CN110487180A - 一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法 - Google Patents

一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，通过建立温度差值与光点坐标差值的预测模型来对热漂移进行预测，包括以下步骤：步骤1，将光传感器放置在加工面上，在x振镜电机左侧壳体处、y振镜电机附近壳体处、x振镜散热片处、x振镜电机右侧壳体处以及y振镜散热片处放置温度传感器；步骤2，每间隔5分钟记录光点坐标值与温度值；步骤3，对光点坐标差值和温度差值的关系进行分析；步骤4，建立温度差值与光点坐标差值的预测模型；步骤5，计算得到温度差值与光点x、y坐标差值的线性相关系数；步骤6，求解残差平均值，并将预测模型中的残差值替换为残差平均值，得到完整的预测模型。

Description

一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于扫描振镜式激光加工系统的光点漂移测量方法，具体涉及一种用于扫描振镜式激光加工系统的光点热漂移测量方法。
背景技术
近年来双振镜激光扫描加工技术越来越普及，其加工效率高，加工精度好，因此该技术越来越流行，而为了达到更高的加工精度就必须研究扫描振镜式激光加工系统中的各类畸变误差。通过分析总结，发现显而易见的误差有映射关系非线性引起的误差、添加F-theta聚焦透镜引起的误差、扫描反射镜偏置引起的误差以及热误差。经过实验发现因温度变化导致加工光点坐标漂移比较明显。
而现有技术中并没有能够准确得出温度差值和光点坐标漂移关系的检测方法和预测模型。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法。
本发明提供了一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，通过建立温度差值与光点坐标差值的预测模型来对扫描振镜式激光加工系统的热漂移进行预测，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤1，将用于检测光点坐标的光传感器放置在扫描振镜式激光加工系统的加工平台加工面上，并将x振镜电机左侧壳体处、y振镜电机附近壳体处、x振镜散热片处、x振镜电机右侧壳体处以及y振镜散热片处作为测温点并分别放置用于采集各个测温点温度的温度传感器；
步骤2，控制扫描振镜式激光加工系统持续加工同一点，每间隔5分钟采集每个测温点的温度传感器的温度一次，同时记录光点坐标值，当光点坐标值在3微米内波动后，记录每个时刻每个测温点的温度和光点坐标值；
步骤3，对光点坐标差值Δx，Δy和温度差值ΔT之间的关系分别进行分析，分别如公式(1)，(2)；
步骤4，不同测温点的温度差值对光点x坐标差值的线性相关系数为IDC_xn(n＝1，2，3，4，5)，对光点y坐标差值的线性相关系数为IDC_yn(n＝1，2，3，4，5)，n为温度传感器的数量，若IDC_xn≥0.8且IDC_yn≥0.8时，则进一步建立预测模型，如公式(3)和公式(4)，
Δx＝ax1·ΔT1+ax2·ΔT2+ax3·ΔT3+…axn·ΔTn+ex (3)
Δy＝ay1·ΔT1+ay2·ΔT2+ay3·ΔT3+…ayn·ΔTn+ey (4)；
步骤5，将公式(3)转化为矩阵得到下式：
并设定Y＝[Δx(1)，Δx(2)，…Δx(m)]′ (6)
β＝[ax1，ax2，…axn]′ (7)
E＝[ex(1)，ex(2)，…ex(m)]′ (8)
而后引入函数J，设J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)，根据公式(5)-公式(9)得到将其代入J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)得到下式：
求解公式(10)得到下式：
将公式(11)进行转化，得到：
将公式(12)等号两侧同时左乘得到下式：
根据公式(13)求解出相关系数矩阵β，从而得到温度差值ΔT与光点x坐标差值的线性相关系数axn，将公式(4)中的Δy做与公式(5)-公式(13)的相同运算，即可得到温度差值ΔT与光点y坐标差值的线性相关系数ayn；
步骤6，通过公式(14)与公式(15)求解平均值并将公式(3)和公式(4)中的ex、ey替换为平均值此时公式(3)和公式(4)即为完整的预测模型，
其中，公式(1)与公式(2)中，xi代表第i个时刻光点x坐标值，yi代表第i个时刻光点y坐标值，Ti代表第i个时刻测温点温度，分别代表整个时间段内光点x坐标的平均值、y坐标的平均值、测温点温度平均值，IDC_x代表测温点温度差值对光点x坐标差值的线性相关系数，IDC_y代表测温点温度差值对光点y坐标差值的线性相关系数，
公式(3)与公式(4)中，ΔTn中，ΔT代表相邻两个时刻的温度差值，n代表测温点个数(n＝1,2,3…,n)，axn、ayn分别代表温度差值与光点x、y坐标差值的线性相关系数(n＝1,2,3,…,n)，ex、ey代表残差值，Δx、Δy代表光点x、y坐标差值，公式(5)中，Δx(m)代表第m个时间段光点x坐标差值，ΔTn(m)中，n代表测温点个数，m代表第m个时间段，ΔT代表相邻时刻温度差值，axn代表温度差值与光点x坐标差值的线性相关系数(n＝1,2,3,…,n)；ex(m)代表第m个时间段对应的残差值，
公式(14)与公式(15)中，代表残差平均值，ex(j)、ey(j)代表第j个时间段分别对应的关于光点x坐标值、光点y坐标值的回归残差值。
在本发明提供的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，光点坐标值的测量仪器为二维PSD位置探测器，该二维PSD位置探测器包括光传感器以及位置信号处理器，温度的测量仪器为微型贴片式温度传感器，该微型贴片式温度传感器包括温度传感器以及温度信号处理器。
在本发明提供的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法中，还可以具有这样的特征：其中，二维PSD位置探测器和微型贴片式温度传感器均与电脑连接，从而在电脑的软件监控界面中读取每个时刻的温度数据与光点坐标值。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，因为建立了以温度为自变量，加工光点坐标为因变量的预测模型来作为热漂移预测模型，能够根据预测模型来较好的描述不同位置的热源引起的热漂移变化，同时可以预测受温度影响的光点达到稳态时的位置坐标。
附图说明
图1是本发明的实施例中的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法的步骤示意图；
图2是本发明的实施例中温度传感器的摆放位置示意图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例中的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法的步骤示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，将温度作为自变量，加工光点坐标作为因变量，通过建立温度差值与光点坐标差值的预测模型来对扫描振镜式激光加工系统的热漂移进行预测，包括以下步骤：
步骤1，将用于检测光点坐标的光传感器放置在扫描振镜式激光加工系统的加工平台加工面上，并将x振镜电机左侧壳体处、y振镜电机附近壳体处、x振镜散热片处、x振镜电机右侧壳体处以及y振镜散热片处作为测温点并分别放置用于采集各个测温点温度的温度传感器，如图2所示。
温度的测量仪器为微型贴片式温度传感器，测量精度能达到0.01℃，该微型贴片式温度传感器包括温度传感器以及温度信号处理器。
步骤2，控制扫描振镜式激光加工系统持续加工同一点，每间隔5分钟采集每个测温点的温度传感器的温度一次，同时每间隔5分钟记录光点坐标值，当光点坐标值在3微米内波动后，记录每个时刻每个测温点的温度和光点坐标值。
二维PSD位置探测器和微型贴片式温度传感器均与电脑连接，电脑通过监控软件读取每个时刻的温度数据与光点坐标值。
步骤3，用公式(1)(2)对光点坐标差值Δx，Δy和温度差值ΔT之间的关系分别进行分析；
公式(1)与公式(2)中，xi代表第i个时刻光点x坐标值，yi代表第i个时刻光点y坐标值，Ti代表第i个时刻测温点温度，分别代表整个时间段内光点x坐标的平均值、y坐标的平均值、测温点温度平均值，IDC_x代表测温点温度差值对光点x坐标差值的线性相关系数，IDC_y代表测温点温度差值对光点y坐标差值的线性相关系数。
步骤4，根据不同测温点的温度差值对光点x坐标差值得到IDC_xn(n＝1，2，3，4，5)，IDC_yn(n＝1，2，3，4，5)，n为温度传感器的数量，若IDC_xn≥0.8且IDC_yn≥0.8，则进一步建立预测模型，如公式(3)和公式(4)，
Δx＝ax1·ΔT1+ax2·ΔT2+ax3·ΔT3+…axn·ΔTn+ex (3)
Δy＝ay1·ΔT1+ay2·ΔT2+ay3·ΔT3+…ayn·ΔTn+ey (4)。
公式(3)与公式(4)中，ΔTn中，ΔT代表相邻两个时刻的温度差值，n代表测温点个数(n＝1，2，3...，n)，axn、ayn分别代表温度差值与光点x、y坐标差值的线性相关系数(n＝1，2，3，...，n)，ex、ey代表残差值，Δx、Δy代表光点x、y坐标差值。
步骤5，将公式(3)转化为矩阵得到下式：
公式(5)中，Δx(m)代表第m个时间段光点x坐标差值，ΔTn(m)中，n代表测温点个数，m代表第m个时间段，ΔT代表相邻时刻温度差值，axn代表温度差值与光点x坐标差值的线性相关系数(n＝1，2，3，...，n)；ex(m)代表第m个时间段对应的残差值。
设定Y＝[Δx(1)，Δx(2)，…Δx(m)]′ (6)
β＝[ax1，ax2，…axn]′ (7)
E＝[ex(1)，ex(2)，…ex(m)]′ (8)
引入评价函数J，设J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)，根据公式(5)-公式(9)得到将其代入J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)得到下式：
求解公式(10)得到下式：
将公式(11)进行转化，得到：
将公式(12)等号两侧同时左乘得到下式：
根据公式(13)求解出β，从而得到温度差值ΔT与光点x坐标差值的线性相关系数axn，将公式(4)中的Δy做与公式(5)-公式(13)的相同运算，即可得到温度差值ΔT与光点y坐标差值的线性相关系数ayn。
通过公式(14)与公式(15)求解平均值并将公式(3)和公式(4)中的ex、ey替换为平均值
公式(14)与公式(15)中，代表残差平均值，ex(j)、ey(j)代表第j个时间段分别对应的关于光点x坐标值、光点y坐标值的回归残差值。
本实施例中得到的预测模型对光点坐标值的预测与实际测得的光点坐标值漂移情况能保持在5微米内波动。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，建立了以温度为自变量，加工光点坐标为因变量的漂移量预测模型，能够根据预测模型来较好的描述不同位置的热源引起的热漂移变化，同时可以预测受温度影响的光点达到稳态时的位置坐标，便于数控系统编程进行热误差补偿，能够有效地提高加工精度。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，通过建立温度差值与光点坐标差值的预测模型来对扫描振镜式激光加工系统的热漂移进行预测，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将用于检测光点坐标的光传感器放置在扫描振镜式激光加工系统的加工平台加工面上，并将x振镜电机左侧壳体处、y振镜电机附近壳体处、x振镜散热片处、x振镜电机右侧壳体处以及y振镜散热片处作为测温点并分别放置用于采集各个所述测温点温度的温度传感器；
步骤2，控制所述扫描振镜式激光加工系统持续加工同一点，每间隔5分钟采集每个所述测温点的温度传感器的温度一次，同时记录光点坐标值，当所述光点坐标值在3微米内波动后，记录每个时刻每个所述测温点的温度和所述光点坐标值；
步骤3，对光点坐标差值Δx，Δy和温度差值ΔT之间的关系分别进行分析，分别如公式(1)，(2)；
步骤4，不同所述测温点的温度差值对光点x坐标差值的线性相关系数为IDC_xn(n＝1，2，3，4，5)，对光点y坐标差值的线性相关系数为IDC_yn(n＝1，2，3，4，5)，n为所述温度传感器的数量，若IDC_xn≥0.8且IDC_yn≥0.8时，则进一步建立预测模型，如公式(3)和公式(4)，
Δx＝ax1·ΔT1+ax2·ΔT2+ax3·ΔT3+…axn·ΔTn+ex (3)
Δy＝ay1·ΔT1+ay2·ΔT2+ay3·ΔT3+…ayn·ΔTn+ey (4)；
步骤5，将公式(3)转化为矩阵得到下式：
并设定Y＝[Δx(1)，Δx(2)，…Δx(m)]′ (6)
β＝[ax1，ax2，…axn]′ (7)
E＝[ex(1)，ex(2)，…ex(m)]′ (8)
而后引入函数J，设J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)，根据公式(5)-公式(9)得到将其代入J＝ET·E＝ex 2(1)+ex 2(2)+…ex 2(m)得到下式：
求解公式(10)得到下式：
将公式(11)进行转化，得到：
将公式(12)等号两侧同时左乘得到下式：
根据公式(13)求解出相关系数矩阵β，从而得到温度差值ΔT与光点x坐标差值的线性相关系数axn，将公式(4)中的Δy做与公式(5)-公式(13)的相同运算，即可得到温度差值ΔT与光点y坐标差值的线性相关系数ayn；
步骤6，通过公式(14)与公式(15)求解平均值并将公式(3)和公式(4)中的ex、ey替换为所述平均值
其中，公式(1)与公式(2)中，xi代表第i个时刻光点x坐标值，yi代表第i个时刻光点y坐标值，Ti代表第i个时刻测温点温度，分别代表整个时间段内光点x坐标的平均值、y坐标的平均值、测温点温度平均值，IDC_x代表测温点温度差值对光点x坐标差值的线性相关系数，IDC_y代表测温点温度差值对光点y坐标差值的线性相关系数，
公式(3)与公式(4)中，ΔTn中，ΔT代表相邻两个时刻的温度差值，n代表测温点个数(n＝1,2,3…,n)，axn、ayn分别代表温度差值与光点x、y坐标差值的线性相关系数(n＝1,2,3,…,n)，ex、ey代表残差值，Δx、Δy代表光点x、y坐标差值，
公式(5)中，Δx(m)代表第m个时间段光点x坐标差值，ΔTn(m)中，n代表测温点个数，m代表第m个时间段，ΔT代表相邻时刻温度差值，axn代表温度差值与光点x坐标差值的线性相关系数(n＝1,2,3,…,n)；ex(m)代表第m个时间段对应的残差值，
公式(14)与公式(15)中，代表残差平均值，ex(j)、ey(j)代表第j个时间段分别对应的关于光点x坐标值、光点y坐标值的回归残差值。
2.根据权利要求1所述的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，其特征在于：
其中，所述光点坐标值的测量仪器为二维PSD位置探测器，该二维PSD位置探测器包括所述光传感器以及位置信号处理器，
所述温度的测量仪器为微型贴片式温度传感器，该微型贴片式温度传感器包括所述温度传感器以及温度信号处理器。
3.根据权利要求2所述的一种用于扫描振镜式激光加工系统的热漂移测量方法，其特征在于：
其中，所述二维PSD位置探测器和所述微型贴片式温度传感器均与电脑连接，从而在所述电脑的软件监控界面中读取每个时刻的温度数据与光点坐标值。
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