一种激光加工光束质量监测系统及方法与流程

1.本发明涉及光束质量监测的技术领域，具体涉及一种激光加工光束质量监测系统及方法。


背景技术：

2.激光加工技术在加工领域的优势日渐突出，相关激光应用逐渐向高功率高效率的方向不断发展，激光加工的工艺应用也在不断突破。在不断提升的板厚加工的加工效率要求、加工断面的质量条纹变细和无挂渣的要求下，加工工艺随着技术工艺应用不断转变。随着激光在材料加工领域应用的功率不断提高，对于高功率的长时间加工导致光束质量变化和环境温升导致的焦点变化是高功率激光材料加工的主要问题，在提高高功率稳定性以及对于高功率在效率和表面质量中，对光束质量监控是激光加工核心问题。
3.为了解决对激光光束质量监测的问题，公告号为cn103949774a的中国发明专利申请文件公开了一种监测激光束质量的激光加工头，包括激光器输出头连接件、分光模块、激光束监测模块、激光加工头主体，激光器输出头连接件、激光束监测模块、激光切割头主体分别通过螺丝固定在分光模块上，并使输入的激光束穿过激光器输出头连接件进入分光模块，其中分光模块将部分激光束透射沿原方向继续传播到激光束监测模块，部分激光束反射偏转90度方向传播到激光加工头主体。分光镜片能透射部分激光束和反射大部分激光束，透射部分激光束沿原方向继续传播，反射部分激光束传播方向偏转90度；透射部分激光束进入激光束监测模块，首先通过一个镜片组，到达激光束质量分析仪；所述的激光束质量分析仪为能与连接计算机的ccd或cmos激光光束接收器，激光束质量分析仪进行光束质量分析。
4.公告号为cn204413406u的中国实用新型专利公开了一种激光束质量可监测激光头，包括壳体，设置在所述壳体内的反光镜及聚光镜，所述反光镜用于反射入射光并形成反射光，所述聚光镜用于将所述反射光形成透射光并形成激光束；所述壳体内还设置有对应所述透射光的高度测量仪；所述壳体内还设置有对应所述激光束的宽度测量仪；所述高度测量仪及宽度测量仪均连接至控制器。通过设置宽度测量仪测量出形成的激光束的光束节点宽度df，此处光束节点即透射光聚光后形成的最小光束位置处，将上述透射光高度f及光束节点宽度df传输至控制器，即可通过公式θ＝df/f即可计算出光束发散角θ，如果光束发散角θ超出一定范围，则需要调整激光头中反光镜及透视镜的位置以对激光头作出改进。
5.在高功率、长时间加工过程中，光束质量变化和环境温升会导致的焦点变化，在公告号为cn103949774a的中国发明专利申请文件和公告号为cn204413406u的中国实用新型专利中公开的方案中，如焦点发生变化，则会对其监测到的初始数据(即光束测量节点的宽度)造成较大的误差，监测结果不准确，无法满足需要。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种激光加工光束质量监测系
统，其包括第一分光镜，所述第一分光镜设有切割光路输入端、切割光路输出端、第二分光镜、反射镜、图像采集单元和平移驱动机构，还提供一种激光加工光束质量监测方法，包括以下步骤：采集光束截面光斑图像、拟合光束轮廓曲线函数、评估焦距和发散角、评估光束质量m2和锐利长度zr。该激光加工光束质量监测系统具有监测结果准确的优点。
7.一种激光加工光束质量监测系统，包括第一分光镜，所述第一分光镜设有切割光路输入端和切割光路输出端，还包括第二分光镜、反射镜、图像采集单元和平移驱动机构，所述第一分光镜设有朝向反射镜的分光光路输出端，所述第二分光镜位于第一分光镜和反射镜之间，所述第一分光镜和第二分光镜之间设有聚焦透镜，所述第二分光镜设有朝向反射镜的分支光路输出端，所述图像采集单元共设置n个，n为非零自然数，所述第二分光镜共设置n-1个，所述反射镜和n-1个第二分光镜分别与n个图像采集单元一一对应，所述反射镜和第二分光镜均设有朝向与其对应的图像采集单元的监测光路输出端，所述平移驱动机构与图像采集单元连接且驱动图像采集单元移动。通过这样的设置：能够通过实际的光束截面光斑图像进行光束焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的计算，有效提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，有效减小的焦距变化对监测和计算结果的影响，达到监测结果准确的优点，并能够通过准确的光束质量m2和锐利长度zr实现更准确的加工工艺判断，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
8.作为优选，所述聚焦透镜采用无像差聚焦镜组件。通过这样的设置：减小聚焦透镜的像差对监测准确度的影响，进一步提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
9.一种激光加工光束质量监测方法，采用激光加工光束质量监测系统，包括第一分光镜，所述第一分光镜设有切割光路输入端和切割光路输出端，还包括第二分光镜、反射镜、图像采集单元和平移驱动机构，所述第一分光镜设有朝向反射镜的分光光路输出端，所述第二分光镜位于第一分光镜和反射镜之间，所述第一分光镜和第二分光镜之间设有聚焦透镜，所述第二分光镜设有朝向反射镜的分支光路输出端，所述图像采集单元共设置n个，n为非零自然数，所述第二分光镜共设置n-1个，所述反射镜和n-1个第二分光镜分别与n个图像采集单元一一对应，所述反射镜和第二分光镜均设有朝向与其对应的图像采集单元的监测光路输出端，所述平移驱动机构与图像采集单元连接且驱动图像采集单元移动；
10.所述监测方法包括以下步骤：
11.s1、采集光束截面光斑图像：第一分光镜对激光切割头的切割光束分光后通过分光光路输出端照射到第二分光镜和反射镜，通过第二分光镜和反射镜使光线照射到图像采集单元形成光斑，通过图像采集单元采集多个光束截面光斑图像；
12.s2、拟合光束轮廓曲线函数：根据多个光束截面光斑图像评价多个光斑直径，并将多个光斑直径拟合形成光束轮廓曲线函数，通过光束轮廓曲线函数进行二项式拟合得到焦点位置和焦点位置光斑大小d
σ0
；
13.s3、评估焦距和发散角：根据焦点位置得到焦距f，根据焦距f和焦点位置光斑大小d
σ0
评估发散角
14.s4、评估光束质量m2和锐利长度zr：计算光束质量其中λ为光源波长，计算锐利长度
15.通过这样的设置：能够在激光切割头进行切割加工的过程中通过图像采集单元采集切割光束的光束截面光斑图像，进而能够通过实际的光束截面光斑图像进行光束焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的计算，有效提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，有效减小的焦距变化对监测和计算结果的影响，达到监测结果准确的优点，并能够通过准确的光束质量m2和锐利长度zr实现更准确的加工工艺判断，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
16.作为优选，在所述s2步骤中，还包括以下步骤：
17.光斑直径包括截面x轴方向上的光斑直径dx(z)和截面y轴方向上的光斑直径dy(z)，通过多个dx(z)和多个dy(z)分别按最小二乘法做多项式拟合得到两个光束轮廓曲线函数，两个所述光束轮廓曲线分别位于光斑的不同方向上。通过这样的设置：实现根据采集不同z轴位置的光斑直径以监测切割光束的焦距的功能，能够获得光束在x轴方向和y轴方向上的两个光束轮廓曲线，通过两个光束轮廓曲线函数能够更准确地监测切割光束的焦距，起到进一步提高监测准确度的作用。
18.作为优选，在所述s2步骤中，还包括以下步骤：
19.根据照射在图像采集单元上的光斑的能量密度，按照光电响应效率区间的86％～100％评价截面直径。通过这样的设置：满足不同的监测需求，起到提高适用性的作用。
20.作为优选，在所述s2步骤中，还包括以下步骤：
21.按照86％的光电响应效率区间坐标评价截面直径。通过这样的设置：可以更好的评价光束大小和光束质量。
22.作为优选，在所述s2步骤中，还包括以下步骤：
23.按照100％的光电响应效率区间坐标评价截面直径。通过这样的设置：可以更好的了解边缘整体光束在x轴方向和y轴方向上的光学性能。
24.作为优选，在所述s2步骤中，还包括以下步骤：
25.光斑大小通过图像采集单元上的光斑的能量密度积分确定x轴方向截面评估直径：σ
x
(z)和y轴方向截面评估直径σy(z)，定义截面x轴方向的光斑直径dx(z)＝4σ
x
(z)，定义截面y轴方向的光斑直径dy(z)＝4σy(z)。
26.通过这样的设置：由能量密度积分确定x轴方向截面评估直径，在通过截面平谷直径定义光斑直径，实现监测光斑直径的功能。
27.作为优选，在所述s1步骤中，还包括以下步骤：
28.所述第一分光镜将切割光束按光辐照度分成99.5％和0.5％两道光束，通过所述切割光路输出端射出的光束的光辐照度为切割光束光辐照度的99.5％，通过分光光路输出端射出的光束的光辐照度为切割光束光辐照度的0.5％。
29.通过这样的设置：保证有能量密度足够进行切割工件，并防止图像采集单元被烧
坏。
30.作为优选，在所述s1步骤中，还包括以下步骤：
31.所述平移驱动机构带动多个图像采集单元分别沿朝向与其对应的反射镜和第二分光镜的方向平移，所述图像采集单元采集多个不同位置的光束截面光斑图像。
32.通过这样的设置：起到方便采集不同z轴位置的光光束界面光斑图像的作用。
33.相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：
34.1、通过设置第一分光镜将切割光束进行分光，再通过第二分光镜和反射镜使光束能够照射到图像采集单元上，从而能够在激光切割头进行切割加工的过程中，通过图像采集单元采集切割光束的光束截面光斑图像，进而能够通过实际的光束截面光斑图像进行光束焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的计算，有效提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，有效减小的焦距变化对监测和计算结果的影响，达到监测结果准确的优点，并能够通过准确的光束质量m2和锐利长度zr实现更准确的加工工艺判断，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
35.2、通过多个不同z轴位置上的光斑直径按最小二乘法做多项式拟合得到光束轮廓曲线函数，从而能够通过光束轮廓曲线函数来拟合焦点位置的坐标，根据焦点位置的坐标获得焦距，z轴坐标原点为预设值且与切割光束上的聚焦镜组件相关联，通过焦点位置的z轴坐标反应切割光束焦点与聚焦镜组件的距离，从而实现根据采集不同z轴位置的光斑直径以监测切割光束的焦距的功能。通过检测x轴方向和y轴方向上的光斑直径，再按最小二乘法做多项式拟合得到两个光束轮廓曲线函数，从而能够获得光束在x轴方向和y轴方向上的两个光束轮廓曲线，通过两个光束轮廓曲线函数能够更准确地监测切割光束的焦距，起到进一步提高监测准确度的作用。
36.3、通过图像采集单元的设置，能够分别采集不同位置的光束截面光斑图像。通过平移驱动机构驱动图像采集单元移动，使图像采集单元能够采集到不同位置的光束截面光斑图像，从而起到方便采集不同z轴位置的光光束界面光斑图像的作用。
附图说明
37.图1是本发明实施例1中一种激光加工光束质量监测系统的结构示意图；
38.图2是本发明实施例1中平移驱动机构的结构示意图；
39.图3是本发明实施例1中一种激光加工光束质量监测方法的流程示意图；
40.图4是本发明实施例1中光斑与光束轮廓曲线函数的结构示意图；
41.图5是本发明实施例2中一种激光加工光束质量监测系统的结构示意图；
42.图6是本发明实施例3中一种激光加工光束质量监测系统的结构示意图。
43.其中，各附图标记所指代的技术特征如下：
44.11、第一分光镜；12、切割光路输入端；13、切割光路输出端；14、分光光路输出端；15、第二分光镜；16、分支光路输出端；17、反射镜；18、监测光路输出端；19、聚焦透镜；21、图像采集单元；22、滑轨；23、滑块；24、伺服电机；25、丝杆；31、激光光源；32、准直镜组件；33、聚焦镜组件。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
46.实施例1：
47.参考图1，一种激光加工光束质量监测系统，包括第一分光镜11，第一分光镜11设有切割光路输入端12、切割光路输出端13、第二分光镜15、反射镜17、图像采集单元21和平移驱动机构，第一分光镜11设有朝向反射镜17的分光光路输出端14，第二分光镜15位于第一分光镜11和反射镜17之间，第一分光镜11和第二分光镜15之间设有聚焦透镜19，第一分光镜11到准直镜的距离与第一分光镜11到聚焦透镜19的距离相等，通过聚焦透镜19的光束焦距与通过聚焦镜组件33的光束焦距相等。聚焦透镜19采用无像差聚焦镜组件。第二分光镜15设有朝向反射镜17的分支光路输出端16。图像采集单元21共设置2个，图像采集单元21采用ccd传感器。第二分光镜15共设置1个，反射镜17和第二分光镜15分别与2个图像采集单元21一一对应，反射镜17和第二分光镜15均设有朝向与其对应的图像采集单元21的监测光路输出端18。
48.参考图2，平移驱动机构与图像采集单元21连接且驱动图像采集单元21移动，在本实施例中，平移驱动机构包括滑轨22和滑块23，滑轨22与激光切割头的外壳固定，图像采集单元21固定安装在滑块23上，滑块23与滑轨22竖向滑动连接，第二分光镜15和反射镜17分别位于不同的图像采集单元21的下方。滑轨22固定安装有伺服电机24，伺服电机24输出轴固定连接有与滑块23螺纹连接的丝杆25。伺服电机24驱动丝杆25转动，通过丝杆25驱动滑块23在滑轨22上竖向移动，从而实现通过平移驱动机构驱动图像采集单元21移动的功能，使图像采集单元21能够采集不同位置上的光束截面光斑图像。
49.参考图1，激光切割头包括激光光源31、准直镜组件32、聚焦镜组件33和外壳，激光光源31、准直镜组件32和聚焦镜组件33均固定安装在外壳上。激光光源31照射出切割光束经过准直镜组件32和聚焦镜组件33后照射到工件上，从而实现激光切割的功能。
50.参考图3，一种激光加工光束质量监测方法，包括以下步骤：
51.s1、采集光束截面光斑图像：第一分光镜11对激光切割头的切割光束分光后通过分光光路输出端14照射到第二分光镜15和反射镜17，通过第二分光镜15和反射镜17使光线照射到图像采集单元21形成光斑，通过图像采集单元21采集多个光束截面光斑图像；
52.第一分光镜11将切割光束按光辐照度分成99.5％和0.5％两道光束，通过切割光路输出端13射出的光束的光辐照度为切割光束光辐照度的99.5％，通过分光光路输出端14射出的光束的光辐照度为切割光束光辐照度的0.5％；
53.平移驱动机构带动多个图像采集单元21分别沿朝向与其对应的反射镜17和第二分光镜15的方向平移，图像采集单元21采集多个不同位置的光束截面光斑图像。
54.s2、拟合光束轮廓曲线函数：根据多个光束截面光斑图像评价多个光斑直径，并将多个光斑直径拟合形成光束轮廓曲线函数，通过光束轮廓曲线函数进行二项式拟合得到焦点位置和焦点位置光斑大小d
σ0
；
55.根据照射在图像采集单元21上的光斑的能量密度，按照光电响应效率区间的86％～100％评价截面直径；在本实施例中，按照86％的光电响应效率区间坐标评价截面直径；
56.通过能量密度积分函数确定x轴方向截面评估直径
通过能量密度积分函数确定y轴截面评估直径能量密度积分函数是通过像面光电相应的饱和值定义能量密度评价，实现对应函数的确认，e(x，y，z)为截面能量密度分布；
57.光斑大小通过图像采集单元21上的光斑的能量密度积分确定x轴方向截面评估直径：σ
x
(z)和y轴方向截面评估直径σy(z)，定义截面x轴方向的光斑直径dx(z)＝4σ
x
(z)，定义截面y轴方向的光斑直径dy(z)＝4σy(z)；
58.光斑直径包括截面x轴方向上的光斑直径dx(z)和截面y轴方向上的光斑直径dy(z)，通过多个dx(z)和多个dy(z)分别按最小二乘法做多项式拟合得到两个光束轮廓曲线函数，两个光束轮廓曲线分别位于光斑的不同方向上；
59.光束轮廓曲线的拟合函数可以设置为2次多项式或4次多项式拟合函数，在本实施例中，光束轮廓曲线设置为4次多项式拟合。光束轮廓曲线的拟合函数式为：
60.f(x)＝p1x4 p2x3 p3x2 p4x p561.p1、p2、p3、p4和p5根据监测得到的多个光斑直径组成的离散数据经过拟合函数计算后，即可得出拟合函数的各阶系数。
62.s3、评估焦距和发散角：根据焦点位置得到焦距f，将光斑直径dx(z)和dy(z)分别代入光斑大小d
σ0
进行计算，根据焦距f和焦点位置光斑大小d
σ0
评估发散角
63.s4、评估光束质量m2和锐利长度zr：计算光束质量其中λ为光源波长，计算锐利长度
64.将第一分光镜11设置在准直镜组件32和激光光源31之间，通过第一分光镜11对切割光束进行分光后，分成两道光束分别照射向准直镜组件32和第二分光镜15，第二分光镜15再次进行分光后，使光束再次分成两道监测光束，一道监测光束直接照射到与第二分光镜15对应的图像采集单元21，另一道监测光束照射到反射镜17后再反射到与反射镜17对应的图像采集单元21上，从而能通过两个图像采集单元21对采集光束截面光斑图像。定义光束照射方向为z轴方向，x轴方向和y轴方向均与z轴方向垂直，且x轴方向与y轴方向垂直。照射到两个图像采集单元21的光传播距离不同，使两个图像采集单元21采集到z轴坐标不同的光束截面光斑图像。利用多个z轴坐标不同的光束界面图像来评价在x轴和y轴两个方向上的光斑宽度，得到多个z轴坐标上的x轴和y轴两个方向上的截面直径。根据截面直径定义多个z轴坐标上的x轴方向和y轴方向上的光斑直径。参考图4，根据多个x轴方向光斑直径和多个y轴方向光斑直径以及其对应的z轴坐标拟合得到光束在x轴方向以及y轴方向上的光
束轮廓曲线函数。再利用x轴方向以及y轴方向上的光束轮廓曲线函数进行二项式拟合，得到实际的焦点位置和焦点位置的光斑大小。由实际焦点位置得到实际的焦距，并根据焦距和焦点位置的光斑大小计算出发散角，然后再根据公式计算得出光束质量m2和锐利长度zr。通过准确监测实际的光束质量m2以及实际焦点位置对应不同材料厚度割缝质量和大小的评价，实现工艺的优化，最终通过光束质量监测的动态工艺实现不同厚度材料加工的快速工艺预判，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
65.本实施例具有以下优点：
66.通过设置第一分光镜11将切割光束进行分光，再通过第二分光镜15和反射镜17使光束能够照射到图像采集单元21上，从而能够在激光切割头进行切割加工的过程中，通过图像采集单元21采集切割光束的光束截面光斑图像，进而能够通过实际的光束截面光斑图像进行光束焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的计算，有效提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，有效减小的焦距变化对监测和计算结果的影响，达到监测结果准确的优点，并能够通过准确的光束质量m2和锐利长度zr实现更准确的加工工艺判断，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
67.通过2个图像采集单元21的设置，能够分别采集不同位置的光束截面光斑图像。通过平移驱动机构驱动图像采集单元21移动，使图像采集单元21能够采集到不同位置的光束截面光斑图像，从而起到方便采集不同z轴位置的光光束界面光斑图像的作用。
68.通过多个不同z轴位置上的光斑直径按最小二乘法做多项式拟合得到光束轮廓曲线函数，从而能够通过光束轮廓曲线函数来拟合焦点位置的坐标，根据焦点位置的坐标获得焦距，z轴坐标原点为预设值且与切割光束上的聚焦镜组件33相关联，通过焦点位置的z轴坐标反应切割光束焦点与聚焦镜组件33的距离，从而实现根据采集不同z轴位置的光斑直径以监测切割光束的焦距的功能。通过检测x轴方向和y轴方向上的光斑直径，再按最小二乘法做多项式拟合得到两个光束轮廓曲线函数，从而能够获得光束在x轴方向和y轴方向上的两个光束轮廓曲线，通过两个光束轮廓曲线函数能够更准确地监测切割光束的焦距，起到进一步提高监测准确度的作用。
69.通过调节图像采集单元21光电响应效率区间以评价截面直径，较小的光电响应效率区间能够更好的评价光束大小和光束质量，较大的光电响应效率区间能更好的了解边缘整体光束在x轴方向和y轴方向上的光学性能。按照光电响应效率区间的86％～100％的坐标评价截面直径大小，以满足不同的监测需求，起到提高适用性的作用。
70.聚焦透镜19采用无像差聚焦镜组件，减小聚焦透镜19的像差对监测准确度的影响，进一步提高了焦点位置、光束质量m2和锐利长度zr的监测准确度，有效减小的焦距变化对监测和计算结果的影响，达到监测结果准确的优点，并能够通过准确的光束质量m2和锐利长度zr实现更准确的加工工艺判断，起到提高切割效率和割缝质量的效果，有效提高光束质量m2的稳定性。
71.第一分光镜11将切割光束分成99.5％和0.5％两道光束，将分出的99.5％的激光光束照射到工件上进行切割，保证有能量密度足够进行切割工件。将0.5％的激光光束通过第二分光镜15和反光镜照射到图像采集单元21上，防止图像采集单元21被烧坏。
72.实施例2：
73.一种激光加工光束质量监测方法，其与实施例1的区别在于：在s2步骤中，还包括
以下步骤：
74.在本实施例中，按照100％的光电响应效率区间坐标评价截面直径。
75.本实施例具有以下优点：
76.按照100％的光电响应效率区间坐标评价截面直径可以更好的了解边缘整体光束在x轴方向和y轴方向上的光学性能，满足不同的监测需求，提高适用性。
77.实施例3：
78.参考图5，一种激光加工光束质量监测系统，其与实施例1的区别在于，图像采集单元21共设置1个，图像采集单元21与反光镜对应，光束通过第一分光镜11、聚焦透镜19和反光镜直接照射到图像采集单元21，通过平移驱动机构带动图像采集单元21移动，使图像采集单元21能够采集多个不同位置的光束截面光斑图像。
79.实施例4：
80.参考图6，一种激光加工光束质量监测系统，其与实施例1的区别在于，图像采集单元21共设置3个，第二分光镜15共设置2个。2个分光镜的作用是将光束分为两道光辐照度相等的光束。光束通过第一分光镜11照射到第一个第二分光镜15，第一个第二分光镜15进行分光后形成两道光束分别照射到第一个图像采集单元21和第二个分光镜，第二个分光镜进行分光后形成两道光束分别照射到第二个图像采集单元21和反光镜，再通过反光镜将光束反射到第三个图像采集单元21上。第二个图像采集单元21和第三个图像采集单元21上光斑的光辐照度为第一个图像采集单元21上光斑的光辐照度的一半，因此将第二个和第三个图像采集单元21的光电相应的饱和值设置为第一个图像采集单元21的光电相应的饱和值的一半，从而能够利用图像采集单元21采集多个不同位置的光束截面光斑图像。
81.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。