CN108015411B - 一种激光弱化加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光弱化加工方法，包括如下步骤：1)将弱化板定位并进行识别，并将识别的数据发送至闭环控制系统；2)根据闭环控制系统接收的弱化板型号数据，选择激光器的脉冲出光模式；3)移动弱化板，激光光束在弱化板上形成N+1个微孔构成弱化线，并将弱化线分成N段；4)弱化板沿弱化线逆向运动，对弱化线进行N段弱化加工；5)对弱化线弱化加工完成后，弱化板下料。该发明通过在弱化加工前先在弱化板上扫描规整成形弱化线，确保了弱化线成形精度，再对弱化线采用多点定位及分段扫描弱化加工，在保证单个微孔加工工艺质量的同时，有效减少弱化线附近的残余应力，提高弱化板质量，保证弱化板的爆破效果。

Description

一种激光弱化加工方法

技术领域

本发明属于激光加工制造技术领域，具体涉及一种激光弱化加工方法。

背景技术

随着汽车行业的发展，市场对汽车内饰质量及美观性要求越来越高，尤其是仪表板，为保证安全气囊能正常开启，并同时具备美观性，常规采用热刀、超声波冷刀等加工方式，该生产方式效率低且不合格率高。

国外特别是德国等汽车制造大国已具备先进的激光弱化技术，并广泛使用于各种车型的加工制造中，并逐步占领国内高端市场。国内随着激光技术的普及，安全气囊仪表板的激光弱化技术也在缓慢发展，由于激光的高能量密度、仪表板的材料特性及弱化线的特殊要求，使得激光弱化加工工艺成为一大难点。

激光弱化加工最大的难点在于剩余板厚的控制，目前比较先进的研究技术中通常采用两种方式：1.加工完成后对板材进行无损检测以筛选合格品（文件《激光弱化无损检测系统》CN202910461U）；2.对弱化加工过程进行全程监控，通过多个传感器相互配合，在激光发生完成弱化后，判断工件是否合格（文件《一种汽车仪表板用激光弱化设备》CN105817764A）；以上两种方式均采用加工后检测的方式，无法保证成品率。

另外，弱化加工的目的在于当车辆出现激烈碰撞时，弱化板能顺利爆破，而弱化板顺利爆破的关键在于弱化线成形良好。中国专利CN105033471A公开了一种激光弱化加工设备，该专利中虽然采用了在线监测并保存弱化线上每个孔的加工数据，并判断每个孔的合格与否，但是该专利是以多次脉冲加工板材上单孔并检测其剩余厚度为核心技术，而对于不同弱化板材的高质量整体弱化线成形加工工艺并未提及，而整体弱化线成形工艺影响弱化线的应力分布及强度分布，是弱化板正常爆破的关键所在，因此，对于此项关键技术的研究也迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种通过在线检测控制整体弱化线成形的激光弱化加工方法，能在线实时检测弱化板厚，保证弱化板上弱化线的成形精度，显著提高成品率。

为此，本发明的技术方案是提供了一种激光弱化加工方法，包括如下步骤：

1)将弱化板固定在工件固定机构上，工件固定机构上设置信息识别机构对弱化板型号进行识别，并将识别的数据发送至闭环控制系统；

2)将步骤1)的弱化板移动至激光器下方，开启激光器以及开启与激光器并排设置的扫描检测系统，并根据闭环控制系统接收的弱化板型号数据，选择激光器的脉冲出光模式；

3)移动工件固定机构沿弱化板上设计要求的弱化线轨迹运动，激光光束由设计要求的弱化线轨迹的起点扫描至终点形成N+1个微孔构成弱化线，并将弱化线分成N段；

4)移动工件固定机构沿弱化线逆向运动，激光器发出的激光在弱化线上进行N段弱化加工；

5)对弱化线弱化加工完成后，关闭扫描检测系统，将工件固定机构移动至上下料工位，并对工件固定机构上的弱化板下料。

进一步的，所述工件固定机构包括抓手夹具和六轴机器人，所述抓手夹具安装在六轴机器人，所述弱化板上设有定位孔，所述抓手夹具的端部为多型面板，该多型面板上设有与弱化板的定位孔相对应的销钉，多型面板上与弱化板相接触一侧上设有柔性夹钳。

进一步的，所述激光器为CO₂气体激光器，产生10.6um波长脉冲激光。

进一步的，所述步骤3)中将构成弱化线的N+1个微孔扫描点信息输入闭环控制系统，与闭环控制系统中标准弱化板弱化线型拟合，并对弱化线进行修正，生成正确弱化线。

进一步的，所述步骤4)中弱化线的N段弱化加工过程中，扫描检测系统实时检测弱化线轨迹反馈至闭环控制系统，对弱化线轨迹进行校正直至N段弱化加工完成。

进一步的，所述步骤4)中在弱化线正下方设置有用于测算微孔剩余厚度的光信号传感器，所述光信号传感器与闭环控制系统电连接。

进一步的，所述步骤4)中激光器在弱化线上进行N段弱化加工时，一个脉冲周期内多个激光脉冲加工一个微孔，每个微孔的加工周期内，光信号传感器通过检测透过微孔的光信号测算微孔剩余厚度，并将测算数据反馈至闭环控制系统，闭环控制系统实时判断微孔剩余厚度是否达到设定标准值，以判断是否关闭当前加工微孔的脉冲激光，形成闭环控制。

进一步的，所述每个激光脉冲加工的微孔深度相同或者按照设定规律变化，弱化线上每个微孔剩余厚度最大为0.2mm。

进一步的，所述闭环控制系统控制激光器的反应时间为纳秒级。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种激光弱化加工方法通过在弱化加工前先在弱化板上扫描规整成形弱化线，再对弱化线采用分段扫描弱化加工，在保证单个微孔加工工艺质量的同时，可有效减少弱化线附近应力集中，优化弱化板材弱化线附近应力分布及强度分布，保证爆破效果。

(2)本发明提供的这种激光弱化加工方法采用扫描检测系统，通过采集弱化加工过程中的数据信息，反馈至闭环控制系统，以控制激光器的出光次数，保证微孔加工到设定的深度，达到控制剩余板厚的目的，使得整体弱化线孔的最大厚度不超过0.2mm，从而实现整个弱化加工过程的在线检测控制，使成品率接近100%。

(3)本发明提供的这种激光弱化加工方法中闭环控制系统控制激光器的反应时间采用纳秒级，大大缩短了弱化加工周期，显著提升了生产效率。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明激光弱化加工方法的工作原理示意图；

图2是本发明中闭环控制系统的工作原理示意图。

附图标记说明：1、扫描检测系统；2、激光器；3、弱化板；4、光信号传感器；5、抓手夹具；6、六轴机器人。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种激光弱化加工方法，具体加工过程如下：

首先，将弱化板3固定在工件固定机构上，工件固定机构上设置信息识别机构对弱化板3型号进行识别，并将识别的数据发送至闭环控制系统。其中，工件固定机构的一种实施方式，包括抓手夹具5和六轴机器人5，所述抓手夹具5安装在六轴机器人6，所述抓手夹具5用于固定抓住弱化板3，所述弱化板3上设有定位孔，所述抓手夹具5的端部为多型面板，该多型面板上设有与弱化板3的定位孔相对应的销钉，抓手夹具5先通过销钉对弱化板3直接进行粗定位，多型面板上与弱化板3相接触一侧上设有柔性夹钳，通过柔性夹钳对弱化板3夹紧，所述抓手夹具5与弱化板3之间采用多型面及销钉定位配合柔性压钳的装夹方式，保证了弱化板3定位精度，并避免应力集中。弱化板3固定的具体过程是采用自动或手动方式，将弱化板3放置在抓手夹具5的对应销钉处进行预定位，系统识别弱化板3型号后，向闭环控制系统发送弱化板3相关信息，闭环控制系统调用其工艺数据库中的对应程序，随后抓手夹具5中气动部分启动，通过多型面仿型夹具对弱化板3进行精定位，最后通过柔性压钳将弱化板3压紧，弱化板3在抓手夹具5上定位完成后，由六轴机器人6携带抓手夹具5移动至系统设定的HOME点(即激光器2的下方)处，等待弱化加工过程。

待弱化板3定位完成后，开启激光器2，并根据闭环控制系统接收的弱化板3型号数据，选择激光器2的脉冲出光模式。其中，本实施例中激光器2采用CO₂气体激光器，产生10.6um波长超短超快的脉冲激光，激光额定功率2000W，脉冲周期2～5ms，其中高电压时间0.6ms，其余为低电压期，弱化线加工速度15～30mm/s。

然后，开启扫描检测系统1，六轴机器人6携弱化板3移动，使激光器2发出的激光光束定于弱化板3设计要求的弱化线轨迹的起点处，随后，继续使六轴机器人6携弱化板3快速沿弱化板3上设计要求的弱化线轨迹运动，此过程中激光器2发出N+1个脉冲，激光光束由设计要求的弱化线轨迹的起点扫描至终点形成N+1个微孔构成弱化线，并将弱化线分成N段。通过在弱化板3上先扫描成形弱化线，并将弱化线分成N段，对弱化线采用分段扫描弱化加工，这种加工方式在保证单个微孔加工工艺质量的同时，可有效减少弱化线附近应力集中，优化弱化板的弱化线附近应力分布及强度分布，保证爆破效果。为了保证整体弱化线成形更准确，优化的，将构成弱化线的N+1个微孔扫描点信息输入闭环控制系统，与闭环控制系统中标准弱化板弱化线型拟合，并对弱化线进行修正，从而生成正确弱化线，进一步优化了弱化线的整体成形，有效避免了现有技术中只对单孔加工检测，而不考虑整体弱化线成形对弱化线的应力分布及强度分布所造成的影响。

在弱化板3的整体弱化线规整完成后，六轴机器人6携弱化板3沿弱化线逆向运动，激光器2发出的激光在弱化线上进行N段弱化加工。而在对弱化线分段弱化加工过程中，在弱化线正下方设置有用于测算微孔剩余厚度的光信号传感器4，所述光信号传感器4与闭环控制系统电连接；激光器2发出的一个脉冲周期内多个激光脉冲加工一个微孔，每个微孔的加工周期内，光信号传感器4通过检测透过微孔的光信号测算微孔剩余厚度，并将测算数据反馈至闭环控制系统，闭环控制系统实时判断微孔剩余厚度是否达到设定标准值，以判断是否关闭当前加工微孔的脉冲激光，形成闭环控制，当微孔剩余厚度达到设定标准值时，闭环控制系统控制激光器2结束一个脉冲周期内的出光时间。通过实时采集弱化加工过程中的微孔数据信息，反馈至闭环控制系统，以控制激光器2的出光次数，保证微孔加工到设定的深度，达到控制剩余板厚的目的，实现整个弱化加工过程的在线检测控制，使成品率接近100%。优选的，每个激光脉冲加工的微孔深度相同或者按照设定规律变化，弱化线上每个微孔剩余厚度最大为0.2mm。进一步的，所述闭环控制系统控制激光器2的反应时间为纳秒级，大大缩短了弱化加工周期，显著提高了生产效率。

其中，如图2所示，所述闭环控制系统包含两个输入端和两个输出端，两个输入端分别连接光信号传感器4和扫描检测系统1，而两个输出端分别连接六轴机器人6和激光器2，同时六轴机器人6和激光器2的输出端与光信号传感器4输入端连接，形成闭环控制。

对弱化线弱化加工完成后，关闭扫描检测系统，六轴机器人6携弱化板3返回上下料工位，抓手夹具5松开，采用自动或手动方式将加工完成的弱化板3下料，并重复上述步骤进行下一块弱化板加工。

综上所述，本发明提供的这种激光弱化加工方法通过在弱化加工前先在弱化板上扫描规整成形弱化线，确保了弱化线成形精度，再对弱化线采用多点定位及分段扫描弱化加工，在保证单个微孔加工工艺质量的同时，有效减少弱化线附近的残余应力，提高弱化板质量，保证弱化板的爆破效果。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光弱化加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将弱化板固定在工件固定机构上，工件固定机构上设置信息识别机构对弱化板型号进行识别，并将识别的数据发送至闭环控制系统；

2)将步骤1)的弱化板移动至激光器下方，开启激光器以及开启与激光器并排设置的扫描检测系统，并根据闭环控制系统接收的弱化板型号数据，选择激光器的脉冲出光模式；

3)移动工件固定机构沿弱化板上设计要求的弱化线轨迹运动，激光光束由设计要求的弱化线轨迹的起点扫描至终点形成N+1个微孔构成弱化线，并将弱化线分成N段；同时将构成弱化线的N+1个微孔扫描点信息输入闭环控制系统，与闭环控制系统中标准弱化板弱化线型拟合，并对弱化线进行修正，生成正确弱化线；

4)移动工件固定机构沿弱化线逆向运动，激光器发出的激光在弱化线上进行N段弱化加工；在弱化线的N段弱化加工过程中，扫描检测系统实时检测弱化线轨迹反馈至闭环控制系统，对弱化线轨迹进行校正直至N段弱化加工完成；

5)对弱化线弱化加工完成后，关闭扫描检测系统，将工件固定机构移动至上下料工位，并对工件固定机构上的弱化板下料。

2.如权利要求1所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述工件固定机构包括抓手夹具和六轴机器人，所述抓手夹具安装在六轴机器人，所述弱化板上设有定位孔，所述抓手夹具的端部为多型面板，该多型面板上设有与弱化板的定位孔相对应的销钉，多型面板上与弱化板相接触一侧上设有柔性夹钳。

3.如权利要求1所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述激光器为CO₂气体激光器，产生10.6um波长脉冲激光。

4.如权利要求1所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述步骤4)中在弱化线正下方设置有用于测算微孔剩余厚度的光信号传感器，所述光信号传感器与闭环控制系统电连接。

5.如权利要求4所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述步骤4)中激光器在弱化线上进行N段弱化加工时，一个脉冲周期内多个激光脉冲加工一个微孔，每个微孔的加工周期内，光信号传感器通过检测透过微孔的光信号测算微孔剩余厚度，并将测算数据反馈至闭环控制系统，闭环控制系统实时判断微孔剩余厚度是否达到设定标准值，以判断是否关闭当前加工微孔的脉冲激光，形成闭环控制。

6.如权利要求5所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述每个激光脉冲加工的微孔深度相同或者按照设定规律变化，弱化线上每个微孔剩余厚度最大为0.2mm。

7.如权利要求1所述的激光弱化加工方法，其特征在于：所述闭环控制系统控制激光器的反应时间为纳秒级。