CN108680502B - 基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、光学分光系统、信号调整模块、光谱信号采集模块和信号处理模块。与现有技术相比，本发明从激光焊接过程的基本热物理规律出发，根据维恩位移定律、玻尔兹曼图法及激光反射测量法，对光谱进行选区重构，提取能够准确表征激光焊接过程汽‑液‑离子三相特征的频谱信号，在此基础上进行多传感激光加工，利用多相振荡的相关性，表征焊接状态，实现激光加工过程状态的监测。

Description

基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工状态监测的装置，尤其涉及基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置。

背景技术

激光加工即利用高能束的激光聚焦在工件的表面实现加工的目的，在加工的过程中由于激光束的高功率密度特性固态金属瞬间融化后并汽化，甚至材料表面形成匙孔。匙孔内部产生剧烈波动的高压蒸汽，部分金属蒸汽吸收激光能量，电离产生等离子体，进而导致整个激光加工过程极易出现不稳定状态。因此国内外的学者试图利用先进的传感器(如：声学传感器、摄像机、电压传感器及光电二极管等)来检测激光加工过程的动态特性，寻找加工状态的监测方法，提高加工质量。由于激光加工过程是一个极其复杂的过程，同时又受多种加工参数的影响，因此加工过程中信号的变化以及波动大，一些微弱的信号常常会被大幅值的波动信号所掩盖，然而加工过程中又伴随了多种状态信号的存在(如：金属蒸汽、熔池和匙孔、等离子体)，这些状态信号的频率特征包含了与加工状态相关的特征，因此汽-液-离子三相的频率域信号被选择作为激光加工状态监测的手段，用以提高加工过程的质量。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、光学分光系统、信号调整模块、光谱信号采集模块和信号处理模块，其中，加工工件置于所述运动平台X轴上方并被专用夹具固定，所述激光加工头设置于所述运动平台的Y轴且位于所述加工工件的上方，所述激光器通过光纤与所述激光加工头连接，激光加工过程中的光学信号通过同轴的光学分光系统实现光信号的收集与分光，光谱信号采集模块通过光纤与光学同轴的所述光学分光系统连接，所述光谱信号采集模块包括所述信号调整模块，所述信号调整模块连接所述信号处理模块连接，其中，所述信号处理模块实现光谱信号的分析，该分析包括：结合玻尔兹曼图法和谱线展宽原理计算不同元素的电离度，比较不同元素电离度随焊接状态的趋势，确定能够有效体现等离子体振荡的离散线光谱；结合维恩位移定律计算金属蒸汽的温度，选择可见光波段的连续谱线；选择体现熔池和匙孔动态变化的激光反射信号离散线光谱，最后组合成汽-液-离子三相光谱选区特征信号；然后信号分析模块对所述三相光谱选区特征信号做频域分析，得出三相的频谱特征，并将此频谱特征做相关性分析，根据计算得出的多相频谱振荡相关系数的变化趋势建立激光加工状态描述模型，实现对激光加工过程状态的监测。

进一步地，所述的信号调整模块，其包括光电信号的滤波电路以及光电放大电路。

进一步地，所述的光谱信号采集模块包括狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、光电传感器阵列、信号调整模块以及信号采集电路，所述狭缝用来接受加工过程中产生的光学信号，所述准直镜用来将狭缝接受到的光学信号变成平行光束入射到光栅中，所述光栅用来将平行光变为多束单色光照射到所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列。

更进一步地，所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列用来接受光栅出输出的多束单色光，每一个光电传感器对应了一束单色光。

又进一步地，所述光电传感器阵列的波长范围为200-1100nm。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明从激光焊接过程的基本热物理规律出发，根据维恩位移定律、玻尔兹曼图法及激光反射测量法，对光谱进行选区重构，提取能够准确表征激光焊接过程汽-液-离子三相特征的频谱信号，在此基础上进行多传感激光加工，利用多相振荡规律，重构多相振荡的相关性，表征焊接状态，实现激光加工过程状态的监测。

附图说明

图1是本发明基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置硬件系统框图；

图2是本发明中光谱信号采集模块的结构示意图；

图3是本发明基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置进行加工状态监测实现的过程原理图；

图4是本发明中光谱选区重构的实现国城原理图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、信号调整模块以及光谱信号采集模块和信号处理模块。该系统中加工工件被置于运动平台X轴上方并被设计的专用夹具固定，激光加工头被置于运动平台的Y轴且在工件的上方，激光器通过光纤与激光加工头连接，激光加工过程中的光学信号通过同轴的光学分光系统实现光信号的收集与分光，光谱信号采集模块通过光纤与光学同轴光学分光系统连接，其输入端的信号来自激光加工过程的光学信号，光谱信号采集模块的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块接受光谱信号采集模块传输的数据实现焊接状态的实时监测。

所述的激光器输出的激光束经过光纤传输到激光加工头中，在激光加工头中依次经过准直镜和聚焦镜聚焦到工件的表面实现工件的加工；所述的运动平台用来控制激光加工过程的运动以及激光加工头的上下移动；所述的光谱信号采集模块包括狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、光电传感器阵列、信号调整模块以及信号采集电路，所述的狭缝用来接受加工过程中产生的光学信号，所述的准直镜是用来将狭缝接受到的光学信号变成平行光束入射到光栅中，所示的光栅是用来将平行光变为多束单色光照射到光电传感器阵列，所述的光电传感器阵列是用来接受光栅出输出的多束单色光，每一个光电传感器对应了一束单色光即每个光电传感器采集到了不同波段的光信号，该光电阵列的波长范围为 200-1100nm；所述的信号调整模块，包括光电信号的滤波电路以及放大电路。所述的信号采集电路即A/D信号采集卡。信号采集电路最后输出的是光电信号。

本发明工作步骤如下：

步骤1：在激光加工过程中，因为高能量密度的激光束的作用使得焊接过程中产生复杂的光学现象，包括体现金属蒸汽、等离子体、熔池及匙孔动态变化的光学现象，利用光谱信号采集模块采集加工过程中的全光谱(200-1100nm) 光学信号。

步骤2：光谱信号采集模块输出的光学信号输入到信号处理模块中，实现光谱信号的初步分析，该分析包括两个方面：一是结合玻尔兹曼图法和谱线展宽原理计算不同元素的电离度，比较不同元素电离度随焊接状态的趋势，确定能够有效体现等离子体振荡的的离散线光谱；二是结合维恩位移定律计算金属蒸汽的温度，选择可见光波段的连续谱线；三是选择体现熔池和匙孔动态变化的激光反射信号离散线光谱。最后组合成汽-液-离子三相光谱选区特征信号。

步骤3：信号处理模块对三相特征信号做频域分析，得出三相的频谱特征，将此频谱特征做相关性分析，根据计算得出的多相频谱振荡相关系数的变化趋势建立激光加工状态描述模型，实现对激光加工过程状态的监测。

请参见图2，光谱信号采集模块包括光路模块，该光路模块包括接受光信号的狭缝以及准直镜、将准直镜传输的单束多色光散射为多束单色光的光栅、以及将单色光聚焦到光电传感器阵列的聚焦镜，光电传感器所能采集的波长范围为200-1100nm，包含了汽-液-离子态三相波段的光信号。

二、信号调整模块，该模块主要包括运算放大电子电路以及滤波电路。

由于传感器阵列采集到的信号微弱，幅值往往很小，而且受到加工过程的其他信号的干扰以及系统中的电磁波的干扰，需要对信号做相应的调整，这就包括对信号的放大以及滤波，使得处输入信号采集电路的电信号在可测量的范围。

三、信号采集电路，该模块主要指A/D采集卡。

由于输入到光谱信号采集模块的信号数量多，因此采集卡能实现多通道数据同时采集，且能够实现信号的高速采集，采集到的信号属于高频信号。

本发明中的信号处理模块主要由工业控制机组成。

由光谱信号采集模块采集的信号最后都输入到信号处理模块中集中处理。对于光谱信号采集模块采集的光信号，信号处理模块利用玻尔兹曼图法、谱线展宽原理计算不同元素的电离度分布特征，利用维恩位移定律计算金属蒸汽的温度变化特征，这两类特征值作为离子态相和金属蒸汽相光谱选区的依据。光谱信号采集模块采集信号中的激光反射波段光谱作为熔池和匙孔液态金属相的光谱选区依据。

请参见图3，在激光加工的过程中，金属蒸汽相、熔池和匙孔液态金属相以及等离子体相的光学振荡信号通过激光头内置的分光镜传输到光谱信号采集模块，采集的全光谱光信号从200nm到1100nm，该信号以电信号的方式传入到信号调整模块中，信号调整模块实现电信号的放大以及滤波处理。经过放大和滤波处理后的电信号传输到信号采集电路中，信号采集电路实现电信号的A/D转换并输入到信号处理模块中。在信号处理模块中光电传感器模块采集的汽-液- 离子相的多光学信号经过三相振荡信号的相关性分析得出相关性系数，并根据此相关系数建立能描述激光加工过程状态的模型实现对激光加工状态的监测。

涉及到的光谱选区重构方法如图4所示，光谱信号采集模块获得全光谱信号后，信号处理模块分别对该信号做两方面的分析，一个方面是利用维恩位移定律计算金属蒸汽的温度，另一方面是根据玻尔兹曼图法和谱线展宽原理计算不同元素的电离度。该金属蒸汽温度特征变化趋势用于指导金属蒸汽谱段的连续谱线的选取；不同元素的电离度特征波动情况作为等离子体谱段的离散线谱的选取依据；光谱信号中的激光反射波段特征信号被熔池和匙孔液态波段的激光反射离散线谱当做选区的参考。根据金属蒸汽谱段的连续谱线、等离子体谱段的离散线谱的选取结果，从而在金属蒸汽相连续谱线表示为光谱V，等离子体相离散线谱表示为光谱P1、P2、P3…Pn，熔池和匙孔液相的激光反射谱段离散线谱表示为光谱R。由汽-液-离子三相的多光谱最终实现光谱选区重构。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，其特征在于，包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、光学分光系统、信号调整模块、光谱信号采集模块和信号处理模块，其中，加工工件置于所述运动平台X轴上方并被专用夹具固定，所述激光加工头设置于所述运动平台的Y轴且位于所述加工工件的上方，所述激光器通过光纤与所述激光加工头连接，激光加工过程中的光学信号通过同轴的光学分光系统实现光信号的收集与分光，光谱信号采集模块通过光纤与光学同轴的所述光学分光系统连接，所述光谱信号采集模块包括所述信号调整模块，所述信号调整模块连接所述信号处理模块连接，其中，所述信号处理模块实现光谱信号的分析，该分析包括：结合玻尔兹曼图法和谱线展宽原理计算不同元素的电离度，比较不同元素电离度随焊接状态的趋势，确定能够有效体现等离子体振荡的离散线光谱；结合维恩位移定律计算金属蒸汽的温度，选择可见光波段的连续谱线；选择体现熔池和匙孔动态变化的激光反射信号离散线光谱，最后组合成汽-液-离子三相光谱选区特征信号；然后信号分析模块对所述三相光谱选区特征信号做频域分析，得出三相的频谱特征，并将此频谱特征做相关性分析，根据计算得出的多相频谱振荡相关系数的变化趋势建立激光加工状态描述模型，实现对激光加工过程状态的监测。

2.如权利要求1所述的基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，其特征在于，所述的信号调整模块包括光电信号的滤波电路以及光电放大电路。

3.如权利要求1所述的基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，其特征在于，所述的光谱信号采集模块包括狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、光电传感器阵列、信号调整模块以及信号采集电路，所述狭缝用来接受加工过程中产生的光学信号，所述准直镜用来将狭缝接受到的光学信号变成平行光束入射到光栅中，所述光栅用来将平行光变为多束单色光照射到所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列。

4.如权利要求3所述的基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，其特征在于，所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列用来接受光栅出输出的多束单色光，每一个光电传感器对应了一束单色光。

5.如权利要求4所述的基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，其特征在于，所述光电传感器阵列的波长范围为200-1100nm。

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