一种激光加工中的焦点位置确定设备、方法及装置与流程

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工中的焦点位置确定设备、方法及装置。

背景技术：

目前，激光加工技术由于其能量密度高，焊接变形小，同时焊接过程易于集成化、自动化、柔性化，可高精度、高效焊接等优点，近年来在航空航天、汽车、机械制造等领域得到了广泛的应用。在激光加工领域中，本领域普遍认为，激光加工中激光焦点与待加工工件之间的距离(即离焦量Δf)，是影响激光焊接质量的关键因素之一，其直接影响焊缝的内部气孔与表面成形。在航空航天产品中，一般对于结构件的疲劳寿命均有较高的要求，因此如何精确控制激光焦点位置，或者控制离焦量Δf，对于激光加工来说至关重要。

目前，激光加工过程中激光焦点位置的确定方法，一般采用机械式或者采用电容传感器方式进行。其中，在机械式方法，首次确定焦点位置，一般是根据零件型面情况采用对焦顶针接触方式模拟焦点位置进行示教编程处理。例如，如图1所示，激光束102通过聚焦透镜101后，其焦点位置103(此处焦点位置103在待焊工件104表面)距离聚焦透镜101的距离为H。根据现有激光头处的尺寸，测量图1中h1的尺寸，然后加工对焦顶针105，使得对焦顶针105的尺寸h2＝H-h1。对焦顶针105与聚焦透镜101部位螺纹连接，此时对焦顶针105针尖部位就是激光焦点103位置。示教过程中，将焊接喷嘴106拆卸下来换上加工好尺寸的对焦顶针105，即可确定激光焦点的位置。然而，对于机械式方法，在加工薄壁刚性较差的曲面零件时，由于其型面与数模的差异性，需根据曲面零件的实际形状，逐点采集，采用多点拟合曲线的方式确定激光焦点始终处于工件表面，该过程费时、费力。另外，电容传感器方式一般用于激光切割过程中，其原理是采用传感器测量工件与激光加工头之间的电容差情况，随着激光头与工件之间的距离变化，其两者之间的电容也会发生变化，来调节激光切割过程中焦点位置情况。但电容传感器方式目前只应用与激光切割中，焊接加工过程中由于焊接热输入较大，其较多的热量对传感器有极大的破坏性，同时焊接过程中产生的等离子体对信号干扰较为严重，目前电容传感器尚未在激光加工过程中应用。因此，激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，是影响激光加工质量与效率的关键。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种激光加工中的焦点位置确定设备、方法及装置，以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光加工中的焦点位置确定设备，包括：具有环形壁的激光加工头、聚焦透镜、CCD同轴视场监视器以及多路激光指示光发生器；

所述聚焦透镜设置于所述具有环形壁的激光加工头中；所述多路激光指示光发生器设置于所述环形壁周围，以用于发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠；所述CCD同轴视场监视器设置于具有环形壁的激光加工头的上端，以监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。

具体的，所述多路激光指示光发生器中每两路激光指示光发生器为一组激光指示光发生器，每一组激光指示光发生器相对于环形壁形成的圆周中心呈轴对称。

一种激光加工中的焦点位置确定方法，应用于上述的激光加工中的焦点位置确定设备，方法包括：

在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠；

控制CCD同轴视场监视器监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。

具体的，所述多路激光指示光发生器中每两路激光指示光发生器为一组激光指示光发生器，每一组激光指示光发生器相对于环形壁形成的圆周中心呈轴对称；所述控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面，包括：

控制一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面；所述两路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

进一步的，该激光加工中的焦点位置确定方法，还包括：

若一组激光指示光发生器发出的两路激光指示光被遮挡而无法照射工件表面，控制被遮挡的两路激光指示光对应的激光指示光发生器关闭；

控制另一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。

具体的，所述重叠情况信息包括两路激光指示光照射工件表面的入射角度α、两路激光指示光在工件表面完全重叠时的光斑直径d、两路激光指示光在工件表面未完全重叠时的光斑最大直径D。

具体的，通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置，包括：

根据公式：

$\mathrm{\Δ}f=tan\mathrm{\α}\·\frac{D-d}{2}$

确定两路激光指示光照射工件表面的离焦量Δf；所述离焦量Δf为两路激光指示光照射的工件表面与激光加工焦点位置的距离；

根据所述离焦量Δf确定激光加工的焦点位置。

具体的，根据所述离焦量Δf确定激光加工的焦点位置，包括：

若Δf＝0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面；

若Δf＞0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面上方Δf处；

若Δf＜0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面下方-Δf处。

一种激光加工中的焦点位置确定装置，应用于上述的激光加工中的焦点位置确定设备，所述激光加工中的焦点位置确定装置包括：

激光指示光发生器控制单元，用于在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠；

CCD同轴视场监视器控制单元，用于控制CCD同轴视场监视器监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息；

激光加工的焦点位置确定单元，用于通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。

此外，所述多路激光指示光发生器中每两路激光指示光发生器为一组激光指示光发生器，每一组激光指示光发生器相对于环形壁形成的圆周中心呈轴对称；所述激光指示光发生器控制单元，具体用于：

控制一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面；所述两路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

进一步的，所述激光指示光发生器控制单元，还用于：

在一组激光指示光发生器发出的两路激光指示光被遮挡而无法照射工件表面时，控制被遮挡的两路激光指示光对应的激光指示光发生器关闭；

控制另一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。

具体的，所述CCD同轴视场监视器控制单元所监测的重叠情况信息包括两路激光指示光照射工件表面的入射角度α、两路激光指示光在工件表面完全重叠时的光斑直径d、两路激光指示光在工件表面未完全重叠时的光斑最大直径D。

此外，所述激光加工的焦点位置确定单元，具体用于：

根据公式：

$\mathrm{\Δ}f=tan\mathrm{\α}\·\frac{D-d}{2}$

确定两路激光指示光照射工件表面的离焦量Δf；所述离焦量Δf为两路激光指示光照射的工件表面与激光加工焦点位置的距离；

根据所述离焦量Δf确定激光加工的焦点位置。

进一步的，所述激光加工的焦点位置确定单元，具体还用于：

在Δf＝0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面；

在Δf＞0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面上方Δf处；

在Δf＜0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面下方-Δf处。

本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定设备、方法及装置，该设备包括：具有环形壁的激光加工头、聚焦透镜、CCD同轴视场监视器以及多路激光指示光发生器；所述聚焦透镜设置于所述具有环形壁的激光加工头中；所述多路激光指示光发生器设置于所述环形壁周围，以用于发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠；所述CCD同轴视场监视器设置于具有环形壁的激光加工头的上端，以监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。本发明通过多路激光指示光照射在工件表面的重叠情况信息，可便捷准确地确定激光加工的焦点位置，从而可以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中激光加工过程中激光焦点位置的机械式确定方案示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定设备的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定设备的环形壁与激光指示光发生器的结构关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定方法的流程图一；

图5为本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定方法的流程图二；

图6为本发明实施例中的两路激光指示光的重叠情况示意图一；

图7为本发明实施例中的两路激光指示光的重叠情况示意图二；

图8为本发明实施例中的激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面上方的示意图；

图9为本发明实施例中的激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面下方的示意图；

图10为本发明实施例中的两路激光指示光照射工件表面的示意图；

图11为本发明实施例中的两路激光指示光照射工件表面后，光斑最大直径D与离焦量Δf的关系示意图；

图12为本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供一种激光加工中的焦点位置确定设备，包括：具有环形壁201的激光加工头202、聚焦透镜203、CCD同轴视场监视器204以及多路激光指示光发生器205。

该聚焦透镜203设置于具有环形壁201的激光加工头202中。该多路激光指示光发生器205设置于所述环形壁201周围(此处可以如图3所示，在图3中列举了6个激光指示光发生器205，需要说明的是，该多路激光指示光发生器205的数量不仅局限于此，还可以是4个、8个、10个甚至更多，此处不再一一列举)，以用于发出多路激光指示光206照射工件207表面；所述多路激光指示光206能在激光加工焦点位置208重叠；所述CCD同轴视场监视器204设置于具有环形壁201的激光加工头202的上端，以监测多路激光指示光206在工件207表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置208(在图2中，激光加工的焦点位置208刚好处于工件207表面，但实际情况下，激光加工的焦点位置208可以在该工件207表面上方或者下方，具体可以参见后面的方法实施例)。

具体的，如图3所示，该多路激光指示光发生器205中每两路激光指示光发生器205为一组激光指示光发生器，每一组激光指示光发生器205相对于环形壁201形成的圆周中心呈轴对称。

上述的CCD同轴视场监视器为一种CCD(Charge-coupled Device)图像传感器，也称为图像控制器。

上述的激光指示光的直径可以为1至10mm，波场可以为938nm，但不仅局限于此。

本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定设备，其包括：具有环形壁的激光加工头、聚焦透镜、CCD同轴视场监视器以及多路激光指示光发生器；所述聚焦透镜设置于所述具有环形壁的激光加工头中；所述多路激光指示光发生器设置于所述环形壁周围，以用于发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠；所述CCD同轴视场监视器设置于具有环形壁的激光加工头的上端，以监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。本发明通过多路激光指示光照射在工件表面的重叠情况信息，可便捷、准确地确定激光加工的焦点位置，从而可以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

如图4所示，本发明实施例提供一种激光加工中的焦点位置确定方法，应用于上述图2、图3所示的激光加工中的焦点位置确定设备，该方法包括：

步骤301、在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面。

其中，所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

步骤302、控制CCD同轴视场监视器监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息，并通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。

本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定方法，在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面。之后通过多路激光指示光照射在工件表面的重叠情况信息，可便捷、准确地确定激光加工的焦点位置，从而可以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个更为详细的实施例，如图5所示，本发明实施例提供一种激光加工中的焦点位置确定方法，应用于上述图2、图3所示的激光加工中的焦点位置确定设备，该方法包括：

步骤401、在激光加工过程中，控制一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。

其中，所述两路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

在步骤401之后，执行步骤402或者步骤404。

步骤402、若一组激光指示光发生器发出的两路激光指示光被遮挡而无法照射工件表面，控制被遮挡的两路激光指示光对应的激光指示光发生器关闭。

步骤403、控制另一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。

在上述图2、图3中的激光加工中的焦点位置确定设备中，多路激光指示光发生器采用防遮挡排布方式设计，各指示光之间呈轴对称分布，正常工作时，相对的两路激光指示光工作。当遇到大曲率工件或者其它异物遮挡两路激光指示光中的任意一路时，需要将被遮挡的两路激光指示光对应的激光指示光发生器关闭，并控制另一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。在步骤403之后继续执行步骤404。

步骤404、控制CCD同轴视场监视器监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息。

其中，所述重叠情况信息包括两路激光指示光照射工件表面的入射角度α、两路激光指示光在工件表面完全重叠时的光斑直径d、两路激光指示光在工件表面未完全重叠时的光斑最大直径D。

两路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠，若激光加工焦点位置在工件表面上方，则重叠情况信息如图6所示。若激光加工焦点位置在工件表面下方，则重叠情况信息如图7所示。

步骤405、根据公式：

$\mathrm{\Δ}f=tan\mathrm{\α}\·\frac{D-d}{2}$

确定两路激光指示光照射工件表面的离焦量Δf。此处的公式是根据三角函数关系获得的。

其中，所述离焦量Δf为两路激光指示光照射的工件表面与激光加工焦点位置的距离。

步骤406、根据所述离焦量Δf确定激光加工的焦点位置。

在步骤406中，若Δf＝0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面。

如图8所示，若Δf＞0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面上方Δf处。

如图9所示，若Δf＜0，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面下方-Δf处。

下面列举一个具体实例来说明上述步骤401至步骤406的具体效果，以5000W IPG激光器作为光源，以250mm焦长HighYAG激光焊接头作为激光聚焦系统。在激光焊接头环形壁周围安装有6个激光指示光发生器(具体可以参见图2和图3所示的结构)，激光指示光的光束直径5.91mm，波长938nm，单束指示光能量为5mw。6束指示光能在激光加工的焦点位置重叠。激光指示光与水平工件之间的夹角α为80度。在激光焊接头上方安装带标尺的CCD同轴视场监视器，观测光斑重叠情况。通过步骤405的公式可计算出不同光斑重叠情况下，对应的Δf离焦量情况，如图10和图11与表1所示。Δf的数值表示的就是激光加工的焦点位置距离激光指示光照射的工件表面的距离，即激光加工中的焦点位置相对于工件的位置。

如果想进一步确定焦点位置位于工件的上方或者下方，可以上、下移动激光头。例如，向上移动激光头时，如果D值一直变大说明激光焦点位于工件的上方，如果D值先变小然后变大，说明原激光焦点位于工件的下方。

表1：α为80度时离焦量Δf与D的对应关系

本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定方法，在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面。之后通过多路激光指示光照射在工件表面的重叠情况信息，可便捷、准确地确定激光加工的焦点位置，从而可以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

对应于上述图4和图5所示的方法实施例，如图12所示，本发明实施例提供一种激光加工中的焦点位置确定装置，应用于上述图2和图3所示的激光加工中的焦点位置确定设备，所述激光加工中的焦点位置确定装置包括：

激光指示光发生器控制单元51，用于在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面；所述多路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

CCD同轴视场监视器控制单元52，用于控制CCD同轴视场监视器监测多路激光指示光在工件表面的重叠情况信息。

激光加工的焦点位置确定单元53，用于通过所述重叠情况信息确定激光加工的焦点位置。

此外，所述多路激光指示光发生器中每两路激光指示光发生器为一组激光指示光发生器，每一组激光指示光发生器相对于环形壁形成的圆周中心呈轴对称；所述激光指示光发生器控制单元51，具体用于：

控制一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面；所述两路激光指示光能在激光加工焦点位置重叠。

进一步的，所述激光指示光发生器控制单元51，还用于：

在一组激光指示光发生器发出的两路激光指示光被遮挡而无法照射工件表面时，控制被遮挡的两路激光指示光对应的激光指示光发生器关闭。

控制另一组激光指示光发生器发出两路激光指示光照射工件表面。

具体的，所述CCD同轴视场监视器控制单元52所监测的重叠情况信息包括两路激光指示光照射工件表面的入射角度α、两路激光指示光在工件表面完全重叠时的光斑直径d、两路激光指示光在工件表面未完全重叠时的光斑最大直径D。

此外，所述激光加工的焦点位置确定单元53，具体用于：

根据公式：

$\mathrm{\Δ}f=tan\mathrm{\α}\·\frac{D-d}{2}$

确定两路激光指示光照射工件表面的离焦量Δf；所述离焦量Δf为两路激光指示光照射的工件表面与激光加工焦点位置的距离。

根据所述离焦量Δf确定激光加工的焦点位置。

进一步的，所述激光加工的焦点位置确定单元53，具体还用于：

在Δf＝0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面。

在Δf＞0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面上方Δf处。

在Δf＜0时，确定激光加工的焦点位置位于两路激光指示光照射的工件表面下方-Δf处。

值得说明的是，本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定装置的具体实现方式可以参见上述图4和图5对应的方法实施例，此处不再赘述。

本发明实施例提供的一种激光加工中的焦点位置确定装置，在激光加工过程中，控制多路激光指示光发生器发出多路激光指示光照射工件表面。之后通过多路激光指示光照射在工件表面的重叠情况信息，可便捷、准确地确定激光加工的焦点位置，从而可以解决在激光加工过程中如何简单、高效确定激光焦点位置，提高激光加工的质量与效率的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。