[发明专利]一种基于CCD成像的激光加工和定焦装置和方法

说明书

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种基于CCD成像的激光加工和定焦装置和方法。

背景技术

相比于传统机加工，激光加工作为一种非接触式加工，其无"刀具"磨损、无"切削力"作用于工件，具有能量高、加工速度快、热影响区小等优点。因此广泛应用于模具制造、汽车、航空航天、电子电路、动力和能源以及医疗仪器设备制造等行业。一般的激光加工系统中，激光器发出的光束需要经过聚焦镜汇聚于一点(即焦点)后才可用于加工。激光焦点与工作面的距离为离焦量，其决定了工作面激光功率密度的大小。离焦量选择不当，不仅会造成能量利用率低，能源的浪费；还会影响加工的质量。由于不同材料对激光的吸收率不同、不同加工技术所要求的离焦量也不同，因此在实际加工过程中，要对系统的离焦量进行调节。

要确定离焦量，首先要确定激光焦点的位置。现有的焦点位置确定方法主要分为两类：一是，用低功率连续激光在焦点附近由低到高在厚纸板或树脂版上烧出一条连续的痕迹，比较划痕的粗细变化来确定激光焦点的位置；二是，用大功率脉冲激光在焦点附近由低到高在钢板上按照一定间隔打出匙孔，比较匙孔的大小来确定激光焦点的位置。以上两种方法的操作复杂，测量精度低，不适用于现场调焦，大大降低了加工效率。特别是对于具有复杂曲面结构的零件或者高温、高辐射的加工环境，需要频繁改变离焦量且无法近距离调焦。

中国专利公布号为“CN 104128332 A”的专利公开了一种具有焦点跟踪功能的激光清洗机，其焦点跟踪系统包括焦点测量单元和反馈显示单元，能够测量并显示清洗头输出的激光焦点与工件之间的距离值。但是该发明是根据测得的焦点距离调节激光功率来满足加工需求，无法直观便捷的调焦。中国专利公布号为“CN 103056517 A”的专利公开了一种三维激光清洗装置，该装置包含一个由滤波器、显微成像透镜、CCD和处理器组成的聚焦位置调节器，可实现激光焦点位置的现场调节。但是该发明存在以下缺点：一是，调焦过程中需要将聚焦镜与聚焦位置调节器交换位置，系统结构复杂且容易降低原光路的稳定性；二是，难以保证显微成像透镜与聚焦镜的焦距完全相同，并且调焦时成像光路与加工光路成一定夹角，造成测量上的误差。

发明内容

本申请提供了一种激光加工和定焦装置，以解决现有技术中的装置无法直观便捷且准确的调焦，同时实现调焦和加工状态便捷切换。

有鉴于此，本发明提供了以下的技术方案：

一种激光加工和定焦装置，其至少包括：用于发射激光束的激光器；用于对所述激光束进行扩束和准直的扩束系统；用于改变所述激光束的位置的扫描振镜；用于将所述激光束进行汇聚的聚焦镜；所述激光器发射的激光束通过所述扩束系统进行扩束和准直之后，进而通过所述扫描振镜改变方向进入所述聚焦镜7进行聚焦；所述激光器带有指示红光；

所述装置还包括用于判断焦点位置并控制所述聚焦镜的位置实现调焦的调焦系统；用于将指示红光在工件表面的反射光反射进调焦系统的分光系统；所述分光系统设置于所述扫描振镜与所述聚焦镜之间；所述分光系统包括分光镜和旋转机构；所述分光镜一端固定在所述旋转机构上；

所述指示红光依次通过所述扩束系统、扫描振镜、分光系统、聚焦镜到达工件表面；

所述指示红光在工件表面的反射光经过所述分光镜进入所述调焦系统。

进一步地，所述调焦系统由滤光片、CCD、处理器和位移控制器组成，所述滤光片和所述CCD的中心同轴设置，与所述激光束所在的主光轴垂直设置，所述CCD与所述处理器电连接，所述处理器与所述位移控制器电连接，所述位移控制器用于调节所述聚焦镜的位置。

进一步地，所述分光镜绕所述旋转机构的一端旋转，所述旋转角度为45°。

进一步地，所述分光镜通过镀膜对指示红光实现透反，透反比为1:1。

进一步地，所述激光器上设有开关一和开关二；所述开关一用于发射和关闭所述指示红光；所述开关二用于发射和关闭所述激光束。

进一步地，所述滤光片只允许指示红光通过。

进一步地，所述分光系统有调焦状态和加工状态；当所述分光镜旋转至与主光轴成45°角时，为调焦状态；当所述分光镜与主光轴平行时，为加工状态。

一种激光加工和定焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

激光器发射指示红光；

所述指示红光通过扩束系统进行扩束和准直；

所述指示红光经过扫描振镜改变方向之后进入分光系统；

所述指示红光进入聚焦镜进行聚焦；

所述指示红光到达工件表面；

所述指示红光经过分光镜反射；