CN113218317B - 激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光压头的检测技术领域，激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，具体为按照已有预定工序成孔后，透明材料压头停留不动；将原来的加热辅助激光耦合换束为检测激光，检测激光准直后通过中空刀柄及透明材料压头入射到尖端钝圆，将光束质量分析仪固定在所述工件底部成孔的正下方；使用光束质量分析仪分析检测激光的光学数据，通过尖端钝圆透射的检测激光的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度、工件底部成孔质量的准确信息。本检测方法不用拆卸离线检测压头尖端钝圆，减少了因人为二次装夹所造成的误差，能够在加工过程中进行原位在线、在位检测。

Description

激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法
技术领域
本发明涉及激光压头的检测技术领域，特别是激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法。
背景技术
目前，利用激光原位辅助单晶金刚石压头印压工件进行底部成孔的技术已经出现(可见发明专利授权号ZL201420768465.7和发明专利授权号：ZL201610019585.0)，其尖端钝圆半径通常为几微米，压头尖端钝圆大小、磨损情况直接影响大批量加工时的印压成孔质量。需要最大化评估出压头尖端钝圆特征和成孔特征，方能通过准确控制压头压下量来实时控制印压成孔质量。利用传统的检测方法，如高倍光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜等，需要将金刚石压头从刀具系统中拆卸下来进行检测，这样对再次加工时精密加工系统的装调精度以及成孔精度影响较大。激光衍射等在线检测方法操作比较麻烦，而且无法实现加工过程中的原位检测。相关技术问题给金刚石压头尖端钝圆特征和成孔特征的检测带来诸多不便和挑战。
发明内容
为解决上述问题，激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，该检测方法可检测压头尖端钝圆磨损特征、工件底部成孔特征的原位检测方法，不用拆卸离线检测压头尖端钝圆，减少了因人为二次装夹所造成的误差，保证工艺系统精度，能够在加工过程中进行原位在线、在位检测，操作方便。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，包括如下步骤：
步骤1：按照已有预定工序成孔后，透明材料压头停留不动；
步骤2：将原来的加热辅助激光耦合换束为检测激光，检测激光准直后通过中空刀柄及透明材料压头入射到尖端钝圆，将光束质量分析仪固定在所述工件底部成孔的正下方，调整光束质量分析仪接收检测激光的竖直距离；
步骤3：使用光束质量分析仪分析检测激光的光学数据，通过尖端钝圆透射的检测激光的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度和/或工件底部成孔质量的准确信息。
作为优选的，所述透明材料压头为硬质晶体透明工具材料制成；所述压头几何形状为圆锥形、棱锥形或尖劈形；压头尖端的形状为点状、线状、球形或圆柱形。
作为优选的，所述检测激光为两种激光耦合到同一刀柄，并在检测时进行换束来实现。
作为优选的，所述检测激光为通过在原来的加热辅助激光光路上施加倍频光学元件或能量衰减装置来实现检测激光所需的低能量来实现，以防止原来的加热辅助激光能量持续加热而损伤工件上的已成孔。
作为优选的，光束质量分析仪测量透过压头尖端钝圆入射激光光斑面积、光斑形态、能量密度、干涉条纹的光学数据，将光学数据导入Zernike多项式光机接口程序、图像处理方法获得压头尖端钝圆的三维形貌信息，进而获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度、工件底部成孔误差的准确信息。
作为优选的，所述校准数据通过Comsol光机仿真软件所获得的光学数据和压头钝圆特征、工件底部成孔特征之间的对应函数关系数据，并可以根据已有压头尖端钝圆特征、工件底部成孔特征的离线检测数据进行标定系数校准。
作为优选的，通过Comsol光机仿真软件获得光学数据的具体工况条件是和实际加工的工况条件相同的。
作为优选的，当透明材料压头几何形状为尖劈形，所述透明材料压头理想尖端形状为线状，则具体工件底部成孔特征为矩形孔；当透明材料压头为圆柱形，则具体工件底部成孔特征为异形孔。
使用本发明的有益效果是：
本检测方法使用光束质量分析仪分析检测激光的光学数据，通过尖端钝圆透射的检测激光的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度、以及工件底部成孔质量的准确信息，上述测试透明材料压头停留不动，不用拆卸离线检测压头尖端钝圆，减少了因人为二次装夹所造成的误差，保证工艺系统精度，能够在加工过程中进行原位在线、在位检测，操作方便，提高大批量生产时加工系统和印压成孔的精度，提高加工效率。
附图说明
图1为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法的流程图。
图2为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法中激光入射压头尖端钝圆的几何关系示意图。
图3为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法中120°锥角压头尖端半径5um时所对应的仿真光学数据以及干涉条纹效果图。
图4为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法中120°锥角压头尖端半径10um时所对应的仿真光学数据以及干涉条纹效果图。
图5为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法中120°锥角压头尖端半径15um时所对应的仿真光学数据以及干涉条纹效果图。
图6为本发明激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法中不同锥角压头尖端的钝圆半径与所测激光峰值功率的关系的校准数据图。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
如图1所示，本实施例提出的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，包括如下步骤：
步骤1：按照已有预定工序成孔后，透明材料压头停留不动；
步骤2：将原来的加热辅助激光耦合换束为检测激光，检测激光准直后通过中空刀柄及透明材料压头入射到尖端钝圆，将光束质量分析仪固定在工件底部成孔的正下方，调整光束质量分析仪接收检测激光的竖直距离；
步骤3：使用光束质量分析仪分析检测激光的光学数据，通过尖端钝圆透射的检测激光的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度和/或工件底部成孔质量的准确信息。
作为优选的，透明材料压头为硬质晶体透明工具材料制成，透明材料压头可以为单晶金刚石、蓝宝石和其它硬质晶体的一系列透明工具材料；压头几何形状为圆锥形、棱锥形或尖劈形；压头尖端的形状为点状、线状、球形或圆柱形。
作为优选的，检测激光为两种激光耦合到同一刀柄，并在检测时进行换束来实现。
作为优选的，检测激光为通过在原来的加热辅助激光光路上施加倍频光学元件或能量衰减装置来实现检测激光所需的低能量来实现，以防止原来的加热辅助激光能量持续加热而损伤工件上的已成孔，避成孔变形影响干涉条纹效果。
作为优选的，光束质量分析仪测量透过压头尖端钝圆入射激光光斑面积、光斑形态、能量密度、干涉条纹的光学数据，将光学数据导入Zernike多项式光机接口程序、图像处理方法获得压头尖端钝圆的三维形貌信息，进而获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度、工件底部成孔误差的准确信息。
作为优选的，校准数据通过Comsol光机仿真软件所获得的光学数据和压头钝圆特征、工件底部成孔特征之间的对应函数关系数据，并可以根据已有压头尖端钝圆特征、工件底部成孔特征的离线检测数据进行标定系数校准。
作为优选的，通过Comsol光机仿真软件获得光学数据的具体工况条件是和实际加工的工况条件相同的。
作为优选的，当透明材料压头几何形状为尖劈形，透明材料压头理想尖端形状为线状，则具体工件底部成孔特征为矩形孔；当透明材料压头为圆柱形，则具体工件底部成孔特征为异形孔。
具体的，如图2所示，检测激光入射压头尖端钝圆的几何关系示意图，压头尖端钝圆形成凸透镜的效果，检测激光入射通过钝角的压头后形成光线的聚集。光束质量分析仪测量透过压头尖端钝圆入射激光光斑面积、光斑形态、能量密度、干涉条纹的光学数据，将光学数据导入Zernike多项式光机接口程序、图像处理方法获得压头尖端钝圆的三维形貌信息。
如图3-图5所示，图3中，120°锥角压头尖端半径5um时，压头尖端钝圆的三维形貌信息，黑色实线为压头轮廓线，下部光线干涉条纹边界清晰，干涉条纹的间距较小，干涉条纹中黑色条纹和白色条纹的颜色对比度较高。图4中，120°锥角压头尖端半径10um时，压头尖端钝圆的三维形貌信息，下部光线干涉条纹边界较为清晰，较为清晰，干涉条纹的间距较小，干涉条纹中黑色条纹和白色条纹的颜色对比度较高。图3和图4比较，120°锥角压头尖端半径5um时与锥角压头尖端半径10um时比较，下部光线干涉条纹边界更为清晰，干涉条纹的间距更小，干涉条纹中黑色条纹和白色条纹的颜色对比度更高。图5中，120°锥角压头尖端半径10um时，压头尖端钝圆的三维形貌信息，其干涉条纹变化更为显著。
光束质量分析仪测量透过压头尖端钝圆入射激光光斑面积、光斑形态、能量密度、干涉条纹的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度和工件底部成孔质量的准确信息。具体为，如图6所示，首先确定压头的角度，然后根据检测的峰值功率在校准数据表格或图形中对应找到钝圆半径的尺寸，即可得到获得评估压头的相关数据。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：按照已有预定工序成孔后，透明材料压头停留不动；
步骤2：将原来的加热辅助激光耦合换束为检测激光，检测激光准直后通过中空刀柄及透明材料压头入射到尖端钝圆，将光束质量分析仪固定在所述工件底部成孔的正下方，调整光束质量分析仪接收检测激光的竖直距离；
步骤3：使用光束质量分析仪分析检测激光的光学数据，通过尖端钝圆透射的检测激光的光学数据，并和校准数据进行对比分析，获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度和/或工件底部成孔质量的准确信息；
所述检测激光为通过在原来的加热辅助激光光路上施加倍频光学元件或能量衰减装置来实现检测激光所需的低能量来实现，以防止原来的加热辅助激光能量持续加热而损伤工件上的已成孔。
2.根据权利要求1所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：所述透明材料压头为硬质晶体透明工具材料制成；所述压头几何形状为圆锥形、棱锥形或尖劈形；压头尖端的形状为点状、线状、球形或圆柱形。
3.根据权利要求1所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：所述检测激光为两种激光耦合到同一刀柄，并在检测时进行换束来实现。
4.根据权利要求1所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：光束质量分析仪测量透过压头尖端钝圆入射激光光斑面积、光斑形态、能量密度、干涉条纹的光学数据，将光学数据导入Zernike多项式光机接口程序、图像处理方法获得压头尖端钝圆的三维形貌信息，进而获得评估压头尖端钝圆半径、压头尖端钝圆磨损、压头轴线倾斜度、工件底部成孔误差的准确信息。
5.根据权利要求1所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：所述校准数据通过Comsol光机仿真软件所获得的光学数据和压头钝圆特征、工件底部成孔特征之间的对应函数关系数据，并可以根据已有压头尖端钝圆特征、工件底部成孔特征的离线检测数据进行标定系数校准。
6.根据权利要求5所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：通过Comsol光机仿真软件获得光学数据的具体工况条件是和实际加工的工况条件相同的。
7.根据权利要求2所述的激光原位压头印压工件成孔过程中的原位检测方法，其特征在于：当透明材料压头几何形状为尖劈形，所述透明材料压头理想尖端形状为线状，则具体工件底部成孔特征为矩形孔；当透明材料压头为圆柱形，则具体工件底部成孔特征为异形孔。
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