一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统的制作方法

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统。

背景技术：

激光加工过程是光与材料相互作用的过程，其主要是利用激光器发出的激光束通过光纤和透镜传输后聚焦在材料表面，材料吸收激光能量引起熔化甚至气化，进而达到材料加工的目的。由于激光的热影响，待加工材料的加工区域会形成熔池，并辐射出等离子体、金属蒸汽、辐射光信号和辐射声信号等多重信号。大量的研究表明，上述信号与激光加工质量密切相关。如果激光加工过程中出现驼峰、未焊透、飞溅、污染等缺陷时,上述辐射信号会体现出不同的信号表征。

虽然用于加工的激光设备多种多样，但激光加工都因材料剧烈熔化或气化后产生的光辐射，因此采集激光加工中的辐射光信号作为检测原始信号具有更加广泛的实用性。通过采集激光加工过程中辐射光信号的数据，并经过对信号的分解，转换处理后，可以获得激光加工过程中反映质量的表征数据，再通过判别系统后，可以实时检测激光加工的质量。

cn207114420u公开一种旁轴激光焊接在线监测系统，其特征是通过分光镜和滤光片将被采集的光信号转换为可见光(500-600nm)和近红外光(900-1000nm)，再通过传感器转化为相应的电信号，该装置还设有对准用的导向装置降低旁轴监测的对准难度。然而，与激光加工区域的同轴辐射光信号相比，旁轴辐射光信号受环境的干扰更大，且激光加工时除了可见光,近红外光以外，激光反射信号对加工质量检测也有重要作用，而且激光发射信号基本沿加工激光束的同轴方向返回，因此旁轴装置对激光反射信号的捕获效果甚微。

de10120251a1公开了一种同轴获取辐射光信号的激光焊接监测方法和装置，该装置安装在激光焊接头上，通过激光焊接头上的合束镜将待检测的辐射光信号导入装置中，装置中存在光信号分配用的光学元件，将光信号分为两路，一路光信号传递到相机中；另外一路光信号经过聚焦系统传递到一个光电传感器上，并转换为一种电信号用于对激光加工的判断。然而，激光加工过程是一种多种辐射光信号随着加工过程,快速变化的现象，该专利公开的检测装置由于只有一路光信号转换为电信号检测通路，对接受信号进行宏观检测，无法对激光加工过程中的微小变化进行捕捉判别，大大影响了检测质量的效果。

cn201015816y公开了一种采用利用辐射光检测激光加工过程的装置。该装置采用分光镜将辐射光信号分成三路信号，分别将其中一路引导至ccd和另外两路引导至光电传感器中。由于该装置结构由于光路原理的特点，对应每路光路的对中进行单独校准。然而，激光加工过程存在多种辐射光信号的变化，要准确反映激光加工质量的话，需要对多种信号进行独立采集,这就需要装置存在多个采集光路。由于上述装置需要独立校准，在多光路情况下，使用者在每次的工艺变化时，需要对多个光路进行逐一调整，大大提高了设备参数一致性的难度和易用性。再者，独立的光路形成了独立的光电转换模块，在信号传输过程中必然导致多路信号之间的干扰，引起信号失真，导致质量信息存在误差。

此外，辐射光信号的采集部分位于激光加工质量检测系统的最前端，它的准确性和高效性尤为重要。上述各专利均采用先分光后聚焦的光路方案，每个聚焦系统可以精准调节使不同能量或波长的辐射光信号聚集到不同的光信号接收器中，再进行光电转换或后续的分析处理。但是由于激光加工功率、材料、工艺的多种多样，辐射光信号在整个波段内需要精细的划分，用来适用不同的缺陷分析，则每一路的辐射光信号均需要精密调节聚焦系统使光信号接收器能精准接收到待测辐射光信号，整个装置的调节工程量大幅度上升。

同时，每一路辐射光信号都属于一种弱信号，因此该光电转换及放大分析均需要根据该路辐射光信号的波段范围对应的辐射光强做不同的处理。但是常规的运算放大器电路，包括一级和多级放大电路放大倍数是固定的，导致响应辐射光强信号范围有限，无法覆盖激光加工功率从100w到100000w变化时辐射光信号的光强变化。若需要调整到合理的电压信号的参数，需要频繁更换放大电路模块或者参数,给产品使用带来很大多的不便；另外，目前公开的检测和监测装置，信号采集和处理电路是多级放大电路系统，信号采集分成两个独立电路模块，前级信号输出和后级信号通过线缆连接，通过长距离的线缆传输微弱电信号，信号容易受到环境干扰，使后面实际传输出来的信号失真，结果判断容易出现异常情况。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提出一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统。本发明的技术方案是这样实现的：

一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统，包括缩束模块、光路转折系统、光路分光系统和光电检测模块，其中

所述缩束模块用于将辐射光信号经聚焦镜转换为平行光束后，将所述平行光束收缩为检测所需的小直径光束；

所述光路转折系统将所述小直径光束导向到所述光路分光系统；

所述光路分光系统将制定波长范围的光进行反射，分配到不同的光路；

所述光电检测系统至少包括第一光信号接收单元、第二光信号接收单元、放大电路、信号调理单元和ad采样单元，所述第一光信号接收单元和第二光信号接收单元接收不同光路的光信号，所述光信号经放大电路、信号调理单元和ad采样单元处理后，发送到处理系统进行焊接质量诊断。

本发明的一个实施例中，所述缩束模块包括凸透镜和凹透镜，所述凸透镜通过螺纹环压紧在镜筒一端的台肩上，凹透镜通过螺纹环压紧在镜筒的另一端台肩上，镜筒两个台肩之间的距离使得凸透镜的像方焦点和凹透镜的物方焦点相重合。

本发明的另一个实施例中，所述缩束模块有第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜通过螺纹环压紧在镜筒一端的台肩上，所述第二凸透镜通过螺纹环压紧在镜筒另一端台肩上，镜筒的两个台肩之间的距离使得第一凸透镜的像方焦点和第二凸透镜的物方焦点相重合。

本发明的又一个实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜和凹透镜，所述凹面反射镜通过螺纹环压紧在镜筒的台肩上，所述凹透镜通过螺纹环压紧在镜筒2另一端台肩上，镜筒两个台肩之间的距离使得所述凹面反射镜的像方焦点和所述凹透镜的物方焦点相重合。

本发明的再一个实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜和凸透镜，所述凹面反射镜通过螺纹环压紧在镜筒的台肩上，所述凸透镜通过螺纹环压紧在镜筒另一端台肩上，镜筒两个台肩之间的距离使得所述凹面反射镜的像方焦点和所述凸透镜的物方焦点相重合。

本发明的第五个实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜和凸面反射镜，所述凹面反射镜通过螺纹环压紧在壳体的台肩上，所述凸面反射镜通过螺纹环压紧在壳体另一端台肩上，壳体内的凹面反射镜和凸面反射镜的空间距离，使使得所述凹面反射镜和凸面反射镜的两个焦点相重合。

本发明的一个实施例中，所述光路转折系统为梯形棱镜。

本发明的另一个实施例中，所述该光路转折方案包括互相垂直的第一反射镜和第二反射镜，经过所述缩束模块缩束后的辐射光信号以45度入射到第一反射镜，经过所述第一反射镜和第二反射镜的反射后，出射光与入射光方向相反，且两束光的间距为所述第一反射镜和第二反射镜的光点的间距。

本发明的一个实施例中，所述光路分光系统后设有光强衰减元件，用于控制输入所述光电检测模块上的信号强度。

进一步地或更进一步地，所述光路分光系统后还设有滤光元件，所述滤光元件用于将指定的光波段透射至所述光电检测模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)独创性的光学方案，能对激光加工待检测辐射光信号进行缩束处理，通过其特有的光路设计，可以通过对主光路调节实现一次完成多路光信号的调节；

(2)光电检测系统具有增益可调功能且输出信号抗干扰性强，可以提高现有检测装置的适用范围，提高产品可用范围；

(3)优化的光路布局可以将信号做整体屏蔽处理，降低信号失真水平。

附图说明

图1为本发明一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统的光学系统结构示意图；

图2为本发明的缩束模块的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明的缩束模块的另一种实施例的结构示意图；

图4为本发明中反射镜与凹透镜实现缩束模块的实施例的结构示意图；

图5为本发明中反射镜与凸透镜实现缩束模块的实施例的结构示意图；

图6为本发明中双反射镜实现缩束模块实施例的结构示意图；

图7为本发明中光路转折系统的一种实现方式的光路示意图；

图8为本发明中光路转折系统的另一种实现方式的光路示意图；

图9为本发明一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统的一种实施例的结构示例图；

图10为本发明的光电检测系统结构示意图；

图11为本发明光电检测系统一种实施例电路原理图；

图12为本发明光电检测系统另一种实施例电路原理图；

图13为本发明光电检测系统再一种实施例电路原理图；

图14为本发明光电检测系统又一种实施例电路原理图。

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作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。

请参见图1，本发明一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统1与激光加工头配合使用，安装在激光加工头100内部的合束镜104的反射光出口方向。光纤101发出的加工激光光束,经过准直镜102、合束镜104和聚焦镜103的导向后,汇聚到工件200指定的加工区域。由于激光的热影响，工件200的加工区域会形成熔池，并辐射出等离子体、金属蒸汽、辐射光信号和辐射声信号等多重信号。该辐射光信号沿加工光路的光轴反向传递，经过聚焦镜103后，转换成平行光束，并经过合束镜104反射导向进入本发明一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统1中。上述光辐射信号首先通过缩束模块2，该模块作用是将由激光加工头1导入的平行的光辐射信号由大直径光束收缩为检测所需的小直径光束，辐射光信号光束通过缩束模块2后，进入光路转折系统，该进入光路转折系统优选地是直角棱镜3，缩束后的光辐射光束垂直入射到直角棱镜的斜面上，入射点偏离直角棱镜的斜面中心线，经直角棱镜的两个互相垂直的反射面全反射后从斜面出射，出射光与入射光方向相反，且以斜面中心线为对称轴相对称，上述光路转折系统的作用是减小检测装置的机械尺寸、优化检测装置的空间布局，光路转折系统的出射光导向到光路分光系统4，光路分光系统4优先地采用二向色镜，该二向色镜作用是将指定波长范围的光进行反射，其余波长范围的光透射的方式将辐射光信号分配至不同光路，最大限度的保留了激光加工辐射光的各光谱区的光信号强度。光路分光系统4反射后的分光路10到达光电检测模块6中的第一光信号接收元件8，光路分光系统4透射的分光路11通过反射镜5转射到光电检测模块6中的第二光信号接收元件9。该光电检测模块6将接收到的信号通过放大电路、信号调理单元和ad采样单元处理后发送到处理系统进行焊接质量诊断，所述处理系统包括但不限于pc端焊接质量检测处理系统和嵌入式焊接质量检测处理系统。

如图2所示，是本发明的缩束模块的一种实施例，本实施例中，缩束模块具有有凸透镜202和凹透镜204。凸透镜202通过螺纹环203压紧在镜筒201一端的台肩上，凹凸镜204通过螺纹环205压紧在镜筒201另一端台肩上。调节镜筒201两个台肩的距离使凸透镜202的像方焦点和凹透镜204的物方焦点相重合，可以达到缩束的效果。

图3所示是本发明中缩束模块的另外一种实施例，本实施例中，叔叔缩束模块设有第一凸透镜207和第二凸透镜209。第一凸透镜207通过螺纹环208压紧在镜筒206一端的台肩上，第二凸透镜209通过螺纹环210压紧在镜筒206另一端台肩上。调节镜筒206台肩之间距离使第一凸透镜207的像方焦点和第二凸透镜209的物方焦点相重合，可以达到缩束的效果。

图4所示是本发明中缩束模块的另外一种实施例，本实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜211和凹透镜214。凹面反射镜211通过螺纹环212压紧在镜筒213的台肩上，凹透镜214通过螺纹环215压紧在镜筒213另一端台肩上。调节镜筒213两个台肩之间的距离使凹面反射镜211的像方焦点和凹透镜214的物方焦点相重合，可以达到缩束的效果。

图5所示是本发明中缩束模块的另外一种实施例，本实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜216和凸透镜219。凹面反射镜216通过螺纹环217压紧在镜筒218的台肩上，凸透镜219通过螺纹环220压紧在镜筒218另一端台肩上。调节镜筒218台肩之间距离使凹面反射镜216的像方焦点和凸透镜219的物方焦点相重合，可以达到缩束的效果。

图6所示是本发明中缩束模块的另外一种实施例，本实施例中，所述缩束模块有一个凹面反射镜224和凸面反射镜222。凹面反射镜224通过螺纹环221压紧在壳体223的台肩上，凸面反射镜222通过螺纹环225压紧在壳体223另一端台肩上。通过调整壳体223内的凹面反射镜224和凸面反射镜222的空间距离，使其两焦点相重合，可以达到缩束的效果。

图7所示是本发明中光路转折系统的一个实施例，本实施例中，所述光路转折系统使用的是梯形棱镜12，其作用是将目标光束信号进行180度转向。

图8所示是本发明中光路转折系统的另一个实施例，本实施例中，所述光路转折方案使用的是两面互相垂直的反射镜，经过光路缩束系统后的辐射光信号以45度入射到第一反射镜13，经过两面互相垂直的反射镜后，出射光与入射光方向相反，且两束光的间距为两面反射镜上的光点的间距。

图9是本发明另一种实施例的结构示意图。如图，本发明一种多路光信号检测的激光加工质量监测系统1与激光加工头通过连接板15安装在一起，检测系统1中具有缩束模块2，通过螺钉17固定在壳体16中，反射棱镜3通过紧定螺栓20固定在第一安装架18上，该安装架18通过螺钉19固定在壳体16中，第一分光元件4和第二分光元件5通过螺钉23固定在第二安装架21中，该安装架通过螺钉22固定在壳体16中。该检测系统还包括第一光强衰减元件32和第二光强衰减元件34，该元件优选地是中性密度滤光片片，或是光阑元件。其作用是控制输入光电检测模块6的信号强度。该光强衰减元件通过螺纹环33压紧在第三支架24的台肩上，该安装架通过螺钉25固定在壳体16中。该检测系统还包括第一滤光元件30和第二滤光元件31，上述滤光元件优选地是带通滤光片，其作用是让被指定光波段透射至光电检测模块6，上述滤光元件通过螺纹环28压紧在第四安装架26上，该安装架通过螺钉27固定在壳体16中。上述光电检测模块6通过螺钉29固定在第四安装架26上。上述各零件根据图1光学原理指引进行空间布局，并与壳体16中固定，从而实现检测系统所需效果，其中壳体由具有屏蔽信号的材料制作，起到信号屏蔽作用。

图10是光电检测系统的一个实施例，本实施例中，光电二极管d1正极连接运放芯片u1的同向输入端，光电二极管d1负极连接运放芯片u1反相输入端，所述的光电二极管d1和运放芯片u1组成光伏模式电路，光伏模式电路简单，无偏置，不会产生暗电流，噪声小，线性度好；运算放大电路采用跨阻放大器电路，跨阻放大器电路由电阻r1-r8、电子模拟开关u3、运放芯片u1和电容c1组成，其中反馈电阻是r1-r8。运放芯片u2做运放跟随，提高电路的稳定性和提供低输出阻抗通道；信号调理单元是二阶巴特沃斯低通滤波器，消除信号带宽以外的噪声；ad采样单元由12位ad采样芯片及外围电路组成，把模拟电压转换为数字信号，提供数字信号给pc处理系统；mcu单元采集模拟电压，同时根据采集的电压值，mcu单元通过总线和电子模拟开关u3通信，选择不同的反馈电阻r1-r8，调整增益，确保电压幅值vout的输出范围在预设置的范围，避免ad采样单元电压vout输出电压值过大和偏小。

图11所示，u1和u2采用ti公司的opa227，u3采用adi公司的adg1408模拟多路复用器，电阻r1-r8采用低噪声，高精度的电阻。电阻r1＝20ω，电阻r2＝200ω，电阻r3＝2k，电阻r4＝20k，电阻r5＝200k，电阻r6＝2m，电阻r7＝20m，电阻r8＝200m。光电二极管在光敏面接受到光信号产生电流i，电流通过反馈电阻rx(r1-r8)转换为电压vout。根据此运算放大器电路模式，输出电压公式：vout＝i*rx，rx代表r1-r8；

根据系统预设置输出电压幅值1v-2v，r1-r8的电阻参数，能够响应输入光强功率在光电二极管产生的电流范围是10na-100ma(10^-8a-10^-1a)。

图12为本发明中光电检测系统另一种实施例电路原理图，本实施例中，光电二极管d1正极连接运放芯片u1的同向输入端，光电二极管d1负极连接运放芯片u1反相输入端，所述的光电二极管d1和运放芯片u1组成光伏模式电路，光伏模式电路简单，无偏置，不会产生暗电流，噪声小，线性度好；运算放大电路采用跨阻放大器电路，跨阻放大器电路由电阻r1-r8、电子模拟开关u3、运放芯片u1、电阻r11、电阻r12和电容c1组成，其中电阻r1-r8、电子模拟开关u3、电阻r11和电阻r12组成t型反馈网络，t型反馈网络反馈电阻rf相对偏小，可以减少直流偏置。运放芯片u2做运放跟随，提高电路的稳定性和提供低输出阻抗通道；信号调理单元是二阶巴特沃斯低通滤波器，消除信号带宽以外的噪声；ad采样单元由12位ad采样芯片及外围电路组成，把模拟电压转换为数字信号，提供数字信号给pc处理系统；mcu单元采集模拟电压，同时根据采集的电压值，mcu单元通过总线和电子模拟开关u3通信，选择不同的反馈电阻r1-r8，调整增益，确保电压幅值vout的输出范围在预设置的范围，避免ad转换单元电压vout输出电压值过大和偏小。

如图12所示，u1和u2采用ti公司的opa227，u3采用adi公司的adg1408模拟多路复用器，电阻r1-r8采用低噪声，高精度的电阻。电阻r11＝10ω，电阻r12＝100ω，电阻r1＝2ω，电阻r2＝20ω，电阻r3＝200ω，电阻r4＝2k，电阻r5＝20k，电阻r6＝200k，电阻r7＝2m，电阻r8＝20m。光电二极管在光敏面接受到光信号产生电流i，电流通过t型反馈网络转换为电压vout。

根据运算放大器电路公式：

vout＝i*(rx+r12+rx*r12/r11)rx代表r1-r8；

根据系统预设置输出电压幅值1v-2v，r1-r8的电阻参数，能够响应输入光强功率在光电二极管产生的电流范围是10na-100ma(10^-8a-10^-1a)。

图13和图14是本发明中光电检测系统另两种实施例电路原理图，其特点是采用拨码开关选择不同的通道的电阻，调整增益代替mcu模块。其他内容与光电检测系统其他实施例相同。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。