游标调整到已知的激光工作距离D之后，拧紧高度游标的定位螺钉。
[0019]第四步，保持高度主尺与基座之间的夹角不变，调整高度量爪与基准量爪，使高度量爪和基准量爪均与预设的激光加工开始时的行走路径垂直，且使得引导光斑定位孔处于预设的激光加工的起始位置。微调机械手，使得固定在机械手上的激光熔覆或者激光焊的激光头到达高度测量爪的位置，并且使得激光器的引导光斑通过引导光斑通孔。然后，接着调整机械手臂带动激光头做轻微转动，使得引导光斑通过引导光斑通孔照射在引导光斑定位孔的中心位置。
[0020]第五步，保持机械手不动，在编程中定义机械手此时的空间位置为激光加工的起始位置。此时激光熔覆或激光焊的激光头所处的倾角即为Θ，激光头到加工的起始点的距离即为激光加工距离D。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]在激光熔覆中，该测量工具可精确快速地测量激光熔覆中激光工作距离，可针对不同加工条件下(如不同的激光功率，不同的加工行走速度等)，通过精确调整激光工作距离，优化工艺参数，得到可获得最佳激光质量的最佳激光工作距离和激光头倾角，然后帮助机械手捕捉激光加工的起始位置。机械手捕捉到激光加工的起始位置的定义编程之后，接下来就可以将起始点作为参考点完成一系列的行走路径的控制编程。这样就可以通过机械手自身的高精度来保证每一道激光加工路径都保持着最初的激光头倾角和激光工作距离，时刻控制激光束的焦点与粉体的交点的汇聚点精确地落在加工件的表面;从而提高每次激光熔覆的质量，提高熔覆粉体材料的利用率。
[0023]在激光焊接中，利用本发明的测量工具精确快速地测量激光焊中的激光工作距离，确定最佳激光工作距离和最佳激光头倾角，然后帮助机械手捕捉激光加工的起始位置。机械手捕捉到激光加工的起始位置的定义编程之后，接下来就可以将起始点作为参考点完成一系列的行走路径的控制编程。这样就可以通过机械手自身的高精度来保证每一道激光加工路径都保持着最初的激光头倾角和激光工作距离，时刻控制激光束的焦点精确地落在加工件的表面，还可以进一步的通过激光工作距离的精确调整，获得想要的离焦量，提高了测量的精度和速度，保证了每次激光加工的质量。
[0024]进一步，本发明所述基座上还设置有水平仪。
[0025]由于激光头倾角是激光头的轴线与水平线之间的夹角，故在测量激光工作距离时首先调整工件为水平放置可提高测量精度。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例激光熔覆示意图。
[0027]图2为本发明实施例正视示意图。
[0028]图3为本发明实施例侧视示意图。
[0029]图4为本发明实施例俯视示意图。
[0030]图5为本发明实施例激光工作距离的放大测量示意图。
【具体实施方式】
[0031 ] 实施例
[0032]图1示出激光熔覆的示意图，其中16为激光头(此处为简化示意图)，19为粉末通道，17为激光束，18为工件，激光头倾角为Θ，激光工作距离为D。
[0033]激光熔覆技术中，四个送粉管的粉末通过粉末通道19沿激光束通道外围轴向分布，粉末由四个送粉管送出汇聚到工件18上。激光头16射出的激光束17通过透镜汇聚在工件上。
[0034]图2、图3和图4不出，本发明的一种【具体实施方式】是:一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，包括基座I，角度卡尺、高度卡尺、高度量爪10和基准量爪11;
[0035]所述角度卡尺包括固定于基座I上的角度主尺3、可在角度主尺3上滑动的角度游标4和可将角度游标4固定于角度主尺3上任意位置的锁紧头5;
[0036]所述高度卡尺包括中部与角度游标4固定连接、端部通过可转动连杆轴2与基座I连接的高度主尺6、可在高度主尺6上滑动的高度游标7和可将高度游标7固定于高度主尺6上任意位置的定位螺钉8;
[0037]所述高度游标7上设置有高度量爪更换装置9，所述高度量爪10的一端通过高度量爪更换装置9与高度游标7可拆卸连接，高度量爪10的另一端设置有引导光斑通孔13;所述基座I上在高度量爪更换装置9的同侧设置有基准量爪更换装置15，所述基准量爪11的一端通过基准量爪更换装置15与基座I可拆卸连接，基准量爪11的另一端设置有引导光斑定位孔12。
[0038]本例中所述基座I上还设置有水平仪14。
[0039]图5示出，本发明实施例激光工作距离的放大测量示意图。其中，16为激光头(此处为简化示意图)，17为引导光斑，也即激光头射出的用于确定位置的激光束，18为工件，激光头倾角为Θ，激光工作距离为D。
【主权项】
1.一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，包括基座(I)，角度卡尺、高度卡尺、高度量爪(10)和基准量爪(11); 所述角度卡尺包括固定于基座(I)上的角度主尺(3)、可在角度主尺(3)上滑动的角度游标(4)和可将角度游标(4)固定于角度主尺(3)上任意位置的锁紧头(5); 所述高度卡尺包括中部与角度游标(4)固定连接、端部通过可转动连杆轴(2)与基座(I)连接的高度主尺(6)、可在高度主尺(6)上滑动的高度游标(7)和可将高度游标(7)固定于高度主尺(6)上任意位置的定位螺钉(8)。 所述高度游标(7)上设置有高度量爪更换装置(9)，所述高度量爪(10)的一端通过高度量爪更换装置(9)与高度游标(7)可拆卸连接，高度量爪(10)的另一端设置有引导光斑通孔(13);所述基座(I)上在高度量爪更换装置(9)的同侧设置有基准量爪更换装置(15)，所述基准量爪(11)的一端通过基准量爪更换装置(15)与基座(I)可拆卸连接，基准量爪(11)的另一端设置有引导光斑定位孔(12)。2.根据权利要求1所述的一种用于激光加工中激光工作距离的测量工具，其特征在于:所述基座(I)上还设置有水平仪(14)。
【文档编号】G01B5/14GK106091890SQ201610602220
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610602220.0, CN 106091890 A, CN 106091890A, CN 201610602220, CN-A-106091890, CN106091890 A, CN106091890A, CN201610602220, CN201610602220.0
【发明人】陈辉, 马元明, 刘艳, 吴影
【申请人】西南交通大学