CN112276339A - 一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，包括：将激光加工头挂载在多轴运动机构上；在激光加工头上安装N个激光测距传感器；激光测距传感器每隔时间T测量一次，通过多个测量点坐标实时构建测量点对应的曲面拟合三角形面片或多边形面片，求解其拟合法线和法线‑面片焦点作为参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点；并控制多轴运动机构实时连续调整激光加工头的空间姿态和方位。本发明可以实现自动跟踪曲面外形而自动调整加工头相对姿态，足够精确地保证激光加工焦距准确和近似垂直方向入射，自动完成大曲面工件的扫描加工，实现智能化曲面随形激光扫描加工效果。本发明还同时提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工装置。

Description

一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法及装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种曲面工件的随形激光扫描加工方法及装置。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工利用激光束易于聚焦、导向、便于自动化控制的优点，不接触加工工件，不会对材料造成机械挤压或机械应力，几乎可对任何材料进行精确细致的加工。
激光加工一般要求激光束以聚焦形式作用于工件表面，故其加工头一般包括一个聚焦镜(物镜)，为了保证足够的激光能量密度与材料发生相互作用，加工时应尽量保证激光束以接近垂直的方向入射到工件表面，且聚焦点位于工件表面附近(即在一定的离焦量范围内)。
对于如上的垂直聚焦入射加工条件，目前的激光加工设备对于平面工件容易满足，但对于曲面工件则难以满足，一般需要先针对曲面工件三维模型进行复杂的曲面加工轨迹预编程(如机器人离线示教等，要求预先提供工件外形数据)，实际工件的装夹要求与三维模型精准一致，加工过程中只能按照设定的程序进行扫描加工，而不能自动感知曲面的外形变化，无法实现灵活的智能曲面随形加工。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法；本发明还同时提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，包括如下步骤：
一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将激光加工头挂载在能够调整其空间姿态的多轴运动机构上；所述激光加工头要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描；所述激光加工头上安装有N个激光测距传感器，N为大于等于2的整数，N个激光测距传感器输出的测量光束均与激光加工头输出的加工光束平行；
(2)确定基准坐标系；
(3)装夹曲面工件，通过多轴运动机构调整激光加工头的位置，使得激光加工头对准待加工区域的起始位置；
(4)启动激光加工，加工装置协同加工运动，即激光加工头输出激光，同时激光加工头被多轴运动机构带动前行，以实现面扫描；同时N个激光测距传感器每隔时间T测量一次，且使得在激光加工过程中至少两个激光测距传感器的测量点始终位于曲面工件上；任意选择位于曲面工件上的两个测量点，并实时计算出两个测量点在基准坐标系内的测量点坐标；
(5)令i＝1，设激光测距传感器第1次测量时，激光测距传感器的两个测量点坐标为P1_1和P1_2；
(6)第i+1次测量时，设两个测量点坐标为Pi+1_1和Pi+1_2，前一时刻两个测量点坐标为Pi_1和Pi_2，则以Pi_1、Pi+1_1、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_1及该法线与三角形面片的交点Ki_1；以Pi_1、Pi+1_2、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_2及该法线与三角形面片的交点Ki_2；要求Ni_1与Ni_2的夹角要小于定值A；Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2成为激光加工头在扫描当前位置的参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点；
设定第一个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_1重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为与Ki_1重合；设定第二个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_2重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为Ki_2与重合；
(7)控制多轴运动机构实时连续调整激光加工头的空间姿态和方位，执行第一个调整目标，然后同时输出加工光束及扫描动作，并朝着第二个调整目标进行姿态和方位调整；
(8)令i＝i+1；
(9)反复执行步骤(6)-(8)，实时计算序列化的Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2，同时实时调整激光加工头的空间姿态和方位，即可自动跟踪曲面外形，自动调整激光加工头姿态，实现智能化曲面随形激光扫描加工。
本发明还提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工装置，包括激光加工头、激光测距传感器和多轴运动机构，所述激光加工头通过连接件挂载在多轴运动机构上，使得激光加工头的空间姿态能够根据需要自由调整；
所述激光加工头要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描；所述聚焦激光束在工件的投射形式为点型聚焦光斑或线型聚焦光斑或矩形聚焦光斑；
所述激光测距传感器为N个，N为大于等于2的整数，N个激光测距传感器均固定安装在激光加工头上，用于获得多个测量点坐标；多个激光测距传感器输出的测量光束均与激光加工头输出的加工光束平行。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明为激光加工头增加测距传感器，赋予加工头实时获取工件与加工头相对间距的能力，通过精心设计的曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，实时构建和更新加工头与工件之间的相对姿态坐标系，可以实现自动跟踪曲面外形而自动调整加工头相对姿态，可以足够精确地保证激光加工焦距准确和近似垂直方向入射(也可以人为设定小夹角，但应接近于垂直入射以保持加工效果的一致性)，自动完成大曲面工件的扫描加工，实现智能化曲面随形激光扫描加工效果。
2、本发明摆脱了传统激光加工曲面工件时必须事先获知工件三维模型、工件装夹精度要求高的不足，不需要曲面工件三维模型、无预编程，对实际工件的装夹精度无要求，大大降低了加工工艺难度，是一种真正的智能化曲面工件随形加工方法。
3、本发明的智能化曲面工件随形加工方法，可以自动感知曲面的外形，这意味着允许曲面工件在加工过程中发生外形变化，仍然能实现灵活、精准的智能曲面随形加工。这大大拓展了激光加工工艺适应性，使得激光加工工艺与其他成形加工工艺的复合加工变得可能。
4、本发明的智能化曲面工件随形加工方法，机构简单可靠，工序明确简易，大大降低了传统曲面激光加工的复杂程度，加工精度高、效率高，适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述激光加工头的安装示意图；
图2为本发明所述激光加工头与激光测距传感器的安装示意图；
图3为本发明所述曲面工件的智能随形激光扫描加工方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工装置，包括激光加工头1、激光测距传感器2和多轴运动机构，所述激光加工头1通过连接件3挂载在多轴运动机构上，所述多轴运动机构可以为机器人4，也可以为五轴联动数控机床等，使得激光加工头1的空间姿态可根据需要自由调整。
所述激光加工头1要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束(在工件的投射形式为点型聚焦光斑或线型聚焦光斑或矩形聚焦光斑)，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描。
所述激光测距传感器2为N个，N为大于等于2的整数，N个激光测距传感器2均固定安装在激光加工头1上，用于获得多个测量点坐标。所述测量点为激光测距传感器2输出的测量光束与曲面工件表面的交点；多个激光测距传感器2输出的测量光束均与激光加工头1输出的加工光束平行。
本发明提供了一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，包括如下步骤：
(1)将激光加工头1通过连接件3挂载在多轴运动机构上，所述多轴运动机构可以为机器人4，也可以为五轴联动数控机床等，使得激光加工头1的空间姿态可根据需要自由调整。
所述激光加工头1要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束(在工件的投射形式为点型聚焦光斑或线型聚焦光斑或矩形聚焦光斑)，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描。
本实施例中所述激光加工头1的两侧分别固定安装有一个激光测距传感器2，两个激光测距传感器2输出的测量光束均与激光加工头1输出的加工光束平行。
激光测距传感器也可以是2个以上，例如3个或更多个，本方法仍然适用。N个激光测距传感器同时可获得N个测量点坐标，可以任意选择其中2个测量点坐标并应用于本方法后续步骤；也可以任意选择其中3个或3个以上测量点坐标，直接构建其对应的曲面拟合三角形面片或多边形面片，并求解其拟合法线和法线-面片焦点作为参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点。
(2)确定基准坐标系，所述基准坐标系可以与多轴运动机构的坐标系一致，也可以为任何自定义坐标系。
在基准坐标系内，以激光加工头初始化输出的聚焦激光束光轴方向矢量R0为激光束入射基准方向，聚焦激光束的焦点空间坐标为聚焦基准点F0(x0，y0，z0)，其为激光加工头输出的正中心。
两个激光测距传感器的测量光束射出镜头时与镜片表面的交点(简称为输出点)记为O1和O2，对应在曲面工件表面上的测量点坐标记为Pi_1(xi_1，yi_1，zi_1)和Pi_2(xi_2，yi_2，zi_2)，i为大于等于1的整数；由于激光加工头和激光测距传感器相对固定安装，O1、O2的坐标值可根据F0与激光测距传感器的空间方位进行实际测量或者三维模型理论计算得到，Pi_1、Pi_2的坐标值为O1、O2沿测量光束方向平移各自的测量距离值Δzi_1、Δzi_2得到，所谓测量距离值Δzi_1、Δzi_2定义为测量光束输出点到工件表面测量点的距离。
(3)装夹曲面工件，通过多轴运动机构调整激光加工头的位置，使得激光加工头对准待加工区域的起始位置。
(4)启动激光加工，加工装置协同加工运动，即激光加工头输出激光，同时激光加工头被多轴运动机构带动前行，以实现面扫描；同时两个激光测距传感器每隔时间T测量一次，且使得在激光加工过程中两个激光测距传感器的测量点始终位于曲面工件上；其中T可根据实际需要设定为0.1s或者其他任意数值。
(5)令i＝1，设激光测距传感器第1次测量时，激光测距传感器的两个测量点坐标为P1_1和P1_2。
(6)第i+1次测量时，设两个测量点坐标为Pi+1_1和Pi+1_2，前一时刻两个测量点坐标为Pi_1和Pi_2，如图3所示，则以Pi_1、Pi+1_1、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_1及该法线与三角形面片的交点Ki_1；以Pi_1、Pi+1_2、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_2及该法线与三角形面片的交点Ki_2；本发明要求Ni_1与Ni_2的夹角要小于某一定值A(比如A＝10度)，如此才可保证拟合精度。
只要根据曲面工件的曲率大小，设定恰当的激光测距传感器测量时间间隔T(亦即三角形面片足够小)，Ni_1可以十分接近于工件表面Pi_1、Pi+1_1、Pi_2包围的区域的实际法线，Ki_1十分接近于法线与曲面的理论交点，Ni_2可以十分接近于工件表面Pi_1、Pi+1_2、Pi_2包围的区域的实际法线，Ki_2十分接近于法线与曲面的理论交点，因此Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2成为激光加工头在扫描当前位置的参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点。
根据实际加工需求，也可以人为的再给Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2进行附加的变换计算，如人为设定加工入射角度的偏置量或转动量，人为增加固定的或动态变化的离焦量，以实现灵活的柔性化的加工效果。
设定第一个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_1重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为与Ki_1重合；设定第二个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_2重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为Ki_2与重合。
(7)控制多轴运动机构实时连续调整激光加工头的空间姿态和方位，执行第一个调整目标，然后同时输出加工光束及扫描动作，并朝着第二个调整目标进行姿态和方位调整。
在如上通过多轴运动机构调整激光加工头的空间姿态方位过程中，可以保持加工光束的持续输出及扫描动作，也可以根据需要设置特殊的加工光束扫描策略，如间隔输出扫描或暂停输出扫描。
(8)令i＝i+1；
(9)反复执行步骤(6)-(8)，实时计算序列化的Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2，同时实时调整激光加工头的空间姿态和方位，即可自动跟踪曲面外形，自动调整激光加工头姿态，足够精确地保证激光加工焦距准确和近似垂直方向入射(也可以人为设定小夹角，但应接近于垂直入射以保持加工效果的一致性)，自动完成大曲面工件的扫描加工，实现智能化曲面随形激光扫描加工效果。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将激光加工头挂载在能够调整其空间姿态的多轴运动机构上；所述激光加工头要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描；所述激光加工头上安装有N个激光测距传感器，N为大于等于2的整数，N个激光测距传感器输出的测量光束均与激光加工头输出的加工光束平行；
(2)确定基准坐标系；
(3)装夹曲面工件，通过多轴运动机构调整激光加工头的位置，使得激光加工头对准待加工区域的起始位置；
(4)启动激光加工，加工装置协同加工运动，即激光加工头输出激光，同时激光加工头被多轴运动机构带动前行，以实现面扫描；同时N个激光测距传感器每隔时间T测量一次，且使得在激光加工过程中至少两个激光测距传感器的测量点始终位于曲面工件上；任意选择位于曲面工件上的两个测量点，并实时计算出两个测量点在基准坐标系内的测量点坐标；
(5)令i＝1，设激光测距传感器第1次测量时，激光测距传感器的两个测量点坐标为P1_1和P1_2；
(6)第i+1次测量时，设两个测量点坐标为Pi+1_1和Pi+1_2，前一时刻两个测量点坐标为Pi_1和Pi_2，则以Pi_1、Pi+1_1、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_1及该法线与三角形面片的交点Ki_1；以Pi_1、Pi+1_2、Pi_2三点计算Pi_1、Pi+1_1、Pi_2所构成的三角形面片的法线向量Ni_2及该法线与三角形面片的交点Ki_2；要求Ni_1与Ni_2的夹角要小于定值A；Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2成为激光加工头在扫描当前位置的参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点；
设定第一个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_1重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为与Ki_1重合；设定第二个调整目标为将激光加工头输出的加工光束光轴方向矢量R0调整为与Ni_2重合，并且将加工光束的聚焦基准点F0调整为Ki_2与重合；
(7)控制多轴运动机构实时连续调整激光加工头的空间姿态和方位，执行第一个调整目标，然后同时输出加工光束及扫描动作，并朝着第二个调整目标进行姿态和方位调整；
(8)令i＝i+1；
(9)反复执行步骤(6)-(8)，实时计算序列化的Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2，同时实时调整激光加工头的空间姿态和方位，即可自动跟踪曲面外形，自动调整激光加工头姿态，实现智能化曲面随形激光扫描加工。
2.根据权利要求1所述的曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，其特征在于，所述激光测距传感器为3个或3个以上，激光加工过程中至少3个或3个以上激光测距传感器的测量点始终位于曲面工件上，实时计算出每个测量点在基准坐标系内的测量点坐标；步骤(6)中根据激光测距传感器3个或3个以上的测量点坐标，直接构建其对应的曲面拟合三角形面片或多边形面片，并求解其拟合法线和法线-面片焦点作为参考激光入射基准方向和参考聚焦基准点。
3.据权利要求1所述的曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，其特征在于，步骤(6)中对Ni_1、Ki_1和Ni_2、Ki_2进行附加的变换计算，设定加工入射角度的偏置量或转动量，或增加固定的或动态变化的离焦量，以实现灵活柔性化的加工。
4.据权利要求1所述的曲面工件的智能随形激光扫描加工方法，其特征在于，所述步骤(7)中控制多轴运动机构实时连续调整激光加工头的空间姿态和方位的同时，保持加工光束的持续输出及扫描动作，或者执行特殊设置的加工光束扫描策略。
5.一种曲面工件的智能随形激光扫描加工装置，其特征在于，包括激光加工头(1)、激光测距传感器(2)和多轴运动机构，所述激光加工头(1)通过连接件(3)挂载在多轴运动机构上，使得激光加工头(1)的空间姿态能够根据需要自由调整；
所述激光加工头(1)要求能输出加工光束，所述加工光束指聚焦激光束，或者在输出聚焦激光束的同时还能实现一维线扫描或者二维面扫描；所述聚焦激光束在工件的投射形式为点型聚焦光斑或线型聚焦光斑或矩形聚焦光斑；
所述激光测距传感器(2)为N个，N为大于等于2的整数，N个激光测距传感器(2)均固定安装在激光加工头(1)上，用于获得多个测量点坐标；多个激光测距传感器(2)输出的测量光束均与激光加工头(1)输出的加工光束平行。
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Application publication date: 20210129

Assignee: ZHEJIANG WUMA REDUCER Co.,Ltd.

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2023330000100

Denomination of invention: An intelligent laser scanning processing method and device for curved surface workpiece

Granted publication date: 20220215

License type: Common License

Record date: 20230311