CN111673265A - 一种面向激光刻型的自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向激光刻型的自适应控制方法，属于激光表面制造技术。本发明涉及的工艺和方法，包括：激光器选取，激光控制参数与刻型功率匹配测试，激光刻型能量密度测定；激光刻型工艺选取与许用区间测试，激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控制，多轴激光刻型装备上激光刻型加工。本发明在传统激光刻型单一激光工艺参数输入的基础上，引入了激光功率与机床运动的匹配控制，实现了激光刻型参数的最优化选择，可更好的解决激光刻型过程中激光刻型在加减速位置的激光刻型精度和质量，使刻型工艺更加智能化。

Description

一种面向激光刻型的自适应控制方法

技术领域

本发明涉及航空航天表面制造领域，特别是涉及以一种面向激光刻型的自适应控制方法。

背景技术

随着航空航天飞机机构件的设计了大量的加强筋结构，结构形式越来越复杂。为了解决这些复杂型面零件的加工，航空航天飞机结构件采用了化铣加工工艺。化铣图案的刻型是整个机匣化铣工艺流程中的一个关键步骤，是将需化学铣削部分的防护层上刻出设计的图案并实现剥离。目前，国内外广泛使用激光来进行零件化铣图案的刻型。

专利CN102995019A提供了一种钛合金化铣刻型工艺，采用激光与数字化技术相结合，通过控制激光能量及保护膜厚度，根据化铣工艺特征，进行编程，使划线刻型一步完成；专利CN109652802A提供了一种构件多次刻型、化铣制造方法，解决了复杂曲面的薄壁零件的多次刻型、化铣制造；专利CN108326441A提供了一种大型环形构件激光制造方法，用于对航空航天直径不小于1.2m的构件进行加工。

现有激光刻型工艺和方法虽然提供了平面和曲面的激光刻型进行的制造方法，但是还面临一些难以解决的问题：一是激光加工参数普遍选用实验后的固定参数，无法适配机床加工过程中的速度、加速度变化，在拐角位置或起始点产生过烧情况。二是激光刻型中，往往采用固定的如何入射角度进行加工平面加工，在三维表面加工中入射角度需要实时变化，造成制造质量的标准不一致，甚至出现局部无法满足实际加工的情况。

因此，本发明提出了一种复杂型面薄壁化铣件激光多次刻型工艺和方法，能够有效解决刻型工艺参数选取、工艺参数与运动参数匹配以及面向多次刻型的自适应控制等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术对激光刻型中工艺参数选取、激光参数与运动参数匹配以及刻型工艺参数自适应控制等技术难题，提出一种面向激光刻型的自适应控制方法。

本发明的目的能够通过以下技术方案来实现：

一种面向激光刻型的自适应控制方法，包括以下步骤：

STEP1，激光器的选取：根据激光刻型胶膜和基体材质，选择合适波长和功率的的激光器；

STEP2：激光控制参数与刻型功率匹配测试:

根据激光器的自身性质，通过激光功率测试仪，确定不同占空比DR和脉冲频率f下的实际激光输出功率P；建立激光输出功率P与占空比DR和脉冲频率f的映射关系或一一映射表；

STEP3：激光能量密度测定；

根据选定的激光器，进行刻型胶胶膜能量密度实验，测试能够实现刻透胶膜且不伤及基体的激光能量密度区间J，其中，J_min<J<J_max；

J_min、J_max分别表示刻透胶膜且不伤及基体的最小、最大激光能量密度；

STEP4：激光刻型工艺选取与许用区间测试；

基于析因分析方法，选择不同占空比DR和脉冲频率f的PWM信号对激光器进行控制，不同激光刻型入射角度(θ_x,θ_y,θ_z)条件下，实现激光刻型测试加工，确定激光刻型过程中最优激光刻型参数刻型速度V_opti、最优占空比DR_opti、最优脉冲频率f_opti和最优入射角度θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti以及不同刻型参数的许用区间：

其中，V_min表示激光刻型速度最小许用值，V_max表示激光刻型速度最大许用值；

DR_min表示激光刻型占空比最小许用值，DR_max表示激光刻型占空比最大许用值；

f_min表示激光刻型脉冲频率最小许用值，f_max表示激光刻型脉冲频率最大许用值；

θ_min表示激光刻型入射角度最小许用值，θ_max表示激光刻型入射角度最大许用值；

STEP5：激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控制；

1)建立刻型速度与激光能量密度的关系

其中，S为激光刻型的光斑面积，即为S＝π(D/2)²，D为光斑直径；P为激光输出功率；

V表示刻型速度；

2)给定STEP3中刻透胶膜但不伤及基体的激光能量密度J：根据给定的轨迹进行速度规划，在每个插补周期内，根据不同类型速度规划方法能够确定实际激光刻型进给速度V，也能够计算出相应的能量密度；根据能量密度与占空比、加工频率的对应关系能够控制激光器实现对激光工艺参数的自适应调整，即

DR_min≤DR≤DR_max，f_min≤f≤f_max

STEP6：激光刻型工艺参数与运动参数的最优解选取；

根据STEP4中的最优工艺参数和许用区间，选取用于实际可行加工的工艺参数，工艺参数优化选取方法为：

优化目标：

约束条件：

其中，V_opti、DR_opti、f_opti和θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti为对应工艺参数在STPE4中的最优解；

其中，ω_i为各参数的权重系数(ω_i取值在0-1之间，表示某一个参数在优化中的重要程度，针对实际算法属于已知量)；

优化方法采用逐步寻优方法，具体步骤为：

①已知待优化参数参数pra＝(V,DR,f,θ,J)，根据上述给定的优化目标和约束条件，给定各参数的初始值pra_i＝pra_min，戈定寻优次数k，能够计算各参数的寻优步长

②根据优化目标函数，计算每个参数pra_i＝(V_i,DR_i,f_i,θ_i,J_i)约束条件内的最优解；

③根据

找到满足实际刻型应用的最优解；

STEP7：激光刻型加工

根据STEP5-STEP6的参数和方法，在多轴激光刻型装备上实现激光加工的刻型、化铣，并全部揭胶得到最终要求的零件。

进一步，面向激光刻型中胶层采用有机物激光刻蚀，激光器采用CO₂激光器；

进一步，STEP5激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控，在实际刻型中，针对一般激光刻型系统中，激光刻型速度由加工轨迹和速度规划决定、激光刻型参数不可实时调节，选定某一固定激光频率P获得固定的加工频率和占空比，对其他刻型工艺参数进行自适应优化选择。

进一步，针对AC850化铣保护胶，在平面刻型中选用的激光刻型参数为在400mm/min以下的进给速度中，采用500Hz和1000Hz的激光脉冲频率，能够使得相应功率和进给速度的激光刻透指定厚度的胶层，且保持良好的刻线边缘质量。

由上述本发明提供的技术方案能够看出，与现有技术相比实现了激光刻型公工艺参数的选取、刻型激光参数与运动参数自适应匹配、激光刻型参数自适应优化选取，本发明，对工人的经验要求低，并能够的节省大量的工艺准备时间，大大提激光刻型全流程生产效率。

附图说明

图1为本发明一种面向激光刻型的自适应控制方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有点更加清楚明白，以下结合附图进行详细说明。

一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，

STEP1：激光器的选取。针对实际应用的激光刻型胶膜和基体材质，分析激光刻型的实际作用机理,选择合适波长和功率的的激光器；面向激光刻型胶层主要成分为有机物的激光刻蚀，从材质和经济的角度一般选用CO2激光器，也能够采用其他类型的激光器；

STEP2：激光控制参数与刻型功率匹配测试。根据激光器的自身性质，通过激光功率测试仪，确定不同占空比DR和脉冲频率f下的实际激光输出功率P；建立激光输出功率P与占空比DR和脉冲频率f的映射关系或一一映射表。

P＝T(DR,f)

在实际激光过程中，激光的输出功率即为激光器的平均功率。同时，脉冲激光器的应用中还需要考虑激光峰值功率，激光平均功率和峰值功率共同决定了实际加工的质量。

具体的关系如下：

脉冲时间＝1/脉冲频率，即T＝1/f

脉冲宽度＝脉冲时间×占空比，即t＝T×DR

峰值功率＝平均功率/占空比，即P_p＝P_a/DR

峰值功率＝脉冲能量/脉冲宽度，即P_p＝E/t

平均功率＝脉冲能量×脉冲频率，即P_a＝E×f

当激光的单脉冲能量不变的条件下，脉冲频率决定了激光器的平均功率；占空比影响脉冲宽度，决定了激光器的峰值功率。一般情况下，激光器在出厂时需要对激光功率进行实际的校对；随着激光器的使用和环境的变换，激光器输出功率会发生衰减，因此在实际加工中需要对激光器进行重新校对，以实现激光输出功率的稳定性。

STEP3：激光能量密度测定；

根据选定的激光器，进行刻型胶胶膜能量密度实验，测试能够实现刻透胶膜且不伤及基体的激光能量密度区间J＝(J_min,J_max)；激光能量密度是单位光斑面积的激光能量，J_min为能够刻透胶膜的最小激光能量密度，J_max为刻透胶膜不伤及基体的最大能量密度；当能密度超过J_max，底层的基体会被激光烧蚀从而产生破坏效应。

STEP4：激光刻型工艺选取与许用区间测试；

基于析因分析方法，选择不同占空比DR和脉冲频率f的PWM信号对激光器进行控制，不同激光刻型入射角度(θ_x,θ_y,θ_z)条件下，实现激光刻型测试加工，确定激光刻型过程中最优激光刻型参数刻型速度V_opti、占空比DR_opti、脉冲频率f_opti和入射角度θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti的以及不同刻型参数的许用区间。

STEP5：激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控制；

1)建立刻型速度与激光能量密度的关系

其中，S为激光刻型的光斑面积，即为S＝π(D/2)²，D为光斑直径

2)给定STEP3中刻透胶膜但不伤及基体的激光能量密度J。根据给定的轨迹进行速度规划，在每个插补周期内，根据不同类型速度规划方法能够确定实际激光刻型进给速度V，也能够计算出相应的能量密度；根据能量密度与占空比、加工频率的对应关系能够控制激光器实现对激光工艺参数的自适应调整，即

DR_min≤DR≤DR_max，f_min≤f≤f_max

实际刻型加工过程中，当给定激光光斑大小和激光烧蚀能量密度后，激光刻型控制参数与刻型速度之间存在一一映射的关系，能够根据实际加工速度的变化，实时调节激光器以实现加工速度与激光输出功率的自适应匹配。

STEP6：激光刻型工艺参数与运动参数的最优解选取；

根据STEP4中的最优工艺参数和许用区间，选取可用于实际可行加工的工艺参数，工艺参数优化选取方法为：

优化目标：

约束条件：

其中，V_opti、DR_opti、f_opti和θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti为对应工艺参数在STPE4中的最优解；

其中，ω_i为各参数的权重系数；

优化方法采用逐步寻优方法，具体步骤为：

①已知待优化参数pra＝(V,DR,f,θ,J)，根据上述给定的优化目标和约束条件，给定各参数的初始值pra_i＝pra_min，给定寻优次数k，能够计算各参数的寻优步长

②根据优化目标函数，计算每个参数pra_i＝(V_i,DR_i,f_i,θ_i,J_i)约束条件内的最优解；

③根据

找到满足实际刻型应用的最优解

STEP7：激光刻型加工

根据STEP5-STEP6的参数和方法，在多轴激光刻型装备上实现激光加工的刻型、化铣，并全部揭胶得到最终要求的零件。

所述的一种复杂型面薄壁化铣件激光多次刻型工艺和方法，其特征在于：STEP5激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控制，在实际刻型中，针对一般激光刻型系统中，激光刻型速度由加工轨迹和速度规划决定、激光刻型参数不可实时调节，能够选定某一固定激光频率P获得固定的加工频率和占空比，对其他刻型工艺参数进行自适应优化选择。对于能够进行功率实时控制的激光系统，能够按照本发明所涉及的方法进行自适应优化控制。

综合本发明的上述方法，在一般的加工过程中，激光刻型加工中直接采用测试获得最优的激光刻型参数即可，就能够最好的保障激光刻型的质量；其中，平面刻型加工中，能够实时控制激光刻型功率P＝T(DR,f)与运动参数V匹配,即

面向三维刻型加工中，需要同时考虑激光入射角度对于刻型质量的影响，需要根据STEP6的寻优方法找到最优的刻型工艺参数；此外，对于某些特殊加工位置，满足速度、入射角度条件下，速度和功率无法一一匹配的情况下，需要调整实际的激光能量密度，以实现激光刻型的高质量加工

所述的一种复杂型面薄壁化铣件激光多次刻型工艺和方法，其特征在于：针对AC850化铣保护胶，选用CO2激光器条件下，在平面刻型中选用的激光刻型参数为在400mm/min以下的进给速度中，采用500Hz和1000Hz的激光脉冲频率，可使得相应功率和进给速度的激光刻透指定厚度的胶层，且保持良好的刻线边缘质量。

在实际的制造生产过程中，增加了刻型激光工艺参数优化选取，激光参数与与运动参数匹配控制，激光刻型工艺参数的优化选择，的大大提高了激光刻型智能化，有效的减少了对工艺人员的经验要求，达到提升生产效率的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

STEP1，激光器的选取：根据激光刻型胶膜和基体材质，选择合适波长和功率的的激光器；

STEP2：激光控制参数与刻型功率匹配测试:

根据激光器的自身性质，通过激光功率测试仪，确定不同占空比DR和脉冲频率f下的实际激光输出功率P；建立激光输出功率P与占空比DR和脉冲频率f的映射关系或一一映射表；

STEP3：激光能量密度测定；

根据选定的激光器，进行刻型胶胶膜能量密度实验，测试能够实现刻透胶膜且不伤及基体的激光能量密度区间J，其中，J_min<J<J_max；

J_min、J_max分别表示刻透胶膜且不伤及基体的最小、最大激光能量密度；

STEP4：激光刻型工艺选取与许用区间测试；

基于析因分析方法，选择不同占空比DR和脉冲频率f的PWM信号对激光器进行控制，不同激光刻型入射角度(θ_x,θ_y,θ_z)条件下，实现激光刻型测试加工，确定激光刻型过程中最优激光刻型参数刻型速度V_opti、最优占空比DR_opti、最优脉冲频率f_opti和最优入射角度θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti以及不同刻型参数的许用区间：

其中，V_min表示激光刻型速度最小许用值，V_max表示激光刻型速度最大许用值；

DR_min表示激光刻型占空比最小许用值，DR_max表示激光刻型占空比最大许用值；

f_min表示激光刻型脉冲频率最小许用值，f_max表示激光刻型脉冲频率最大许用值；

θ_min表示激光刻型入射角度最小许用值，θ_max表示激光刻型入射角度最大许用值；

STEP5：激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控制；

1)建立刻型速度与激光能量密度的关系

其中，S为激光刻型的光斑面积，即为S＝π(D/2)²，D为光斑直径；P为激光输出功率；

V表示刻型速度；

2)给定STEP3中刻透胶膜但不伤及基体的激光能量密度J：根据给定的轨迹进行速度规划，在每个插补周期内，根据不同类型速度规划方法能够确定实际激光刻型进给速度V，也能够计算出相应的能量密度；根据能量密度与占空比、加工频率的对应关系能够控制激光器实现对激光工艺参数的自适应调整，即

DR_min≤DR≤DR_max，f_min≤f≤f_max。

2.如权利要求1所述的一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

STEP6：激光刻型工艺参数与运动参数的最优解选取：

根据STEP4中的最优工艺参数和许用区间，选取用于实际可行加工的工艺参数，工艺参数优化选取方法为：

优化目标：

约束条件：

其中，V_opti、DR_opti、f_opti和θ_opti＝(θ_x,θ_y,θ_z)_opti为对应工艺参数在STPE4中的最优解；

其中，ω_i为各参数的权重系数；

优化方法采用逐步寻优方法，具体步骤为：

①已知待优化参数pra＝(V,DR,f,θ,J)，根据上述给定的优化目标和约束条件，给定各参数的初始值pra_i＝pra_min，给定寻优次数k，能够计算各参数的寻优步长Δpra_i ^k＝(pra_imax-pra_imin)/k；

②根据优化目标函数，计算每个参数pra_i＝(V_i,DR_i,f_i,θ_i,J_i)约束条件内的最优解；

③根据

找到满足实际刻型应用的最优解；

STEP7：激光刻型加工

根据STEP5-STEP6的参数和方法，在多轴激光刻型装备上实现激光加工的刻型、化铣，并全部揭胶得到最终要求的零件。

3.如权利要求1或2所述的一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，面向激光刻型中胶层采用有机物激光刻蚀，激光器采用CO₂激光器。

4.如权利要求1或2所述的一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，STEP5激光刻型工艺参数与运动参数的自适应匹配控，在实际刻型中，针对一般激光刻型系统中，激光刻型速度由加工轨迹和速度规划决定、激光刻型参数不可实时调节，选定某一固定激光频率P获得固定的加工频率和占空比，对其他刻型工艺参数进行自适应优化选择。

5.如权利要求1或2所述的一种面向激光刻型的自适应控制方法，其特征在于，针对AC850化铣保护胶，在平面刻型中选用的激光刻型参数为在400mm/min以下的进给速度中，采用500Hz和1000Hz的激光脉冲频率，能够使得相应功率和进给速度的激光刻透指定厚度的胶层，且保持良好的刻线边缘质量。

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