[发明专利]一种激光束焦平面的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工与制造技术领域，特别是涉及一种激光束焦平面的确定方法。

背景技术

为了使激光加工工件达到足够的精度并且具有好的加工质量，各种激光加工、制造方法，如激光焊接、激光切割、激光熔覆等，都必须聚焦激光束并合理的选择待加工工件平面与激光束焦平面之间的距离，即离焦量。但是问题在于如何确定激光束的焦平面与工件平面的相对位置。目前有一些方法能够确定激光束的焦平面，例如，用激光束在基准工件上切割不同的槽，而不同的离焦量用于对应每个槽。随后，基准工件被取下并且槽的宽度被手工测量。得到的最小的槽宽度的位置即为加工的焦点位置，这种方法相对复杂并且不能被自动化完成，并且必须通过基准工件而不能直接在待加工工件表面找到激光束的焦点，这样将引入其他的测量误差，影响精度。又如，通过CCD摄像机拍摄激光束照射在工件表面的光斑，通过图像处理软件，分析出光斑的面积，上下移动工件改变其与激光头的相对位置，当图像上的光斑面积最小时，激光束的焦平面与工件平面重合。该方法可以直接在待加工工件表面确定激光束的焦平面，但是需要复杂设备，对图像处理软件精度的要求很高。其最大的缺点在于，CCD的光谱响应范围大约在0.2μm-1.06μm，如果激光束的波长不在这个范围内时（如CO₂激光器波长为10.6μm），该方法因为无法拍摄到激光束的光斑而失效。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种激光束焦平面的确定方法。其包括如下步骤：

a.开启激光器的指示光照射在工件表面，调整光电二极管的放置位置使反射后的指示光光束能照射在光电二极管的接收区域；

b.根据需要选择合适的激光功率开启激光器；

c.移动工作台以改变工件与激光头的距离，用光电二极管测量激光束在待加工表面反射后特定位置的光强，利用工控机采集计算光电二极管接收的光强极大值；

d.保存所述光强极大值对应的工作台坐标，将工作台移动到该坐标上，激光束焦平面确定完毕。

进一步地，激光束不垂直工件时，光电二极管位于激光束的反射中心。

进一步地，激光束垂直工件时，光电二极管靠近反射中心并且不被激光束直照射。

进一步地，所选择的激光功率不使工件表面发生可见变化。

进一步地，根据激光器的波长，选择响应波段包括激光波长的光电二极管。

进一步地，采用通用的排序算法计算光电二极管接收的光强极大值。

进一步地，所述通用的排序算法为冒泡排序法。

进一步地，对于易氧化或者易挥发的工件表面，通过减少表面粗糙度增强表面对激光束的反射率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该方法能直接在待加工工件表面确定激光束的焦平面，避免了由于使用基准平面而引入的误差。

2、通过选择不同响应波段的光电二极管，该方法可以适应各种不同波长的激光器。

3、通过闭环控制系统，该方法方便地实现了自动化确定激光束焦平面。

附图说明

图1为一种进行激光束焦平面的确定方法的实验平台示意图。

图2为焦点附近激光束的纵向剖面图。

图3为实验结果示意图。

图4为激光束入射角度与对应的光电二极管放置位置示意图。

图5为驱动电路的电路图。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案是：如图1所示的平台包括激光头（6）、光电二极管（4）及其夹具、待加工工件（3）、运动平台（7）、光电二极管驱动电路（8）、信号调理采集模块（9），工控机（10）。光电二极管驱动电路（8）的作用是将光电二极管（4）的接收到的光强值转换为对应的电压值，光电二极管驱动电路（8）的电路图如图5所示。信号调理采集模块（9）包括：滤波模块和A/D转换模，它们块均使用成熟的商业产品。

由于激光束的空间分布特性，如图2所示，其中，d₀为束腰直径，w₀为束腰半径，Θ₀为束散角，θ₀为束散半径，z_R为瑞利长度，z₀为束腰位置。聚焦后激光束在焦点位置最为汇聚，而离焦点位置越远，发散作用越明显。当激光束焦点位置照射在工件表面时，其反射的光强分布也最为汇聚，使其反射之后的光束轴线上的光强相比非焦点位置激光束的反射光强更强。这一结论在探测器位置位于反射中心附近时都有效。