CN103776905B - 激光诱导热裂切割硬脆材料设备和裂纹检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种激光诱导热裂切割硬脆材料设备和裂纹检测方法，随着激光加工技术成为现阶段对硬脆材料的主要加工手段，对其加工过程的监控一般只停留在图像监控的手段，由于获取图像的精准度无法用精确的数值来评定，这就使加工的监控过程存在较大的误差。本发明包括计算主机（1），其声信号采集检测系统、图像采集处理系统、三坐标工作台及相应的控制系统；三系统均系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器（2）与所述的监控系统的计算主机连接；经过数据计算处理后，所述的计算主机发出信号通过所述的D/A转换器（8）控制三坐标工作台（7），其中激光由相应的激光发生器（3）提供。本发明用于激光诱导热裂切割硬脆材料及其切割的裂纹检测。
Description
技术领域：
本发明属于激光诱导热裂切割硬脆材料过程中，对裂纹位置及走向的检测及控制技术领域，特别是涉及一种具有声波及图像相结合的测量及观测的设备和相应方法。
背景技术：
脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其抗拉强度远低于抗压强度，应用范围非常广泛。目前，脆性材料主要通过激光加工、激光辅助加工、电火花加工等技术进行加工，其中激光加工技术已成为现阶段对硬脆材料的主要加工手段。
激光加工：激光加工能够直接作用于硬脆材料局部表面，产生瞬时高温足以使局部点熔融或气化而去除。另外，激光加工也可通过激光对材料的辐照使材料内部产生热应力，当热应力足够大时，材料会产生按预计轨迹发生的断裂，即激光诱导热裂切割。在加工过程中，没有刀具与材料间的接触，不会产生机械力，所以对材料本身的性能影响较低。
激光辅助加工：其基本原理是用激光瞬时加热脆性材料局部表面使之软化再用刀具切削，从未获得连续切屑并减小切削力。与常规加工方法相比，激光辅助加工可提高加工效率1~10倍，并能够改善表面质量，提高刀具耐用度。但其存在两个难点:其一是接触传热导致的温升使刀具硬度不断下降，刀具磨损仍然比较严重；其二是这种方法的本质依然是刀具对脆性材料进行加工，加工过程中依然存在机械力的作用，不可避免的降低了材料的性能。
随着激光加工技术成为现阶段对硬脆材料的主要加工手段，对其加工过程的监控一般只停留在图像监控的手段，由于获取图像的精准度无法用精确的数值来评定，这就使加工的监控过程存在较大的误差。
发明内容
本发明方案提供一种采用激光诱导热裂切割硬脆材料设备，以及声波及图像相结合的测量及观测手段，在激光诱导热裂切割硬脆材料过程中，对裂纹位置及走向进行检测及控制。
一种激光诱导热裂切割硬脆材料设备，其组成包括：应用于激光切割设备的计算主机，声信号采集检测系统、图像采集处理系统、三坐标工作台及相应的控制系统；所述的声信号采集检测系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器与所述的监控系统的计算主机连接；所述的图像采集处理系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器与所述的监控系统的计算主机连接；三坐标工作台及相应的控制系统系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器与所述的监控系统的计算主机连接，经过数据计算处理后，所述的计算主机发出信号通过所述的D/A转换器控制三坐标工作台，其中激光由相应的激光发生器提供。
所述的激光诱导热裂切割硬脆材料设备，所述的图像采集处理系统包括CCD光学显微镜，所述的CCD光学显微镜与激光发生器的激光头的相对位置可调，以保证根据不同的断裂情况，获得相应的图片。
所述的激光诱导热裂切割硬脆材料设备，所述的声信号采集检测系统包括声学传感器，所述的三坐标工作台的台面为锯齿状台面，以保证声学传感器的安装可靠性，并保证工件与台面为多点式接触；所述的声学传感器安装在锯齿状台面的齿尖处，当工件放在台面上时保证工件与声学传感器充分接触，保证声学传感器所采集的声信号的准确性。
一种激光诱导热裂切割硬脆材料过程中损伤裂纹检测的方法，硬脆材料在受力后由于发生的微破裂会产生声发射，这种声发射与材料内部微破裂的产生直接相关，在数值模拟计算中，单元的损伤量与脆性材料的声发射之间存在着正比关系；而通过图像观察，来直观的评价裂纹的扩展情况，将图像与声波数值相结合一同对裂纹的扩展进行评价，则更好地描述和确认裂纹的扩展情况。
有益效果：
本发明提出的硬脆材料激光诱导热裂切割监控系统具有以下特点：
（1）对声信号及图像信息同步采集、处理、比对，实现声波与图像相结合的监控系统；
（2）各系统间的数据采集、传输、计算，在短时间内通过计算机完成，以保证对加工过程的实时监控；
（3）声信号采集检测系统应具有一定的抗干扰能力，以保证所采集信号的准确性；
（4）三坐标工作台有较高的运动精度，工件与工作台面为多点式接触。
本发明针对硬脆材料激光诱导热裂切割开发了一种具有声波及图像相结合的监控系统，使得对加工过程的监控，不但有图像上的直观监控，而且还有数值上的精确监控。
本发明的三坐标工作台的台面要求为锯齿状台面，以保证声学传感器的安装可靠性，并保证工件与台面为多点式接触，这样可屏蔽一些来自三坐标工作台的声干扰信号。
本发明的CCD光学显微镜与激光头的相对位置可调，以保证根据不同的断裂情况，获得相应的图片。
本发明的声学传感器安装在锯齿状台面的齿尖处，当工件放在台面上时，可以保证工件与声学传感器充分接触，使得声学传感器所采集的声信号的准确性。
本发明使用中，随着裂纹的产生，CCD光学显微镜可以拍摄下裂纹的扩展过程，并通过数据线将图片信息传给计算主机，计算主机通过软件对图像进行存储并处理。计算主机通过相应软件将处理结果实时反映在屏幕上，操作者即可通过结果对三坐标工作台进行相应的控制，发出控制信号，通过D/A转换器变为电信号，控制三坐标工作台的相应运动。
本发明将图像与声波数值相结合一同对裂纹的扩展进行评价，数据的采集及处理在短时间内完成以实现加工过程的实时监控，在信号的采集过程中，本发明的系统对一些干扰信号有一定的屏蔽作用，整个加工所依靠的激光束有较高的质量，三坐标工作台有较高的运动精度。
附图说明
图1为硬脆材料激光诱导热裂切割监控系统结构示意图；
图2为硬脆材料激光诱导热裂切割监控系统的信号流程图。
其中：1—计算主机，2—A/D转换器，3—激光发生器，4—CCD光学显微镜，5—工件，6—声学传感器， 7—三坐标工作台，8—D/A转换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例1：
一种激光诱导热裂切割硬脆材料设备，其组成包括：应用于激光切割设备的计算主机1，其声信号采集检测系统、图像采集处理系统、三坐标工作台及相应的控制系统；所述的声信号采集检测系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器2与所述的监控系统的计算主机连接；所述的图像采集处理系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器2与所述的监控系统的计算主机连接；三坐标工作台及相应的控制系统系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D转换器与所述的监控系统的计算主机连接，经过数据计算处理后，所述的计算主机发出信号通过所述的D/A转换器8控制三坐标工作台7，其中激光由相应的激光发生器3提供。
实施例2：
实施例1所述的激光诱导热裂切割硬脆材料设备，所述的图像采集处理系统包括CCD光学显微镜4，所述的CCD光学显微镜与激光发生器的激光头的相对位置可调，以保证根据不同的断裂情况下，获得相应的图片。
实施例3：
实施例1或2所述的激光诱导热裂切割硬脆材料设备的控制系统，所述的声信号采集检测系统包括声学传感器6，所述的三坐标工作台的台面为锯齿状台面，以保证声学传感器的安装可靠性，并保证工件与台面为多点式接触；所述的声学传感器安装在锯齿状台面的齿尖处，当工件放在台面上时保证工件与声学传感器充分接触，保证声学传感器所采集的声信号的准确性。
实施例4：
硬脆材料激光诱导热裂切割监控系统，主要包括有计算主机1， A/D转换器2，激光发生器3，CCD光学显微镜4，工件5，声学传感器6，三坐标工作台7， D/A转换器8等，其中激光相应的激光发生器3提供，计算主机1中安装好声信号采集处理软件、图像采集处理软件、激光器控制软件及三坐标工作台的控制软件。三坐标工作台的台面要求为锯齿状台面，以保证声学传感器6的安装可靠性，并保证工件5与台面为多点式接触，这样可屏蔽一些来自三坐标工作台7的声干扰信号。CCD光学显微镜4与激光发生器3的相对位置可调，以保证根据不同的断裂情况，获得相应的图片。声学传感器6安装在锯齿状台面的齿尖处，当工件5放在台面上时，可以保证工件与声学传感器6充分接触，使得声学传感器6所采集的声信号的准确性。
当加工硬脆材料时，随着加工的进行会产生裂纹，微破裂会产生声发射，这时声学传感器6就会采集声信号将其转化为电信号发往计算主机1，而计算主机1只能识别数字信号，因此，获取到的电信号通过A/D转换器2变为数字信号，由计算主机1进行存储并处理。与此同时，随着裂纹的产生，CCD光学显微镜4可以拍摄下裂纹的扩展过程，并通过数据线将图片信息传给计算主机1，计算主机1通过相应的软件对图像进行存储并处理。计算主机1通过相应软件将处理结果实时反映在屏幕上，操作者即可通过结果对三坐标工作台7进行相应的控制，发出控制信号，通过D/A转换器8变为电信号，控制三坐标工作台7的相应运动。
Claims (2)
1.一种激光诱导热裂切割硬脆材料设备，其组成包括：监控系统的计算主机，其特征是：声信号采集检测系统、图像采集处理系统、三坐标工作台及相应的控制系统；所述的声信号采集检测系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D 转换器与监控系统的计算主机连接；所述的图像采集处理系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D 转换器与所述的监控系统的计算主机连接；三坐标工作台及相应的控制系统包括数据采集卡及数据处理软件，通过A/D 转换器与所述的监控系统的计算主机连接，经过数据计算处理后，所述的计算主机发出信号通过D/A 转换器控制三坐标工作台，其中激光由相应的激光发生器提供；所述的图像采集处理系统包括CCD 光学显微镜，所述的CCD 光学显微镜与激光发生器的激光头的相对位置可调，以保证根据不同的断裂情况，获得相应的图片；所述的声信号采集检测系统包括声学传感器，所述的三坐标工作台的台面为锯齿状台面，以保证声学传感器的安装可靠性，并保证工件与台面为多点式接触；这样可屏蔽一些来自三坐标工作台的声干扰信号，所述的声学传感器安装在锯齿状台面的齿尖处，当工件放在台面上时保证工件与声学传感器充分接触，保证声学传感器所采集的声信号的准确性。
2.一种利用权利要求1所述的设备进行激光诱导热裂切割硬脆材料过程中损伤裂纹检测的方法，其特征是：硬脆材料在受力后由于发生的微破裂会产生声发射，这种声发射与材料内部微破裂的产生直接相关，在数值模拟计算中，单元的损伤量与脆性材料的声发射之间存在着正比关系；而通过图像观察，来直观的评价裂纹的扩展情况，将图像与声波数值相结合一同对裂纹的扩展进行评价，则更好地描述和确认裂纹的扩展情况；随着裂纹的产生，CCD 光学显微镜可以拍摄下裂纹的扩展过程，并通过数据线将图片信息传给监控系统的计算主机，监控系统的计算主机通过软件对图像进行存储并处理，监控系统的计算主机通过相应软件将处理结果实时反映在屏幕上，操作者即可通过结果对三坐标工作台进行相应的控制，发出控制信号，通过D/A 转换器变为电信号，控制三坐标工作台的相应运动。
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