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一種激光加工初始位置的對焦定位方法及激光加工裝置的制作方法

文檔序號:3170096閱讀:211來源:國知局
專利名稱:一種激光加工初始位置的對焦定位方法及激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及激光加工技術(shù),特別是一種激光加工中初始位置的對焦定位方法及激 光加工裝置。
背景技術(shù)
目前,激光加工設(shè)備在半導(dǎo)體和微電子產(chǎn)業(yè)、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng) 域應(yīng)用廣泛。由于激光是通過聚焦之后進行切割、焊接、打孔等加工,因此激光束焦點與被 加工工件表面的相對位置也顯得異常重要。常規(guī)的激光對焦方法主要有燒斑法、紅外攝 像法、小孔掃描法等。其中燒斑法最為常用,只需取一張濕紙貼在工件表面即可,簡單易行。 但是此法只能向人們提供大致的焦點輪廓,且由于材料的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng),使燒取的焦點 圖樣失真,有時模糊不清,對焦不準確。而且,目前在確定加工初始位置時,采用精確度不高 的目測法,不能滿足精加工的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種對焦和定位精確度高的激光加工初始位置的對 焦定位方法。為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種激光加工初始位置的對焦定 位方法,包括如下步驟(a)將被加工工件放在加工平臺上,打開激光器,激光器發(fā)出的光束經(jīng)激光加工頭 的光路系統(tǒng)投射在被加工工件的表面,形成光斑;(b)沿著與加工平臺表面相垂直的方向移動激光加工頭,并用與該激光加工頭同 步運動的攝像頭實時采集光斑圖像,并傳輸至計算機處理,計算機將獲取的光斑圖像的屬 性進行比較,確定位于焦平面的光斑圖像,并以此為依據(jù)調(diào)節(jié)激光加工頭在加工平臺表面 垂直方向的位置;(c)沿著與加工平臺表面相平行的方向移動激光加工頭至被加工工件的加工初始 點D附近,攝像頭采集加工初始點D的圖像D1和在激光器出光狀態(tài)下的光斑圖像D2,分別 獲取D1和D2的中心,并以此次為依據(jù)調(diào)節(jié)激光加工頭在加工平臺表面平行方向的位置。本發(fā)明利用位于焦平面的光斑圖像的屬性(如亮度、清晰度、面積)與其它位置的 光斑圖像的屬性不同的原理,先沿著與加工平臺表面相垂直的方向移動激光加工頭,同時 用攝像頭實時采集光斑圖像,再通過計算機對比光斑圖像的屬性來找出位于焦平面的光斑 圖像,然后根據(jù)該光斑圖像所對應(yīng)的激光加工頭在加工平臺表面垂直方向的移動距離,移 動激光加工頭,對焦工作完成,精確度高可以達到o. 05mm。對焦完成后,通過計算機確定加 工初始點的中心與光斑中心之間的位置關(guān)系,根據(jù)該位置關(guān)系沿加工平臺表面平行方向移 動激光加工頭,從而獲得加工初始位置的精確定位,定位精確度高可以達到0. 05mm。在上述方法的步驟(b)中,計算機獲取的光斑圖像的屬性優(yōu)選為亮度、清晰度和 面積中的一種或多種。位于焦平面的光斑圖像的亮度最大、清晰度最高、面積最小。
作為上述方法的優(yōu)選實施例,在步驟(a)之前還設(shè)有光路系統(tǒng)校正步驟先將所 述激光加工頭的噴嘴卸下,然后在所述加工平臺上畫一個中心帶有十字交叉線的參照圓, 移動激光加工頭,使激光加工頭的套筒與該參照圓同軸,再調(diào)整所述攝像頭,使攝像頭的十 字交叉線與該參照圓的十字交叉線相重合;然后打開激光器,調(diào)整所述激光加工頭的反射 鏡的偏轉(zhuǎn)角度,使光斑中心與攝像頭的十字交叉線重合;最后將所述噴嘴裝上,微調(diào)噴嘴的 位置,使噴嘴小孔中心與攝像頭的十字交叉線交叉點重合。該光路系統(tǒng)校正方法具有快速 準確的優(yōu)點。作為上述方法的另一優(yōu)選實施例,所述激光加工頭的光路系統(tǒng)包括半透半反射 鏡,所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過該半透半反射鏡的反射后在被加工工件的表面形成光斑, 該光斑圖像透過半透半反射鏡進入所述攝像頭。本發(fā)明的另一目的在于提供一種激光加工裝置,包括加工平臺、激光器、激光加工 頭以及用于調(diào)節(jié)激光器、激光加工頭與加工平臺相對位置的驅(qū)動機構(gòu),還包括攝像頭和計 算機,該攝像頭安裝在所述激光加工頭上且與所述計算機相連,所述計算機與所述驅(qū)動機 構(gòu)相連;所述激光加工頭包括半透半反射鏡,所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過該半透半反射鏡 的反射后在被加工工件的表面形成光斑,該光斑圖像透過半透半反射鏡進入所述攝像頭。通過增設(shè)攝像頭和計算機等部件,使得激光加工裝置不僅可以用于常規(guī)的激光加 工,還具有輔助對焦和定位的功能,方便了激光加工作業(yè)。上述裝置中,所述攝像頭優(yōu)選采用C⑶攝像頭,以獲取高解析度的光斑圖像。另 外,還包括HDMI采集卡,所述攝像頭經(jīng)該HDMI采集卡與所述計算機相連,利用HDMI采集卡 采集高清圖像。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的方法對加工初始位置的對焦和定 位精確性高,能滿足精加工要求,而且可以快速準確地校正光路系統(tǒng);本發(fā)明的激光裝置不 僅可以激光加工,還具有輔助對焦和定位的功能,方便了激光加工作業(yè)。


圖1是本發(fā)明實施例激光加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明實施例初始位置的對焦和定位的原理圖;圖3是初始位置D的圓心D1與光斑圖像的圓心D2之間的位置關(guān)系圖。附圖標記說明1-加工平臺、2-被加工工件、3-噴嘴、4-套筒、5-聚焦鏡組、6-激光束、7_半透半 反射鏡、8-攝像頭、9-支架、10-激光加工頭、11-激光器、12-HDMI采集卡、13-計算機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明見圖1,本發(fā)明實施例的激光加工裝置主要由加工平臺1、激光器11、激光加工頭 10、攝像頭8、HDMI采集卡12和計算機13組成,其中激光加工頭10垂直設(shè)于加工平臺1的 正上方,在該激光加工頭10的旁側(cè)設(shè)置有激光器11,并在其頂部通過支架9安裝置有攝像 頭8,該攝像頭8通過HDMI采集卡12與計算機13相連,計算機13又與驅(qū)動機構(gòu)相連。攝 像頭8為CCD攝像頭。激光器11和攝像頭與激光加工頭10同步聯(lián)動,可統(tǒng)一由驅(qū)動機構(gòu)帶動同步移動進行對焦和定位。本實施例的驅(qū)動機構(gòu)采用機器手,其重復(fù)定位精度達0. 05mm。 也可以在加工平臺1上設(shè)置絲桿驅(qū)動機構(gòu),通過絲桿驅(qū)動機構(gòu)帶動加工平臺1相對于激光 加工頭10移動來進行對焦和定位。激光加工頭10為激光切割頭或激光焊接頭,根據(jù)加工需要選擇。本實施例激光加 工頭10主要由半透半反射鏡7、噴嘴3、套筒4和聚焦鏡組5組成。激光器11發(fā)出的光束6 經(jīng)過半透半反射鏡7的反射后在被加工工件的表面形成光斑,該光斑圖像透過半透半反射 鏡7進入攝像頭8。激光加工頭10的其它結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相同。見圖2,本實施例的激光加工初始位置的對焦和定位方法如下(a)、首先進行光路系統(tǒng)的校正。先將噴嘴3卸下,然后畫一個與激光加工頭10的套筒4直徑相同且中心帶有十字 交叉線的參照圓,貼在工作臺上,移動激光加工頭10,保證套筒4與該參照圓同軸。再調(diào)出 攝像頭8屏幕的十字線窗口,調(diào)整攝像頭8的偏轉(zhuǎn),使其十字交叉線與工作臺上參照圓的十 字線相重合。然后打開激光器11,在出光狀態(tài)下調(diào)整半透半反射鏡7的偏轉(zhuǎn)角度,使激光 光斑中心與攝像頭8的十字交叉線重合;然后將激光加工頭10末端的噴嘴3裝上,微調(diào)噴 嘴3的前后左右位置,使噴嘴3小孔中心與攝像頭8的十字線交叉點重合。整個光路系統(tǒng) 校準完畢。(b)、然后,進行激光加工裝置的對焦工作。將被加工工件2放在加工平臺1上,打開激光器11的指示光源(紅光),激光器 11發(fā)出的光束6經(jīng)激光加工頭10的光路系統(tǒng)投射在被加工工件2的表面,形成紅色點狀 光斑,光斑的形狀可以是圓形、正方形或正多邊形,易于換算即可;此時,機械手帶動激光加 工頭10上下移動,光斑圖像通過攝像頭8、HDMI采集卡12實時傳輸?shù)接嬎銠C13中,計算機 13進行光斑圖像的屬性的對比來確定焦平面。具體過程為由于位于焦平面的光斑圖像的 面積最小、亮度最大和清晰度最高,因此,通過對比面積、亮度和清晰度中的一項或多項即 可找出位于焦平面的光斑圖像。本實施例以清晰度為例,見圖2,當激光束的焦點落在位置 B或者C處時,光斑圖像的清晰度最低,通過上下移動激光加工頭10,激光束的焦點落在B 與C之間的某處,計算機13對這之間的光斑圖像的清晰度進行比較,找出清晰最高的光斑 圖像,即A位置的光斑圖像,也即是焦平面所在的位置,然后,計算機13根據(jù)該光斑圖像所 對應(yīng)的激光加工頭10的移動距離,控制激光加工頭10向上或者向下移動,使激光束正好落 在A處,即激光器11發(fā)出的激光束通過半透半反射鏡7的反射,并由聚焦鏡組5聚焦后,從 噴嘴3出來后的激光焦點正好落在被加工工件2上,此時對焦工作完成。(c)、最后,進行初始位置的定位工作。將對焦后的激光加工頭10沿著加工平臺1表面相平行的方向,移動至被加工工件 2的加工初始點D附近,通過攝像頭8預(yù)先采集加工初始點D的圖像D1存儲在計算機13 中,然后經(jīng)過圖像預(yù)處理、去除噪聲和干擾后,再通過圓心定位算法獲取圖像D1的圓心;打 開激光器11的指示光源,通過攝像頭8采集該位置的光斑圖像D2,然后經(jīng)過圖像預(yù)處理、去 除噪聲和干擾后,再通過圓心定位算法獲取圖像D2的圓心,由于是預(yù)定位,D2的圓心與D1 的圓心不重合(見圖3),通過計算獲取D2的圓心與D1的圓心之間的位置信息,根據(jù)該位置 信息控制激光加工頭10前后左右移動。此種方法操作簡單,且定位精度可以達到0. 05mm。此時整個對焦定位工作完成,然后調(diào)節(jié)激光器11至加工光源,即可進行激光加工。 以上僅為本發(fā)明的具體實施例,并不以此限定本發(fā)明的保護范圍;在不違反本發(fā) 明構(gòu)思的基礎(chǔ)上所作的任何替換與改進,均屬本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種激光加工初始位置的對焦定位方法,其特征在于包括如下步驟(a)將被加工工件放在加工平臺上,打開激光器,激光器發(fā)出的光束經(jīng)激光加工頭的光路系統(tǒng)投射在被加工工件的表面,形成光斑;(b)沿著與加工平臺表面相垂直的方向移動激光加工頭,并用與該激光加工頭同步運動的攝像頭實時采集光斑圖像,并傳輸至計算機處理,計算機將獲取的光斑圖像的屬性進行比較,確定位于焦平面的光斑圖像,并以此為依據(jù)調(diào)節(jié)激光加工頭在加工平臺表面垂直方向的位置;(c)沿著與加工平臺表面相平行的方向移動激光加工頭至被加工工件的加工初始點D附近,攝像頭采集加工初始點D的圖像D1和在激光器出光狀態(tài)下的光斑圖像D2,分別獲取D1和D2的中心,并以此次為依據(jù)調(diào)節(jié)激光加工頭在加工平臺表面平行方向的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工初始位置的對焦定位方法,其特征在于步驟(b) 中,計算機獲取的光斑圖像的屬性為亮度、清晰度和面積中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光加工初始位置的對焦定位方法,其特征在于在步 驟(a)之前還設(shè)有光路系統(tǒng)校正步驟先將所述激光加工頭的噴嘴卸下,然后在所述加工 平臺上設(shè)置一個中心帶有十字交叉線的參照圓,移動激光加工頭,使激光加工頭的套筒與 該參照圓同軸,再調(diào)整所述攝像頭,使攝像頭的十字交叉線與該參照圓的十字交叉線相重 合;然后打開激光器,調(diào)整所述激光加工頭的反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度,使光斑中心與攝像頭的十 字交叉線重合;最后將所述噴嘴裝上,微調(diào)噴嘴的位置,使噴嘴小孔中心與攝像頭的十字交 叉線交叉點重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光加工初始位置的對焦定位方法,其特征在于所述激光 加工頭的反射鏡為半透半反射鏡,所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過該半透半反射鏡的反射后在 被加工工件的表面形成光斑,該光斑圖像透過半透半反射鏡進入所述攝像頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光加工初始位置的對焦定位方法,其特征在于所述激光 加工頭為激光切割頭或激光焊接頭。
6.一種激光加工裝置,包括加工平臺、激光器、激光加工頭以及用于調(diào)節(jié)激光器、激光 加工頭與加工平臺相對位置的驅(qū)動機構(gòu),其特征在于還包括攝像頭和計算機,該攝像頭安 裝在所述激光加工頭上且與所述計算機相連,所述計算機與所述驅(qū)動機構(gòu)相連;所述激光 加工頭包括半透半反射鏡,所述激光器發(fā)出的光束經(jīng)過該半透半反射鏡的反射后在被加工 工件的表面形成光斑,該光斑圖像透過半透半反射鏡進入所述攝像頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光加工裝置,其特征在于所述攝像頭為CCD攝像頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光加工裝置,其特征在于還包括HDMI采集卡,所述攝像 頭經(jīng)該HDMI采集卡與所述計算機相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一的所述激光加工裝置,其特征在于所述激光加工頭為激 光切割頭或激光焊接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光加工初始位置的對焦定位方法,激光器發(fā)出的光束經(jīng)激光加工頭的光路系統(tǒng)投射在被加工工件的表面形成光斑,移動激光加工頭,同時用攝像頭實時采集光斑圖像,再通過計算機對比光斑圖像的屬性來找出位于焦平面的光斑圖像,然后根據(jù)該光斑圖像所對應(yīng)的激光加工頭的移動距離,移動激光加工頭,對焦工作完成;然后,通過計算機確定加工初始點的中心與光斑中心之間的位置關(guān)系,根據(jù)該位置關(guān)系移動激光加工頭,從而獲得加工初始位置的精確定位。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明對加工初始位置的對焦和定位精確性高,能滿足精加工要求。同時本發(fā)明還公開了一種激光加工裝置,該激光裝置具有輔助對焦和定位的功能,方便了激光加工作業(yè)。
文檔編號B23K26/34GK101856773SQ20101015904
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者劉祥城, 劉薇, 彭昌吻, 戴炬, 梁奕志, 焦俊科, 白小波 申請人:廣州中國科學院工業(yè)技術(shù)研究院
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