專利名稱：光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)及其方法，屬 于激光加工技術領域。
背景技術：
以激光掃描焊接為例，激光掃描焊接(Scanner Welding)又稱激光遠距離焊接 (Remote Welding)，是一種采用掃描鏡組獲得光點偏移實現焊接的加工工藝。常規(guī)激光焊 接系統(tǒng)主要采用固定光束，工件位移或者機器人手持激光焊接頭進行焊接加工。與常規(guī)激 光焊接工藝相比，激光掃描焊接最大的優(yōu)勢在于大幅度提高了生產效率。激光束通過掃描 鏡的快速偏轉移動，光點快速移動，用于定位的時間明顯縮減，極大地減少了加工時間。在 很大程度上提高了激光的使用率，工件上的焊點數量越多焊點間隔越大，這種掃描焊接方 式加工工藝的優(yōu)勢越明顯。激光焊接的光束質量對焊接質量控制有著重要作用，目前用于 激光焊接的光源主要有Nd =YAG固體激光器和C02氣體激光器。隨著激光器件技術進步，以 光纖激光器和碟片激光器為代表的新一代全固態(tài)激光器相對于傳統(tǒng)激光光源具有更高的 光束質量，性能穩(wěn)定，采用光纖輸出，體積輕巧，結構簡單。激光掃描時，當掃描掃描鏡將激光束向遠離工作范圍中心的方向引導時，從鏡頭 到工作的距離增加了，畸變導致遠離工作中心的位置激光光束離焦?，F有的激光掃描焊接 設備常采用θ透鏡(平場鏡)來克服像質一致和等角速度入射光實現線性掃描，或采用動 態(tài)聚焦技術來克服掃描鏡掃描中的離焦和等速問題。因f-θ透鏡受到鏡頭大小和掃描鏡 掃描光束入瞳口徑的限制，掃描范圍被大大的限制，而且θ透鏡的入瞳口徑越大，成本 越高。目前被廣泛采用的動態(tài)聚焦裝置是通過旋轉電機和傳動機構組成驅動裝置來驅動透 鏡實現直線往復運動，但由于結構松散，穩(wěn)定性差，響應速度慢，已經遠不能滿足現代控制 系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現有激光掃描焊接技術存在的焊接速度慢、工作范圍受 限、焊接光點能量不穩(wěn)定、設備整合繁瑣、結構松散龐大等的缺陷，提供一種光纖激光或碟 片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術方案是，一種光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)， 包括激光器、準直擴束鏡、掃描頭、PC控制系統(tǒng)、載物臺，其特征在于，所述的激光器為光纖 激光器或碟片激光器，所述的光纖激光器或碟片激光器的光纖輸出頭與準直擴束鏡連接， 準直擴束鏡與掃描頭相連接；所述的掃描頭由Z軸動態(tài)聚焦模塊、X軸反射鏡片、X軸數字 伺服電機、Y軸反射鏡片、Y軸數字伺服電機組成，所述的X軸反射鏡片安裝在X軸數字伺 服電機的轉軸上，所述Y軸反射鏡片安裝在Y軸數字伺服電機的轉軸上，所述光纖激光器 或碟片激光器輸出的光束依次經準直擴束鏡、Z軸動態(tài)聚焦模塊，射到X軸反射鏡片上，由X 軸反射鏡片反射到Y軸反射鏡片，經Y軸反射鏡片反射將光點聚焦于載物臺上的被加工件表面；所述的動態(tài)聚焦模塊由Z軸空心伺服直線電機、凹透鏡和凸透鏡組組成，所述Z軸空 心伺服直線電機包括鏡架、線圈、磁鋼、PSD位移傳感器、滑輪導軌組成，所述的凹透鏡安裝 于鏡架上，鏡架繞有線圈，鏡架安裝有滑輪導軌，改變線圈電流大小使鏡架在滑輪導軌上前 后移動，調節(jié)凹透鏡和凸透鏡組之間距離，實現動態(tài)聚焦；所述PC控制系統(tǒng)包括打標控制 卡和轉角位置處理器，打標控制卡控制X軸數字伺服電機、Y軸數字伺服電機，轉角位置處 理器將信號發(fā)送給Z軸空心伺服直線電機，按照存在PC控制系統(tǒng)中的加工圖形點軌跡圖掃 描的點軌跡運動，同步控制光纖激光器或碟片激光器出光，完成點焊。利用上述光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)的激光動態(tài)聚焦掃 描方法為如下步驟
1.將加工圖形點軌跡圖輸入到PC控制系統(tǒng)；
2.由連接PC控制系統(tǒng)的打標控制卡發(fā)出信號，通過X軸數字伺服電機、Y軸數字伺服 電機控制X軸反射鏡片和Y軸反射鏡片的轉角位置；
3.轉角位置處理器對打標控制卡發(fā)出的X軸反射鏡片和Y軸反射鏡片的轉角位置信號 進行采集，將兩點間的偏轉角進行等距離的插補，得到各個插補點對應的偏轉角度值和動 態(tài)聚焦的Z軸位移量；
4.轉角位置處理器將動態(tài)聚焦的Z軸位移量信號發(fā)送給Z軸空心伺服直線電機進行直 線運動，進而帶動凹透鏡位移，使凹透鏡和凸透鏡組間的距離變化；
5.PSD位移傳感器獲取凹透鏡位移的位移量，轉角位置處理器通過PSD位移傳感器獲 得反饋實時位移信號，實現閉環(huán)連接控制，實現光束的動態(tài)聚焦。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明針對現有激光掃描焊接系統(tǒng)掃描技術存在的缺陷， 采用光纖激光器或碟片激光器、PSD位移傳感器、高精度空心軸直線電機驅動的動態(tài)聚焦快 速掃描頭，實現動態(tài)調焦模塊的閉環(huán)控制和實時控制，在工件上進行快速點軌跡的點掃描 加工。加工范圍大、質量高，焊接或打點速度快、效率高，有效提高了系統(tǒng)的精度和焊接質 量，并可實現3D焊接，在先進制造領域具有廣泛的應用價值。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)示意圖； 圖2是凹透鏡安裝于Z軸空心伺服直線電機上的結構示意圖3是光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
由圖1和圖2所示，一種光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)，包括激光 器1、準直擴束鏡2、掃描頭21、PC控制系統(tǒng)16、載物臺20，其特征在于，所述的激光器1為 光纖激光器或碟片激光器，所述的光纖激光器或碟片激光器的光纖輸出頭與準直擴束鏡2 連接，準直擴束鏡2與掃描頭21相連接；所述的掃描頭21由Z軸動態(tài)聚焦模塊3、X軸反射 鏡片7、X軸數字伺服電機8、Y軸反射鏡片9、Y軸數字伺服電機10組成，所述的X軸反射 鏡片7安裝在X軸數字伺服電機8的轉軸上，所述Y軸反射鏡片9安裝在Y軸數字伺服電 機10的轉軸上，所述光纖激光器或碟片激光器輸出的光束依次經準直擴束鏡2、Z軸動態(tài) 聚焦模塊3，射到X軸反射鏡片7上，由X軸反射鏡片7反射到Y軸反射鏡片9，經Y軸反射 鏡片9反射將光點聚焦于載物臺20上的被加工件19表面；所述的動態(tài)聚焦模塊3由Z軸空心伺服直線電機6、凹透鏡4和凸透鏡組5組成，所述Z軸空心伺服直線電機6包括鏡架 11、線圈 12、磁鋼 13、PSD (Position Sensitive Detector)位移傳感器 14、滑輪導軌 15 組 成，所述的凹透鏡4安裝于鏡架11上，鏡架11繞有線圈12，鏡架11安裝有滑輪導軌15， 改變線圈12電流大小使鏡架11在滑輪導軌15上前后移動，并通過PSD位移傳感器14獲 取鏡架實時位移信號，實現閉環(huán)連接控制，實現零傳動，動態(tài)性能好，凸透鏡組5固定不動， 光束經凹透鏡4后發(fā)散，入射到凸透鏡組5，調節(jié)凹透鏡4和凸透鏡組5之間距離，實現動態(tài) 聚焦；所述PC控制系統(tǒng)16包括打標控制卡17和轉角位置處理器18，打標控制卡控制X軸 數字伺服電機8、Y軸數字伺服電機10，轉角位置處理器18將信號發(fā)送給Z軸空心伺服直 線電機6，按照存在PC控制系統(tǒng)16中的加工圖形點軌跡圖掃描的點軌跡運動，同步控制光 纖激光器或碟片激光器出光，完成點焊。 由圖1-圖3所示，利用上述光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)的 激光動態(tài)聚焦掃描方法為如下步驟
1.將加工圖形點軌跡圖輸入到PC控制系統(tǒng)16；
2.由連接PC控制系統(tǒng)16的打標控制卡17發(fā)出信號，通過X軸數字伺服電機8、Y軸 數字伺服電機10控制X軸反射鏡片7和Y軸反射鏡片9的轉角位置；
3.轉角位置處理器18獲得X軸反射鏡片7和Y軸反射鏡片9的轉角位置信號，將兩點 間的偏轉角進行等距離的插補，得到各個插補點對應的偏轉角度值和動態(tài)聚焦的Z軸位移 量；
4.轉角位置處理器18將動態(tài)聚焦的Z軸位移量信息發(fā)送給Z軸空心伺服直線電機6， 控制Z軸空心伺服直線電機6進行直線運動，進而帶動凹透鏡4位移，使凹透鏡4和凸透鏡 組5間的距離變化；
5.PSD位移傳感器獲取凹透鏡位移的位移量，轉角位置處理器通過PSD位移傳感器獲 得反饋實時位移信號，實現閉環(huán)連接控制，實現光束的動態(tài)聚焦。
權利要求
一種光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)，包括激光器、準直擴束鏡、掃描頭、PC控制系統(tǒng)、載物臺，其特征在于，所述的激光器為光纖激光器或碟片激光器，所述的光纖激光器或碟片激光器的光纖輸出頭與準直擴束鏡連接，準直擴束鏡與掃描頭相連接；所述的掃描頭由Z軸動態(tài)聚焦模塊、X軸反射鏡片、X軸數字伺服電機、Y軸反射鏡片、Y軸數字伺服電機組成，所述的X軸反射鏡片安裝在X軸數字伺服電機的轉軸上，所述Y軸反射鏡片安裝在Y軸數字伺服電機的轉軸上， 所述光纖激光器或碟片激光器輸出的光束依次經準直擴束鏡、Z軸動態(tài)聚焦模塊，射到X軸反射鏡片上，由X軸反射鏡片反射到Y軸反射鏡片，經Y軸反射鏡片反射將光點聚焦于載物臺上的被加工件表面；所述的動態(tài)聚焦模塊由Z軸空心伺服直線電機、凹透鏡和凸透鏡組組成，所述Z軸空心伺服直線電機包括鏡架、線圈、磁鋼、PSD位移傳感器、滑輪導軌組成,所述的凹透鏡安裝于鏡架上，鏡架繞有線圈，鏡架安裝有滑輪導軌，改變線圈電流大小使鏡架在滑輪導軌上前后移動，調節(jié)凹透鏡和凸透鏡組之間距離，實現動態(tài)聚焦；所述PC控制系統(tǒng)包括打標控制卡和轉角位置處理器，打標控制卡控制X軸數字伺服電機、Y軸數字伺服電機，轉角位置處理器將信號發(fā)送給Z軸空心伺服直線電機，按照存在PC控制系統(tǒng)中的加工圖形點軌跡圖掃描的點軌跡運動，同步控制光纖激光器或碟片激光器出光，完成點焊。
2.利用權利要求1所述光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)的激光動 態(tài)聚焦掃描方法為如下步驟(1)將加工圖形點軌跡圖輸入到PC控制系統(tǒng)；(2)由連接PC控制系統(tǒng)的打標控制卡發(fā)出信號，通過X軸數字伺服電機、Y軸數字伺服 電機控制X軸反射鏡片和Y軸反射鏡片的轉角位置；(3)轉角位置處理器獲得X軸反射鏡片和Y軸反射鏡片的轉角位置信號，將兩點間的偏 轉角進行等距離的插補，得到各個插補點對應的偏轉角度值和動態(tài)聚焦的Z軸位移量；(4)轉角位置處理器將動態(tài)聚焦的Z軸位移量信息發(fā)送給Z軸空心伺服直線電機，控制 Z軸空心伺服直線電機進行直線運動，進而帶動凹透鏡位移，使凹透鏡和凸透鏡組間的距離 變化；(5)PSD位移傳感器獲取凹透鏡位移的位移量，轉角位置處理器通過PSD位移傳感器獲 得反饋實時位移信號，實現閉環(huán)連接控制，實現光束的動態(tài)聚焦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖激光或碟片激光動態(tài)聚焦掃描點軌跡加工系統(tǒng)及方法，本發(fā)明針對現有激光掃描焊接系統(tǒng)掃描技術存在的缺陷，采用光纖激光器或碟片激光器、PSD位移傳感器、高精度空心軸直線電機驅動的動態(tài)聚焦快速掃描頭，實現動態(tài)調焦模塊的閉環(huán)和實時控制，在工件上進行快速點軌跡的點掃描加工。加工范圍大、質量高，焊接或打點速度快、效率高，有效提高了系統(tǒng)的精度和焊接質量，并可實現3D焊接，在先進制造領域具有廣泛的應用價值。
文檔編號B23K26/02GK101913024SQ20101026062
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月24日 優(yōu)先權日2010年8月24日
發(fā)明者姜兆華, 張偉, 沈可余, 潘涌, 王又良, 郁德明, 陳俊 申請人:上海市激光技術研究所