激光聚焦光斑檢測裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張靜婧 王霆 朱凱文 朱晏華

摘要：該文分析了當(dāng)前常見的工件檢測技術(shù)并闡述了目前檢測技術(shù)當(dāng)中的缺陷以及成本高昂等問題。為了解決上述問題，該文重新設(shè)計(jì)激光聚焦光斑檢測裝置結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)上增加了伺服電機(jī)，使其能夠通過電機(jī)控制實(shí)時(shí)調(diào)整聚焦位置，提高了此技術(shù)的靈活性、普適性。經(jīng)過測試，滿足設(shè)計(jì)要求，最后敘述了新型激光聚焦光斑檢測裝置設(shè)計(jì)所帶來的有益效果，闡述其應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：工件檢測?激光聚焦光斑檢測?工業(yè)生產(chǎn)?機(jī)械設(shè)置

中圖分類號：TN24??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Innovative?Design?of?the?Laser-Focused?Spot?Detection?Device

ZHANG?Jingjing??WANG?Ting??ZHU?Kaiwen??ZHU?Yanhua

（Changzhou?Vocational?Institute?of?Mechatronic?Technology，?Changzhou，?Jiangsu?Province，?213164?China）

Abstract：?This?paper?analyzes?the?current?common?technologies?to?detect?workpieces??and?expounds?the?problems?of?defects?and?high?costs?of?current?detection?technologies.?To?solve?above?problems，?the?paper?redesigns?the?structure?of?the?laser-focused?spot?inspection?device，?and?adds?the?servo?motor?to?the?structure?of?the?traditional?device，?which?enables?it?to?adjust?the?focused?position?in?real?time?by?the?motor?control，?and?improves?the?flexibility?and?universality?of?the?technology.?After?testing，??it?meets?design?requirements.?Finally，?this?paper?describes?the?beneficial?effects?brought?by?the?design?of?the?new?laser-focused?spot?detection?device，?and?elaborates?its?application?scenarios.

Key?Words：?Workpiece?inspection;?Laser-focused?spot?detection;?Industrial?production；Mechanical?setup

隨著工業(yè)發(fā)展的不斷進(jìn)步和對加工精度要求的提高，目前對于缺陷工件的檢測技術(shù)要求也越來越高，在不斷加速的生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中，需要保證工件檢測的效率以及精度?，F(xiàn)存的工件檢測技術(shù)有人工目測、光電機(jī)器視覺檢測、超聲檢測、激光檢測等。本文圍繞激光聚焦光斑檢測而研發(fā)的一種裝配簡單，操作容易，使用成本低的一類聚焦光斑檢測的裝置。

1.?研究概述

1.1激光聚焦光斑檢測技術(shù)概述

激光檢測技術(shù)的應(yīng)用主要基于激光光束與材料的相互作用來實(shí)現(xiàn)，就目前市場整體發(fā)展來看，激光聚焦光斑檢測技術(shù)并未得到有效的推廣[1]，其原因主要是因?yàn)槟壳吧a(chǎn)行業(yè)對于利用激光檢測光斑的技術(shù)尚未成熟，且運(yùn)用到生產(chǎn)檢測中的檢測方法都存在著一定的局限性和缺點(diǎn)[2]。比如人工目測的方法無法靈活地實(shí)現(xiàn)高精加工和普通加工兩大類的產(chǎn)品的精度要求，且人工檢測誤差較大，通過理論公式測試和實(shí)驗(yàn)測算的方法無法避免系統(tǒng)及操作時(shí)存在的誤差；通過視覺系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)成本高，工業(yè)適用性較窄，對于不同的工件需要進(jìn)行大量的前期算法開發(fā)設(shè)計(jì)；而通過專業(yè)檢測光斑的裝置以及超聲檢測的技術(shù)要求較高，檢測裝置本身就需要很高的成本，并且對于不同材料工件的普適性不高，最終應(yīng)用的結(jié)果質(zhì)量較差。

現(xiàn)有的激光檢測技術(shù)一般用于工件加工完成后檢測表面是否符合生產(chǎn)要求，其雖然精度較高，但只能在加工完成后進(jìn)行檢測，無法在加工過程中確認(rèn)是否已經(jīng)不符合產(chǎn)品要求，這對于需要多步驟加工、3D打印元件等復(fù)雜的工件會(huì)浪費(fèi)多余的材料、步驟；對于3D打印中需要保證材料剛度的情況，更是無法分析加工過程中元件內(nèi)部是否有打印不穩(wěn)固的壞點(diǎn)，最終無法確定材料剛度是否符合要求。

基于以上的方法和問題，本設(shè)計(jì)基于激光檢測技術(shù)，通過設(shè)計(jì)全新結(jié)構(gòu)、整合技術(shù)，致力于在檢測技術(shù)，安裝成本以及最終效果上進(jìn)行創(chuàng)新，在控制成本的情況下產(chǎn)出更高的檢測效果，并適用于更多環(huán)境。

1.2設(shè)計(jì)目的

本設(shè)計(jì)目的是為了解決傳統(tǒng)激光聚焦光斑檢測技術(shù)痛點(diǎn)，希望能夠提高傳統(tǒng)激光檢測技術(shù)的靈活性，加強(qiáng)其應(yīng)用場景，并且在靈活應(yīng)用的同時(shí)降低設(shè)備成本。利用現(xiàn)存的技術(shù)，重新設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行技術(shù)整合。首先利用傳統(tǒng)光斑檢測裝置，保證能夠精確檢測工件正在加工位置的激光光斑，測算其能量分布；再將位置信息反饋給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)控制檢測裝置移動(dòng)，快速準(zhǔn)確重新定位新的聚焦光斑位置，達(dá)到對應(yīng)焦距。

依照此設(shè)計(jì)目的，本文設(shè)計(jì)了一種可快速上線、操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊的檢測裝置，不同于行業(yè)內(nèi)已有的檢測裝置，本裝置可靈活檢測不同工件、成本較低、檢測精度較高，也可以用于其他行業(yè)的檢測實(shí)驗(yàn)，具有良好的市場推廣前景。能方便快捷地檢測激光加工工件時(shí)待加工位置的光斑大小、能量分布；并且加上伺服電機(jī)，可在檢測時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算位置偏差，控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)檢測裝置精準(zhǔn)快速移動(dòng)到新位置，重新將光源聚焦在待加工位置，檢測光斑大小、能量分布，可以在加工過程當(dāng)中實(shí)時(shí)跟隨步驟，不斷檢測產(chǎn)品加工面，及時(shí)獲取相關(guān)信息，以方便激光加工產(chǎn)品時(shí)，工藝參數(shù)的優(yōu)化。

本設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)在于利用較為成熟的裝置，通過重新設(shè)計(jì)其裝備組裝結(jié)構(gòu)，整合不同技術(shù)，在控制成本較低的情況下，提高了檢測精度，并拓展了其應(yīng)用場景，使其能更加靈活地運(yùn)用在不同的生產(chǎn)環(huán)境當(dāng)中。

2研究內(nèi)容和應(yīng)用案例

2.1激光檢測裝置設(shè)計(jì)

通過前期調(diào)研和方案研究，確定利用現(xiàn)有較為成熟的檢測裝置，經(jīng)過結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，將伺服電機(jī)與激光檢測裝置進(jìn)行高效聯(lián)動(dòng)，通過不斷測試，得到以下有效成果。

• 在不增加過多成本的同時(shí)，降低了檢測裝置的安裝、使用難度，提高了檢測裝置的精度與靈活度，為生產(chǎn)線提供了更高的檢測效率，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)質(zhì)量的發(fā)展。

（2）能在加工過程當(dāng)中檢測問題，有助于在生產(chǎn)線中及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理的操作步驟、加工參數(shù)，加速生產(chǎn)環(huán)境迭代升級。

（3）在為企業(yè)省下傳統(tǒng)高額檢測成本的同時(shí)，還能幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程，進(jìn)一步降低生產(chǎn)作業(yè)成本。通過本設(shè)計(jì)的檢測裝置，不僅能夠覆蓋傳統(tǒng)檢測裝置的功能范疇，還能為中小型企業(yè)提供方便快捷的生產(chǎn)流程評估方式，促進(jìn)中小企業(yè)的進(jìn)步。

具體激光聚焦光斑檢測的裝置設(shè)計(jì)如下。

圖1為創(chuàng)新設(shè)計(jì)裝置的整體裝配圖。為實(shí)現(xiàn)一旦工件的位置與角度發(fā)生偏移時(shí)，激光的照射點(diǎn)也能夠及時(shí)跟進(jìn)，避免出現(xiàn)激光照射點(diǎn)改變導(dǎo)致檢測出現(xiàn)錯(cuò)誤。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地跟蹤工件的位置、角度、姿勢，從而能夠?qū)崟r(shí)地識別目標(biāo)位置。利用衰減器引入特定的激光束入射到光電探測儀從而提供圖像、尺寸、能量分布等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過利用電機(jī)伺服系統(tǒng)的配合還能夠克服環(huán)境復(fù)雜因素，從而實(shí)現(xiàn)無差別測量。不同于普通檢測中無法同時(shí)檢測翹起與識別有無，本裝置可以在加工過程中做到跟蹤識別，從而達(dá)到兩者兼顧的效果。

圖2光電探測儀是成熟的產(chǎn)品，在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)將光轉(zhuǎn)變電的作用，這主要基于半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，所謂的光生伏特效應(yīng)是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象[3]。其基本工作機(jī)理包括三個(gè)過程[4]：（1）光生載流子在光照下產(chǎn)生；（2）載流子擴(kuò)散或漂移形成電流；（3）光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。當(dāng)探測器表面有光照射是=時(shí)，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即Eg

圖3電機(jī)伺服系統(tǒng)，伺服電機(jī)又可以叫做伺服馬達(dá)，是一種將電信號轉(zhuǎn)化的間接變速裝置。通過點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，伺服機(jī)構(gòu)主要由螺紋桿組成，要求其步進(jìn)重復(fù)定位精度為1μm，步進(jìn)最小單位為1μm，電機(jī)伺服系統(tǒng)上有標(biāo)桿，測試時(shí)可通過電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到近光斑焦點(diǎn)區(qū)域，每次進(jìn)行光斑測量時(shí)，需要對該電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行初始化定位，以保證測量的精度，其初始化位置如圖3右邊綠色區(qū)域所示。使用電機(jī)伺服系統(tǒng)，不僅具有較快的響應(yīng)速度，而且慣量比較小，力矩比較穩(wěn)定，雖然其控制較為復(fù)雜，但是可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，并且可以應(yīng)用在復(fù)雜的環(huán)境中。

圖4衰減器廣泛運(yùn)用于各電子設(shè)備中，在指定的頻率范圍內(nèi)，一種用以引入一種預(yù)定衰減的電路，一般以所引入的衰減的分貝數(shù)及其特性阻抗的歐姆數(shù)進(jìn)行標(biāo)明[5]。其主要用途是[6]：（1）調(diào)整電路中信號的大小；（2）在比較法測量電路中，可用來直接讀取被測量網(wǎng)絡(luò)的衰減值；（3）改善阻抗匹配，若某些電路要求一個(gè)比較穩(wěn)定的負(fù)載阻抗時(shí)在，則可在此電路與實(shí)際負(fù)載阻抗之間插入一個(gè)衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。衰減器主要由PBS晶體、外殼、調(diào)節(jié)裝置、濾波片組成。PBS晶體將入射的激光光束分成2束，一束激光方向指向光電探測儀，一束激光方向通過吸熱板吸收；調(diào)節(jié)裝置與濾波片在功能上調(diào)節(jié)入射后2束激光的能量分布；外殼主要起承載PBS晶體、調(diào)節(jié)裝置、濾波片的作用。

2.2?激光聚焦光斑檢測裝置的應(yīng)用

案例1：可通過本發(fā)明激光檢測裝置測定實(shí)際3D打印操作過程中的光斑尺寸和焦深。實(shí)際3D打印過程中，尤其是SLM鋪粉式金屬3D打印過程中，首先通過調(diào)試設(shè)備成型缸與刮刀之間的間隙和平整度，金屬3D打印設(shè)備會(huì)記錄當(dāng)前的位置信息的相關(guān)數(shù)據(jù)。將本發(fā)明裝置固定在成型腔內(nèi)，伺服相應(yīng)偏置本發(fā)明裝置中初始定位點(diǎn)的高度，通過設(shè)備操作開啟激光光束通過本發(fā)明裝置檢測實(shí)際打印位置的光斑尺寸、激光焦深、光束能量分布和質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，從而得到實(shí)際打印光斑的尺寸及焦深，然后在金屬3D打印設(shè)備中設(shè)定搭接量，層厚等參數(shù)。

案例2：在激光打標(biāo)、切割、鉆孔過程中，在場鏡下放置本發(fā)明裝置，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快捷精準(zhǔn)找到聚焦光斑的位置及光斑尺寸等操作。

3?激光聚焦光斑檢測裝置的商業(yè)前景

隨著我國檢測行業(yè)市場化程度加大，在外資企業(yè)檢測機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，國產(chǎn)檢測機(jī)構(gòu)及其裝置將會(huì)具有強(qiáng)有力的市場推廣。本產(chǎn)品通過前期市場調(diào)研、產(chǎn)品可行性分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)測，設(shè)計(jì)了一種新型激光聚焦光斑檢測裝置。此裝置解決了當(dāng)前市場中的一些痛點(diǎn)，填補(bǔ)了在類似產(chǎn)品中的市場空缺，提高了激光聚焦光斑檢測裝置的適用性，突破了傳統(tǒng)激光聚焦光斑檢測只能加工一步測一步的問題。本產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)同類進(jìn)口檢測設(shè)備產(chǎn)品的同質(zhì)量測量效果，不同于進(jìn)口測量設(shè)備后期維修與保養(yǎng)周期長短無法保證等問題，本產(chǎn)品能夠做到及時(shí)反饋，及時(shí)處理，實(shí)時(shí)跟進(jìn)檢測裝備的保養(yǎng)與返廠維修等后期保障服務(wù)。在新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，單列“新型顯示”，提出“突破激光顯示高可靠，低成本，長壽命等技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)原材料和顯示屏的國產(chǎn)化，形成產(chǎn)業(yè)集群，為各中小企業(yè)解決了傳統(tǒng)檢測裝置局限性多、成本高、操作要求繁瑣復(fù)雜等問題，有利于企業(yè)加速生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)化進(jìn)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)提供了高性價(jià)比的工件檢測解決方案，促進(jìn)我國檢測顯示產(chǎn)業(yè)的新轉(zhuǎn)型?！?/p>

4結(jié)語

該文設(shè)計(jì)了一種新型激光聚焦光斑檢測裝置，此裝置能夠?qū)崟r(shí)追蹤工件設(shè)備位置，角度地測量，解決了常規(guī)測量法造成的誤差大，技術(shù)要求高等問題，便于組裝與生產(chǎn)，操作簡單易學(xué)，提高了激光聚焦光斑檢測裝置的適用性，突破了傳統(tǒng)激光聚焦光斑檢測只能加工一步測一步的問題。通過產(chǎn)品可行性分析，整合現(xiàn)有的成熟技術(shù)，創(chuàng)造出全新的使用場景，在不過多提高成本的情況下，確立了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向與方案。產(chǎn)品設(shè)計(jì)完善后，也通過制作測試樣品進(jìn)行實(shí)測，最終效果符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)初衷。優(yōu)化了現(xiàn)有技術(shù)，并使其能夠進(jìn)一步符合市場需求，為各中小企業(yè)解決了傳統(tǒng)檢測裝置局限性多、成本高、操作要求繁瑣復(fù)雜等問題，有利于企業(yè)加速生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)化進(jìn)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)提供了高性價(jià)比的工件檢測解決方案，值得推廣應(yīng)用。

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