CN115041811A - 一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水导激光加工领域，具体说是一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置及方法，包括：上位机、激光器、光谱采集系统、CCD相机、光谱分析设备、耦合头以及供水装置；光谱分析设备与光谱采集系统相连接，将接收到的光频谱数据进行频域转换后发送至上位机；激光器用于发射激光依次通过光谱采集系统、耦合头作用于加工区处；CCD相机设于光谱采集系统上方，用于实现激光光斑与耦合头的水束流之间的耦合；上位机，与光谱分析设备相连接；供水装置通过供水管路与耦合头的入水孔连接，且设于光谱采集系统正下方。本发明可以自动化地实现水导激光射流是否穿透工件的判断，并决定停止当前结构加工并开始下一结构加工的时机。

Description

一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置及方法
技术领域
本发明属于水导激光加工领域，具体说是一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置及方法。
背景技术
水导激光加工技术是一种新型激光加工技术，利用载有高能激光的稳定水射流实现材料去除。目前普遍采用的加工方式是多次重复加工轨迹直至载能水束流完成所需结构的加工。由于工件材料的不均匀性及加工过程的偶然性，载能水束流穿透工件所需的循环数在一定范围内变化。而由于缺少有效判断载能水束流穿透工件的方法，目前普遍采用超过完成待加工结构所需的循环数，借此确保所加工的结构已经完全穿透工件。但是这种方式在进行大量贯通结构加工时会造成极大比例加工时间的浪费，同时影响水导激光加工大量贯通结构时的综合加工效率。因此，实现水导激光射流穿透工件与否的自动化判断对进一步提高水导激光综合加工效率，及实现水导激光加工技术的大规模连续应用，提高加工过程的稳定性有重要意义。
目前一般采用超量加工的方式来确保水导激光射流完全穿透工件，鉴于此种方法造成的综合加工效率低、可靠性差且对操作人员有较高要求的问题，现提出一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置与方法。
发明内容
本发明目的是提供一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置与方法，以解决水导激光加工过程中无法准确判断水导激光射流穿透工件时机的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置，包括：
上位机、激光器、光谱采集系统、CCD相机、光谱分析设备、耦合头以及供水装置；
所述光谱分析设备，与光谱采集系统相连接，用于接收光谱采集系统发送的频谱数据，并将采集到的频谱数据进行频域转换后发送至上位机；
所述激光器，用于发射激光依次通过光谱采集系统、耦合头作用于加工区处，实现材料加工；
所述CCD相机设于光谱采集系统上方，用于实现激光光斑与耦合头的水束流之间的耦合；
所述上位机，与光谱分析设备相连接，用于对经过光谱分析设备进行频域转换后的频谱强度数据进行记录与分析；
所述供水装置通过供水管路与耦合头的入水孔连接；所述耦合头设于光谱采集系统正下方，用于加工待加工材料。
所述光谱采集系统，包括：同轴设置的第二反射镜、第一反射镜、聚焦镜；
水导激光加工过程中，激光器发射的激光经第一反射镜反射后，依次经聚焦镜及耦合头作用在待加工材料表面后，产生的等离子体光在通过耦合头后，沿激光入射的反方向，依次经过聚焦镜、第一反射镜透射，再经第二反射镜反射进入光谱分析设备，光谱分析设备将测得的光谱数据转换至频域，并将频谱的强度数据经过数据线传送至上位机。
所述第二反射镜和第一反射镜均呈45°设置；
所述激光器的发射方向与第一反射镜之间的夹角呈45°，光谱分析设备接收到激光光斑的入射方向与第二反射镜之间的夹角呈45°。
所述第二反射镜为半透半反镜。
一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置的识别方法，包括以下步骤：
1)供水装置向耦合头的入水孔内注水，水流进入耦合头的通孔腔后，形成水射流；
2)打开CCD相机，激光器以设定功率出光，激光器发射的激光经第一反射镜反射后，再经聚焦镜将激光束聚焦成光斑，确认通过聚焦镜形成的激光光斑与耦合头产生的水流束耦合；
3)激光器以设定功率出光，耦合头开始加工，加工区内产生的等离子体光谱依次经由耦合头、聚焦镜、第一反射镜、第二反射镜输入频谱分析设备中，频谱分析设备将收到的频谱信息由时域变换为频域，并将频谱的光谱强度数据输入至上位机；
4)根据所加工材料种类选择特征频谱数量后，上位机将对应频率的光谱强度信号进行实时记录并绘制曲线图；
所述单次数据记录与曲线图绘制的周期与加工轨迹的重复周期相同；
5)上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，若已穿透，则向加工设备发出信号，加工设备中止当前加工结构的加工程序，并开始下一结构的加工程序；反之，继续进行加工。
所述上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，具体为：
上位机对一个频谱强度记录周期内的特征频谱强度值进行判断，若频谱强度值大于判断阈值的时间占整个记录周期的比例低于20％，则判断水导激光束流已经穿透待加工零件。
所述步骤4)中，所述特征频谱数量为1～4。
步骤5)中，所述水导激光束流穿透零件的判断阈值的光谱强度范围为1-1000a.u.，且判断阈值占特征频谱强度最大值不超过30％。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可以自动化地实现水导激光射流是否穿透工件的判断，并决定停止当前结构加工并开始下一结构加工的时机，不仅能够可靠地大幅度缩短无效加工时间，提交水导激光加工综合效率，还极大程度地降低对设备操作人员的技术水平要求，有利于水导激光加工技术在生产中的大规模连续应用。
2.本发明还可以通过声光信号分析设备替换光谱分析设备进行对声信号、以及光频谱数据进行分析，获取相应频谱强度变换曲线，进而判断水导激光射流是否穿透工件。
附图说明
图1是本发明实施例1的装置结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的方法流程图；
图3是本发明实施例1提供的典型频域空间的Fe元素的特征频谱；
图4是本发明实施例1单个重复周期内的特征频谱强度与判断阈值示意图；
图5是本发明实施例2的装置结构示意图；
图6是本发明实施例2提供的方法流程图；
图7是本发明实施例2单个加工轨迹周期内典型特征频谱的光信号强度变化与判断阈值示意图；
图8是本发明实施例2单个加工轨迹周期内典型特征频谱的声信号强度变化与判断阈值示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置包括：上位机、激光器1、光谱采集系统、CCD相机6、光谱分析设备7、耦合头4以及供水装置；
光谱分析设备7，与光谱采集系统相连接；用于对经过光谱分析设备7进行频域转换后的频谱强度数据进行记录与分析；
激光器1，用于发射激光依次通过光谱采集系统、耦合头4作用于加工区处，实现材料加工；其可以通过光纤为加工头提供激光，也可以通过硬连接连接到加工头上，为加工头提供光源。
CCD相机6设于光谱采集系统上方，用于实现激光光斑与耦合头4的水束流之间的耦合；
供水装置通过供水管路与耦合头4的入水孔连接；耦合头4设于光谱采集系统正下方，用于加工待加工材料。
光谱分析仪7，其可以将收到的光进行从时域到频域的转换，并将数据经数据线输入上位机。频谱分析设备的分析频段为200-1100nm，积分时间30微秒-50秒。
上位机，用于将对应特征频率的光谱强度信号进行实时记录并根据光谱强度变换做出中止加工的命令。
光谱采集系统，从上至下依次包括：第二反射镜5、第一反射镜2、聚焦镜3；
第一反射镜2，其可以将激光器发出的激光全部反射，同时可是使激光器波长范围外的光透过。
聚焦透镜3，其可以将激光聚焦为极小的光斑，方便后续将激光向水射流内耦合。
耦合头4，其可以实现激光光斑向水射流内的耦合，形成承载有激光能量的水射流。
第二反射镜5为半透半反镜，其可以将经由加工区发射出的光的一部分反射入光谱分析仪中。
水导激光加工过程中，激光器1发射的激光经第一反射镜2反射后，依次经聚焦镜3及耦合头4作用在待加工材料表面后，产生的等离子体光在通过耦合头4后，沿激光入射的反方向，依次经过聚焦镜3、第一反射镜2透射，再经第二反射镜5反射进入光谱分析设备7，光谱分析设备7将测得的光谱数据转换至频域，并将频谱的强度数据经过数据线传送至上位机。
第二反射镜5和第一反射镜2均呈45°设置；
激光器1的发射方向与第一反射镜2之间的夹角呈45°，光谱分析设备7接收到激光光斑的入射方向与第二反射镜5之间的夹角呈45°。
如图2所示，本发明提供的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别方法包括以下步骤：
1)供水装置向耦合头4的入水孔内注水，水流进入耦合头4的通孔腔后，形成水射流；
2)打开CCD相机6，激光器1以设定功率出光，激光器1发射的激光经第一反射镜2反射后，再经聚焦镜3将激光束聚焦成光斑，确认通过聚焦镜3形成的激光光斑与耦合头4产生的水流束耦合；
3)激光器1以设定功率出光，耦合头4开始加工，加工区内产生的等离子体光谱依次经由耦合头4、聚焦镜3、第一反射镜2、第二反射镜5输入频谱分析设备7中，频谱分析设备7将收到的频谱信息由时域变换为频域，并将频谱的光谱强度数据输入至上位机；
4)根据所加工材料种类选择特征频谱数量后，上位机将对应频率的光谱强度信号进行实时记录并绘制曲线图；
所述单次数据记录与曲线图绘制的周期与加工轨迹的重复周期相同；
5)上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，若已穿透，则向加工设备发出信号，加工设备中止当前加工结构的加工程序，并开始下一结构的加工程序；反之，继续进行加工。
上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，具体为：
上位机对一个频谱强度记录周期内的特征频谱强度值进行判断，若频谱强度值大于判断阈值的时间占整个记录周期的比例低于20％，则判断水导激光束流已经穿透待加工零件。
步骤4)中，特征频谱数量为1～4。特征频谱的数量取决于待加工材料主要元素是一种还是两种，以及每种主要元素在频谱分析设备采集范围内有几条谱线，如图3所示，本实施例1中的两条谱线都是Fe元素的特征谱线；
步骤5)中，水导激光束流穿透零件的判断阈值的光谱强度范围为1-1000a.u.，且判断阈值占特征频谱强度最大值不超过30％。
根据前期测量结果，实际加工未穿透时光谱强度值在800-2500a.u.，穿透后一般在10-500a.u.，取决于材料种类。假如一个周期内，光谱强度均为20a.u.，则载能水射流肯定已经穿透加工件，那么这个20a.u.就可以作为判断是否穿透的阈值。为进一步提高系统的抗干扰能力，扩大判断阈值，把一个周期内光谱强度低于40的时间占整个测量周期的比例计算出来，假如这个比例小于30％，则认为水导激光射流已经穿透加工件。因此判断水射流是否穿透加工件由两个参数来决定，一个是光谱强度阈值，一个是光谱强度低于阈值的时间比例。
实施例1：采用光谱分析设备进行监测并分析；
激光器1，其可以通过光纤为加工头提供激光，也可以通过硬连接，并连接到加工头上，为加工头提供光源。
第一反射镜2，其可以将激光器发出的激光全部反射，同时可以使激光器波长范围外的光透过。
聚焦镜3，其可以将激光聚焦为极小的光斑，方便后续将激光向水射流内耦合。
耦合头4，其可以实现激光光斑向水射流内的耦合，形成承载有激光能量的水射流。
第二反射镜5，其可以将经由加工区发射出的光的一部分反射入光谱分析仪中。
CCD相机6，其可以辅助实现激光光斑与水束流的耦合。
光谱分析设备7，其可以将收到的光进行从时域到频域的转换，并将数据经数据线输入上位机。频谱分析设备的分析频段为200-1100nm，积分时间30微秒-50秒。
上位机13，其可以将对应特征频率的光谱强度信号进行实时记录并根据光谱强度变换做出中止加工的命令。
(1)耦合头4在程序控制下开始进行加工，加工区内产生的等离子体光谱经由水束流、耦合头4、聚焦镜、第一反射镜、第二反射镜输入频谱分析设备，频谱分析设备将收到的频谱信息由时域变换为频域，并将数据经数据线输入上位机，转换至频域的光谱信号如图3所示，其中包含了Fe元素的两个特征谱线。
(2)根据所加工的材料不锈钢选择Fe的两个特征频谱后，上位机分析软件将对应频率的光谱强度信号进行实时记录与曲线图绘制。单次数据记录与曲线图绘制的周期与加工轨迹的重复周期相同，如图4所示。图4中水平线为判断水导激光束流是否穿透工件的光谱强度阈值。
(3)上位机分析软件对一个频谱强度记录周期内的强度值进行判断，若频谱强度值大于判断阈值的时间占整个记录周期的比例低于10％，则判断水导激光束流已经穿透待加工零件，图4中的频谱强度说明此工件尚未被水导激光束流穿透。
(4)当上位机分析软件判断水导激光束流穿透零件后，向加工设备发出信号，加工设备中止当前加工结构的加工程序，并开始下一结构的加工程序。
实施例2：采用声光信号分析设备进行监测并分析；
如图5所示，为本发明采用声光信号分析设备的系统结构示意图；本实施方式中，包括：水导激光加工头14、耦合头4、声光信号探头15、声光信号分析设备16、上位机13。
水导激光加工头14与耦合头4相连接，实现载有激光能量的微细水射流的输出，用于材料的去除；
声光信号探头15固设于水导激光加工头14底部，且探头朝向对应耦合头加工区域设置，采集特定频段的声音及光强信号；声光信号探头15可对加工过程中加工区11产生的等离子爆炸声波信号18进行探测，并将测得信号经数据线输入声光信号分析设备16，声光信号探头15探测声波信号频率范围为50Hz-10MHz；
声光信号探头15可对加工过程中水导激光射流未穿透工件时的逸散激光频谱强度信号进行探测，并将测得信号经数据线输入声光信号分析设备16。声光信号探头探测光信号的波长范围为200-1300nm。
声光信号分析设备16经数据线与所述声光信号探头15相连，对声、光信号分别进行频域转换；
上位机13经数据线与所述声光信号分析设备16相连，可以实现对特定频率的声、光信号强度进行记录与分析，从而判断待加工零件是否被水导激光束流穿透。
实施例2中，对水导激光加工头14进行了改进，去掉了实施例1中的半透半反镜，其中，水导激光加工头14，包括：激光器1、第一反射镜2、聚焦镜3、CCD相机6
激光器1，设于第一反射镜2一侧，其可以通过光纤为加工头提供激光，也可以通过硬连接方式连接到加工头上，为加工头提供激光。
第一反射镜2，其可以将激光器发出的激光全部反射，同时可以使激光器波长范围外的光透过。
聚焦镜3，其可以将激光聚焦为的光斑，方便后续将激光向水射流内耦合。
CCD相机6，其可以辅助实现激光光斑与水束流的耦合。
其中，第一反射镜2、聚焦镜3、CCD相机6同轴设置。
本发明实施例1和实施例2中，实施例1和实施例2中的耦合头4为现有技术，公开于申请号CN202021298217.2，名称为：一种内部水压均衡的水导激光加工头，公开日2021.01.05的实用新型专利。其中，本发明的供水装置与耦合头的入水孔连接。
本实施例中，如图6所示，为本发明实施例2提供的方法流程图，包括以下步骤：
(1)水导激光加工头14在程序控制下开始进行零件加工，加工区10内等离子体爆炸产生的声波信号18及加工过程中由于水流反射导致的逸散激光17输入声光信号探头15，经由声光信号分析设备16变换至频域后经数据线输入上位机13。
(2)根据水导激光加工所用激光器1的激光重复频率30KHz，上位机13将30KHz频率的声音强度信号进行实时记录与曲线图绘制。单次数据记录周期与加工轨迹重复周期保持一致。同时，根据水导激光加工所用的激光波长1064nm，上位机分析软件将对应频率的激光强度信号进行实时记录与曲线图绘制。单次数据记录周期与加工轨迹重复周期保持一致。
(3)上位机13对一个数据记录周期内的声光强度数值进行判断，若声、光强度数值大于判断阈值的时间占整个记录周期的比例均低于设定阈值10％，则判断水导激光束流已经穿透待加工零件。图7及图8分别为单个记录周期内光强及声强信号的变化趋势及判断阈值的大小。图7及图8中的频谱强度变换曲线说明此工件尚未被水导激光束流穿透。
(4)上位机判断水导激光束流穿透零件后，向加工设备发出信号，加工设备中止当前加工结构的加工程序，并开始下一结构的加工程序。
上述步骤中，水导激光束穿透零件的判断依据的特征光谱的波长为所使用激光的波长一致。
作为水导激光束穿透零件的判断阈值的声强范围为5-40dB，且判断阈值占特征频谱强度的最大值不超过30％。
特征频谱数量为1～4。特征频谱的数量取决于待加工材料主要元素是一种还是两种，以及每种主要元素在频谱分析设备采集范围内有几条谱线，比如图3所示的两条谱线都是Fe元素的特征谱线；
水导激光束流穿透零件的判断阈值的光谱强度范围为10-2000a.u.，且判断阈值占特征频谱强度最大值不超过30％。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置，其特征在于，包括：上位机、激光器(1)、光谱采集系统、CCD相机(6)、光谱分析设备(7)、耦合头(4)以及供水装置；
所述光谱分析设备(7)，与光谱采集系统相连接，用于接收光谱采集系统发送的频谱数据，并将采集到的频谱数据进行频域转换后发送至上位机；
所述激光器(1)，用于发射激光依次通过光谱采集系统、耦合头(4)作用于加工区处，实现材料加工；
所述CCD相机(6)设于光谱采集系统上方，用于实现激光光斑与耦合头(4)的水束流之间的耦合；
所述上位机，与光谱分析设备(7)相连接，用于对经过光谱分析设备(7)进行频域转换后的频谱强度数据进行记录与分析；
所述供水装置通过供水管路与耦合头(4)的入水孔连接，且所述耦合头(4)设于光谱采集系统正下方，用于加工待加工材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置，其特征在于，所述光谱采集系统，包括：同轴设置的第二反射镜(5)、第一反射镜(2)、聚焦镜(3)；
水导激光加工过程中，激光器(1)发射的激光经第一反射镜(2)反射后，依次经聚焦镜(3)及耦合头(4)作用在待加工材料表面后，产生的等离子体光在通过耦合头(4)后，沿激光入射的反方向，依次经过聚焦镜(3)、第一反射镜(2)透射，再经第二反射镜(5)反射进入光谱分析设备(7)，光谱分析设备(7)将测得的光谱数据转换至频域，并将频谱的强度数据经过数据线传送至上位机。
3.根据权利要求2所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置，其特征在于，所述第二反射镜(5)和第一反射镜(2)均呈45°设置；
所述激光器(1)的发射方向与第一反射镜(2)之间的夹角呈45°，光谱分析设备(7)接收到激光光斑的入射方向与第二反射镜(5)之间的夹角呈45°。
4.根据权利要求2所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置，其特征在于，所述第二反射镜(5)为半透半反镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)供水装置向耦合头(4)的入水孔内注水，水流进入耦合头(4)的通孔腔后，形成水射流；
2)打开CCD相机(6)，激光器(1)以设定功率出光，激光器(1)发射的激光经第一反射镜(2)反射后，再经聚焦镜(3)将激光束聚焦成光斑，确认通过聚焦镜(3)形成的激光光斑与耦合头(4)产生的水流束耦合；
3)激光器(1)以设定功率出光，耦合头(4)开始加工，加工区内产生的等离子体光谱依次经由耦合头(4)、聚焦镜(3)、第一反射镜(2)、第二反射镜(5)输入频谱分析设备(7)中，频谱分析设备(7)将收到的频谱信息由时域变换为频域，并将频谱的光谱强度数据输入至上位机；
4)根据所加工材料种类选择特征频谱数量后，上位机将对应频率的光谱强度信号进行实时记录并绘制曲线图；
所述单次数据记录与曲线图绘制的周期与加工轨迹的重复周期相同；
5)上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，若已穿透，则向加工设备发出信号，加工设备中止当前加工结构的加工程序，并开始下一结构的加工程序；反之，继续进行加工。
6.根据权利要求5所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置的识别方法，其特征在于，所述上位机判断水导激光束流是否已经穿透待加工材料，具体为：
上位机对一个频谱强度记录周期内的特征频谱强度值进行判断，若频谱强度值大于判断阈值的时间占整个记录周期的比例低于20％，则判断水导激光束流已经穿透待加工零件。
7.根据权利要求5所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置的识别方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述特征频谱数量为1～4。
8.根据权利要求5所述的一种基于光谱识别的水导激光穿透识别装置的识别方法，其特征在于，步骤5)中，所述水导激光束流穿透零件的判断阈值的光谱强度范围为1-1000a.u.，且判断阈值占特征频谱强度最大值不超过30％。
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