CN108526687A - 基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统及方法，通过设置双光源方法运用于激光弱化，一个大功率激光主光源，主光源拥有较大功率与脉冲宽度，且焦点聚集在工件表面，使表面材料吸收到较多能量，可以获得较大的弱化深度，用于主要材料区域的去除；一个小功率激光辅助光源功率与脉冲宽度较小，焦点位于第一次加工孔的底部，去除材料量较少，用于精确去除控制激光弱化的残余厚度，通过双光源对加工件进行弱化加工，且通过机械臂带动工件运动控制激光弱化的路径，操作更方便更便于控制；利用双光源方法运用于激光弱化，从而达到精确、高效弱化的目的。

Description

基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统及 方法

技术领域

本发明属于汽车工业激光加工技术领域,尤其涉及一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统及方法。

背景技术

随着汽车行业的不断发展及消费者对安全的重视、对美观的追求、对舒适的要求，使得许多零部件的设计与生产都发生了重大改变，要求也越来越高。对于被动安全性能来说，安全气囊无疑是重要的一部分，它直接影响了在事故发生时驾驶员的人身安全。车内前方(正副驾驶位)、侧方(车内前排和后排)和车顶三个方向一般都装有安全气囊。一旦车辆发生碰撞事故，充气系统可在不到十分之一秒的时间内迅速充气，气囊在膨胀时将冲出方向盘或仪表盘，从而使车内人员免受正向碰撞的冲击，大约在一秒钟后，气囊就会收缩。在气囊冲出仪表板时，仪表板的破裂碎片如果不规则就很有刮伤乘客，造成二次伤害。并且为集安全性、舒适性、美观性于一身，越来越多的汽车仪表板被设计为无缝安全气囊，即没有可视装接线，又能保证气囊的正常开启。为了实现这样几个目的可以通过在仪表板的内侧进行微孔加工，众多微孔排列形成弱化线，降低此处的强度，使气囊爆炸时能轻易冲破此处且并不对车上乘客造成额外伤害。这项激光切割技术，即我们所说的“激光弱化加工技术”。

常见的弱化技术有四种：激光弱化；冷钻铣弱化；超声波冷到弱化。就加工精度和弱化效果来看，激光弱化无疑是首选。国内的武汉法利莱切割系统工程责任有限公司在国内率先开发出了汽车仪表板激光弱化装备。华工集团、苏州德隆等也在激光弱化领域拥有多项专利技术和设备。

在安全气囊面板加工过程中，对激光切割的工艺精度要求非常高。若切得不够深，汽车发生碰撞时安全气囊无法及时打开；若完全切透，则可能导致安全气囊在碰撞发生前就提前打开。德国Jenoptik公司开发出的高速、高精度弱化系统——JENOPTIK-VOTANA系统的激光功率与切割深度控制模块精度极高，深度控制能力能达到±50μm。

由于激光器都存在功率波动特性，一般为±5％，相对而言大功率激光器的波动量较大，对最终弱化孔深度造成较大影响。而小功率激光器虽然较难一次性达到加工要求，但其功率波动量较小，适用于精度要求较高的加工场合,所以在对加工精度要求较高的场合，适宜使用双小功率激光器替代单个大功率激光器进行加工。另外,功率过大的激光器不但价格昂贵且很难达到较高的精度。所以对激光弱化领域的改进，可以降低成本、提高控制精度。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统及方法，目的在于提高系统稳态精度以及有效抑制外界带来的干扰。

一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统,包括光源、综合控制台、工件固定装置及光源；

所述工件固定装置包括机械臂及搭载在机械臂上的工件夹具，对加工工件进行夹持固定；所述综合控制台通过线路控制机械臂、等离子吹气装置以及集尘装置的工作启停。；

所述综合控制台为机械臂、激光器、上料台、下料台、等离子吹气以及集尘装置的控制单元，通过有线的形式与各部件相连，操作者可于综合控制台上操控这些设备；所述加工系统还设有上料台、下料台、等离子吹气装置、集尘装置。

所述主光源为大功率激光器，主光源激光器额定功率范围为300～500W，脉冲宽度750～950μs，离焦量为-0.5～0.5mm；辅助光源为功率为小功率的激光器，额定功率范围为100～300W，脉冲宽度450～650μs，离焦量为-0.5～-1.5mm；操作者可以根据实际加工材料和所需弱化深度调节各激光器的脉冲宽度及离焦量以适应不同加工要求。

所述等离子吹气装置、集尘装置设置于激光器喷嘴旁，等离子吹气口对准集尘装置吸气口，弱化加工开始时要同时打开两个装置，利用等离子风对材料去除中产生的对导电离子的极化作用，使得颗粒能快速聚集在集尘装置中，避免污染激光喷嘴及周围环境。

一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工方法，包括以下步骤：

步骤1，由机械臂搭载工件夹具，在上料台上拾取待加工工件、夹紧，并将工件递送到待加工位置；同时打开等离子吹气装置和集尘装置，确保激光去除产生的粉尘全部吸入集尘装置中。

步骤2，加工工件递送到待加工位置时，主光源启动，主光源拥有较大功率与脉冲宽度，且焦点聚集在工件表面，使表面材料吸收到较多能量，可以获得较大的弱化深度，因此由它对工件进行第一次弱化，可以起到大量去除表面材料的作用,但此时无法保证工件弱化后的残余厚度。在主光源开始加工下一个弱化孔时，辅助光源开启，在前一个弱化孔的位置进行第二次弱化，辅助光源功率与脉冲宽度较小，焦点位于第一次加工孔的底部，去除材料量较少，不会出现过度加工的情况，使残余厚度控制在一定范围内。

步骤3，按照上述步骤，辅助光源的加工在时间上落后于主光源，所以当最后一个孔的第一次弱化加工结束后，主光源关闭，辅助光源随即加工最后一个弱化孔。加工结束后辅助光源关闭，等离子吹气装置、集尘装置关闭。

步骤4，机械臂将工件移至下料台，整个激光弱化过程完毕。

进一步，机械臂夹取工件保持一定的移动速度，激光器开光模式为位置触发。机械臂的移动轨迹及速度可以通过自带软件编程实现。其中，在设定机械臂的移动轨迹及速度时，所需要弱化的孔间距/移动速度等于开光间隔时间。另外，根据所需弱化孔间距及机械臂移动速度计算出激光器开光间隔时间，并在激光器上设置此间隔时间。机械臂抓取工件送至激光器前进行加工随着机械臂的移动，当激光喷嘴正对待加工孔位置时激光器开启，实现一个脉冲加工后随即关闭。

进一步，弱化的相关参数：在试制阶段需确定两次弱化加工的工艺参数。第一次弱化时使用较大脉冲宽度，并使主光源激光的焦点落于工件表面，获得较大加工深度；调节第二次弱化时的激光焦点落于第一次弱化形成的孔的底部，再根据还需弱化的深度调节激光脉冲宽度。制定好两次弱化的工艺参数后即可进行批量加工。

进一步，针对不同材料，可以分别调节主光源与辅助光源的脉冲宽度和离焦量，以适应不同的加工需要。

本发明的有益效果：

1、本发明通过激光代替传统刀具对汽车仪表板安全气囊弱化线进行弱化加工，利于实现全自动化、高度便捷化操作，降低人工成本，提高了加工效率。

2、本发明使用两台小功率激光器替代大功率激光器，降低了激光器功率波动对最终加工结果的影响，大大提高了加工精度，降低了购置激光设备所需的成本。

3、本发明所设计加工设备固定，仅通过改变脉冲宽度与离焦量及机械臂移动速度即可实现不同工艺要求产品的加工，对不同产品具有良好的适应性。

附图说明

图1是本发明的加工系统布置结构示意图；

图2是本发明的局部加工过程示意图；

1、主光源，2、辅助光源，3、待加工工件，4、综合控制台，5、工件夹具，6、机械臂，7、上料台，8、下料台，9、等离子吹气装置，10、集尘装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的加工系统布置结构为包括光源、综合控制台4和工件固定装置；所述光源包括主光源1和辅助光源2；

本实施例选取待加工工件3为汽车仪表板常用3mm厚PC(聚碳酸酯)硬塑材料，综合控制台4为机械臂6、主光源1、辅助光源2、上料台7、下料台8、等离子吹气装置9以及集尘装置10的控制单元，操作者可于综合控制台4上操控这些设备。

工件固定装置为在机械臂6上搭载工件夹具5对加工工件进行夹持固定；所述加工系统还设有上料台7、下料台8、等离子吹气装置9、集尘装置10；上料台7和下料台8的布置利于机械臂6对工件的拾取，吹气装置9和集尘装置10的布置安排不干涉机械臂6的运动，并且不影响激光光路的安排和加工。

主光源1为大功率激光器，选取主光源1的激光器额定功率300W，脉冲宽度950μs，离焦量为0mm；辅助光源2为功率为小功率的激光器，辅助光源激光器额定功率150W，脉冲宽度650μs，离焦量为-1.5mm。

如图2本发明的局部加工过程，包括以下步骤：

步骤1，由机械臂6搭载工件夹具5，在上料台上拾取待加工工件3、夹紧，并将工件递送到待加工位置；同时打开等离子吹气装置9和集尘装置10，确保激光去除产生的粉尘全部吸入集尘装置中。

步骤2，主光源1启动，主光源1拥有较大功率与脉冲宽度，且焦点聚集在工件表面，使表面材料吸收到较多能量，可以获得较大的弱化深度，因此由它对工件进行第一次弱化，可以起到大量去除表面材料的作用,但此时无法保证工件弱化后的残余厚度。在主光源1开始加工下一个弱化孔时，辅助光源2开启，在前一个弱化孔的位置进行第二次弱化，辅助光源2功率与脉冲宽度较小，焦点位于第一次加工孔的底部，去除材料量较少，不会出现过度加工的情况，使残余厚度控制在一定范围内。

步骤3，按照上述步骤，辅助光源2的加工在时间上落后于主光源1，所以当最后一个孔的第一次弱化加工结束后，主光源1关闭，辅助光源2随即加工最后一个弱化孔。加工结束后辅助光源关闭，等离子吹气装置9、集尘装置10关闭。

步骤4，机械臂6将工件移至下料台8，整个激光弱化过程完毕。

机械臂6夹取工件保持一定的移动速度，激光器开关模式为位置触发。机械臂6的移动轨迹及速度可以通过内置控制器软件编程实现。其中，在设定机械臂6的移动轨迹及速度时，所需要弱化的孔间距/移动速度＝开光间隔时间。另外，根据所需弱化孔间距及机械臂6移动速度计算出激光器开光间隔时间，并在激光器上设置此间隔时间。机械臂抓取工件送至激光器前进行加工随着机械臂6的移动，当激光喷嘴正对待加工孔位置时激光器开启，实现一个脉冲加工后随即关闭。

弱化的相关参数：在试制阶段需确定两次弱化加工的工艺参数。第一次弱化时使用较大脉冲宽度，并使主光源激光的焦点落于工件表面，获得较大加工深度；调节第二次弱化时的激光焦点落于第一次弱化形成的孔的底部，再根据还需弱化的深度调节激光脉冲宽度。制定好两次弱化的工艺参数后即可进行批量加工。

针对不同材料，可以分别调节主光源与辅助光源的脉冲宽度和离焦量，以适应不同的加工需要。

等离子吹气装置9、集尘装置10设置于激光器喷嘴旁，等离子吹气口对准集尘装置10吸气口，弱化加工开始时要同时打开两个装置，利用等离子风对材料去除中产生的对导电离子的极化作用，使得颗粒能快速聚集在集尘装置中，避免污染激光喷嘴及周围环境。

使用主光源与双光源分别进行四组加工试验，加工后结果如表格所示：

经双光源加工后的残余厚度保持在0.5mm左右，误差不超过5％，经过双光源激光弱化的加工工件可以达到较高加工精度的激光弱化要求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统,其特征在于，包括光源、综合控制台(4)、工件固定装置及光源；

所述工件固定装置包括机械臂(6)及搭载在机械臂(6)上的工件夹具(5)，对加工工件进行夹持固定；所述综合控制台(4)通过线路控制机械臂(6)、等离子吹气装置(9)以及集尘装置(10)的工作启停。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统，其特征在于，所述光源包括主光源(1)和辅助光源(2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统，其特征在于，所述主光源(1)为大功率激光器，功率范围为300～500W，脉冲宽度750～950μs，离焦量为-0.5～0.5mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统，其特征在于，所述辅助光源(2)为小功率激光器，功率范围为100～300W，脉冲宽度450～650μs，离焦量为-0.5～-1.5mm。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括等离子吹气装置(9)和集尘装置(10)，所述等离子吹气装置(9)、集尘装置(10)设置于激光器喷嘴旁，且等离子吹气装置(9)吹气口对着集尘装置(10)吸气口。

6.一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，由机械臂(6)搭载工件夹具(5)，在上料台(7)上拾取待加工工件(3)并夹紧，并将加工工件(3)递送到待加工位置；同时综合控制台(4)控制打开等离子吹气装置(9)和集尘装置(10)；

步骤2，加工工件(3)递送到待加工位置时，主光源(1)启动，对加工工件(3)进行第一次弱化；在主光源(1)开始加工下一个弱化孔时，辅助光源(2)开启，对前一个弱化孔的位置进行第二次弱化；

步骤3，重复步骤2，当主光源(1)对最后一个弱化孔的第一次弱化加工结束后，主光源(1)关闭，辅助光源随即对最后一个弱化孔进行第二次弱化；最后一个弱化孔的第二次弱化结束后，辅助光源(2)关闭，等离子吹气装置(9)、集尘装置(10)关闭。

7.根据权利要求6所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工方法，其特征在于，所述激光器的开关模式为位置触发，预先在综合控制台(4)上设置好所要加工孔的孔间距及加工轨迹，当激光器喷嘴正对待加工孔位置时激光器开启，实现一个脉冲加工后随即关闭。

8.根据权利要求7所述的一种基于双光源激光弱化精确控制残余厚度的激光加工方法，其特征在于，根据工件需弱化加工的深度调节激光脉冲宽度。