激光聚焦光斑檢測裝置的創新設計

張靜婧 王霆 朱凱文 朱晏華

摘要：該文分析了當前常見的工件檢測技術并闡述了目前檢測技術當中的缺陷以及成本高昂等問題。為了解決上述問題，該文重新設計激光聚焦光斑檢測裝置結構，在傳統裝置結構上增加了伺服電機，使其能夠通過電機控制實時調整聚焦位置，提高了此技術的靈活性、普適性。經過測試，滿足設計要求，最后敘述了新型激光聚焦光斑檢測裝置設計所帶來的有益效果，闡述其應用場景。

關鍵詞：工件檢測?激光聚焦光斑檢測?工業生產?機械設置

中圖分類號：TN24??????文獻標識碼：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

隨著工業發展的不斷進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要求也越來越高，在不斷加速的生產環境當中，需要保證工件檢測的效率以及精度。現存的工件檢測技術有人工目測、光電機器視覺檢測、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概述

激光檢測技術的應用主要基于激光光束與材料的相互作用來實現，就目前市場整體發展來看，激光聚焦光斑檢測技術并未得到有效的推廣[1]，其原因主要是因為目前生產行業對于利用激光檢測光斑的技術尚未成熟，且運用到生產檢測中的檢測方法都存在著一定的局限性和缺點[2]。比如人工目測的方法無法靈活地實現高精加工和普通加工兩大類的產品的精度要求，且人工檢測誤差較大，通過理論公式測試和實驗測算的方法無法避免系統及操作時存在的誤差；通過視覺系統光學成像系統成本高，工業適用性較窄，對于不同的工件需要進行大量的前期算法開發設計；而通過專業檢測光斑的裝置以及超聲檢測的技術要求較高，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，最終應用的結果質量較差。

現有的激光檢測技術一般用于工件加工完成后檢測表面是否符合生產要求，其雖然精度較高，但只能在加工完成后進行檢測，無法在加工過程中確認是否已經不符合產品要求，這對于需要多步驟加工、3D打印元件等復雜的工件會浪費多余的材料、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部是否有打印不穩固的壞點，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，本設計基于激光檢測技術，通過設計全新結構、整合技術，致力于在檢測技術，安裝成本以及最終效果上進行創新，在控制成本的情況下產出更高的檢測效果，并適用于更多環境。

1.2設計目的

本設計目的是為了解決傳統激光聚焦光斑檢測技術痛點，希望能夠提高傳統激光檢測技術的靈活性，加強其應用場景，并且在靈活應用的同時降低設備成本。利用現存的技術，重新設計其結構，并進行技術整合。首先利用傳統光斑檢測裝置，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，伺服電機控制檢測裝置移動，快速準確重新定位新的聚焦光斑位置，達到對應焦距。

依照此設計目的，本文設計了一種可快速上線、操作方便、結構緊湊的檢測裝置，不同于行業內已有的檢測裝置，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的檢測實驗，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待加工位置的光斑大小、能量分布；并且加上伺服電機，可在檢測時實時計算位置偏差，控制伺服電機，帶動檢測裝置精準快速移動到新位置，重新將光源聚焦在待加工位置，檢測光斑大小、能量分布，可以在加工過程當中實時跟隨步驟，不斷檢測產品加工面，及時獲取相關信息，以方便激光加工產品時，工藝參數的優化。

本設計的技術優勢和特點在于利用較為成熟的裝置，通過重新設計其裝備組裝結構，整合不同技術，在控制成本較低的情況下，提高了檢測精度，并拓展了其應用場景，使其能更加靈活地運用在不同的生產環境當中。

2研究內容和應用案例

2.1激光檢測裝置設計

通過前期調研和方案研究，確定利用現有較為成熟的檢測裝置，經過結構重新設計，將伺服電機與激光檢測裝置進行高效聯動，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，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，為生產線提供了更高的檢測效率，實現高生產質量的發展。

（2）能在加工過程當中檢測問題，有助于在生產線中及時發現不合理的操作步驟、加工參數，加速生產環境迭代升級。

（3）在為企業省下傳統高額檢測成本的同時，還能幫助企業優化生產流程，進一步降低生產作業成本。通過本設計的檢測裝置，不僅能夠覆蓋傳統檢測裝置的功能范疇，還能為中小型企業提供方便快捷的生產流程評估方式，促進中小企業的進步。

具體激光聚焦光斑檢測的裝置設計如下。

圖1為創新設計裝置的整體裝配圖。為實現一旦工件的位置與角度發生偏移時，激光的照射點也能夠及時跟進，避免出現激光照射點改變導致檢測出現錯誤。實現實時地跟蹤工件的位置、角度、姿勢，從而能夠實時地識別目標位置。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、能量分布等相關數據。通過利用電機伺服系統的配合還能夠克服環境復雜因素，從而實現無差別測量。不同于普通檢測中無法同時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，從而達到兩者兼顧的效果。

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

圖3電機伺服系統，伺服電機又可以叫做伺服馬達，是一種將電信號轉化的間接變速裝置。通過點擊驅動伺服機構運動，伺服機構主要由螺紋桿組成，要求其步進重復定位精度為1μm，步進最小單位為1μm，電機伺服系統上有標桿，測試時可通過電機伺服系統運動到近光斑焦點區域，每次進行光斑測量時，需要對該電機伺服系統進行初始化定位，以保證測量的精度，其初始化位置如圖3右邊綠色區域所示。使用電機伺服系統，不僅具有較快的響應速度，而且慣量比較小，力矩比較穩定，雖然其控制較為復雜，但是可以實現智能化控制，并且可以應用在復雜的環境中。

圖4衰減器廣泛運用于各電子設備中，在指定的頻率范圍內，一種用以引入一種預定衰減的電路，一般以所引入的衰減的分貝數及其特性阻抗的歐姆數進行標明[5]。其主要用途是[6]：（1）調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絡的衰減值；（3）改善阻抗匹配，若某些電路要求一個比較穩定的負載阻抗時在，則可在此電路與實際負載阻抗之間插入一個衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。衰減器主要由PBS晶體、外殼、調節裝置、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；調節裝置與濾波片在功能上調節入射后2束激光的能量分布；外殼主要起承載PBS晶體、調節裝置、濾波片的作用。

2.2?激光聚焦光斑檢測裝置的應用

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

案例2：在激光打標、切割、鉆孔過程中，在場鏡下放置本發明裝置，從而能夠實現快捷精準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前景

隨著我國檢測行業市場化程度加大，在外資企業檢測機構的推動下，國產檢測機構及其裝置將會具有強有力的市場推廣。本產品通過前期市場調研、產品可行性分析、產品設計與實測，設計了一種新型激光聚焦光斑檢測裝置。此裝置解決了當前市場中的一些痛點，填補了在類似產品中的市場空缺，提高了激光聚焦光斑檢測裝置的適用性，突破了傳統激光聚焦光斑檢測只能加工一步測一步的問題。本產品能實現同類進口檢測設備產品的同質量測量效果，不同于進口測量設備后期維修與保養周期長短無法保證等問題，本產品能夠做到及時反饋，及時處理，實時跟進檢測裝備的保養與返廠維修等后期保障服務。在新一代信息技術產業中，單列“新型顯示”，提出“突破激光顯示高可靠，低成本，長壽命等技術問題，實現原材料和顯示屏的國產化，形成產業集群，為各中小企業解決了傳統檢測裝置局限性多、成本高、操作要求繁瑣復雜等問題，有利于企業加速生產環境優化進程、提高產品質量，為企業提供了高性價比的工件檢測解決方案，促進我國檢測顯示產業的新轉型。”

4結語

該文設計了一種新型激光聚焦光斑檢測裝置，此裝置能夠實時追蹤工件設備位置，角度地測量，解決了常規測量法造成的誤差大，技術要求高等問題，便于組裝與生產，操作簡單易學，提高了激光聚焦光斑檢測裝置的適用性，突破了傳統激光聚焦光斑檢測只能加工一步測一步的問題。通過產品可行性分析，整合現有的成熟技術，創造出全新的使用場景，在不過多提高成本的情況下，確立了產品設計方向與方案。產品設計完善后，也通過制作測試樣品進行實測，最終效果符合產品設計初衷。優化了現有技術，并使其能夠進一步符合市場需求，為各中小企業解決了傳統檢測裝置局限性多、成本高、操作要求繁瑣復雜等問題，有利于企業加速生產環境優化進程、提高產品質量，為企業提供了高性價比的工件檢測解決方案，值得推廣應用。

參考文獻

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[2]張昆，張洪濤，胡婷.利用激光檢測技術的電氣模塊裝配系統[J].機器人技術與應用，2022（1）：24-28.

[3]呂妍，王迪，王志國，等.?多元熱流體激光檢測及雜光抑制光路[J].?中國光學，2019，12（2）：310-320.

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[5]譚兆海.?基于激光檢測技術兼容大軸重轉向架通用正位檢測臺研究[J].?現代制造技術與裝備，2022，58（1）：148-150.

[6]唐七星，張玉鈞，何瑩，等.?基于激光檢測提高復合面源排放測量精度研究[J].?紅外與毫米波學報，2021，40（3）：363-368.