CN106735864B - 同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，包括：(1)配置加工激光束L1、检测激光束L2、透反镜M1和振镜扫描聚焦系统的空间方位；(2)对工件进行高度标定；(3)同时打开加工激光束L1和检测激光束L2，进行激光加工，计算当前激光加工所产生的加工深度ΔZ；(4)判断ΔZ是否满足加工要求，若不满足，则实时优化调整激光加工的工艺参数，跳转至步骤3；(5)若需要多遍加工，则重复执行步骤2至步骤4。本发明所述的振镜扫描激光加工方法实现了振镜扫描激光加工过程的实时同轴加工深度检测，结合实时在线调整激光加工工艺参数，解决了加工深度的智能控制技术难题。本发明还提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法及装置。
背景技术
使用激光技术进行的检测具有快速性、非接触和非破坏性等特点，因此三维成像激光雷达使用在现代城市三维建模、数字水利、森林探测等领域，扩大了现代工农业生产、医学和生命科学、海洋开发等的应用，产生了可观的经济效益。目前存在多种光学三维获取技术，按照获取的过程可将他们分为两大类别：实体轮廓描述和光场捕获。实体轮廓描述技术又分为脉冲飞行时间法、相位测距法、三角测量法和条纹管法等多种方法。
脉冲飞行时间法基于激光脉冲测距的方式获取像素点距离值，通过对目标表面轮廓的横向像素划分进行离散采样，分别获取各像素的角度-角度-距离信息对其空间位置进行确定，所有测量像素点组合在一起构成的点云便可以对目标外形轮廓进行描述。
相位测距法是将距离测量方式替换为相位测距，通过将激光信号调制上连续的正弦信号进行探测，反射的回波信号根据目标距离加载上相位延迟，再经过和本地振荡进行比对鉴相得到2π内的相位差，通过改变调制频率多次测量，可以计算出整数相位，从而获取目标真实位置，实现扫描式三维获取。
三角测量法是基于三角测距的三维获取方式，是目前近场测量中最主流的技术，也是各种技术中商用产品最成熟的一种。三角测量法的基本原理为：设A为待测物体表面，激光束照射物体后反射形成光点，通过成像光学透镜，物体表面上的光点成像在探测器的位置B处。当物体表面在光束方向发生位置移动后，光点由A点变为A’点，它经由同一光学透镜成像位置相应变为B’。由于这两个变化是一一对应的，根据系统的空间几何关系，便可以通过像点移动量计算出探测点位移量。在单点三角测距方式中，物体表面反射光斑的成像只在在探测器和光源的连线方向(轴)移动，因此只需要放置一个线阵探测器即可，但每次只能测量一个点。为了提高速度，将激光器在垂直方向扩展为线状光源，并使用阵列探测器，可以同时测量光源上多点的距离值。
激光加工技术是激光应用最有发展前景的领域之一，国内外已开发出二十余种激光加工技术，主要包括：激光快速成形、激光焊接、激光打孔、激光切割、激光打标和激光表面处理技术等。目前，激光加工已经广泛应用在微电子、液晶、分离膜、测量、汽车、航空、纳米材料、航天等领域。
激光加工过程是激光与物质相互作用的结果，加工质量的优劣受到激光功率、扫描速度等工艺参数的影响。为了提高激光加工质量，保证激光加工的稳定性，对激光加工过程进行监测是一个行之有效的方法。通过过程监测和控制技术，可以将加工状态信息反馈到系统控制端，并与输入状态信息进行对比，根据产生的偏差来调整工艺参数。目前，人们主要将激光加工过程中的光、声、电信号作为监测信号，并通过传感器、采集卡，输入计算机作进一步处理。
由于光信号可直接反映激光加工的工件表面的信息，且具有可视化、直观性强等特点，因此选取工件表面的可见光信号为监测信号，即采用CCD传感器采集检测信号是激光加工过程监测常用的一种方法。根据CCD传感器与激光光束轴线的相对位置关系可将监测系统分为旁轴监测系统与同轴监测系统。旁轴监测系统的传感器探测光路与激光光束轴线不重合甚至也不平行，其优点是传感器的安放位置比较灵活，但从监视器上观测到的图像在形状上是倾斜的，不利于图像形状判断与距离测量；而同轴监测系统的传感器探测光路与激光光束轴线重合，不仅能够克服旁轴监测系统成像倾斜的缺点，且监测光成像部分为轴对称系统，在光学设计时有利于系统建模、优化等过程。但传统的同轴CCD图像检测方法，必须依赖计算机图像处理来间接获得加工位置的状态，图像处理慢、采集帧数低，无法精确获知加工深度值，检测频率与高速激光振镜加工存在速度不匹配、精度差等问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够实时进行加工深度检测、精度高、速度快的同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法。本发明还同时提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，包括如下步骤：
步骤1：配置好波长为λ1的加工激光束L1、波长为λ2的检测激光束L2、透反镜M1和振镜扫描聚焦系统的空间方位，所述检测激光束L2与加工激光束L1垂直；λ1≠λ2；所述振镜扫描聚焦系统包括振镜系统M2和聚焦物镜M3；使得由加工用激光器输出的波长为λ1的加工激光束L1入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1透射或反射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统反射后，垂直输出聚焦在工件表面；同时使得由高精度激光位移传感器输出的波长为λ2的检测激光束L2入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1反射或透射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统反射后，垂直输出聚焦在工件表面；经透反镜M1透射或反射的加工激光束L1与经透反镜M1反射或透射的检测激光束L2同轴；
步骤2：将振镜系统M2的振镜扫描加工焦平面作为基准面，以基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；
对工件进行高度标定，通过高精度激光位移传感器获得工件表面振镜扫描加工范围内任意k个位置点的空间数据Pi(Xi,Yi,Zi)，i＝1～k；其中，Xi,Yi表示工件表面上的第i个点的位置信息，Zi表示第i个点的高度信息；
步骤3：同时打开加工激光束L1和检测激光束L2，按照预设的激光加工工艺参数和路径进行激光加工，当加工位置到达步骤2中的某个Pi(Xi,Yi,Zi)时，读取高精度激光位移传感器的读数Zi'，计算ΔZ＝Zi－Zi'，可知当前激光加工所产生的加工深度ΔZ；
步骤4：判断ΔZ是否满足加工要求，若不满足，则实时优化调整激光加工的工艺参数，跳转至步骤3继续进行加工；若满足加工要求，进入步骤5；
步骤5：判断是否需要多遍加工，若需要，则重复执行步骤2至步骤4，直至加工完成；否则，本方法结束。
优选的，在步骤3的激光加工过程中，还可以动态调节振镜系统M2与工件之间的Z向距离，使得加工激光束L1和检测激光束L2保持聚焦在工件表面，设调节量为ΔZ”，那么ΔZ＝Zi－Zi'+ΔZ”。
优选的，加工完成后，再执行一次步骤2，即可获得加工表面轮廓信息，用于检测评估加工表面质量是否达标。
本发明还提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，包括激光器、高精度激光位移传感器、透反镜M1和振镜扫描聚焦系统，所述激光器输出波长为λ1的加工激光束L1，所述激光位移传感器输出波长为λ2的检测激光束L2，要求λ1≠λ2；所述加工激光束L1与检测激光束L2相互垂直；所述透反镜M1要求可以透射波长为λ1的激光，同时可以反射波长为λ2的激光；或者所述透反镜M1可以反射波长为λ1的激光，同时可以透射波长为λ2的激光；所述振镜扫描聚焦系统包括振镜系统M2和聚焦物镜M3；
波长为λ1的加工激光束L1入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1透射或反射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统的反射，垂直聚焦在工件表面；
波长为λ2的检测激光束L2入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1反射或透射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统的反射，垂直聚焦在工件表面；
经透反镜M1透射或反射后的加工激光束L1与经透反镜M1反射或透射后的检测激光束L2同轴。
优选的，所述振镜系统M2是一维振镜系统或者二维振镜系统，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全反射的光学全反膜。
优选的，所述聚焦物镜M3是F-theta物镜或者远心透镜，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全透射的光学全透膜，并且聚焦物镜M3结构具有相应色散补偿设计，即对波长为λ1、λ2的聚焦焦距值差异小于0.01mm。
优选的，在激光器和透反镜M1之间、高精度激光位移传感器与透反镜M1之间、透反镜M1与振镜系统M2之间还可以增加用于扩束准直或光路转折的几何光学变换部件K1。
优选的，在高精度激光位移传感器与透反镜M1之间还可以增加用于过滤特定波段的滤波片。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的振镜扫描激光加工方法实现了振镜扫描激光加工过程的实时同轴加工深度检测，结合实时在线调整激光加工工艺参数，解决了加工深度的智能控制技术难题。可以根据工艺质量评判标准，判断单遍加工深度绝对值是否满足加工要求或者多遍加工工序间的加工深度差值是否满足加工深度重复性控制要求，若不满足则可实时优化调整工艺参数，直至满足加工要求为止。这对于有特殊加工深度要求的场合(如聚合物表面覆盖金属膜的刻蚀，要求金属膜全部刻掉，但尽可能不伤聚合物基底)，实现了加工深度技术问题的彻底解决。
2、本发明所述的振镜扫描激光加工方法对工件表面没有限制，平面、曲面和复杂曲面均可兼容。
3、相比于传统的同轴CCD图像检测方法存在无法精确获知加工深度值，精度差、图像处理慢、采集帧数低等问题，本发明所述的振镜扫描激光加工方法精度大大提高，检测速度大大提升。
4、对于工件有精确设计三维模型的情况下，本发明所述的振镜扫描激光加工方法可以实现工件自身加工制造误差(与设计模型)的实时在线测量与补偿，大幅度提高了激光加工质量，对工件加工制造精度的要求也大幅提高。
5、加工完成后，可以立刻在线检测，获得加工工件表面深度轮廓信息，用于检测评估加工表面质量(如三维表面粗糙度信息)是否达标。
6、本发明所述的振镜扫描激光加工方法实现简单、可靠，适用性广泛。
附图说明
图1为本发明所述振镜扫描激光加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，包括激光器、高精度激光位移传感器、透反镜M1、振镜系统M2和聚焦物镜M3，所述激光器输出波长为λ1的加工激光束L1，所述激光位移传感器输出波长为λ2的检测激光束L2(λ1≠λ2)。
波长为λ1的加工激光束L1水平入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1(L1与M1镜片法线之间夹角为45度)，经透反镜M1透射后水平入射至振镜系统M2，经振镜系统M2反射后垂直进入聚焦物镜M3，由聚焦物镜M3输出后聚焦在工件表面；波长为λ2的检测激光束L2垂直入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1(L2与M1镜片法线之间夹角为45度)，经透反镜M1反射后水平入射至振镜系统M2，经振镜系统M2反射后垂直进入聚焦物镜M3，由聚焦物镜M3输出后聚焦在工件表面；经透反镜M1透射的加工激光束L1和反射的检测激光束L2同轴。
所述透反镜M1要求可以透射波长为λ1的激光，同时可以反射波长为λ2的激光，可以通过在透反镜M1对应镜片表面分别镀对波长为λ1的光学增透膜和对波长为λ2的光学全反膜来实现；
所述振镜系统M2可以是目前市场上常用的一维振镜系统或者二维振镜系统(galvanometer scanner)，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全反射的光学全反膜；
所述聚焦物镜M3是F-theta物镜或者远心透镜，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全透射的光学全透膜，并且聚焦物镜M3结构具有相应色散补偿设计，即对波长为λ1、λ2的聚焦焦距值差异小于0.01mm。
所述高精度激光位移传感器用于测量工件表面上特定点的相对高度值。其工作原理可以采用现有激光精密测距技术中的脉冲时间飞行法、相位测距法和三角测量法的任意一种。
加工激光束L1与检测激光束L2的位置可以互换，只需相应调整透反镜M1表面的光学镀膜，使得经透反镜M1反射的加工激光束L1和透射的检测激光束L2同轴。
聚焦物镜M3和振镜系统M2之间采用前聚焦或后聚焦方式均可，聚焦物镜M3和振镜系统M2的位置可以互换。
优选的，在激光器和透反镜M1之间、高精度激光位移传感器与透反镜M1之间、透反镜M1与振镜系统M2之间还可以增加用于扩束准直或光路转折等功能的几何光学变换部件K1。
优选的，在高精度激光位移传感器与透反镜M1之间还可以增加用于过滤特定波段的滤波片K2，增强对波长为λ2的检测激光束L2的信号精度以及消除杂光干扰。
本发明还提供了一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，包括如下步骤：
步骤1：按照图1配置好加工激光束L1(波长为λ1)、检测激光束L2(波长为λ2，λ1≠λ2)、透反镜M1、振镜系统M2和聚焦物镜M3的空间方位，使得由加工用激光器输出的波长为λ1的加工激光束L1水平入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1(L1与M1镜片法线之间夹角为45度)，经透反镜M1透射后水平入射至振镜系统M2，经振镜系统M2反射后垂直进入聚焦物镜M3，由聚焦物镜M3聚焦后输出输出后聚焦在工件表面；同时使得由高精度激光位移传感器输出的波长为λ2的检测激光束L2垂直入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1(L2与M1镜片法线之间夹角为45度)，经透反镜M1反射后水平入射至振镜系统M2，经振镜系统M2反射后垂直进入聚焦物镜M3，由聚焦物镜M3聚焦后输出输出后聚焦在工件表面；经透反镜M1透射的加工激光束L1和反射的检测激光束L2同轴；
所述加工激光束L1与检测激光束L2的位置可以互换，只需相应调整透反镜M1表面的光学镀膜，使得经透反镜M1反射的加工激光束L1和透射的检测激光束L2同轴；
所述聚焦物镜M3和振镜系统M2之间采用前聚焦或后聚焦方式均可，聚焦物镜M3和振镜系统M2的位置可以互换；
步骤2：将振镜系统M2的振镜扫描加工焦平面作为基准面，以基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；
对工件进行高度标定，通过高精度激光位移传感器获得工件表面振镜扫描加工范围内任意k个位置点的空间数据Pi(Xi,Yi,Zi)，i＝1～k；其中，Xi,Yi表示工件表面上的第i个点的位置信息，Zi表示第i个点的高度信息；
对于多个不同的光滑平面工件，只需标定一次。对于多个不同曲面工件(曲率分布不同或者不同位置)，则每一个都要在加工前标定一次。
具体标定方法可以采用实距测定法，也可以采用理论计算法，亦可两种都用互作参照。
实距测定法为：打开检测激光束L2(优选的，也可以同时打开加工激光束L1的指示光功能)，在振镜扫描加工范围内取感兴趣的位置k个，设k个位置为Pi(Xi,Yi,Zi)(i＝1～k)；控制振镜系统M2运动，使检测激光束L2偏转定位到Xi,Yi时，采集高精度激光位移传感器的读数Zi，按此方法依次获取所有k个点的空间数据Pi(Xi,Yi,Zi)。
理论计算法为：根据几何光学原理和步骤1的光路配置参数，通过人工计算Pi(Xi,Yi,Zi)的理论值或者通过光学仿真软件模拟计算出Pi(Xi,Yi,Zi)的数值近似值。
步骤2的标定过程完成后，对于工件有精确设计三维模型的情况下，可以立刻对比获得工件本身的加工精度(工件实际外形尺寸与工件设计外形尺寸的误差)，从而实现将工件由于前序制造工序加工误差导致的变形考虑到后续的激光加工工艺规划中去，通过后续步骤的激光加工工艺参数调整来实现误差补偿。
步骤3：同时打开加工激光束L1和检测激光束L2，按照预设的激光加工工艺参数和路径进行激光加工，当加工位置到达步骤2中的某个Pi(Xi,Yi,Zi)时，读取高精度激光位移传感器的读数Zi'，计算ΔZ＝Zi－Zi'，可知当前激光加工所产生的加工深度ΔZ。
在加工过程中，可以通过动态调节相对振镜系统M2与工件之间的Z向距离，使得加工激光束L1和检测激光束L2保持聚焦在工件表面，调节量ΔZ”计入ΔZ中，即ΔZ＝Zi－Zi'+ΔZ”；
优选的，还可以先打开加工激光束L1完成某个加工位置Pi(Xi,Yi,Zi)的激光加工动作，然后关闭加工激光束L1，再打开检测激光束L2重复该激光加工动作，读取高精度激光位移传感器的读数Zi'，计算ΔZ＝Zi－Zi'，可知当前激光加工所产生的加工深度ΔZ。
步骤4：根据工艺质量评判标准，判断ΔZ是否满足加工要求(例如加工深度ΔZ绝对值是否达到要求或者两遍加工的加工深度ΔZ1和ΔZ2差值是否满足加工深度重复性控制要求)，若不满足，则可实时优化调整工艺参数，跳转至步骤3，直至满足加工要求为止。
对于多遍加工，可以重复执行步骤2至步骤4，直至加工完成。
优选的，加工完成后，再执行一次步骤2，即可获得加工表面轮廓信息，用于检测评估加工表面质量(如基于Pi(Xi,Yi,Zi)建立的三维表面粗糙度信息)是否达标。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (8)
1.一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：配置好波长为λ1的加工激光束L1、波长为λ2的检测激光束L2、透反镜M1和振镜扫描聚焦系统的空间方位，所述检测激光束L2与加工激光束L1垂直；λ1≠λ2；所述振镜扫描聚焦系统包括振镜系统M2和聚焦物镜M3；使得由加工用激光器输出的波长为λ1的加工激光束L1入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1透射或反射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统反射后，垂直输出聚焦在工件表面；同时使得由高精度激光位移传感器输出的波长为λ2的检测激光束L2入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1反射或透射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统反射后，垂直输出聚焦在工件表面；经透反镜M1透射或反射的加工激光束L1与经透反镜M1反射或透射的检测激光束L2同轴；
步骤2：将振镜系统M2的振镜扫描加工焦平面作为基准面，以基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；
对工件进行高度标定，通过高精度激光位移传感器获得工件表面振镜扫描加工范围内任意k个位置点的空间数据Pi(Xi,Yi,Zi)，i＝1～k；其中，Xi,Yi表示工件表面上的第i个点的位置信息，Zi表示第i个点的高度信息；
步骤3：同时打开加工激光束L1和检测激光束L2，按照预设的激光加工工艺参数和路径进行激光加工，当加工位置到达步骤2中的某个Pi(Xi,Yi,Zi)时，读取高精度激光位移传感器的读数Zi'，计算ΔZ＝Zi－Zi'，可知当前激光加工所产生的加工深度ΔZ；
步骤4：判断ΔZ是否满足加工要求，若不满足，则实时优化调整激光加工的工艺参数，跳转至步骤3继续进行加工；若满足加工要求，进入步骤5；
步骤5：判断是否需要多遍加工，若需要，则重复执行步骤2至步骤4，直至加工完成；否则，本方法结束。
2.根据权利要求1所述的一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，其特征在于，在步骤3的激光加工过程中，还可以动态调节振镜系统M2与工件之间的Z向距离，使得加工激光束L1和检测激光束L2保持聚焦在工件表面，设调节量为ΔZ”，那么ΔZ＝Zi－Zi'+ΔZ”。
3.根据权利要求1所述的一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工方法，其特征在于，加工完成后，再执行一次步骤2，即可获得加工表面轮廓信息，用于检测评估加工表面质量是否达标。
4.一种同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，其特征在于，包括激光器、高精度激光位移传感器、透反镜M1和振镜扫描聚焦系统，所述激光器输出波长为λ1的加工激光束L1，所述激光位移传感器输出波长为λ2的检测激光束L2，要求λ1≠λ2；所述加工激光束L1与检测激光束L2相互垂直；所述透反镜M1要求可以透射波长为λ1的激光，同时可以反射波长为λ2的激光；或者所述透反镜M1可以反射波长为λ1的激光，同时可以透射波长为λ2的激光；所述振镜扫描聚焦系统包括振镜系统M2和聚焦物镜M3；
波长为λ1的加工激光束L1入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1透射或反射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统的反射，垂直聚焦在工件表面；
波长为λ2的检测激光束L2入射至与其相对45度方位设置的透反镜M1，经透反镜M1反射或透射后水平入射至振镜扫描聚焦系统，经振镜扫描聚焦系统的反射，垂直聚焦在工件表面；
经透反镜M1透射或反射后的加工激光束L1与经透反镜M1反射或透射后的检测激光束L2同轴。
5.根据权利要求4所述的同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，其特征在于，所述振镜系统M2是一维振镜系统或者二维振镜系统，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全反射的光学全反膜。
6.根据权利要求4所述的同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，其特征在于，所述聚焦物镜M3是F-theta物镜或者远心透镜，要求其表面镀有对波长为λ1、λ2均全透射的光学全透膜，并且聚焦物镜M3结构具有相应色散补偿设计，即对波长为λ1、λ2的聚焦焦距值差异小于0.01mm。
7.根据权利要求4所述的同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，其特征在于，在激光器和透反镜M1之间、高精度激光位移传感器与透反镜M1之间、透反镜M1与振镜系统M2之间还可以增加用于扩束准直或光路转折的几何光学变换部件K1。
8.根据权利要求4所述的同轴实时检测的振镜扫描激光加工装置，其特征在于，在高精度激光位移传感器与透反镜M1之间还可以增加用于过滤特定波段的滤波片。
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