一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置及方法与流程

1.本发明涉及激光切割技术领域，更具体地，涉及一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置及方法。


背景技术：

2.激光切割是由激光束聚焦后形成极小光斑，照射在被切割材料上，局部形成高温，材料液化或汽化，在高速气流(空气、氧气、氮气等)的作用下吹走直至形成割缝的动作。气流与激光参数是影响切割参数的重要指标。常用切割头上都有喷嘴对切割气做出引导汇聚，使得切割气形成细小强劲的气流，气流对液化/气化金属吹出周边均匀的缝隙，以实现光滑的切割断面。气流是由喷嘴射出的，为保证得到优秀的切割断面，则需要气流的中心与喷嘴的中心一致，气流正对液化/气化中心点，此时需要激光焦点也与喷嘴同心。在目前行业应用中，大部分通过手动调节聚焦镜片的水平位置，从而使聚焦镜片聚焦后的光斑中心与喷嘴中心重合。在光斑中心与喷嘴中心重合确认上，通常采用2种方法：1、眼睛观察光斑中心与喷嘴中心重合度，需要比较熟练的操作应用经验；2、在喷嘴底部贴上透明胶带，激光打孔，通过胶带上喷嘴的圆轮廓中心与激光穿孔是否重合来判断。这两种方式均受操作人员的个人熟练程度影响极大，而且效率较低，无法实现自动化生产。
3.中国专利公开了一种聚焦镜可调激光切割头，包括光纤组件、准直镜组件、聚焦镜组件和喷嘴组件，聚焦镜组件包括聚焦镜腔体、聚焦镜架和聚焦镜，聚焦镜腔体设有位置调节槽，聚焦镜架设于位置调节槽内，聚焦镜安装于聚焦镜架上且位于准直镜的下方以及位于喷嘴组件的上方，聚焦镜腔体上还装设有用于调节聚焦镜架在聚焦镜腔体的位置调节槽内相对于聚焦镜腔体作前后和左右移动的位置调节机构。通过位置调节机构调节聚焦镜架前后左右的位置来实现调节聚焦镜前后左右的位置，从而可以使得聚焦镜上的光斑调整至焦点中心的位置以与喷嘴组件对准，焦点中心不偏移，调节方便，保证光束入射角度准确。该技术方案虽然是通过机器对聚焦镜组件所在位置进行调节，无需人工移动，但同样是需要上述方法进行人工判定光斑中心与喷嘴中心是否重合，依然脱离不了熟练的工人操作。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置，可以实现光斑中心与喷嘴中心自动对准，避免个人、环境的影响因素导致光斑中心与喷嘴中心对齐偏差；还可以避免少数误操作引起的激光伤害情况发生，比如激光穿孔时，胶带下方人手停留等；为实现自动化作业作出重大贡献。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.提供一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置，包括用于将光斑聚焦的聚焦镜组、用于拍照的视觉机构、用于调节聚焦镜组位置的同轴校准机构、控制系统，所述同轴校准机构装设于所述聚焦镜组侧部且可与其抵接，所述视觉机构装设于聚焦镜组下方，聚焦镜组、视觉机构、同轴校准机构均与所述控制系统电连接；聚焦镜组设有调节机构，同轴校
准机构包括驱动组件，所述驱动组件可作用于所述调节机构并对聚焦镜组的位置进行调节，光斑透过聚焦镜组及喷嘴后可聚焦在视觉机构上，视觉机构可拍摄喷嘴内圆轮廓与光斑中心的图像，并可识别喷嘴内圆轮廓与焦点坐标。
7.本发明的聚焦镜组与喷嘴均装设于切割头的腔体内，且聚焦镜组位于喷嘴上方，聚焦镜组将光斑聚焦，聚焦后的光斑从喷嘴射出；视觉机构用于拍照，将光斑中心与喷嘴内圆轮廓的图像拍摄下来，并识别喷嘴内圆轮廓与焦点坐标然后将数据传输至控制系统，控制系统判定焦点与喷嘴中心是否重合，若不重合则控制同轴校准机构对聚焦镜组的位置进行调整，具体地，利用同轴校准机构端部的驱动组件驱动聚焦镜组的调节机构，以改变聚焦镜组的位置，从而使光斑中心的位置进行偏移；直至调节到光斑中心与喷嘴中心重合为止。本发明的自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置可实现对聚焦镜组位置的自动调节，并可通过视觉机构进行自动化捕捉喷嘴内圆轮廓与焦点坐标，采用控制系统自动判定光斑中心与喷嘴中心是否重合，在两者不重合时还可以自动进行调整；实现了整个过程的自动化作业，避免了个人和环境的因素对光斑中心与喷嘴中心对齐调节的影响；同时也避免了误操作引起的激光对工人的伤害，既提升了对齐的精确度，也还大大提升了工作效率。
8.优选地，所述聚焦镜组包括聚焦镜筒、聚焦镜片，所述聚焦镜筒套设于所述聚焦镜片外且与其同轴设置，所述调节机构与聚焦镜筒连接；所述同轴校准机构还包括壳体，所述驱动组件与所述壳体滑动连接，驱动组件与所述控制系统电连接。
9.优选地，所述调节机构包括镜把、调节弹簧、调节螺钉，所述调节弹簧为两个，两个调节弹簧均位于聚焦镜筒与所述镜把之间，所述调节弹簧一端与聚焦镜筒连接，另一端与镜把连接，所述调节螺钉也为两个，两个调节螺钉位于两个调节弹簧之间，且均穿过镜把设置，调节螺钉可与聚焦镜筒抵接，所述驱动组件为两个，在每个驱动组件端部均设有可作用于调节螺钉的扳手。
10.优选地，所述同轴校准机构还包括滑台气缸、移动板，所述驱动组件装设于所述移动板，所述滑台气缸装设于所述壳体，移动板固定在滑台气缸端部，滑台气缸与所述控制系统电连接。
11.优选地，所述同轴校准机构还包括对准组件，所述对准组件装设于所述驱动组件底部，对准组件包括第一滑块、第一导轨、端板、弹性组件、连接支架，所述端板装设于第一导轨端部，所述第一导轨装设于所述移动板，所述弹性组件一端与端板连接，另一端与所述连接支架连接，连接支架还与所述第一滑块连接，第一滑块与所述第一导轨滑动连接。
12.优选地，所述扳手为外六角扳手，所述调节螺钉为内六角螺钉。
13.优选地，所述视觉机构包括安装板和依次设置的相机、镜头、光源、棱镜，所述相机、所述镜头、所述光源、所述棱镜均装设于所述安装板底部，在安装板上对应棱镜所在位置开设有透光通道，相机与所述控制系统电连接；喷嘴的内圆轮廓与焦点可经过透光通道从棱镜进入镜头反射到相机内。
14.本发明还提供一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的方法，其特征在于，采用上述的自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置进行自动调节，具体步骤如下：
15.s1：利用视觉机构拍摄喷嘴的内圆轮廓与光斑经聚焦镜组聚焦后的焦点图片，并识别喷嘴内圆轮廓与焦点坐标后将结果传输至控制系统；
16.s2：控制系统进行喷嘴内圆轮廓与焦点坐标的偏离方向分析及偏离距离分析；
17.s3：若偏离距离分析结果大于阈值，则进如步骤s4，若误差值小于阈值则进入步骤s6；
18.s4：协同偏离方向分析结果及偏离距离分析结果，采用同轴校准机构对聚焦镜组的位置进行调节；
19.s5：返回步骤s1；
20.s6：结束操作。
21.本发明将自动拍照位置识别与偏差分析结合，再利用分析结果反作用于自动调节，可实现更快速且更精准地对聚焦镜组的位置调节，自动化程度高，准确率高，效率高。
22.进一步地，所述步骤s4中利用同轴校准机构将聚焦镜组向偏离方向的相反方向进行调节。
23.进一步地，所述步骤s4中先将扳手与调节机构对齐，再利用同轴校准机构推动调节机构以改变聚焦镜组与喷嘴的相对位置。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.通过视觉机构对光斑中心坐标及喷嘴中心坐标进行识别，利用控制系统对识别结果进行反馈及根据识别结果反作用于同轴校准机构，使同轴校准机构可快速准确地调整聚焦镜组的位置，进而实现光斑聚焦后的焦点与喷嘴中心的重合，保障了激光切割的质量，并使整个激光切割过程可实现自动化作业，减轻了工人的劳动程度，降低了对工人的操作技术要求，提升了工作效率。
附图说明
26.图1为本发明一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置的装配示意图；
27.图2为一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置的结构示意图；
28.图3为图2的a-a剖视图；
29.图4为图3的b处局部放大图；
30.图5为本发明聚焦镜组的另一视角的结构示意图；
31.图6为本发明同轴校准机构的爆炸图；
32.图7为图6的c处局部放大图；
33.图8为一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的方法的流程图；
34.图9为拍摄的原始图像；
35.图10为对图片进行灰度分析的界面；
36.图11为灰度分析结果的界面；
37.图12为fft分析后获得中心位置的图片；
38.图13为根据灰度匹配的轮廓提取的拍照图像；
39.图14为提取获得的边界轮廓图像。
40.图示标记说明如下：
41.1、聚焦镜组；11、调节机构；111、镜把；112、调节弹簧；113、调节螺钉；12、聚焦镜筒；13、聚焦镜片；2、视觉机构；21、安装板；211、透光通道；22、相机；23、镜头；24、光源；25、棱镜；3、同轴校准机构；31、驱动组件；311、扳手；32、壳体；33、滑台气缸；34、移动板；35、对准组件；351、第一滑块；352、第一导轨；353、端板；354、弹性组件；355、连接支架；356、限位
块；4、喷嘴。
42.图2中的箭头表示光路的方向。
具体实施方式
43.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.实施例1
47.如图1至图5所示为本发明一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置的第一实施例，包括用于将光斑聚焦的聚焦镜组1、用于拍照的视觉机构2、用于调节聚焦镜组1位置的同轴校准机构3、控制系统，同轴校准机构3装设于聚焦镜组1侧部且可与其抵接，视觉机构2装设于聚焦镜组1下方，聚焦镜组1、视觉机构2、同轴校准机构3均与控制系统电连接；聚焦镜组1设有调节机构11，同轴校准机构3包括驱动组件31，驱动组件31可作用于所述调节机构11并对聚焦镜组1的位置进行调节，光斑透过聚焦镜组1及喷嘴4后可聚焦在视觉机构2上，视觉机构2可拍摄喷嘴4内圆轮廓与焦点的图像，并可识别喷嘴4内圆轮廓与焦点坐标。
48.作为本发明的一个实施方式，聚焦镜组1包括聚焦镜筒12、聚焦镜片13，聚焦镜筒12套设于聚焦镜片13外且与其同轴设置，调节机构11与聚焦镜筒12连接；同轴校准机构3还包括壳体32，驱动组件31与壳体32滑动连接，驱动组件31与控制系统电连接。
49.聚焦镜筒12用于固定聚焦镜片13，聚焦镜片13对光斑起聚焦作用；调节机构11与聚焦镜筒12活动连接并与聚焦镜筒12实现联动，通过改变调节机构11的位置，可相应地改变聚焦镜筒12的位置进而使光斑的中心偏移，壳体32用于安装与保护驱动组件31，驱动组件31用于驱动调节机构11进行位置移动，使聚焦镜筒12位置调整进而改变焦点的位置。同轴校准机构3的壳体32根据机床需求的高度尺寸设计，也可以采用电机丝杆升高降低装置来匹配聚焦镜组1高度。
50.作为本发明的一个实施方式，调节机构11包括镜把111、调节弹簧112、调节螺钉113，调节弹簧112为两个，两个调节弹簧112均位于聚焦镜筒12与镜把111之间，调节弹簧112一端与聚焦镜筒12连接，另一端与镜把111连接，调节螺钉113也为两个，两个调节螺钉113位于两个调节弹簧112之间，且均穿过镜把111设置，调节螺钉113可与聚焦镜筒12抵接，
驱动组件31为两个，在每个驱动组件31端部均设有可作用于调节螺钉113的扳手311。
51.镜把111给调节弹簧112与调节螺钉113提供支撑，调节弹簧112与调节螺钉113在同一纵列上依次设置，且两个调节螺钉113设置在两个调节弹簧112之间，通过调节螺钉113对调节弹簧112施力，使与调节弹簧112连接的聚焦镜筒12位置进行偏移，优选地，两个调节弹簧112分别设置在聚焦镜筒12的两端，且均位于聚焦镜筒12靠近镜把111的同一侧，调节螺钉113穿过镜把111设置，使安装在驱动组件31端部的扳手311可以作用于调节螺钉113，通过扳手311旋转调节螺钉113以推进调节螺钉113或使调节螺钉113后退，再通过两个调节螺钉113的相互配合，可实现聚焦镜筒12的左右平移或顺时针或逆时针的旋转。
52.作为本发明的一个实施方式，同轴校准机构3还包括滑台气缸33、移动板34，驱动组件31装设于移动板34，滑台气缸33装设于壳体32，移动板34固定在滑台气缸33端部，滑台气缸33与控制系统电连接。
53.滑台气缸33用于推动移动板34前后移动，改变驱动组件31的位置，使驱动组件31可靠近或远离调节机构11，使驱动组件31实现与壳体32的移动连接。当然，也可以通过在驱动组件31中设置前后移动的结构来实现驱动组件31自身的前后移动。
54.作为本发明的一个实施方式，视觉机构2包括安装板21和依次设置的相机22、镜头23、光源24、棱镜25，相机22、镜头23、光源24、棱镜25均装设于安装板21底部，在安装板21上对应棱镜25所在位置开设有透光通道211，相机22与控制系统电连接；喷嘴4的内圆轮廓与焦点可经过透光通道211从棱镜25进入镜头23反射到相机22内。
55.安装板21用于安装与固定相机22、镜头23、光源24、棱镜25，镜头23用于拍摄喷嘴4内圆轮廓与焦点的照片，相机22进行识别喷嘴4的中心坐标与焦点的坐标；光源24提供足够的亮度，使成像更清晰；棱镜25通过反射原理，将喷嘴4内圆轮廓与焦点的位置反射投影至镜头23。
56.实施例2
57.如图6至图7所示为本发明一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的装置的第二实施例，本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，扳手311为外六角扳手311，调节螺钉113为内六角螺钉。扳手311用于转动调节螺钉113，以改变调节螺钉113的位置，进而使调节弹簧112对聚焦镜筒12施力使聚焦镜筒12产生位移。在本领域技术人员的认知范围内，扳手311不限于外六角扳手311，调节螺钉113也不限于内六角螺钉，只要扳手311与调节螺钉113之间能够相互配合，实现调节螺钉113的位置调节即可。
58.作为本发明的一个实施方式，同轴校准机构3还包括对准组件35，对准组件35装设于驱动组件31底部，对准组件35包括第一滑块351、第一导轨352、端板353、弹性组件354、连接支架355，端板353装设于第一导轨352端部，第一导轨352装设于移动板34，弹性组件354一端与端板353连接，另一端与连接支架355连接，连接支架355还与第一滑块351连接，第一滑块351与第一导轨352滑动连接。
59.对准组件35用于在扳手311对调节螺钉113进行转动调节前，使扳手311与调节螺钉113进行对位，实现两者的对齐，便于后续扳手311转动调节螺钉113。连接支架355实现驱动组件31与第一滑块351的连接，通过第一滑块351与第一导轨352配合，实现驱动组件31与第一导轨352的滑动连接；而弹性组件354一端固定在端板353上，而端板353设置在第一导轨352端部，弹性组件354另一端设置在连接支架355上；当滑台气缸33驱动移动板34使驱动
组件31及其端部的扳手311前移，扳手311与调节螺钉113接触时，若外六角的扳手311无法与内六角的调节螺钉113对齐插接，在驱动组件31前移的过程中由于对弹性组件354造成压缩，在弹性组件354的回复力的作用下，驱动组件31会跟随着连接支架355在第一滑块351的带动下沿着第一导轨352后退，给驱动组件31与扳手311的二次对准提供机会。优选地，在第一导轨352远离端板353的端部装设有限位块356，限位块356用于防止第一滑块351滑出第一导轨352。当扳手311与调节螺钉113不采用六角结构，而采用圆柱结构时，可以取消对齐步骤；驱动组件31包括电机、联轴器，电机转动一圈，六角扳手311转动一圈，六角扳手311上设有倒角，方便引入调节螺钉113的孔中。两个驱动组件31的弹性组件354相互独立，两个驱动组件31也相互独立，控制系统分别对其进行单独控制。
60.实施例3
61.如图8至图14所示为本发明一种自动调节切割头激光与喷嘴同轴的方法的实施例，采用如上述的自动调节切割头激光与喷嘴4同轴的装置进行自动调节，具体步骤如下：
62.s1：利用视觉机构2拍摄喷嘴4的内圆轮廓与光斑经聚焦镜组1聚焦后的焦点图片，并识别喷嘴4内圆轮廓与焦点坐标后将结果传输至控制系统；
63.s2：控制系统进行喷嘴4内圆轮廓与焦点坐标的偏离方向分析及偏离距离分析；
64.s3：若偏离距离分析结果大于阈值，则进如步骤s4，若误差值小于阈值则进入步骤s6；
65.s4：协同偏离方向分析结果及偏离距离分析结果，采用同轴校准机构3对聚焦镜组1的位置进行调节；
66.其中，先将扳手311与调节机构11对齐，再利用同轴校准机构3推动调节机构11以改变聚焦镜组1与喷嘴4的相对位置。然后利用同轴校准机构3将聚焦镜组1向偏离方向的相反方向进行调节；
67.s5：返回步骤s1；
68.s6：结束操作。
69.具体地，控制系统触发拍照指令，视觉机构2进行拍摄，获得喷嘴4中心与光斑中心即焦点的坐标差值a2、b2，其中，a2为两者在水平方向的差值，b2为两者在竖直方向的差值；比较分析a2、b2与阈值a的数值，当|a2|》a时，第一步对a2偏差进行修正，根据差值正负确定电机旋转方向，电机旋转值l＝|a2|*1.075；若|a2|《a时，则a2不需修正，对b2进行修正；当需要进行修正时，切割头聚焦镜组1移动到设定位置，驱动组件31伸出，使六角扳手311与调节螺钉113接触，并对弹性组件354形成一定的压力；视觉机构2获取焦点坐标x1，y1；系统给出指令使驱动组件31的电机分别缓慢转动半圈，视觉机构2再次读取焦点坐标x2，y2，如中心坐标存在偏差，则判定六角扳手311与调节螺钉113配合到位；视觉机构2再次拍照，获得喷嘴4中心与焦点坐标差值，此时a2’应小于阈值a，如仍大于a，则返回上述步骤重复校正。a2满足要求后，对b2进行校正，校正方法基本类同a2。当完成a2与b2的偏差值校正后，重新拍照核对偏差值均在阈值a以内，则校正完成。
70.其中，视觉机构2包含图像处理算法，算法主要通过halcon的blob分析，提取图像特征的面积、中心、重心、矢量方向，最小外接矩形、主轴等几何信息，本发明中主要用于提取图像特征的中心及轮廓信息。具体实施步骤如下：
71.(a)获取一张原始图像，如图9；
72.(b)对图片进行灰度分析，如图10所示:根据灰度对称，可以粗步确认大致圆心位置
73.(c)区域灰度分析后得到图11
74.(d)fft分析后获得中心位置，如图12
75.(e)根据灰度匹配的轮廓提取拍照图像，得到对比明显的图，见图13：
76.(f)由成像区域提供图形提取边界轮廓，如图14；
77.光斑中心与喷嘴4轮廓获取方法如上，然后根据轮廓计算得到目标特征的面积、中心、方向等。光斑与喷嘴4中心的差值方向确定调节螺钉113的旋紧/旋松动作。
78.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。