CN115555742B - 一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统 - Google Patents

一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统，包括：至少获取加工点对称两侧的振动信号；基于加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度变化，判断多层结构的激光穿孔的完成度。本发明将加工过程中机械行为产生的声音信号作为探测器的检测信号，无需引入外置检测源信号，实现对穿孔过程的实时监测，并且真实的反映整个加工过程。

Description

一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统。
背景技术
激光穿孔加工是激光加工技术中常见的加工方式，可应用的被加工对象非常广泛，例如精细的小尺寸工件和大尺寸工件的特殊部位等等。激光穿孔加工过程中，由于工件材料内部的厚度和纯度差异，最大的难点在于无法通过恒定能量来计算穿孔时间，未打穿或者过打穿不仅意味着加工成本的浪费，而且还会给工件整体带来较大的损伤。
目前常见的激光穿孔检测方法有激光光强检测法、气体检测法等等，这些检测方法均需要在激光加工头外部附置检测装置，使得在面向不同结构的被加工件时表现出较大的局限性。尤其是多层结构的工件，因为检测装置无法放置在工件内部层间的空隙，这时的穿孔加工等同于盲加工，这对加工成本和工件成本都带来了不可预估的损耗风险，因此对多层复杂结构工件的穿孔加工检测是激光穿孔加工技术中急需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法及系统，有效的降低加工时间成本和经济成本，简化检测过程，是一种高实时性的穿孔检测方法。
一方面为实现上述目的，本发明提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法，包括：
设置振动信号采集点，所述采集点以加工点为中心，在所述加工点两侧对称分布，基于所述采集点采集振动信号；
基于加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度变化，判断多层结构的激光穿孔的完成度；
所述多层结构的激光穿孔的完成度包括：所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成并进入下一层加工。
可选地，判断多层结构的激光穿孔的完成度包括：
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工。
可选地，所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度。
可选地，所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第二预设时间后，振幅强度降低并保持所述预设强度。
可选地，所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
另一方面为实现上述目的，本发明还提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测系统，应用如上所述的检测方法，包括：信号采集模块、传输模块和检测模块；
所述信号采集模块，用于采集加工点的振动信号；
所述传输模块，用于将所述振动信号传输至所述检测模块；
所述检测模块，用于基于所述振动信号对多层结构的激光穿孔的完成度进行检测。
可选地，所述信号采集模块包括若干探测器，所述探测器位于多层结构的被加工面，且在所述加工点的两侧对称分布。
可选地，所述检测模块包括：第一判定单元、第二判定单元和第三判定单元。
第一判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
第二判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
第三判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工；
其中，所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度；
所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第二预设时间后，振幅强度降低并保持所述预设强度；
所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明基于激光穿孔技术的加工原理，以激光能量为检测源信号，将加工过程中机械行为产生的声音信号作为探测器的检测信号，无需引入外置检测源信号，实现对穿孔过程的实时监测，并且真实的反映整个加工过程。
本发明提出的实时检测方法，适用范围广，探测器置于工件的被加工面，实时性高、可靠性稳定；针对不同的监测精度，可自行增减探测器数量，装置简易，操作简单。
本发明提出的检测技术是以被加工件的结构和材料特性为基础，以不同材料的热膨胀响应为基础，对于多层材料（包括实心与空心部分）的结构具有高效的识别功能，对目标层穿孔的加工过程也具有非常灵敏的辨别功能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法流程示意图；
图2为本发明实施例1的一种用于多层结构的激光穿孔实时检测过程的装置侧切面示意图；
图3为本发明实施例1的激光穿孔过程未完成示意图；
图4为本发明实施例1的激光穿孔过程顺利完成示意图；
图5为本发明实施例1的激光穿孔过程进行多层穿孔加工的示意图；
图6为本发明实施例2的一种用于多层结构的激光穿孔实时检测系统结构示意图；
其中，1、多层结构的工件；2、探测器；3、探测器；4、激光；5、第一信号线；6、第二信号线；7、上位机；8、超声信号传播方向；11、实心层；12、空心层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法，包括：
设置振动信号采集点，所述采集点以加工点为中心，在所述加工点两侧对称分布，基于所述采集点采集振动信号；
基于加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度变化，判断多层结构的激光穿孔的完成度。
进一步地，所述多层结构的激光穿孔的完成度包括：所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成并进入下一层加工。
进一步地，判断多层结构的激光穿孔的完成度包括：
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工。
进一步地，所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度。
进一步地，所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持所述第二预设时间后，振幅强度降低并保持所述预设强度。
进一步地，所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
本发明实施例提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测的方法，目的在于补充激光穿孔在面向多层结构工件加工时的检测技术空白，提供一种对多层结构进行穿孔加工时的实时检测技术，有效的降低加工时间成本和经济成本，简化检测过程，是一种高实时性的穿孔检测方法。
本实施例所述的检测方法实施过程的装置侧切面示意图参见图2。
本发明所述的检测方法工作原理是：利用激光4对多层结构的工件1进行打孔加工时，工件加工点会发生热量积累引起热膨胀行为，从而向外扩张挤压周围空气形成机械振动，由探测器2、探测器3对该机械振动的行为进行检测并通过第一信号线5、第二信号线6传输至上位机7进行实时监测，根据多层结构中的材料差异引起的机械振动信号发生明显变化，对激光穿孔加工是否完成进行判断。
在本实施例中，利用激光加工多层结构的最外单层时，选用2个探测器放置在工件的被加工面，且分别位于加工点两侧。激光加工开始前，2个探测器分别采集监测点超声信号，此时的噪声信号强度即设置为预设强度。入射激光开始加工后，加工点由于热量积累，工件的被加工层发生热膨胀行为，挤压周围空气引发振动，该振动产生的超声信号振动强度连续高于预设强度，并在材料中以加工点为中心向四周传播，如图3中超声信号传播方向8所示；
当2个探测器持续监测到振幅强度高于预设强度且连续的超声信号，则表明该加工层的穿孔加工还没打穿，即未完成该加工件的穿孔加工。
在本实施例中，利用激光加工多层结构的最外单层时，选用2个探测器放置在工件的被加工面，且分别位于加工点两侧。激光加工开始前，2个探测器分别采集监测点超声信号，此时的噪声信号强度即设置为预设强度。入射激光开始加工后，加工点由于热量积累，工件的被加工层发生热膨胀行为，挤压周围空气引发振动，该振动产生的超声信号振动强度连续高于预设强度，并在材料中以加工点为中心向四周传播，如图4所示；
当2个探测器监测到的超声信号在连续保持高于预设强度一段时间后，振幅强度降低并保持预设强度，则表明该加工层的穿孔加工已经打穿，激光直接进入空心层12，即完成了该加工件的穿孔加工。
在本实施例中，利用激光加工多层结构的最外单层时，选用2个探测器放置在工件的被加工面，且分别位于加工点两侧。激光加工开始前，2个探测器分别采集监测点超声信号，此时的噪声信号强度即设置为预设强度。入射激光开始加工后，加工点由于热量积累，工件的被加工层发生热膨胀行为，挤压周围空气引发振动，该振动产生的超声信号振动强度连续高于预设强度，并在材料中以加工点为中心向四周传播；
当2个探测器监测到的超声信号在连续保持高于预设强度的振幅一段时间后，其中一个探测器监测的信号仍然连续保持高于预设强度，而另一个探测器监测的超声信号强度降低并保持预设强度，则表明该加工层（即实心层11）的上下表面不是对称状态，即该加工层还未完成穿孔加工，需要2个探测器监测的超声信号强度均不高于预设强度才可判定为完成了该加工件的穿孔加工。
在本实施例中，利用激光加工多层结构的多层时，选用2个探测器放置在工件的被加工面，且分别位于加工点两侧。激光加工开始前，2个探测器分别采集监测点超声信号，此时的噪声信号强度即设置为预设强度。入射激光开始加工后，加工点由于热量积累，工件的被加工层发生热膨胀行为，挤压周围空气引发振动，该振动产生的超声信号振动强度连续高于预设强度，并在材料中以加工点为中心向四周传播，如图5所示；
当2个探测器监测到的超声信号在连续保持高于预设强度一段时间后，振幅强度降低并保持预设强度，则表明此次穿孔加工已经完成了一个实心层11的加工，随后探测器监测到明显的超声信号，且该信号逐渐增强，并高于预设强度，则表明穿孔加工已经进入第二层的加工过程，即开始了该加工件的多层穿孔加工。
实施例2
如图6所示，本实施例提供了一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法的系统，包括：信号采集模块、传输模块和检测模块；
所述信号采集模块，用于采集加工点的振动信号；
所述传输模块，用于将所述振动信号传输至所述检测模块；
所述检测模块，用于基于所述振动信号对多层结构的激光穿孔的完成度进行检测。
进一步地，所述信号采集模块包括若干探测器，所述探测器位于多层结构的被加工面，且在所述加工点的两侧对称分布。
进一步地，所述多层结构的激光穿孔的完成度包括：所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成并进入下一层加工。
进一步地，所述检测模块包括：第一判定单元、第二判定单元和第三判定单元。
第一判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
第二判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
第三判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工；
其中，所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度；
所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持所述第二预设时间后，振幅强度降低并保持所述预设强度；
所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于多层结构的激光穿孔实时检测方法，其特征在于，包括：
设置两个振动信号采集点，基于两个所述采集点采集振动信号；其中所述采集点以加工点为中心，在所述加工点两侧对称分布；
基于加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度变化，判断多层结构的激光穿孔的完成度；
所述多层结构的激光穿孔的完成度包括：所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成、所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成并进入下一层加工；
判断多层结构的激光穿孔的完成度包括：
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
获取的加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则判定所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工；
所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；其中，所述预设强度为激光加工开始前的振动信号强度；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度；
所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第二预设时间后，两侧的所述振动信号的振幅强度降低，直至降低至所述预设强度，并保持所述预设强度；
所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
2.一种用于多层结构的激光穿孔实时检测系统，应用如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，包括：信号采集模块、传输模块和检测模块；
所述信号采集模块，用于采集加工点的振动信号；
所述传输模块，用于将所述振动信号传输至所述检测模块；
所述检测模块，用于基于所述振动信号对多层结构的激光穿孔的完成度进行检测。
3.根据权利要求2所述的用于多层结构的激光穿孔实时检测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括两个探测器，所述探测器位于多层结构的被加工面，且在所述加工点的两侧对称分布。
4.根据权利要求2所述的用于多层结构的激光穿孔实时检测系统，其特征在于，所述检测模块包括：第一判定单元、第二判定单元和第三判定单元；
第一判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第一状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工未完成；
第二判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第二状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成；
第三判定单元，用于在检测到加工点对称两侧的所述振动信号为第三状态时，则所述多层结构中的加工层的激光穿孔加工完成，并进入下一层加工；
其中，所述第一状态包括：第四状态和第五状态；
所述第四状态为：加工点对称两侧的所述振动信号的振幅强度均高于预设强度，且振幅均为连续状态；其中，所述预设强度为激光加工开始前的振动信号强度；
所述第五状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第一预设时间之后，其中一侧的所述振动信号的振幅高于所述预设强度，且振幅为连续状态，而另一侧的所述振动信号的振幅强度仍然保持所述预设强度；
所述第二状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第四状态后，并在保持第二预设时间后，两侧的所述振动信号的振幅强度降低，直至降低所述预设强度，并保持所述预设强度；
所述第三状态为：加工点对称两侧的所述振动信号在完成所述第二状态后，加工点对称两侧的所述振动信号均又增强并高于所述预设强度，且振幅为连续状态。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Xu Hongxing

Inventor after: Shen Hao

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Inventor after: Liang Yu

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GR01 Patent grant
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