一种激光摆轴光束指向误差自动校正方法及系统

1.本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种激光摆轴光束指向误差自动校正方法及系统。


背景技术：

2.目前，在复杂曲面零件的激光加工中，采用激光摆轴形式的加工系统由于具有移动范围大、机动灵活、便于集成等特点，被广泛应用于复杂曲面零件的加工。
3.这类加工系统根据激光摆轴的激光束传输方式不同，大体可分为两类：
4.一、光纤传输方式
5.该类激光摆轴直接将激光光纤搭载于加工头上，在加工过程中光纤随着加工头一起摆动，从而实现零件的激光加工。此类加工头的光束通过光纤后可直接作用于零件，没有中间传动误差，加工精度容易保证。
6.如图1所示：激光摆轴可以在yz平面内进行
±
90
°
摆动，工作转台可以在xy平面内进行360
°
范围的旋转，因此通过两个转台的插补联动可以实现复杂曲面零件表面的激光定位以及加工。
7.二、反射镜折转光路的传输方式。
8.由于激光光源性质的不同，部分激光器目前无法使用光纤进行光束的传输，如co2激光器、超快激光器等。对于这类激光器，只能通过外部光路系统将光束导入激光摆轴，并在系统内部设置反射镜等导光系统，从而实现加工过程中光束的摆动，此类光束传输形式由于受光束指向调节精度、加工头安装面平整度等因素影响，精度不易保证。
9.实际应用中，由于激光通过摆轴前端的反射镜导入加工系统中，光束的准直性以及摆轴加工头安装面等均会影响光束与摆轴之间的平行度，进而影响聚焦后光束的位置精度。如图2所示：当激光器出射光束与摆轴轴线间存在夹角时，经过摆轴聚焦后的光束与轴线间存在
△
r的偏距，该偏距会导致当摆轴作
±
90
°
旋转时，聚焦光束始终不在同一点，而是绕着摆轴轴线做圆周运动。
10.针对上述问题，目前所采用的调整方法为：调整摆轴上端反射镜，使进入摆轴的光束尽量与摆轴轴线重合或者平行，但是由于在实际加工系统中，摆轴轴线不可见且难以测量，因此光学装调人员若要实现该反射镜的精密调整非常困难；另一方面，由于摆轴安装端面也存在平面度、垂直度等几何误差，导致摆轴实际轴线并不严格垂直于xy平面，致使装调人员也无法完全依赖摆轴的机械端面作为参考实现光束的调整。


技术实现要素：

11.为了解决现有激光摆轴加工系统加工精度低且难以调整的问题，本发明提供了一种激光摆轴光束指向误差自动校正方法及系统，通过该方法及系统可大幅减小由于光束与激光摆轴存在夹角而导致焦点位置产生变化的问题，对于提升基于“硬光路”传输的激光摆轴加工系统的制造精度具有重要意义。
12.本发明的具体技术解决方案如下：
13.该激光摆轴光束指向误差自动校正系统，包括激光器、第一反射镜、激光摆轴、标定板、反射单元、第二反射镜和同轴相机；激光器发出的激光经第一反射镜折射后穿过激光摆轴垂直入射至反射单元，经反射单元再次折射后进入第二反射镜，再经第二反射镜折射后垂直入射至标定板上并形成标记点；同轴相机设置于第二反射镜上方，用于记录标记点位置；激光经第二反射镜折射后的出射点不在激光摆轴相对于标定板投影的范围内。
14.进一步地，反射单元为扫描振镜。也可以选择反射镜，选择扫描振镜的优势在于其由驱动板与高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，便于后期自动调整。而在此处设计反射单元的另一目的在于调整光路方向，以使得同轴相机能够在相对结构简单的前提下获取标记点的位置。
15.进一步地，所述同轴相机固定设置于激光摆轴一侧，反射单元设置于激光摆轴靠近标定板一侧，第二反射镜设置于反射单元上。对于安装位置来讲，以实现光路要求为准，该结构方式相对紧凑，且有效利用了原有部件，成本相对较低且稳定性高。
16.利用上述系统提供的激光摆轴光束指向误差自动校正方法，包括以下步骤：
17.1】旋转激光摆轴至第一位置，激光器出射的激光经光路聚焦调整后，于标定板上加工出第一标记点，通过同轴相机记录其在相机坐标系中的第一坐标值
△
x以及
△
y；
18.2】旋转激光摆轴至第二位置，激光器出射的激光经光路聚焦调整后，于标定板上加工出第二标记点，通过同轴相机记录其在相机坐标系中的第二坐标值
△
x以及
△
y；
19.3】旋转激光摆轴至第三位置，激光器出射的激光经光路聚焦调整后，于标定板上加工出第二标记点，通过同轴相机记录其在相机坐标系中的第三坐标值
△
x以及
△
y；
20.激光摆轴的第一位置、第二位置、第三位置随机分别对应激光摆轴旋转的0
°
、+90
°
和-90
°
位置；
21.也就是说，激光摆轴的旋转位置必须为三个特殊点，这样才能在相机坐标系中形成以直径为底边的等腰直角三角形，便于后期补偿，同时，该旋转位置点也达到了激光摆轴的最大旋转位置；
22.也可以考虑随机设置三个位置点，通过三点确定圆的方式来计算出半径，再进行补偿，但这样工作量相对较大，也会因为器件自身误差影响最终补偿精度；
23.对于激光摆轴三个旋转位置的次序，以首次0
°
为佳，首次0
°
时可以更为有效地调整标定板、同轴相机相对于激光摆轴的精度位置。
24.描述无误
25.4】根据相机坐标系中的第一坐标值、第二坐标值、第三坐标值分析得到半径长度r，
27.以及半径r形成的矢量,确保扫描振镜坐标系的x方向与矢量重合；
28.5】加工时，旋转激光摆轴θ角度至第四位置，以r*s inθ、r*cosθ为
△
x、
△
y补偿量进行聚焦光束指向的补偿，完成激光摆轴光束指向误差的校正。
29.进一步地，所述步骤4】具体是：
30.4.1】分析第一标记点、第二标记点、第三标记点的相对位置关系，三个标记点同处于一固定半径的圆周上，其中+90
°
标记点以及-90
°
标记点的连线等于圆的直径，而0
°
标记点与+90
°
标记点以及-90
°
标记点的连线所对应的圆周角为90
°
，当摆轴在
±
90
°
范围内任意
角度摆动时，聚焦后光斑的位置均落在该圆的圆周上，并且跟随着摆轴角度的变化而变化；
31.4.2】通过同轴相机测量标定板上的标记点
±
90
°
两个标记点连线的中点坐标及半径长度r,将其作反射单元的补偿参量输入反射单元进行补偿。
32.本发明的优点如下：
33.本发明提供的激光摆轴光束指向误差自动校正方法及系统能够对现有技术中存在的误差进行有效补偿并自动校正；同时，本发明提供的系统结构简单、成本低，可在现有结构的基础上直接进行改造升级。
附图说明
34.图1为光纤传输方式的激光摆轴加工系统；
35.图2为反射镜折转光路的传输方式的激光摆轴加工系统；
36.图3为本发明提供的激光摆轴加工系统；
37.图4为本发明实施例三个标记点的相对位置关系图；
38.附图明细如下：
39.1-飞秒激光器、2-反射镜、3-激光摆轴、4-同轴相机、5-扫描振镜、6-反射镜、7-标定板、8-摆轴安装基座。
具体实施方式
40.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
41.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
42.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
43.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
44.如图3所示，本发明方法的激光加工系统包含飞秒激光器1、反射镜2、激光摆轴3、同轴相机4、扫描振镜5、反射镜6、标定板7以及摆轴安装基座8。其中飞秒激光器1用于为加工系统提供光源，出射的光束经过反射镜2入射至激光摆轴3以及扫描振镜5，光束通过扫描振镜5的反射镜以及场镜，被固连其上的反射镜6反射至标定板7上，安装基座8用于连接安
装激光器1以及激光摆轴3，同轴相机4用于检测标定板6上聚焦光束加工出的标记点间偏距以及角度。
45.具体调整步骤如下：
46.步骤一、旋转激光摆轴3至0
°
，此时激光摆轴3垂直于xy平面内；
47.步骤二、开启激光器1，使聚焦后的激光在标定板7上加工出标记点1，之后关闭激光，通过同轴相机4记录其在相机坐标系中的坐标值
△
x以及
△
y；
48.步骤三、旋转激光摆轴3至+90
°
，开启激光，使聚焦后的激光在标定板7上加工出标记点2，之后关闭激光，通过同轴相机4记录其在相机坐标系中的坐标值
△
x以及
△
y；
49.步骤四、旋转激光摆轴3至-90
°
，开启激光，使聚焦后的激光在标定板7上加工出标记点3，之后关闭激光，通过同轴相机4记录其在相机坐标系中的坐标值
△
x以及
△
y；
50.步骤五、分析步骤二至步骤四三个标记点的相对位置关系，如图4所示，三个标记点同处于一固定半径的圆周上，其中标记点2以及标记点3的连线等于圆的直径，标记点1 分别与标记点2及标记点3的连线所对应的圆周角为90
°
，并且当摆轴3在
±
90
°
范围内任意角度摆动时，聚焦后光斑的位置均落在该圆的圆周上，并且跟随着摆轴角度的变化而变化；
51.步骤六、通过同轴相机4测量标定板7上的标记点2及标记点3连线的中点坐标，半径长度r以及半径r形成的矢量确保扫描振镜坐标系的x方向与矢量重合；
52.步骤七、以摆轴3的0
°
为基准，利用扫描振镜5内部两个反射镜的偏摆对聚焦光束进行补偿。具体为，当摆轴3摆动至θ角度时，扫描振镜5分别以r*s inθ、r*cosθ为
△ꢀ
x、
△
y补偿量进行聚焦光束指向的补偿，以此实现激光摆轴束指向误差的校正。
53.例如：r为0.08mm，θ为30
°
，则此时补偿量
△
x＝r*s inθ＝0.04mm,
△
y＝r*cosθ＝0.069mm。未校正前，由于系统装调、制造误差等原因，导致入射光束与激光摆轴之间存在夹角，致使摆轴运动过程中光束指向产生变化，进而降低了加工过程中激光的轨迹精度。运用本方法可在激光摆轴运行范围内最大程度校正入射光束与激光摆轴之间的夹角，从而确保激光的运行轨迹精度。因此，本发明方法提升了通过反射镜进行光束折转的激光动态传输系统的精度，对于激光制造领域零件的制造质量及精度的提升具有重要意义。
54.应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不脱离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。