激光聚焦光斑检测装置的创新设计

张静婧 王霆 朱凯文 朱晏华

摘要：该文分析了当前常见的工件检测技术并阐述了目前检测技术当中的缺陷以及成本高昂等问题。为了解决上述问题，该文重新设计激光聚焦光斑检测装置结构，在传统装置结构上增加了伺服电机，使其能够通过电机控制实时调整聚焦位置，提高了此技术的灵活性、普适性。经过测试，满足设计要求，最后叙述了新型激光聚焦光斑检测装置设计所带来的有益效果，阐述其应用场景。

关键词：工件检测 激光聚焦光斑检测 工业生产 机械设置

中图分类号：TN24      文献标识码：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

随着工业发展的不断进步和对加工精度要求的提高，目前对于缺陷工件的检测技术要求也越来越高，在不断加速的生产环境当中，需要保证工件检测的效率以及精度。现存的工件检测技术有人工目测、光电机器视觉检测、超声检测、激光检测等。本文围绕激光聚焦光斑檢测而研发的一种装配简单，操作容易，使用成本低的一类聚焦光斑检测的装置。

1. 研究概述

1.1激光聚焦光斑检测技术概述

激光检测技术的应用主要基于激光光束与材料的相互作用来实现，就目前市场整体发展来看，激光聚焦光斑检测技术并未得到有效的推广[1]，其原因主要是因为目前生产行业对于利用激光检测光斑的技术尚未成熟，且运用到生产检测中的检测方法都存在着一定的局限性和缺点[2]。比如人工目测的方法无法灵活地实现高精加工和普通加工两大类的产品的精度要求，且人工检测误差较大，通过理论公式测试和实验测算的方法无法避免系统及操作时存在的误差；通过视觉系统光学成像系统成本高，工业适用性较窄，对于不同的工件需要进行大量的前期算法开发设计；而通过专业检测光斑的装置以及超声检测的技术要求较高，检测装置本身就需要很高的成本，并且对于不同材料工件的普适性不高，最终应用的结果质量较差。

现有的激光检测技术一般用于工件加工完成后检测表面是否符合生产要求，其虽然精度较高，但只能在加工完成后进行检测，无法在加工过程中确认是否已经不符合产品要求，这对于需要多步骤加工、3D打印元件等复杂的工件会浪费多余的材料、步骤；对于3D打印中需要保证材料刚度的情况，更是无法分析加工过程中元件内部是否有打印不稳固的坏点，最终无法确定材料刚度是否符合要求。

基于以上的方法和问题，本设计基于激光检测技术，通过设计全新结构、整合技术，致力于在检测技术，安装成本以及最终效果上进行创新，在控制成本的情况下产出更高的检测效果，并适用于更多环境。

1.2设计目的

本设计目的是为了解决传统激光聚焦光斑检测技术痛点，希望能够提高传统激光检测技术的灵活性，加强其应用场景，并且在灵活应用的同时降低设备成本。利用现存的技术，重新设计其结构，并进行技术整合。首先利用传统光斑检测装置，保证能够精确检测工件正在加工位置的激光光斑，测算其能量分布；再将位置信息反馈给伺服电机，伺服电机控制检测装置移动，快速准确重新定位新的聚焦光斑位置，达到对应焦距。

依照此设计目的，本文设计了一种可快速上线、操作方便、结构紧凑的检测装置，不同于行业内已有的检测装置，本装置可灵活检测不同工件、成本较低、检测精度较高，也可以用于其他行业的检测实验，具有良好的市场推广前景。能方便快捷地检测激光加工工件时待加工位置的光斑大小、能量分布；并且加上伺服电机，可在检测时实时计算位置偏差，控制伺服电机，带动检测装置精准快速移动到新位置，重新将光源聚焦在待加工位置，检测光斑大小、能量分布，可以在加工过程当中实时跟随步骤，不断检测产品加工面，及时获取相关信息，以方便激光加工产品时，工艺参数的优化。

本设计的技术优势和特点在于利用较为成熟的装置，通过重新设计其装备组装结构，整合不同技术，在控制成本较低的情况下，提高了检测精度，并拓展了其应用场景，使其能更加灵活地运用在不同的生产环境当中。

2研究内容和应用案例

2.1激光检测装置设计

通过前期调研和方案研究，确定利用現有较为成熟的检测装置，经过结构重新设计，将伺服电机与激光检测装置进行高效联动，通过不断测试，得到以下有效成果。

• 在不增加过多成本的同时，降低了检测装置的安装、使用难度，提高了检测装置的精度与灵活度，为生产线提供了更高的检测效率，实现高生产质量的发展。

（2）能在加工过程当中检测问题，有助于在生产线中及时发现不合理的操作步骤、加工参数，加速生产环境迭代升级。

（3）在为企业省下传统高额检测成本的同时，还能帮助企业优化生产流程，进一步降低生产作业成本。通过本设计的检测装置，不仅能够覆盖传统检测装置的功能范畴，还能为中小型企业提供方便快捷的生产流程评估方式，促进中小企业的进步。

具体激光聚焦光斑检测的装置设计如下。

图1为创新设计装置的整体装配图。为实现一旦工件的位置与角度发生偏移时，激光的照射点也能够及时跟进，避免出现激光照射点改变导致检测出现错误。实现实时地跟踪工件的位置、角度、姿势，从而能够实时地识别目标位置。利用衰减器引入特定的激光束入射到光电探测仪从而提供图像、尺寸、能量分布等相关数据。通过利用电机伺服系统的配合还能够克服环境复杂因素，从而实现无差别测量。不同于普通检测中无法同时检测翘起与识别有无，本装置可以在加工过程中做到跟踪识别，从而达到两者兼顾的效果。

图2光电探测仪是成熟的产品，在光通信系统中实现将光转变电的作用，这主要基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象[3]。其基本工作机理包括三个过程[4]：（1）光生载流子在光照下产生；（2）载流子扩散或漂移形成电流；（3）光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。当探测器表面有光照射是=时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即Eg

图3电机伺服系统，伺服电机又可以叫做伺服马达，是一种将电信号转化的间接变速装置。通过点击驱动伺服机构运动，伺服机构主要由螺纹杆组成，要求其步进重复定位精度为1μm，步进最小单位为1μm，电机伺服系统上有标杆，测试时可通过电机伺服系统运动到近光斑焦点区域，每次进行光斑测量时，需要对该电机伺服系统进行初始化定位，以保证测量的精度，其初始化位置如图3右边绿色区域所示。使用电机伺服系统，不仅具有较快的响应速度，而且惯量比较小，力矩比较稳定，虽然其控制较为复杂，但是可以实现智能化控制，并且可以应用在复杂的环境中。

图4衰减器广泛运用于各电子设备中，在指定的频率范围内，一种用以引入一种预定衰减的电路，一般以所引入的衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数进行标明[5]。其主要用途是[6]：（1）调整电路中信号的大小；（2）在比较法测量电路中，可用来直接读取被测量网络的衰减值；（3）改善阻抗匹配，若某些电路要求一个比较稳定的负载阻抗时在，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。衰减器主要由PBS晶体、外壳、调节装置、滤波片组成。PBS晶体将入射的激光光束分成2束，一束激光方向指向光电探测仪，一束激光方向通过吸热板吸收；调节装置与滤波片在功能上调节入射后2束激光的能量分布；外壳主要起承载PBS晶体、调节装置、滤波片的作用。

2.2 激光聚焦光斑检测装置的应用

案例1：可通过本发明激光检测装置测定实际3D打印操作过程中的光斑尺寸和焦深。实际3D打印过程中，尤其是SLM铺粉式金属3D打印过程中，首先通过调试设备成型缸与刮刀之间的间隙和平整度，金属3D打印设备会记录当前的位置信息的相关数据。将本发明装置固定在成型腔内，伺服相应偏置本发明装置中初始定位点的高度，通过设备操作开启激光光束通过本发明装置检测实际打印位置的光斑尺寸、激光焦深、光束能量分布和质量等相关数据，从而得到实际打印光斑的尺寸及焦深，然后在金属3D打印设备中设定搭接量，层厚等参数。

案例2：在激光打標、切割、钻孔过程中，在场镜下放置本发明装置，从而能够实现快捷精准找到聚焦光斑的位置及光斑尺寸等操作。

3 激光聚焦光斑检测装置的商业前景

随着我国检测行业市场化程度加大，在外资企业检测机构的推动下，国产检测机构及其装置将会具有强有力的市场推广。本产品通过前期市场调研、产品可行性分析、产品设计与实测，设计了一种新型激光聚焦光斑检测装置。此装置解决了当前市场中的一些痛点，填补了在类似产品中的市场空缺，提高了激光聚焦光斑检测装置的适用性，突破了传统激光聚焦光斑检测只能加工一步测一步的问题。本产品能实现同类进口检测设备产品的同质量测量效果，不同于进口测量设备后期维修与保养周期长短无法保证等问题，本产品能够做到及时反馈，及时处理，实时跟进检测装备的保养与返厂维修等后期保障服务。在新一代信息技术产业中，单列“新型显示”，提出“突破激光显示高可靠，低成本，长寿命等技术问题，实现原材料和显示屏的国产化，形成产业集群，为各中小企业解决了传统检测装置局限性多、成本高、操作要求繁琐复杂等问题，有利于企业加速生产环境优化进程、提高产品质量，为企业提供了高性价比的工件检测解决方案，促进我国检测显示产业的新转型。”

4结语

该文设计了一种新型激光聚焦光斑检测装置，此装置能够实时追踪工件设备位置，角度地测量，解决了常规测量法造成的误差大，技术要求高等问题，便于组装与生产，操作简单易学，提高了激光聚焦光斑检测装置的适用性，突破了传统激光聚焦光斑检测只能加工一步测一步的问题。通过产品可行性分析，整合现有的成熟技术，创造出全新的使用场景，在不过多提高成本的情况下，确立了产品设计方向与方案。产品设计完善后，也通过制作测试样品进行实测，最终效果符合产品设计初衷。优化了现有技术，并使其能够进一步符合市场需求，为各中小企业解决了传统检测装置局限性多、成本高、操作要求繁琐复杂等问题，有利于企业加速生产环境优化进程、提高产品质量，为企业提供了高性价比的工件检测解决方案，值得推广应用。

参考文献

[1]张师毓. 激光检测技术发展及研究[J]. 消费导刊，2017（27）：77.

[2]张昆，张洪涛，胡婷.利用激光检测技术的电气模块装配系统[J].机器人技术与应用，2022（1）：24-28.

[3]吕妍，王迪，王志国，等. 多元热流体激光检测及杂光抑制光路[J]. 中国光学，2019，12（2）：310-320.

[4]沈晓彦，王凯，易翔翔. 多波段激光检测光源模块设计[J]. 火炮发射与控制学报，2022，43（1）：64-68.

[5]谭兆海. 基于激光检测技术兼容大轴重转向架通用正位检测台研究[J]. 现代制造技术与装备，2022，58（1）：148-150.

[6]唐七星，张玉钧，何莹，等. 基于激光检测提高复合面源排放测量精度研究[J]. 红外与毫米波学报，2021，40（3）：363-368.