CN115178903A - 动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，属于微纳加工技术领域。本发明包括时域整形模块、空域整形模块、频域整形模块、激光直写模块、五轴联动平台模块、同轴观测模块、运动控制模块、自动对焦模块。本发明测量待加工动压轴承尺寸；对待加工动压轴承进行三维建模；确定与待测材料作用效果最佳的激光波长；利用外延法测量待测材料的烧蚀阈值；分析获取最优加工效果对应的激光参数；利用FPGA芯片、自动对焦算法和相应的软硬件程序，完成三维曲面的自动对焦和三维轨迹重建；利用获取的激光参数，设计并搭建光学加工系统；加保护气体，使用高精度五轴运动平台、优化得到的激光参数、光学系统和更新的代码，飞秒激光自动对焦加工动压轴承等角螺旋槽，提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的精度，且提高加工一致性和成品率。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，涉及一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统。
背景技术
惯性导航系统直接决定了战略武器的打击精度和打击能力，就其中三浮陀螺而言，其关键零部件动压轴承上需加工一定数目的等角螺旋槽，螺旋槽的加工精度和一致性，直接决定了动压轴承的工作状态的稳定性，继而影响三浮陀螺的导航性能，最终影响占率武器的打击精度和打击能力。
目前多用等离子体刻蚀法加工螺旋槽，但是存在加工精度低、一致性差、成品率低等问题，因此亟需一种高精度的动压轴承等角螺旋槽自动对焦加工方法。
发明内容
本发明主要目的是提供一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，能够提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的精度，且能够提高加工一致性和成品率。
为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
本发明公开的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用千分尺、圆度仪、三坐标仪测量待加工动压轴承直径、高度和圆度等尺寸。
步骤二、根据步骤一测量所得尺寸，利用三维制图软件对待加工动压轴承进行三维建模。
步骤三、根据步骤二所建动压轴承模型，利用三维制图软件设计激光加工轨迹，并导出轨迹代码。
作为优选，步骤三中，根据步骤二所建模型，利用UG软件设计激光加工轨迹，并导出轨迹G代码。
步骤四、利用稳态吸收光谱实验确定待加工动压轴承表面薄膜材料的光学常数，确定与待测材料作用效果最佳的激光波长。所述光学常数包括吸收系数、反射系数、折射率。所述待测材料作用效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性。
步骤五、利用外延法，测量待测材料的烧蚀阈值，具体公式如下：
在选定的激光参数下，F0为峰值通量、ω0位能量的空间分布为高斯分布的焦斑半径，r为烧蚀坑半径，Fth为待加工材料的加工阈值。所述激光参数包括激光波长、脉宽、重频率。
步骤六、研究待测材料的高斯光下的最优加工效果，并分析获取最优加工效果所对应的最佳加工物镜、最佳重叠率和激光通量。所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性。
步骤七、研究待测材料的飞秒激光脉冲时域响应，并分析获取最优加工效果对应的最佳延时时间。所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性。
步骤八、研究待测材料的飞秒激光脉冲空域响应，并分析获取最优加工效果对应的最佳光斑形状。所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性。
步骤九、综合步骤一至四的激光参数，并分析获取最优加工效果对应的激光参数。所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性。
步骤十、利用步骤九中获取的激光参数，设计并搭建能够提供相应激光参数的光学加工系统；
步骤十一、基于高精度五轴运动平台和步骤九搭建的光学系统，使用高分辨率的CCD工业相机，利用基于图像识别的自动对焦模块对对步骤三生成的代码进行补偿和校正，并且产生新的代码，以保证加工过程中激光始终聚焦在待加工表面上；
其中基于图像识别的自动对焦模块由高分辨率的CCD工业相机、高精度五轴运动平台、FPGA芯片、自动对焦算法和相应的软硬件程序构成；
作为优选，所述软硬件程序编程语言选用C语言、MATLAB语言、Verilog HDL语言，所述轨迹代码选用G代码。
所述自动对焦算法实现方法如下：
当相机完全聚焦时，图像最清晰，图像中的高频分量也最多，突变像素与相邻像素的差值也会变大，基于这个原理对每一个像素水平右侧领域的两个灰度值相减再相乘，再逐个像素累加，计算相邻两个像素灰度差的平方，公式如下：
D(f)＝∑y∑x|f(x+2,y)-f(x,y)|2
其中：f(x,y)表示图像f对应像素点(x,y)的灰度值，D(f)为图像清晰度；
自动对焦模块工作流程如下：
第一，用高分辨率CCD工业相机拍摄处于对焦状态下的待加工样品形貌，并利用图像识别算法计算D(f)，设定此图像清晰度为标准值DS；第二，在步骤三中生成的G代码，根据代码行数，等间隔插入停止信号，并运行，然后利用高分辨率CCD工业相机，在停止信号响应时，拍摄待加工样品形貌，并利用图像识别算法计算D(f)，然后利用自动对焦算法控制五轴平移台Z轴移动固定值，再次拍摄，再次计算D(f)，循环迭代至标准值DS，完成自动对焦，并返回Z轴变化量，然后继续运行G代码至下一个停止信号处，继续下一次自动对焦计算；第三，所有停止信号处的自动对焦结束，根据返回的所有Z轴变化量，对G代码进行补偿和校正，自动对焦过程结束。
步骤十二、加保护气体(氮气等)，使用高精度五轴运动平台、步骤九确定的激光参数、步骤十搭建的光学系统和步骤十一提供的新的代码，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的精度，且能够提高加工一致性和成品率。
作为优选，所述代码选用G代码。
本发明公开的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统，用于实现所述动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法。
所述动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统，包括时域整形模块、空域整形模块、频域整形模块、激光直写模块、五轴联动平台模块、同轴观测模块、运动控制模块、自动对焦模块。其中，
所述时域整形模块包括分束镜、反射镜、迈克尔逊干涉仪和双折射晶体，以产生不同延时的时域响应；
所述空域整形模块包括反射镜、分束镜、空间光调制器、平顶整形透镜和光束质量分析仪，以产生不同形状光斑的空域响应；
所述频域整形模块包括BBO倍频晶体、滤光片和平凸透镜，以产生不同激光波长的频域响应；
所述激光直写模块包括二色相镜、聚焦物镜和中性滤光片，以对激光进行聚焦和能量调节，并按照控制指令，使激光焦点在整个加工过程中始终处于工件表面，并且保证激光始终与所加工平面或曲面垂直；
所述五轴联动平台模块包括，专用夹具和XYZBC型五轴平移台，以完成动压轴承等角螺旋槽激光加工；
所述同轴观测模块包括照明光源与工业相机，其中，照明单元，用于为工业相机成像单元提供所需照明光；工业相机CCD，用于用于为运动控制单元提供工件位置信息，以及对整个加工过程进行实时观察；
所述运动控制模块包括光快门、平移台控制单元和激光器控制单元，其中，光快门，用于根据实际加工情况，使用计算机控制光快门开闭，以控制整条光路开闭情况；平移台控制单元，用于使用计算机控制五轴平移台完成XYZBC五轴联动，以根据设计轨迹完成加工；激光器控制单元，对激光器产生的激光参数进行控制。
所述自动对焦模块由高分辨率的CCD工业相机、高精度五轴运动平台、FPGA芯片、自动对焦算法和相应的软硬件程序构成，完成三维曲面的自动对焦和轨迹重建，以保证加工过程中激光始终聚焦在待加工表面上。
有益效果：
1.本发明公开的一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，不仅局限于动压轴承等角螺旋槽刻型加工，也适用于其他各种自由曲面复杂形状刻型加工和跨尺度加工，具有广泛适用性。
2.本发明公开的一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，通过使用飞秒激光作为加工工具，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，较其他传统方法，极大提高加工一致性和成品率。
3、本发明公开的一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，通过采用飞秒激光时空频脉冲整形技术，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，较其他传统方法，极大的提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的精度，加工位置精度、尺寸精度和加工一致性可达到1微米精度和0.05％的误差。
4、本发明公开的一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，通过采用飞秒激光时空频脉冲整形技术，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，较其他传统方法，极大的提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的加工质量，达到微槽底部高质量、无损伤，线粗糙度Ra在100nm左右。
5、本发明公开的一种动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法及系统，通过采用基于图像识别的自动对焦技术，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，较其他传统方法，极大提高了自动对焦精度和三维重构精度，非常有利于各种自由曲面复杂形状刻型原位重建加工。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本申请实施例提供的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法的流程示意图。
图3是本申请实施例提供的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工基于图像识别的自动对焦模块流程示意图。
其中：1—时域整形模块、2—空域整形模块、3—频域整形模块、4—激光直写模块、5—五轴联动平台模块、6—同轴观测模块、7—运动控制模块。
具体实施方式
实施例1
图1示出了本申请提供的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统的结构示意图，该系统包括：时域整形模块1、空域整形模块2、频域整形模块3、激光直写模块4、五轴联动平台模块5、同轴观测模块6、运动控制模块7。
所述时域整形模块1包括分束镜、反射镜、迈克尔逊干涉仪以及双折射晶体，以产生不同延时的时域响应；
所述空域整形模块2包括反射镜、分束镜、SLM、平顶整形透镜以及光束质量分析仪，以产生不同形状光斑的空域响应；
所述频域整形模块3包括BBO倍频晶体、滤光片以及平凸透镜，以产生不同激光波长的频域响应；
所述激光直写模块4包括二色相镜、聚焦物镜以及中性滤光片，以对激光进行聚焦和能量调节，并按照控制指令，使激光焦点在整个加工过程中始终处于工件表面，并且保证激光始终与所加工平面或曲面垂直；
所述五轴联动平台模块5包括，专用夹具和精密五轴台，以完成动压轴承等角螺旋槽激光加工；
所述同轴观测模块6包括照明光源与工业相机，其中，照明单元，用于为工业相机成像单元提供所需照明光；工业相机CCD，用于用于为运动控制单元提供工件位置信息，以及对整个加工过程进行实时观察；
所述运动控制模块7包括光快门、平移台控制单元以及激光器控制单元，其中，光快门，用于根据实际加工情况，使用计算机控制光快门开闭，以控制整条光路开闭情况；平移台控制单元，用于使用计算机控制五轴平移台完成XYZBC五轴联动，以根据设计轨迹完成加工；激光器控制单元，对激光器产生的激光参数进行控制。
对应于上文实施例所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，图2示出了本申请实施例提供的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。参照图2，该动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法包括：
S201、测量待加工动压轴承尺寸；
S202、根据步骤一测量所得尺寸，对待加工动压轴承进行三维建模；
S203、根据步骤二所建模型，设计激光加工轨迹，并导出轨迹G代码；
S204、测量待加工动压轴承表面薄膜材料的光学常数，确定与待测材料作用效果最佳的激光波长；
S205、利用外延法，测量待测材料的烧蚀阈值；
S206、研究待测材料的高斯光下的最优加工效果(槽底粗糙度、加工精度、加工一致性等)所对应的最佳加工物镜、最佳重叠率和激光通量；
S207、研究待测材料的飞秒激光脉冲时域响应，确定最优加工效果(槽底粗糙度、加工精度、加工一致性等)对应的最佳延时时间；
S208、研究待测材料的飞秒激光脉冲空域响应，确定最优加工效果(槽底粗糙度、加工精度、加工一致性等)对应的最佳光斑形状；
S209、综合步骤一至四的激光参数，确定最优加工效果(槽底粗糙度、加工精度、加工一致性等)对应的激光参数；
S210、利用步骤九中确定的激光参数，设计并搭建能够提供相应激光参数的光学加工系统；
S211、基于高精度五轴运动平台和步骤九搭建的光学系统，使用高分辨率的CCD工业相机，利用基于图像识别的自动对焦模块对对步骤三生成的G代码进行补偿和校正，并且产生新的G代码，以保证加工过程中激光始终聚焦在待加工表面上；
S212、加保护气体(氮气等)，使用高精度五轴运动平台、步骤九确定的激光参数、步骤十搭建的光学系统和步骤十一提供的新的G代码，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工。本实施例在已知初始加工焦点轨迹G代码的前提下，通过基于图像识别的自动对焦方法，相较传统方法，可极大提高加工位置精度、尺寸精度和加工一致性，精度可达到1微米，误差可达0.05％，同时保证微槽底部高质量、无损伤，线粗糙度Ra在100nm左右。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、利用千分尺、圆度仪、三坐标仪测量待加工动压轴承尺寸，所述尺寸包括直径、高度和圆度；
步骤二、根据步骤一测量所得尺寸，利用三维制图软件对待加工动压轴承进行三维建模；
步骤三、根据步骤二所建动压轴承模型，利用三维制图软件设计激光加工轨迹，并导出轨迹代码；
步骤四、利用稳态吸收光谱实验确定待加工动压轴承表面薄膜材料的光学常数，确定与待测材料作用效果最佳的激光波长；所述光学常数包括吸收系数、反射系数、折射率；所述待测材料作用效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性；
步骤五、利用外延法，测量待测材料的烧蚀阈值；
步骤六、研究待测材料的高斯光下的最优加工效果，并分析获取最优加工效果所对应的最佳加工物镜、最佳重叠率和激光通量；所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性；
步骤七、研究待测材料的飞秒激光脉冲时域响应，并分析获取最优加工效果对应的最佳延时时间；所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性；
步骤八、研究待测材料的飞秒激光脉冲空域响应，并分析获取最优加工效果对应的最佳光斑形状；所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性；
步骤九、综合步骤一至四的激光参数，并分析获取最优加工效果对应的激光参数；所述加工效果包括槽底粗糙度、加工精度、加工一致性；
步骤十、利用步骤九中获取的激光参数，设计并搭建能够提供相应激光参数的光学加工系统；
步骤十一、基于高精度五轴运动平台和步骤九搭建的光学系统，使用高分辨率的CCD工业相机，利用基于图像识别的自动对焦模块对对步骤三生成的代码进行补偿和校正，并且产生新的代码，以保证加工过程中激光始终聚焦在待加工表面上；
步骤十二、加保护气体，使用高精度五轴运动平台、步骤九确定的激光参数、步骤十搭建的光学系统和步骤十一提供的新的代码，完成动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工，提高在动压轴承上加工等角螺旋槽的精度，且能够提高加工一致性和成品率。
2.如权利要求1所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：步骤三中，根据步骤二所建模型，利用UG软件设计激光加工轨迹，并导出轨迹G代码。
3.如权利要求1所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：作为优选，所述代码选用G代码。
4.如权利要求1所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：基于图像识别的自动对焦模块由高分辨率的CCD工业相机、高精度五轴运动平台、FPGA芯片、自动对焦算法和相应的软硬件程序构成；
所述自动对焦算法实现方法如下：
当相机完全聚焦时，图像最清晰，图像中的高频分量也最多，突变像素与相邻像素的差值也会变大，基于这个原理对每一个像素水平右侧领域的两个灰度值相减再相乘，再逐个像素累加，计算相邻两个像素灰度差的平方，公式如下：
D(f)＝∑y∑x|f(x+2,y)-f(x,y)|2
其中：f(x,y)表示图像f对应像素点(x,y)的灰度值，D(f)为图像清晰度；
自动对焦模块工作流程如下：
第一，用高分辨率CCD工业相机拍摄处于对焦状态下的待加工样品形貌，并利用图像识别算法计算D(f)，设定此图像清晰度为标准值DS；第二，在步骤三中生成的G代码，根据代码行数，等间隔插入停止信号，并运行，然后利用高分辨率CCD工业相机，在停止信号响应时，拍摄待加工样品形貌，并利用图像识别算法计算D(f)，然后利用自动对焦算法及相应程序和经过编程设计的FPGA芯片控制五轴平移台Z轴移动特定值，再次拍摄，再次计算D(f)，循环迭代至标准值DS，完成自动对焦，并返回五轴台Z轴变化量，然后继续运行G代码至下一个停止信号处，继续下一次自动对焦计算；第三，所有停止信号处的自动对焦结束，根据返回的所有Z轴变化量，对G代码进行补偿和校正，自动对焦过程结束。
5.如权利要求1所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：步骤五中，
测量待测材料的烧蚀阈值具体公式如下：
在选定的激光参数下，F0为峰值通量、ω0位能量的空间分布为高斯分布的焦斑半径，r为烧蚀坑半径，Fth为待加工材料的加工阈值；所述激光参数包括激光波长、脉宽、重频率。
6.动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工系统，用于实现如权利要求1、2、3、4或5所述的动压轴承等角螺旋槽飞秒激光自动对焦加工方法，其特征在于：包括时域整形模块、空域整形模块、频域整形模块、激光直写模块、五轴联动平台模块、同轴观测模块、运动控制模块、自动对焦模块；
所述时域整形模块包括分束镜、反射镜、迈克尔逊干涉仪和双折射晶体，以产生不同延时的时域响应；
所述空域整形模块包括反射镜、分束镜、空间光调制器、平顶整形透镜和光束质量分析仪，以产生不同形状光斑的空域响应；
所述频域整形模块包括BBO倍频晶体、滤光片和平凸透镜，以产生不同激光波长的频域响应；
所述激光直写模块包括二色相镜、聚焦物镜和中性滤光片，以对激光进行聚焦和能量调节，并按照控制指令，使激光焦点在整个加工过程中始终处于工件表面，并且保证激光始终与所加工平面或曲面垂直；
所述五轴联动平台模块包括，专用夹具和XYZBC型五轴平移台，以完成动压轴承等角螺旋槽激光加工；
所述同轴观测模块包括照明光源与工业相机，其中，照明单元，用于为工业相机成像单元提供所需照明光；工业相机CCD，用于为运动控制单元提供工件位置信息，以及对整个加工过程进行实时观察；
所述运动控制模块包括光快门、平移台控制单元和激光器控制单元，其中，光快门，用于根据实际加工情况，使用计算机控制光快门开闭，以控制整条光路开闭情况；平移台控制单元，用于使用计算机控制五轴平移台完成XYZBC五轴联动，以根据设计轨迹完成加工；激光器控制单元，对激光器产生的激光参数进行控制；
所述自动对焦模块由高分辨率的CCD工业相机、高精度五轴运动平台、FPGA芯片和自动对焦算法和相应的软硬件程序构成，完成三维曲面的自动对焦，以保证加工过程中激光始终聚焦在待加工表面上。
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-
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Non-Patent Citations (1)
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