專利名稱：一種用于激光材料加工的非同軸定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光材料加工中精確定位的裝置，屬于材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)加工點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，是完成激光加工的基本要求，如激光切割氧化鋁 鍍銀電極時(shí)需要嚴(yán)格按照所鍍電極邊緣進(jìn)行切割，以及在激光焊接中需要將 激光束的中心對(duì)準(zhǔn)焊縫中心?，F(xiàn)有激光加工定位方法及裝置主要使用同軸
He-Ne激光進(jìn)行加工點(diǎn)定位并進(jìn)行加工路徑的空走，定位精度差，無(wú)法完成高 質(zhì)量的激光加工及精密加工，主要原因有(1)由于定位He-Ne激光亮度高 和人眼分辨率的限制，通過(guò)人眼不容易同時(shí)清晰地觀察到材料上激光定位點(diǎn) 及其周圍的微細(xì)圖案；(2)由于定位激光具有一定光斑大小，且與實(shí)際加工 激光光斑不一致，所以很難確定定位激光的中心是否與既定加工路徑中心重 合，以及激光切割過(guò)程中的補(bǔ)償；(3)實(shí)際應(yīng)用中，同軸定位激光會(huì)由于各 種原因與實(shí)際加工激光發(fā)生光軸偏離現(xiàn)象，重新校正過(guò)程復(fù)雜。因此，目前 現(xiàn)行的同軸He-Ne激光的定位方法及裝置無(wú)法滿足對(duì)加工材料某一絕對(duì)位置 的精準(zhǔn)定位要求(如印有微電路的非金屬電路基板的激光加工)，設(shè)計(jì)并發(fā)明 用于激光束對(duì)加工點(diǎn)精確定位的方法及裝置具有非常重要的實(shí)用價(jià)值和需求 意義。實(shí)用新型專利CN2535180中提到了同軸定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)加入與 激光束同軸的CCD成像系統(tǒng)完成精確定位，但這種方法需要改動(dòng)現(xiàn)有激光加 工頭的構(gòu)造，整個(gè)定位系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)有激光加工頭的改裝困難，不利于推 廣。發(fā)明專利CN1640607中提出了激光焊接時(shí)采用雙CCD成像定位系統(tǒng)在焊 接前對(duì)工件進(jìn)行校準(zhǔn)定位，這種方法無(wú)法觀測(cè)加工路徑過(guò)程中激光是否按照 希望的路徑進(jìn)行加工，不適合復(fù)雜圖案的激光加工(如切割復(fù)雜圖案)過(guò)程， 且該方法僅對(duì)具有和標(biāo)準(zhǔn)件相同外形的材料才適用，對(duì)材料的外形前期準(zhǔn)備要求高。此外，上述兩種裝置的投資大，不利于產(chǎn)品推廣。
因此，需要尋找一種操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣、不必改變現(xiàn)有激光加工頭 的構(gòu)造、可直觀定位并調(diào)整加工路徑的精確定位方法及裝置是十分必要的， 用以滿足激光對(duì)材料包括切割、焊接以及輻照等各類加工精確定位的工藝要 求。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于激光材料加工的非同軸精確定位加工 點(diǎn)的裝置，利用現(xiàn)有激光加工機(jī)床高定位精度和重復(fù)定位精度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 在計(jì)算機(jī)和激光加工機(jī)床的共同控制下對(duì)工件進(jìn)行精確定位。該方法及裝置 無(wú)需改變現(xiàn)有激光加工頭的構(gòu)造，裝配簡(jiǎn)易，整個(gè)定位過(guò)程快速，精度高， 提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和成品率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。包括有CCD攝像機(jī)、 圖像采集卡、能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的控制指令轉(zhuǎn)換為控制CCD攝像機(jī)的指令格式的 控制電路、照明光源和與CCD攝像機(jī)、控制電路相連接并安裝有軟件處理模 塊的計(jì)算機(jī)。所述的固定裝置包括有可調(diào)傾斜塊、第二轉(zhuǎn)接板、第三轉(zhuǎn)接板 和用于與激光加工頭固定連接的第一轉(zhuǎn)接板。其中可調(diào)傾斜塊的一端與第 一轉(zhuǎn)接板固定連接，另一端與第二轉(zhuǎn)接板固定連接。CCD攝像機(jī)與第二轉(zhuǎn)接板 固定連接；第三轉(zhuǎn)接板固定連接在第二轉(zhuǎn)接板的下側(cè)，照明光源固定連接在 第三轉(zhuǎn)接板上?？刂齐娐饭潭ㄟB接在第一轉(zhuǎn)接板上。通過(guò)本固定裝置可以使 CCD攝像機(jī)、LED照明光源和控制電路剛性的固定在激光加工頭上，隨激光加 工頭一同做X， Y， Z軸的平動(dòng)以及C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂齐娐返囊欢伺cCCD攝像 機(jī)的控制接口相連，另一端與計(jì)算機(jī)相連；計(jì)算機(jī)還通過(guò)圖像采集卡與CCD 攝像機(jī)的圖像輸出接口相連。
使用上述的非同軸定位裝置的，通過(guò)二次定位的方法來(lái)完成工件加工點(diǎn) 的定位，基本過(guò)程是通過(guò)在材料廢料處預(yù)加工，移動(dòng)激光加工頭使CCD攝 像機(jī)對(duì)預(yù)加工圖案進(jìn)行成像定位，確定出CCD攝像機(jī)與激光加工頭的相對(duì)位置以及激光加工的加工線寬，之后用CCD攝像機(jī)代替激光加工頭對(duì)需要加工 的工件部位進(jìn)行空走預(yù)加工，觀察加工路徑是否符合加工要求并調(diào)整加工路 徑、加工補(bǔ)償和工件位置直至符合加工要求，最后根據(jù)CCD攝像機(jī)的激光加 工頭的相對(duì)位置移動(dòng)激光加工頭到CCD攝像機(jī)的位置，進(jìn)行最終的激光加工。 其具體過(guò)程如下
1) 用激光加工頭在待加工材料的廢料處進(jìn)行激光預(yù)加工"十字"圖案， 并通過(guò)激光加工機(jī)床控制系統(tǒng)顯示界面讀出激光加工頭在"十字"圖案中心 位置時(shí)的位置坐標(biāo)a;
2) 移動(dòng)激光加工頭，將CCD攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)加工的"十字"圖案，計(jì)算機(jī) 通過(guò)控制電路控制CCD攝像機(jī)的放大倍率和對(duì)焦，由圖像采集卡采集圖像信 號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，得到放大的預(yù)加工的"十字"圖案；進(jìn)一步調(diào)整激光加工頭 的位置，使預(yù)加工圖案的"十字"中心對(duì)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)屏幕上的中心網(wǎng)格；之后 沿z軸移動(dòng)激光加工頭，在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察"十字"圖案的中心是否保持 在中心網(wǎng)格上，如果偏離，調(diào)整可調(diào)傾斜塊，利用"l/2法"使網(wǎng)格中心沿z 軸各個(gè)高度都對(duì)準(zhǔn)"十字"圖案，完成成像光軸與激光加工頭光軸平行的校 準(zhǔn)；在圖像顯示模塊中心上標(biāo)記一個(gè)直徑與預(yù)加工線寬相等的圓標(biāo)記加工線 寬，最后通過(guò)激光加工機(jī)床控制系統(tǒng)顯示界面讀出此時(shí)激光加工頭的位置坐 標(biāo)b，將位置坐標(biāo)a和位置坐標(biāo)b分別輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算出CCD攝像機(jī)和 激光加工頭的相對(duì)位置坐標(biāo)c;
3) 將CCD攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)需要加工的工件位置的加工起始點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)記的線寬 設(shè)定激光加工的加工補(bǔ)償；然后控制激光加工頭牽引固定裝置以及固定裝置 上的CCD攝像機(jī)、控制電路和照明光源空走加工路徑，并進(jìn)行帶有加工線寬 標(biāo)記的實(shí)時(shí)圖像采集，觀察整個(gè)加工過(guò)程中加工路徑是否符合加工要求，如 不符合，調(diào)整加工路徑、加工補(bǔ)償和工件位置直至符合加工要求為止；
4) 通過(guò)相對(duì)位置坐標(biāo)c將激光加工頭移動(dòng)到CCD攝像機(jī)所在的位置，進(jìn)行 最終的激光加工。與現(xiàn)有實(shí)用新型相比，本實(shí)用新型具的有益效果是
1、 可以快速準(zhǔn)確定位被加工的工件，提高了生產(chǎn)效率以及加工質(zhì)量；
2、 無(wú)需改變現(xiàn)有激光加工頭的構(gòu)造，只使用一個(gè)CCD攝像機(jī)，安裝簡(jiǎn)單， 成本低，可以作為激光加工機(jī)的可選配件進(jìn)行推廣；
3、 可以對(duì)任何可成像的材料進(jìn)行精確定位，對(duì)材料沒(méi)有外形的要求，滿 足任何圖案的加工路徑、加工線寬的檢測(cè)，適用于多種加工要求(切割、焊 接和輻照)，可以充分發(fā)揮激光加工多樣性的特點(diǎn)。


圖1為非同軸定位裝置裝配CCD攝像機(jī)后的示意圖 圖2為非同軸定位裝置的工作原理示意圖 圖3為非同軸定位裝置對(duì)準(zhǔn)預(yù)加工"十字"圖案示意圖 圖4為非同軸定位裝置檢測(cè)加工過(guò)程示意圖
圖中1、第一轉(zhuǎn)接板，2、可調(diào)傾斜塊，3、第二轉(zhuǎn)接板，4、 CCD攝像機(jī)， 5、頂針螺絲，6、第三轉(zhuǎn)接板，7、控制接口， 8、圖像輸出接口， 9、激光加 工頭，10、控制電路。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明
參閱圖1，本實(shí)用新型非同軸定位裝置的固定裝置分為4個(gè)部分，圖1中 固定裝置中第一轉(zhuǎn)接板1與激光加工頭9固定連接；可調(diào)傾斜塊2 —端與第
一轉(zhuǎn)接板1固定連接，另一端與第二轉(zhuǎn)接板3固定連接；CCD攝像機(jī)4與第二 轉(zhuǎn)接板3固定連接；第三轉(zhuǎn)接板6固定連接在第二轉(zhuǎn)接板下側(cè)，環(huán)形LED照 明光源通過(guò)其固定螺絲固定在第三轉(zhuǎn)接板6上；控制電路10固定連接在位于 可調(diào)傾斜塊2上面的第一轉(zhuǎn)接板1上。通過(guò)該固定裝置可以使CCD攝像機(jī)4、 LED照明光源和控制電路10剛性的固定在激光加工頭上，隨激光加工頭一同 做X， Y， Z軸的平動(dòng)以及C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)傾斜塊2上的兩個(gè)頂針 螺絲5，可以將CCD攝像機(jī)4的成像光軸沿A軸和B軸旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整CCD攝像機(jī)4成像光軸與激光加工頭9光軸平行。環(huán)形LED照明光源的引入，保證了 CCD攝像機(jī)可以得到高對(duì)比度的圖像。
圖1中CCD攝像機(jī)4具有一個(gè)控制接口 7和一個(gè)圖像輸出接口 8,控制接 口 7與控制電路10連接，控制電路又通過(guò)RS232電纜與計(jì)算機(jī)RS232接口連 接，控制電路利用AT89S52單片機(jī)及其輔助電路將計(jì)算機(jī)輸入的RS232控制 信號(hào)格式轉(zhuǎn)換為CCD攝像機(jī)的控制信號(hào)格式，以使計(jì)算機(jī)軟件可以直接遠(yuǎn)程 控制CCD攝像機(jī)對(duì)焦、調(diào)焦等動(dòng)作的完成。CCD攝像機(jī)圖像輸出接口 8連接計(jì) 算機(jī)中圖像采集卡，通過(guò)圖像采集卡將CCD攝像機(jī)采集的圖象模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，以供計(jì)算機(jī)軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上輸出采集的圖 像信息。
計(jì)算機(jī)中的軟件處理模塊包括圖像采集模塊、圖象處理并顯示模塊，控制 CCD攝像機(jī)模塊和計(jì)算模塊。圖像采集模塊運(yùn)行在程序后臺(tái)，完成從圖像采集 卡中讀取圖像信號(hào)；圖像處理并顯示模塊完成CCD采集圖像在計(jì)算機(jī)屏幕上 的顯示、對(duì)采集顯示的圖像進(jìn)行亮度和對(duì)比度的調(diào)整，以及在計(jì)算機(jī)屏幕上 顯示的圖像上標(biāo)記等間距網(wǎng)格和圓形加工線寬，為CCD攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)加工"十 字"圖案以及監(jiān)控激光加工頭空走時(shí)加工路徑提供標(biāo)準(zhǔn)；控制CCD攝像機(jī)模 塊是利用通過(guò)軟件上的操作按鈕發(fā)送RS232數(shù)據(jù)，通過(guò)控制電路對(duì)控制信號(hào) 的轉(zhuǎn)換，完成對(duì)CCD攝像機(jī)對(duì)焦、調(diào)焦功能的控制；計(jì)算模塊可以根據(jù)在預(yù) 加工時(shí)輸入的兩個(gè)位置坐標(biāo)a和b計(jì)算激光加工頭相對(duì)于CCD攝像機(jī)的相對(duì) 位置坐標(biāo)c，通過(guò)計(jì)算出的數(shù)據(jù)移動(dòng)激光加工頭可以使激光加工頭精確的移動(dòng) 到移動(dòng)激光加工頭前CCD攝像機(jī)的位置。
整套裝置的工作原理如圖2所示。 在完成非同軸定位裝置的裝配后，通過(guò)二次定位的方法來(lái)完成工件加工 點(diǎn)的定位，基本過(guò)程是通過(guò)在材料廢料處預(yù)加工，移動(dòng)激光加工頭使CCD攝 像機(jī)對(duì)預(yù)加工圖案進(jìn)行成像定位，確定出CCD攝像機(jī)與激光加工頭的相對(duì)位 置以及激光加工的加工線寬，之后用CCD攝像機(jī)代替激光加工頭對(duì)需要加工的工件部位進(jìn)行空走預(yù)加工，觀察加工路徑是否符合加工要求并調(diào)整加工路
徑、加工補(bǔ)償和工件位置直至符合加工要求，最后根據(jù)CCD攝像機(jī)的激光加 工頭的相對(duì)位置移動(dòng)激光加工頭到CCD攝像機(jī)所在的位置，進(jìn)行最終的激光 加工。具體過(guò)程如下
1) 用激光加工頭在要加工材料的廢料處進(jìn)行激光預(yù)加工"十字"圖案， 并通過(guò)激光加工機(jī)床控制系統(tǒng)顯示界面讀出激光加工頭在"十字"圖案中心 位置時(shí)的位置坐標(biāo)a;
2) 移動(dòng)激光加工頭，如圖3所示(只畫(huà)出定位裝置中的CCD攝像機(jī))將 CCD攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)加工的"十字"圖案ll,由計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)控制電路直接 控制CCD攝像機(jī)的放大倍率和對(duì)焦，由圖像采集卡采集圖像信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)， 在計(jì)算機(jī)屏幕上得到放大的預(yù)加工的"十字"圖案12。進(jìn)一步調(diào)整激光加工 頭的X、 Y和C坐標(biāo)，使預(yù)加工圖案的"十字"中心對(duì)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)屏幕上圖像顯 示模塊中的中心網(wǎng)格13，并使屏幕上的網(wǎng)格與"十字"圖案重合。之后沿z 軸移動(dòng)激光加工頭，在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察"十字"圖案的中心是否保持在中 心網(wǎng)格上，如果偏離，調(diào)整可調(diào)傾斜塊的頂針螺絲5，利用"l/2法"使網(wǎng)格 中心沿z軸各個(gè)高度都對(duì)準(zhǔn)"十字"圖案，完成成像光軸與激光加工頭光軸 平行的校準(zhǔn)。利用軟件圖象處理模塊在圖像顯示模塊中心上標(biāo)記一個(gè)直徑與 預(yù)加工線寬相等的圓標(biāo)記加工線寬14。最后通過(guò)激光加工機(jī)床控制系統(tǒng)顯示 界面讀出此時(shí)激光加工頭的位置坐標(biāo)b，將坐標(biāo)位置a和坐標(biāo)位置b分別輸入 到軟件的計(jì)算模塊中，通過(guò)軟件計(jì)算出CCD攝像機(jī)和激光加工頭的相對(duì)位置
坐標(biāo)C;
3) 將CCD攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)需要加工的工件位置的加工起始點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)記的線 寬設(shè)定激光加工的加工補(bǔ)償。然后控制激光加工頭牽引固定裝置以及固定裝 置上的CCD攝像機(jī)、控制電路和環(huán)形LED照明光源空走加工路徑，并進(jìn)行帶 有加工線寬標(biāo)記的實(shí)時(shí)圖像采集，如圖4，觀察整個(gè)加工過(guò)程中加工路徑是否 符合加工要求15 (即是否切割路徑按照工件上的圖案行進(jìn)，加工線寬是否在容差之內(nèi))，如不符合，調(diào)整加工路徑(通過(guò)軟件處理模塊調(diào)整激光加工頭運(yùn)
動(dòng)軌跡)、加工補(bǔ)償和工件位置直至符合加工要求為止；
4)將相對(duì)位置坐標(biāo)c輸入到激光加工機(jī)床控制系統(tǒng)中，按此位移移動(dòng)激 光加工頭到CCD攝像機(jī)的位置，進(jìn)行最終的激光加工。
權(quán)利要求1、一種用于激光材料加工的非同軸定位裝置，其特征在于包括有CCD攝像機(jī)(4)、圖像采集卡、能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的控制指令轉(zhuǎn)換為控制CCD攝像機(jī)(4)的指令格式的控制電路(10)、照明光源和與CCD攝像機(jī)、控制電路相連接并安裝有軟件處理模塊的計(jì)算機(jī)；所述的固定裝置包括有可調(diào)傾斜塊(2)、第二轉(zhuǎn)接板(3)、第三轉(zhuǎn)接板(6)和用于與激光加工頭(9)固定連接的第一轉(zhuǎn)接板(1)；其中可調(diào)傾斜塊(2)的一端與第一轉(zhuǎn)接板(1)固定連接，另一端與第二轉(zhuǎn)接板(3)固定連接；CCD攝像機(jī)(4)與第二轉(zhuǎn)接板(3)固定連接；第三轉(zhuǎn)接板(6)固定連接在第二轉(zhuǎn)接板(3)的下側(cè)，照明光源固定連接在第三轉(zhuǎn)接板(6)上；控制電路(10)固定連接在第一轉(zhuǎn)接板(1)上；控制電路(10)的一端與CCD攝像機(jī)(4)的控制接口(7)相連，另一端與計(jì)算機(jī)相連；計(jì)算機(jī)還通過(guò)圖像采集卡與CCD攝像機(jī)(4)的圖像輸出接口(8)相連。
專利摘要本實(shí)用新型是一種用于激光材料加工的非同軸工件加工點(diǎn)定位裝置，屬于材料加工領(lǐng)域。包括CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、控制電路、固定裝置和計(jì)算機(jī)。通過(guò)固定裝置將CCD攝像機(jī)、控制電路固定到在激光加工頭上。通過(guò)在材料廢料處預(yù)加工，移動(dòng)激光加工頭使CCD攝像機(jī)對(duì)預(yù)加工圖案進(jìn)行成像定位，確定出CCD攝像機(jī)與激光加工頭的相對(duì)位置，之后用CCD攝像機(jī)代替激光加工頭對(duì)需要加工的工件部位進(jìn)行空走預(yù)加工，觀察加工路徑是否符合要求，如不符合，調(diào)整加工路徑、加工補(bǔ)償和工件位置直至符合加工要求，最后移動(dòng)激光加工頭到CCD攝像機(jī)位置，進(jìn)行最終的激光加工。該實(shí)用新型無(wú)需改變現(xiàn)有激光加工頭的構(gòu)造，裝配簡(jiǎn)易，整個(gè)定位過(guò)程快速，精度高。
文檔編號(hào)B23K26/38GK201223996SQ20082010874
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者季凌飛, 蔣毅堅(jiān), 閆胤洲, 勇 鮑 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)