CN111805100B - 一种激光加工系统及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工系统及激光加工方法，激光加工系统除包括加工光路、分光平板和光束检测成像模块。光束检测成像模块用于实时监测加工区域，在系统启动时移动获得最清晰的成像。激光加工方法包括以下步骤：S101、初始化加工设备并设置激光工艺参数；S102、使激光光束在加工表面做螺旋扫描加工，监测加工表面并将其驱动至图像最清晰位置；S103、当判断监测图像出现圆形缺口，则将光束扫描模式转为环形扫描模式；S104、当判断监测图形灰度低于阈值时，关闭该区域激光输出避免对壁损伤，其余区域继续扫描加工；S105、当判断全部图形灰度均低于阈值时，结束孔加工。本发明解决解决小空腔复杂热端部件内腔壁损伤问题，提升微孔加工效率。

Description

一种激光加工系统及激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光加工系统及激光加工方法。

背景技术

激光加工具有加工精度高、质量好等特点，在航空航天、汽车和半导体等工业领域得到了广泛应用。在这些领域中，需要在小空腔复杂热端结构件上制造大量孔径在0.5mm以下的微孔，其深度大多在3-5mm左右，深径比6:1～10:1之间，且多数孔位置与加工表面倾斜并且通孔背面紧邻零件内腔壁。对于此类微孔激光加工，一般要求该类热端结构件制孔不能损伤其内腔壁以提高其服役寿命和稳定性，其加工质量与效率受激光功率、光路稳定性、吹气排渣以及穿透判断及时性等的影响。尤其是穿透判断，直接决定制孔是否满足不损伤其内腔壁的要求，穿透判断的及时性和准确性以及自动识别穿透技术已经渐渐成为了影响激光加工应用方向的一个重要技术难点。

目前在国内及国际上，高深径比微孔加工的主要方法是采用激光旋切扫描配合法向进给的方式实现，其判断穿透的方法主要是依据前期工艺试验结果，采用参数化固定层数加工的方法，保证加工孔的穿透性。

但在实际加工情况下，被加工件表面本身多为不规则曲面，其加工孔深度也存在很大不同，因此当采用固定层数加工时，为了避免针对每个孔都进行工艺试验，一般采用针对零件上最深孔的最大层数加工方式，此方法，虽然能保证零件上所有孔的穿透性，但加工效率较低，且在一些孔底出口存在小孔腔情况下，采用最大固定层数加工方式，很容易会造成空腔对壁损伤。

发明内容

为了解决小空腔复杂热端部件内腔壁损伤问题，提升微孔加工效率，本发明提供一种激光加工系统及激光加工方法，提高钻孔质量与生产效率，节省劳动力，并能够实现大规模工程化应用。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种激光加工系统，其包括：

激光器，光束扫描模块，聚焦系统，激光从所述激光器发出，经过光束扫描模块控制器进行轨迹运动，通过聚焦系统聚焦在加工物表面；

还包括分光平板和光束检测成像模块，所述分光平板位于所述光束扫描模块与所述聚焦系统之间，经过所述光束扫描模块偏转的激光通过所述分光平板入射至所述光束检测成像模块；

所述光束检测成像模块设置有成像组件和微动机构，在系统开始加工时所述CCD相机通过微动机构驱动成使得成像最清晰。

本发明还提供一种激光加工方法，包括以下步骤：

S101、初始化加工设备并设置激光工艺参数；

S102、通过控制光束扫描模块使激光光束在加工表面做螺旋扫描加工，通过光束检测成像模块监测加工表面并将其驱动至图像最清晰位置并记录图像各区域灰度值；

S103、当判断检测图像出现圆形缺口，则光束扫描模式设置为环形扫描模式；

S104、当判断检测图形中的区域灰度低于阈值时，关闭该区域激光输出，其余区域继续扫描加工；

S105、当判断图像中的全部区域灰度均低于阈值时，结束孔加工。

优选地，该激光加工方法还包括将检测图像处理成n个扇形区域并记录其灰度值信息，当检测到n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，将相应位置信号和控制信号发送至激光器控制器，在扫描经过该区域时，关闭该扇形区域激光输出。

优选地，区域n的数量为36，灰度值条件阈值为8。

可替代地，该激光加工方法还包括将检测图像中n个扇形区域中的相邻3个的灰度值信息求平均值，判断其是否低于条件阈值，当低于条件阈值时，关闭该3个区域的激光输出，Z轴每进给一次，判断3次。

可替代地，该激光加工方法还包括当判断所述n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，激光设置为低功率且加工参数调整为正离焦。

优选地，加工激光为飞秒激光或皮秒激光。

本发明与现有技术相比，本发明激光加工系统可以检测激光加工的实时状态，并在孔穿透过程中对于已经加工穿透的部分通过激光控制器进行及时的关光，当微孔完全穿透后，则对激光进行完全关光，并自动转至下一个微孔继续加工，实现微深孔的无対壁损伤自动加工。

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结构示意图。

图2为本发明其中一个实施例的扇形区域判读原理图。

图3为本发明其中一个实施例的分段加工原理图。

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。

在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。

本发明提供了一种激光加工系统，如图1所示，包括：激光加工光路以及检测光路，激光加工光路按顺序设置有激光器1、光束扫描模块2、聚焦系统4，其中，激光器1优选为飞秒或者皮秒激光器，光束扫描模块2优选为PZT微动平台或双光楔模组，光束扫描模块2可以控制激光束实现轨迹扫描，可以实现螺旋扫描或者环形扫描。激光器1电连接至激光控制器7。

检测光路设置有分光平板3和光束检测成像模块5，分光平板3位于光束扫描模块5与聚焦系统4之间，由加工表面反射的激光通过分光平板入射至所述光束检测成像模块，光束检测成像模块5电连接至工控机6。在实际加工过程中，要求光束检测成像模块要呈现清晰可判读的图像。为此，光束检测成像模块中设置有微动机构和成像组件，成像组件将实时检测激光与材料作用时的反射光并将结果传输给工控机6。当开始加工时，微动机构驱动成像组件移至最远端，以设定步长移动成像组件并计算每个步长的图像清晰度值，比较各个步长的图像清晰度值找到最大值，将所述成像组件移动至最大值处，从而使得光学检测成像模块可以快速清晰成像且在过程中可以手动调整确保图像始终处于清晰位置。此外，为确保光束检测成像模块成像效果，增强反射光的成像并减少鬼影，可以在分光平板正面镀增透膜等增加光透和光成像的膜系并在反面镀上防反射膜。工控机驱动光束检测成像模块微动机构并记录监测图像灰度值，执行图像处理算法，并将相关激光控制信号发送至激光器控制器7并控制激光器1开关光。

本发明还提供一种激光加工方法，包括以下步骤：

S101、初始化加工设备并设置激光工艺参数；

初始化加工设备并进行坐标系标定，根据加工孔径要求对单层扫描速度、功率、频率以及单层给进量进行设置。

S102、通过控制光束扫描模块使激光光束在加工表面做螺旋面扫描加工，通过光束检测成像模块监测加工表面并将其驱动至图像最清晰位置。此时激光光束围绕微孔加工区域整个区域的做螺旋线面扫描，进行逐层去处，CCD相机收集加工区域反射光并实时对微孔实际加工状态成像，由工控机判断微孔处于未穿透阶段或开始穿透阶段。

S103、通过加工面的反射光成像，并通过CCD相机成像并记录相应图像的灰度值。当工控机判断监测图像出现圆形缺口，则光束扫描模块将光束扫描模式转为环形扫描模式。在进行环扫描加工方式过程中，将相应位置信号发送至激光器控制器，对已经穿透的区域进行及时关光，从而避免小空腔零件斜孔加工时的内壁面损伤。所谓环扫描，就是在激光扫描过程中，激光作用区域为圆面中的一个同心环带。

可以理解，为了保证两个加工阶段加工的微孔保持一致，环扫描加工孔径工艺参数与面扫描加工孔径工艺参数相匹配。

可以理解，在步骤S103中，环扫描加工方式只扫描加工微孔的边缘区域，中间区域不扫描加工，以避免局部区域加工后产生的对面内壁损伤，并减少螺旋面扫描加工中出现的中间加工区域深边缘加工区域浅的现象。

可以理解，CCD相机成像开始为圆斑，则是未穿透阶段，若变化为带缺口的圆环，则是开始穿透阶段。可以将CCD相机的成像分为n个扇形区域，优选地，n＝36，如图2所示。光束检测成像模块实时监测所有扇形区域的灰度值信息，由于穿透区反光与排渣的作用，灰度值会变小，当判断某一扇区或者某几个扇区达到灰度值条件阈值时，即某一扇区或者某几个扇区连续5次灰度值检测都低于8，则认为该区域已经穿透，将该信息由工控机传送到激光器控制器，关闭该扇区激光输出，而对于没有达到灰度值阈值的扇区，则继续加工。

S104、当判断监测图像所有扇形区域灰度均低于阈值时，关闭激光输出，自动转入下一孔的加工。

本发明还提供一个实施例。

首先开启激光扫描系统和光束检测成像模块，使光束以面扫描工艺绕加工区域开始螺旋线扫描，工控机调用适应于微孔未穿透阶段加工工艺参数即面扫描加工工艺，根据材料去除效率，设置激光单层扫描时间，功率，脉冲频率，单层进给量等相关参数。在加工过程中，CCD收集激光反射光并呈现激光加工孔的图像，记录灰度值，然后将记录的数据发送至工控机，在初始加工阶段，由于光斑的高速旋切扫描，CCD成像为一圆斑，此时将CCD成像分成n个扇区，优选为36个，如图2所示。随着加工的继续，当检测到CCD开始成像成一个带缺口的圆环。成像的缺口是由于某一扇区或者某几个扇区部分已经开始穿透，由于穿透区反光与排渣的作用，灰度值会变小。此时将识别信号发送至工控机，工控机则调用适用于微孔穿透阶段加工工艺参数即环扫描加工工艺，同时工控机发送信号给激光控制器，开启激光控制系统，自此进入第二阶段的加工，微孔分阶段加工图如图3所示。

随着环扫描加工，CCD成像的缺口渐渐变大，当某一扇区或某几扇区达到设定的条件阈值时，则判断其为穿透状态，优选地，连续5次检测某一扇区或某几个扇区，当判断其均低于8时，关闭该区域激光输出。可替代地，随着加工孔深度的不断增加，深孔排渣会对加工反射光造成越来越大的影响，其成像清晰度将会受到干扰，由于微孔孔径较小，单个扇区的灰度值将难以精确判断光束是否穿透工件。此时，可以将监测图像中的n个扇形区域中相邻3个的灰度值求平均值，判断其是否低于条件阈值，当低于条件阈值时，关闭该3个区域的激光输出，Z轴每进给一次，执行判断3次。此外，当判断n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，可将激光设置为低功率并将调整为正离焦状态，以减小孔底损伤，提高表面光洁度。当各扇区分别实现穿透状态或圆斑区域整体达到灰度值要求时完成判读，并跳转至下个孔继续加工，实现自动化加工。

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 (9)

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括：

激光器，光束扫描模块，聚焦系统，激光从所述激光器发出，经过光束扫描模块控制器进行轨迹运动，通过聚焦系统聚焦在加工表面；

还包括分光平板和光束检测成像模块，所述分光平板位于所述光束扫描模块与所述聚焦系统之间，由加工表面反射的激光通过所述分光平板入射至所述光束检测成像模块；

所述光束检测成像模块设置有成像组件和微动机构，在开始加工时，CCD相机通过微动机构驱动使得成像最清晰；

所述光束检测成像模块监测加工表面并将其驱动至图像最清晰位置，记录监测图像各区域的灰度值；

将监测图像处理成n个扇形区域并记录其灰度值信息，当监测到所述n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，将相应位置信号和控制信号发送至激光器控制器，在扫描经过该区域时，关闭该扇形区域激光输出。

2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，当开始加工时，所述微动机构驱动成像组件移至最远端，以设定步长移动成像组件并计算每个步长的图像清晰度值，比较各个步长的图像清晰度值找到最大值，通过所述微动机构使所述成像组件移动至最大值处。

3.如权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，所述分光平板正面镀有增透膜并且反面镀有防反射膜。

4.如权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述光束扫描模块是PZT微动平台或双光楔模组。

5.一种激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、初始化加工设备并设置激光工艺参数；

S102、通过控制光束扫描模块使激光光束在加工表面做螺旋面扫描加工，通过光束检测成像模块监测加工表面并将其驱动至图像最清晰位置，记录监测图像各区域的灰度值；

S103、当判断监测图像出现圆形缺口，则光束扫描模式设置为环形扫描模式；

S104、当判断监测图像中的区域灰度低于阈值时，关闭该区域激光输出，其余区域继续扫描加工；

S105、当判断监测图像的全部区域灰度均低于阈值时，结束孔加工；

将监测图像处理成n个扇形区域并记录其灰度值信息，当监测到所述n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，将相应位置信号和控制信号发送至激光器控制器，在扫描经过该区域时，关闭该扇形区域激光输出。

6.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，所述n为36，所述灰度值条件阈值为8。

7.如权利要求6所述的激光加工方法，其特征在于，将监测图像中n个扇形区域中的相邻3个的灰度值信息求平均值，判断其是否低于条件阈值，当低于条件阈值时，关闭该3个区域的激光输出，Z轴每进给一次，判断3次。

8.如权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，当判断所述n个扇形区域中的1个或多个区域低于灰度值条件阈值时，激光设置为低功率且加工参数调整为正离焦。

9.如权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，激光为飞秒激光或皮秒激光。

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