一种激光加工焦距及入射角的测量标定装置的制作方法

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光加工焦距及入射角的测量定位装置。

背景技术：

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

激光加工头是激光加工方法(焊接、切割、熔覆等)中各类加工头的总称，激光加工头的基本原理是：激光器发出的激光束经导光光路传输，在激光加工头内经聚焦镜聚焦后，作用于被加工工件的表面实现加工。由于聚焦激光束在其聚焦束腰处的能量密度是最集中的，因此在激光加工之前往往需要调整激光加工头与待加工工件之间的距离，使得加工激光束的聚焦物镜基面与被加工工件表面的距离恰好等于聚焦物镜的焦距(该焦距一般称为激光加工焦距)，即加工激光束的焦点就位于被加工工件表面，可以显著提高加工效率。同时，一般还需要保证聚焦激光束垂直入射到被加工工件表面，即加工激光束的光轴与工件表面焦斑辐照位置的法线平行，以避免由于加工激光束斜入射引起焦斑变形和能量密度降低。然而，当前的激光加工应用技术，激光加工焦距、加工激光束入射角的测量定位主要是基于高度尺和角度尺原理来进行测量，测量误差大，操作复杂，耗时长。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种测量误差小、操作简便的激光加工焦距及入射角的测量标定装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种激光加工焦距及入射角的测量标定装置，包括伸缩式测量尺、连接杆件和上测量尺；所述伸缩式测量尺包括固定部和活动尺部，活动尺部装配在固定部上，并可沿固定部滑动；所述活动尺部的伸出端设置有一贯穿活动尺部的激光束入射垂直度校准孔，所述激光束入射垂直度校准孔的上孔面和下孔面外部均安装有一同心圆环靶，要求两个同心圆环靶的中心法线与激光束入射垂直度校准孔的中心轴线三者重合，且均与活动尺部的测量平面垂直；所述上测量尺上设置有一对准件，用于对准激光加工头上设置的参考标线，所述对准件的对准线方向与上测量尺的测量方向一致，所述激光加工头上设置的参考标线要求与激光加工头内传输的激光束光轴垂直；所述连接杆件与伸缩式测量尺的固定部和上测量尺均铰接，用于连接伸缩式测量尺和上测量尺，以使得伸缩式测量尺和上测量尺的测量方向相互平行且两者的距离可调可测量。

优选的，所述连接杆件为一连杆，连杆一端与伸缩式测量尺的固定部铰接，另一端与上测量尺铰接；在连杆与伸缩式测量尺和上测量尺的铰接处均安装有锁紧螺栓。

优选的，所述活动尺部和上测量尺上均设置有用于标定水平的气泡水平仪，在连杆与伸缩式测量尺和上测量尺的铰接处至少安装有一个测角仪。

优选的，在连杆与伸缩式测量尺和上测量尺的铰接处均安装有一个测角仪。

优选的，所述连接杆件采用两个平行的连杆实现，连接杆件与伸缩式测量尺和上测量尺形成平行四连杆机构；在连接杆件与伸缩式测量尺和上测量尺的铰接处至少安装有一个测角仪。

优选的，所述对准件可以为激光指示笔，也可以是可伸缩的对准针尖。

优选的，所述伸缩式测量尺的活动尺部的底部安装有一磁性吸块，所述磁性吸块可吸附在带有磁性的金属被测工件表面。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述的激光加工焦距及入射角的测量标定装置，基于几何学原理，有机集成多种测量、标定方式，实现了激光加工焦距及入射角的精准测量定位，二者紧密结合为一体。整体结构考虑了工件与激光加工头的尺寸差异、非沿重力方向加工等特殊情况，激光加工焦距的测量与调节、标定十分方便、易于操作，加工光束垂直入射角的标定采用了双平行圆环靶，直观、简便。

2、本发明采用的可伸缩式测量尺、参考标线(ref线)、对准件的复合结构设计，具有标定简便，进一步减小测量误差的特点，解决了传统测量方法由于缺少标定参考物和精确对准方式而难以提高测量精度的难题。

3、本发明上下两个测量尺采用了自带水平气泡，使得在沿重力竖直加工方向的情况下，水平方向测量的快速标定；还带有磁性吸块等结构，便于测量标定的人工操作。

4、本发明采用的双平行圆环靶，可实现加工光束相对平面工件表面入射角的精确测量与标定，保证了焦斑形状与尺寸，可以有效提高激光加工质量的稳定性和工艺重复性。

5、本发明采用的测角仪或平行四连杆机构原理，扩展了该装置的适用性，保证了测量误差在精确可控范围内，同时提高了测量的简便操作性。

6、本发明制造简单、结构可靠、耐用性好，调节、维修方便。

附图说明

图1为本发明所述种激光加工焦距及入射角的测量标定装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施方式的结构示意图；

图3为l与h关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种激光加工焦距及入射角的测量标定装置，包括伸缩式测量尺2、连接杆件6和上测量尺10。伸缩式测量尺2通过连接杆件6与上测量尺10连接。

所述伸缩式测量尺2包括固定部5和活动尺部4，活动尺部4装配在固定部5上，并可沿固定部5滑动；所述活动尺部4的伸出端设置有一贯穿活动尺部4的激光束入射垂直度校准孔1，所述激光束入射垂直度校准孔1的上孔面和下孔面外部均安装有一同心圆环靶3，要求两个同心圆环靶3的中心法线与激光束入射垂直度校准孔1的中心轴线三者重合，且均与活动尺部4的测量平面垂直。当聚焦激光束从激光束入射垂直度校准孔1入射后，若聚焦激光束同时经过两个同心圆环靶3的靶心，则可保证聚焦激光束与活动尺部4的测量平面垂直，从而可以保证聚焦激光束垂直入射到被加工工件16表面，即入射聚焦激光束光轴与工件表面的焦斑辐照位置的法线平行，以避免由于加工激光束斜入射引起焦斑变形和能量密度降低。

所述连接杆件6用于连接伸缩式测量尺2和上测量尺10，以使得伸缩式测量尺2和上测量尺10的测量平面相互平行且距离可调。

所述连接杆件6的一种实现方式为：所述连接杆件6为一连杆，连杆一端与伸缩式测量尺2的固定部5铰接，另一端与上测量尺10铰接。在连杆与伸缩式测量尺2和上测量尺10的铰接处均安装有锁紧螺栓。在连杆与伸缩式测量尺2或者上测量尺10的铰接处安装有测角仪7，用于测量伸缩式测量尺2或者上测量尺10与连杆之间的夹角。

若加工方向为沿重力竖直方向时，则可通过在活动尺部4和上测量尺10上设置用于标定水平的气泡水平仪12来检查并调节连接伸缩式测量尺2和上测量尺10与连接杆件6的夹角，保证伸缩式测量尺2和上测量尺10相互平行。

若加工方向为非竖直方向时，则需要在连杆与伸缩式测量尺2和上测量尺10的铰接处均安装测角仪7，以测量上测量尺10与连杆之间的夹角α，以及测量伸缩式测量尺2与连杆之间的夹角β。实际使用时，需保证伸缩式测量尺2和上测量尺10相互平行，即使得α＝β。

如图2所示，所述连接杆件6还可以采用两个平行的连杆实现，此时连接杆件6与伸缩式测量尺2和上测量尺10形成平行四连杆机构，可以自动保证α＝β，只需要一个测角仪7测量夹角值用于后续计算，无需安装两个测角仪7。

所述上测量尺10的一端铰接在连接杆件6上，另一端设置有一对准件15，用于对准激光加工头11上设置的参考标线14(ref线)，所述对准件15的对准线方向与上测量尺10的测量方向一致，所述激光加工头11上设置的参考标线14要求与激光加工头内传输的激光束光轴垂直；所述对准件15可以为激光指示笔，也可以是可伸缩的对准针尖。

如图3所示，设伸缩式测量尺2与连杆的铰接点为第一铰接点8，上测量尺10与连杆的铰接点为第二铰接点9，第一铰接点8与第二铰接点9之间的距离为定值l，第一铰接点8与伸缩式活动尺部4下表面之间的距离为k1，第二铰接点9与对准件15的对准线之间的距离为k2，激光加工头的参考标线与被加工工件16的上表面之间的间距为h；那么当伸缩式测量尺2和上测量尺10平行时(上测量尺10与连杆之间的夹角α)，l与h存在如下关系：h＝l*sinα+k1+k2。上式中l、k1、k2均为定值，α可调，因此在实际测量应用时可由h计算得出α，也可由α计算得出h。

优选的，所述伸缩式测量尺2的活动尺部4的底部安装有一磁性吸块13，所述磁性吸块13可以吸附在带有磁性的金属被测工件表面以保证测量时的稳定。

上述激光加工焦距及入射角的测量标定装置的使用方法为：

(1)将伸缩式测量尺2放置在被加工工件16表面，使得活动尺部4的下表面与被加工工件16的上表面接触；

(2)调节激光加工头11的位置，使得其与伸缩式测量尺2的激光垂直度校准孔1和两个同心圆环靶3同轴心；发射指示激光束，使其通过激光垂直度校准孔1和两个同心圆环靶3，继续调节激光加工头位置，使得指示激光束同时经过两个同心圆环靶3的靶心，此时指示激光束与被加工工件16表面垂直。

(3)调节上测量尺10和连杆的位置，并同时开启对准件15，在保证上测量尺10与伸缩式测量尺2平行的前提下，当对准件15对准激光加工头11的参考标线14时，调节结束；锁紧上测量尺10与伸缩式测量尺2的相对位置。

(4)读取测角仪7的角度值α，通过公式h＝l*sinα+k1+k2计算h，若h等于激光加工头的激光加工焦距，则结束；否则，上移或下移激光加工头11，重复步骤(3)，直至h等于激光加工头11的激光加工焦距。

另一种使用方法是：

(1)先把本发明所述的激光加工焦距及入射角的测量标定装置调节好，所述调节好是指调节上测量尺10与伸缩式测量尺2，使得两者平行；并且调节α，使得h为加工工艺参数要求的ref线与工件表面的理论距离；调节好后，锁紧上测量尺10与伸缩式测量尺2的相对位置。

(2)然后将所述测量标定装置放于工件表面，再调节激光加工头与工件之间的相对距离(加工头运动或工件动均可，但要保持入射激光束的垂直入射角，即使得指示激光束同时经过两个同心圆环靶3的靶心)，使得对准件15的对准针尖或激光指示笔发出的指示激光与ref线对齐。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。