CN111805099A - 一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法，包括以下步骤：激光发生组件中的激光器发射激光光束，经光路传输模块进行光束传输、整形，然后射向光束扫描组件的光束扫描模块；所述光束扫描模块进行光束扫描轨迹规划及扫描区域规划并将扫描轨迹及扫描区域规划传输至光束扫描控制模块，所述光束扫描控制模块结合扫描轨迹和激光器的实时输出功率进行实时规划及控制；光束扫描控制模块通过控制光束扫描模块实现已穿透区域关光、未穿透区域开光功能，避免加工时对壁的损伤。本发明实现了光束轨迹扫描位置与激光器能量之间的匹配，能够改善孔型形貌及加工质量，防止对壁损伤。

Description

一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法。

背景技术

目前激光微加工技术特别是激光钻孔技术已广泛应用于航空航天，汽车电子等诸多领域，例如叶片气膜孔、发动机喷油嘴喷孔应用等，在这些领域中存在大量通孔、盲孔、圆孔及异型孔加工需求，在此类加工需求中，加工孔方向多与材料表面法向呈一定夹角，且存在小空腔对壁损伤等问题，对于高质量圆孔及异型孔加工提出了很大的挑战；

针对此类加工情况，目前普遍采用的加工方式是通过光束扫描头在二维平面内进行旋切扫描配合法向方向进给，最终实现整个孔的加工。此方法主要存在两个问题：其一，由于孔口处于激光光轴存在一定夹角，因此在刚刚开始加工时，激光与材料部分区域属于焦点位置加工，而另一部分区域属于离焦加工，因此，造成孔底形貌无法控制，无法实现孔底平推式加工，影响加工盲孔孔底部质量；其二，存在小空腔的加工情况，由于孔型原因，孔底会出现部分区域先穿透，部分区域后穿透的情况，当已经有部分区域穿透时，持续加工会造成对壁损伤。

发明内容

本发明提供一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法，实现了光束轨迹扫描位置与激光器能量之间的匹配，能够改善孔型形貌及加工质量，防止对壁损伤。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种基于区域调制技术的激光扫描装置，包括：

激光发生组件，所述激光发生组件用于发射激光光束及光束传输与整形，所述激光发生组件包括激光器和光路传输模块，所述激光器用于发射稳定的激光光束，所述光路传输模块用于实现光束的传输与整形；

光束扫描组件，所述光束扫描组件用于实现光束扫描和扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫组件包括光束扫描模块和光束扫描控制模块，所述光束扫描模块用于实现光束的扫描，所述光束扫描控制模块用于扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫描控制模块与所述激光器连接；

聚焦模块，所述聚焦模块用于实现光束的聚焦。

优选的，还包括提供人机交互接口的上位机，所述上位机与所述光束扫描控制模块连接。

优选的，所述光束扫描模块包括光楔式光束扫描模块、振镜式光束扫描模块、以及压电陶瓷式光束扫描模块其中的一种或多种复合。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还提供了一种基于区域调制技术的激光扫描方法，包括以下步骤：

S101、激光发生组件中的激光器发射激光光束，经光路传输模块进行光束传输、整形，然后射向光束扫描组件的光束扫描模块；

S102、所述光束扫描模块基于光束功率和扫描区域制定扫描轨迹规划及扫描区域规划，将扫描轨迹及扫描区域的实时数据反馈至光束扫描控制模块；

S103、所述光束扫描控制模块基于所述实时数据、所述扫描轨迹规划及扫描区域规划控制扫描区域的开关光。优选的，所述扫描区域的开关光方式包括两种：线性区域开关光方式，和，扇形区域开关光方式。

优选的，所述扫描轨迹及扫描区域实时数据的参数类型由上位机预先设置；

对应地，在所述线性区域开关光方式中，所述参数类型包括开光层数、关光层数、开光角度、关光角度、开关光模式；

在所述扇形区域开关光方式中，所述参数类型包括穿透模板信息、触发层数、扇形区域划分、灰度分割阈值。

优选的，在所述线性区域开关光方式中，基于所述光束扫描模块的扫描头类型不同，所述实时数据通过以下方式采集：光楔式光束扫描模块的光楔实时位置采集，或，振镜式光束扫描模块振镜实时位置采集，或，压电陶瓷式光束扫描模块实时角度采集。

优选的，采用线性区域开关光方式时，所述步骤S103具体包括：

所述光束扫描控制模块基于所述光束扫描模块反馈的实时数据，根据所述扫描头的光学原理，计算当前扫描区域在扫描轨迹规划上的实时位置，再结合扫描区域规划判断当前扫描区域是否处于开光区域；

若处于开光区域，所述光束扫描控制模块控制激光器输出；

优选的，在所述扇形区域开关光方式中，所述扫描区域规划包括：将加工孔的光束图像投影在一个圆面上，然后根据需求将圆面划分为若干扇形区域。

优选的，采用扇形区域开关光方式时，所述步骤S103具体包括：

当所述触发层数达到预设值时，开启开关光处理；

基于实时数据获取每一扇形区域的灰度值，并与所述灰度分割阈值比较，得到用于表征扫描区域被激光穿透的值“0”以及用于表征扫描区域未被激光穿透的值“1”；

所述光束扫描控制模块获取每一所述扫描区域的起始角度和结束角度，确定扇形范围区间；

对于得到“0”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器停止输出，并在所述结束角度控制所述激光器输出；

对于得到“1”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器输出，并在所述结束角度控制所述激光器停止输出。

本发明与现有技术相比，本发明的优点为：在实际激光钻孔扫描过程中，光束扫描控制模块会根据先前设置好的开关光方式及相关参数，实现对于激光开关的精确控制，从而实现激光作用区域的精确控制，保证了激光钻孔过程的孔底形貌与对壁保护。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一个实施例的扫描装置组成示意图。

图2为本发明其中一个实施例的线性区域开光区域原理图。

图3为本发明其中一个实施例的线性开光区域调制图。

图4为本发明其中一个实施例的平底加工图。

图5为本发明其中一个实施例的异形扫描图。

图6为本发明其中一个实施例的激光脉冲选择输出图。

图7为本发明其中一个实施例扇形区域开关光的工作流程图。

图8为本发明其中一个实施例扇形区域开关光区域划分图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

在本发明说明书和权利要求书中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个扇形是指两个扇形或两个以上扇形。

如图1所示，本发明提供了一种基于区域调制技术的激光扫描装置，包括：

激光发生组件，所述激光发生组件用于发射激光光束及光束传输与整形，所述激光发生组件包括激光器和光路传输模块，所述激光器用于发射稳定的激光光束，所述光路传输模块用于实现光束的传输与整形；

光束扫描组件，所述光束扫描组件用于实现光束扫描和扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫组件包括光束扫描模块和光束扫描控制模块，所述光束扫描模块用于实现光束的扫描，所述光束扫描控制模块用于扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫描控制模块与所述激光器连接；

聚焦模块，所述聚焦模块用于实现光束的聚焦。

可以理解，为了能够便于对不同的产品进行加工，以及选用不同的开关光实施方式，需要对扫描装置进行不同的参数设置，所以需要提供一个参数设置接口，因此，在本发明中，提供了用于人机交互接口的上位机，而且所述上位机与所述光束扫描控制模块连接进行参数设置。

可以理解，为了能够更加精准的进行扫描，在本发明中，所述光束扫描模块包括光楔式光束扫描模块、振镜式光束扫描模块振镜、以及压电陶瓷式光束扫描模块其中的一种或多种复合。

本发明还提供一种基于区域调制技术的激光扫描方法，包括以下步骤：

S101、激光发生组件中的激光器发射激光光束，经光路传输模块进行光束传输、整形，然后射向光束扫描组件的光束扫描模块；

S102、所述光束扫描模块基于光束功率和扫描区域制订扫描轨迹规划及扫描区域规划，将扫描轨迹及扫描区域的实时数据反馈至光束扫描控制模块；

S103、所述光束扫描控制模块基于所述实时数据、所述扫描轨迹规划及扫描区域规划控制扫描区域的开关光。

可以理解，在扫描装置运行前，视不同的产品及不同的实施方式设置不同的加工参数，可以通过上位机对光束扫描组件中的光束扫描控制模块进行区域开关光方式选择及参数设置，其中区域开关光方式包括两种实施方式：线性区域开关光和扇形区域开关光。

实施方式一：线性区域开关光

可选的，所述参数类型包括开光层数、关光层数、开光角度、关光角度、以及开关光模式.

可以理解，所述光束扫描控制模块可实现光楔式光束扫描模块的光楔实时位置采集，或，振镜式光束扫描模块振镜实时位置采集，或，压电陶瓷式光束扫描模块实时角度采集。

可以理解，所述光束扫描控制模块通过采集光束扫描模块的位置及角度数据，结合扫描头的光学原理，计算扫描位置点坐标，再结合步骤S102中的扫描区域规划判断是否处于开光区域。

可以理解，所述光束扫描控制模块能够根据实时扫描所处的区域为开光区域或关光区域自动控制激光脉冲的输出与不输出。

实施方式二：扇形区域开关光

可选的，所述参数类型包括模板加载，扇形区域划分，图像灰度值阈值分割等。

可以理解，在激光加工过程中，通过同轴高速相机实时采集加工过程中的加工图像灰度值，并与所加载的模板信息进行比对，判断当前所扫描的扇形区域是否处于关光区域。

可以理解，所述光束扫描控制模块能够根据实时扫描所处的扇形区域为开光区域或关光区域自动控制激光脉冲的输出与不输出。

两种实施方式的主要目的都是实现已穿透区域关光、未穿透区域开光功能，避免加工时对壁的损伤，两种实施方式的应用范围主要根据不同的加工零件及加工需求进行区分，例如不同的叶片气膜孔，其形状各不相同，根据加工及对壁损伤需求，选择合适的区域开关光实时方式，有效防止对壁损伤；同时在一些情况下由于机床的差异性等，例如，如果机床在无AC轴的情况下需要加工具有一定倾斜度的孔时，此时选择线性区域开关光实时方式相对较容易实现对壁损伤防护以及保证加工孔型的形貌。

采用哪种实施方式取决于加工的需求，例如，针对小尺寸叶片采用线性加工，针对大尺寸叶片采用扇形加工。

本发明针对不同的实施方式还分别提供了一个实施例。

线性区域开关光方式实施例：

首先本系统在运行前，可通过上位机，实现对激光区域开关光的设置，需要设置的参数包括但不限于开光层数、关光层数、开光角度、关光角度、开关光模式，每层开关光比例等相关参数，通过这些参数可实现对孔整体形貌的描述。

在实际加工过程中，该系统可实现扫描轨迹与激光功率的提前规划与实时控制，通过对扫描区域的规划，如图3所示；实现扫描过程中的区域开关光控制，使得开始加工孔口处，在激光焦深范围内与材料有接触的地方出光，离焦处不出光的功能，最终可实现平底加工功能，如图4所示，

对于孔底部，同样通过区域开关光调制的方式，如图2所示，可以实现已穿透区域关光，未穿透区域开光的功能，在保证孔底形貌的同时，避免了对壁损伤。

此外，目前大多数光束扫描头例如光楔式光束扫描系统，受制于其光学原理，其可实现圆孔扫描，但很难实现异型孔扫描，通过此技术，可通过激光区域调制方法，实现异形孔扫描，如图5所示。

之后，系统开始运行，在扫描过程中，针对光束扫描模块的扫描头类型不同，光束扫描控制模块可实现对包括但不限于光楔式光束扫描模块的光楔实时位置采集，振镜式光束扫描模块振镜实时位置采集，压电陶瓷式光束扫描模块实时角度采集；对于采集到的各个位置及角度数据，结合与扫描头对应的光学原理，实时计算扫描位置点坐标，并结合前期区域规划判断是否处于开光区域，如果处于开光区域，则控制激光器脉冲输出，如果不处于，则脉冲不输出；

扇形区域开关光方式实施例：

首先本系统在运行前，需要在上位机上设置对应参数，需要设置的参数包括但不限于模板加载、扇形区域划分，灰度值阈值分割等相关参数，通过这些参数可实现对孔整体形貌的描述。

如图7所示为选择扇形区域开关光方式时的实际加工流程图，在实际加工过程中，首先在上位机上进行相关参数设置，选择开关光控制方式为扇形区域开关光控制，并点击加载对应的穿透模板，设置扇形区域划分，触发层数等，其中扇形是指将整个加工孔的光束图像投影到一个圆面上，对整个圆面进行不同等分的划分，最多可以划分360份，即将1度划分为一区域，如图8所示划分为16个区域。触发层数是指当前加工层数达到对应设置的触发层数时，开始进行扇形区域开关光处理。

在制孔过程中，高速相机实时采集每个扇区的灰度值信息，并与上位机穿透模板中所设置的灰度分割阈值进行比对，比对的结果为0和1，即穿透与未穿透，对于穿透区域，上位机发送该区域的角度信息给光束扫描控制模块，光束扫描控制模块通过控制激光器脉冲输出的有无实现该扇形区域的关光处理，其中角度信息包括起始角度与结束角度，通过角度确定该扇形区域的范围；对于未穿透区域，激光器在该区域内将继续保持开启状态，直至该区域穿透为止。

具体的，当所述触发层数达到预设值时，开启开关光处理；

基于实时数据获取每一扇形区域的灰度值，并与所述灰度分割阈值比较，得到用于表征扫描区域被激光穿透的值“0”以及用于表征扫描区域未被激光穿透的值“1”；

所述光束扫描控制模块获取每一所述扫描区域的起始角度和结束角度，确定扇形范围区间；

对于得到“0”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器停止输出，并在所述结束角度控制所述激光器输出；

对于得到“1”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器输出，并在所述结束角度控制所述激光器停止输出。

对于单脉冲输出控制，光束扫描控制模块可通过实时接收激光器输出的脉冲同步信号，并以此为基准，按照时序关系，如图6所示，输出高速快门信号，控制单个脉冲的输出；最终实现基于区域调制技术的激光扫描。

具体地，在图6激光脉冲选择输出图中，利用传感器接收激光脉冲同步信号，然后通过快门高速开关选择需要的脉冲输出；

其中，

SYNC信号为激光器输出或激光光路中采集到的实时激光脉冲信号，此信号反映了实时激光器内部或输出的激光脉冲情况，可以作为高速快门信号捕捉激光脉冲的时基基准；

GATE信号为根据实时脉冲输出要求产生的激光高速快门控制信号，此信号可控制由电光或声光晶体组成的高速快门，最终实现对单个脉冲输出的控制，用于决定最终的激光脉冲是否作用到被加工件上；

LASER信号为经过GATE信号控制后的实际激光脉冲输出。

本发明实现了对于整个钻孔扫描过程中，激光作用区域的规划；在实际激光钻孔扫描过程中，光束扫描控制模块会根据先前设置好的区域开关光方式及相关参数，实现对于激光开关的精确控制，从而实现激光作用区域的精确控制，保证了激光钻孔过程的孔底形貌与对壁保护。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于区域调制技术的激光扫描装置，其特征在于，包括：

激光发生组件，所述激光发生组件用于发射激光光束及光束传输与整形，所述激光发生组件包括激光器和光路传输模块，所述激光器用于发射稳定的激光光束，所述光路传输模块用于实现光束的传输与整形；

光束扫描组件，所述光束扫描组件用于实现光束扫描和扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫描组件包括光束扫描模块和光束扫描控制模块，所述光束扫描模块用于实现光束的扫描，所述光束扫描控制模块用于扫描轨迹与光束能量之间的协同控制，所述光束扫描控制模块与所述激光器连接；

聚焦模块，所述聚焦模块用于实现光束的聚焦。

2.如权利要求1所述的一种基于区域调制技术的激光扫描装置，其特征在于，还包括提供人机交互接口的上位机，所述上位机与所述光束扫描控制模块连接。

3.如权利要求1所述的一种基于区域调制技术的激光扫描装置，其特征在于，所述光束扫描模块包括光楔式光束扫描模块、振镜式光束扫描模块振镜、以及压电陶瓷式光束扫描模块其中的一种或多种复合。

4.一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、激光发生组件中的激光器发射激光光束，经光路传输模块进行光束传输、整形，然后射向光束扫描组件的光束扫描模块；

S102、所述光束扫描模块基于光束功率和扫描区域制订扫描轨迹规划及扫描区域规划，将扫描轨迹及扫描区域的实时数据反馈至光束扫描控制模块；

S103、所述光束扫描控制模块基于所述实时数据、所述扫描轨迹规划及扫描区域规划控制扫描区域的开关光。

5.如权利要求4所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，所述扫描区域的开关光方式包括两种：

线性区域开关光方式，和，扇形区域开关光方式。

6.如权利要求5所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，所述扫描轨迹及扫描区域实时数据的参数类型由上位机预先设置；

对应地，在所述线性区域开关光方式中，所述参数类型包括开光层数、关光层数、开光角度、关光角度、开关光模式；

在所述扇形区域开关光方式中，所述参数类型包括穿透模板信息、触发层数、扇形区域划分、灰度分割阈值。

7.如权利要求6所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，在所述线性区域开关光方式中，基于所述光束扫描模块的扫描头类型不同，所述实时数据通过以下方式采集：

光楔式光束扫描模块的光楔实时位置采集，或，振镜式光束扫描模块振镜实时位置采集，或，压电陶瓷式光束扫描模块实时角度采集。

8.如权利要求7所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，采用线性区域开关光方式时，所述步骤S103具体包括：

所述光束扫描控制模块基于所述光束扫描模块反馈的实时数据，根据所述扫描头的光学原理，计算当前扫描区域在扫描轨迹规划上的实时位置，再结合扫描区域规划判断当前扫描区域是否处于开光区域；

若处于开光区域，所述光束扫描控制模块控制激光器输出；

若不处于开光区域，所述光束扫描控制模块控制激光器停止输出。

9.如权利要求6所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，在所述扇形区域开关光方式中，所述扫描区域规划包括：将加工孔的光束图像投影在一个圆面上，然后根据需求将圆面划分为若干扇形区域。

10.如权利要求9所述的一种基于区域调制技术的激光扫描方法，其特征在于，采用扇形区域开关光方式时，所述步骤S103具体包括：

当所述触发层数达到预设值时，开启开关光处理；

基于实时数据获取每一扇形区域的灰度值，并与所述灰度分割阈值比较，得到用于表征扫描区域被激光穿透的值“0”以及用于表征扫描区域未被激光穿透的值“1”；

所述光束扫描控制模块获取每一所述扫描区域的起始角度和结束角度，确定扇形范围区间；

对于得到“0”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器停止输出，并在所述结束角度控制所述激光器输出；

对于得到“1”值的扫描区域，所述光束扫描控制模块在所述起始角度控制所述激光器输出，并在所述结束角度控制所述激光器停止输出。

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