CN116060763B - 用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备，包括测量光源、耦合器、光学延迟线、立体分束器和解算部，耦合器与测量光源相连接，以将测量光源发出的光分为原位测量光和测量参考光，光学延迟线与耦合器相连接，以调整测量参考光的光程，立体分束器分别与耦合器和加工光源相连接，以将原位测量光、测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件上，解算部包括光谱仪和计算机，光谱仪分别与耦合器和计算机相连接，光谱仪用于获取被待加工件反射回的原位测量光和测量参考光在耦合器内产生的干涉信号，计算机基于信号得到加工深度。能够在加工过程中实时监测零件的加工深度，实现非接触式测量、原位测量和在机测量。

Description

用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备
技术领域
本申请属于激光加工设备技术领域，具体涉及一种用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备。
背景技术
水导激光加工技术作为一种新兴的加工技术，采用水束光纤来引导激光到待加工件加工表面，具有切槽平行、热区影响小、宽径比大、加工精度高、无崩边、无微裂纹、重铸层较少等优点。
但现有水导激光加工系统对加工尺寸的测量往往都采用离线的方式，即：先完成整个工件的加工，然后拆卸工件，再利用三坐标机、干涉仪、千分尺等仪器对工件进行测量，无法在加工过程中实时监测零件的加工深度。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备，能够在加工过程中实时监测零件的加工深度。
为了解决上述问题，本申请提供了一种用于水导激光加工的原位在机测量系统，包括测量光源、耦合器、光学延迟线、立体分束器和解算部，所述耦合器与所述测量光源相连接，以将所述测量光源发出的光分为原位测量光和测量参考光，所述光学延迟线与所述耦合器相连接，以调整所述测量参考光的光程，所述立体分束器分别与所述耦合器和加工光源相连接，以将所述原位测量光、所述测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件上，所述解算部包括光谱仪和计算机，所述光谱仪分别与所述耦合器和所述计算机相连接，所述光谱仪用于获取被所述待加工件反射回的所述原位测量光和所述测量参考光在所述耦合器内产生的干涉信号，所述计算机基于所述干涉信号得到加工深度。
可选的，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括第一准直器，所述第一准直器设置在所述耦合器与所述立体分束器之间的光路上，以对经由所述耦合器传播至所述立体分束器的所述原位测量光和所述测量参考光进行准直。
可选的，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括带通滤光片，所述带通滤光片设置在所述耦合器与所述立体分束器之间的光路上。
可选的，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括反射镜，所述反射镜设置在所述第一准直器与所述带通滤光片之间的光路上。
可选的，所述光谱仪用于获取被所述待加工件反射回的所述原位测量光和所述测量参考光在所述耦合器内产生的干涉信号的原始信号和实时信号，并发送至所述计算机，所述计算机基于所述原始信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与所述原始信号对应的第一最大峰值，所述计算机基于所述实时信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与所述实时信号对应的第二最大峰值，所述计算机基于所述第一最大峰值和所述第二最大峰值得到加工深度。
可选的，所述原始信号为所述原位测量光和所述测量参考光照射加工初始位置且光程相同的情况下的所述耦合器内产生的干涉信号。
可选的，所述立体分束器包括第一棱镜段和第二棱镜段，所述第一棱镜段和所述第二棱镜段拼合为立方体结构，所述原位测量光和所述测量参考光经由所述第一棱镜段射入至所述立体分束器内的汇聚点，所述加工光经由所述第二棱镜段射入至所述立体分束器内的汇聚点，并在所述汇聚点与所述原位测量光和所述测量参考光汇聚为一束射出所述立体分束器，并照射在待加工件上。
可选的，所述第一棱镜段与所述第二棱镜段之间设置有分光膜，所述立体分束器的入射面和出射面上设置有增透膜。
可选的，所述第一棱镜段与所述第二棱镜段对称设置，以使所述立体分束器呈正方体结构。
本申请的另一方面，提供了一种激光加工设备，包括如上述的用于水导激光加工的原位在机测量系统。
有益效果
本发明的实施例中所提供的一种用于水导激光加工的原位在机测量系统和激光加工设备，通过设置测量光源能够为检测待加工件的加工深度提供检测光，通过设置耦合器能够将测量光源发出的光分为原位测量光和测量参考光，通过设置光学延迟线能够实现调整测量参考光的光程，使测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同，进而通过原位测量光和测量参考光的配合实现检测待加工件的加工深度。通过设置立体分束器，使得原位测量光、测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件上，保证原位测量光和测量参考光能够沿着加工光的照射方向进行加工深度检测，保证检测准确性。通过设置解算部，能够对被待加工件反射回的原位测量光和测量参考光在耦合器内产生的干涉信号进行解析和计算，进而准确得到加工深度，在加工过程中实时监测零件的加工深度，能够实现非接触式测量、原位测量和在机测量，测量精度高，能够为加工作业提供更多更全面的数据，而且可以根据得到的实时加工深度实时监测零件的加工过程，实时测量零件被去除的尺寸。而且原位在机测量系统的结构简单、抗干扰能力强。由于非接触式的测量方式，对被测物无损伤。在机的测量方式，无需反复拆卸待测件。
附图说明
图1为本申请实施例的激光加工设备的结构示意图；
图2为本申请实施例的立体分束器的结构示意图；
图3为本申请实施例的原位在机测量系统的系统原理图。
附图标记表示为：
1、计算机；2、光谱仪；3、测量光源；4、耦合器；5、光学延迟线；6、第一准直器；7、反射镜；8、带通滤光片；9、加工光源；10、立体分束器；11、第二准直器；12、聚焦透镜；13、水喷嘴；14、待加工件；15、第一棱镜段；16、第二棱镜段；17、分光膜；18、增透膜。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合参见图1至图3所示，根据本申请的实施例，一种用于水导激光加工的原位在机测量系统，包括测量光源3、耦合器4、光学延迟线5、立体分束器10和解算部，耦合器4与测量光源3相连接，以将测量光源3发出的光分为原位测量光和测量参考光，光学延迟线5与耦合器4相连接，以调整测量参考光的光程，立体分束器10分别与耦合器4和加工光源9相连接，以将原位测量光、测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件14上，解算部包括光谱仪2和计算机1，光谱仪2分别与耦合器4和计算机1相连接，光谱仪2用于获取被待加工件14反射回的原位测量光和测量参考光在耦合器4内产生的干涉信号，并基于干涉信号得到加工深度。
通过设置测量光源3能够为检测待加工件14的加工深度提供检测光，通过设置耦合器4能够将测量光源3发出的光分为原位测量光和测量参考光，通过设置光学延迟线5能够实现调整测量参考光的光程，使测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同，进而通过原位测量光和测量参考光的配合实现检测待加工件14的加工深度。通过设置立体分束器10，使得原位测量光、测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件14上，保证原位测量光和测量参考光能够沿着加工光的照射方向进行加工深度检测，保证检测准确性。通过设置解算部，并使解算部包括光谱仪2和计算机1，且使光谱仪2分别与耦合器4和计算机1相连接，能够对被待加工件14反射回的原位测量光和测量参考光在耦合器4内产生的干涉信号进行解析和计算，进而准确得到加工深度，在加工过程中实时监测零件的加工深度，能够实现非接触式测量、原位测量和在机测量，测量精度高，能够为加工作业提供更多更全面的数据，而且可以根据得到的实时加工深度实时监测零件的加工过程，实时测量零件被去除的尺寸。
其中，测量光源3为超连续红外宽带光源。
具体的，测量光源3发出中心波长为850nm，带宽为45nm的宽带光。
其中，测量光源3发出的光由光纤传输至耦合器4。
其中，耦合器4为2x2耦合器。
具体的，耦合器4将测量光源3发出的检测光分为强度值为99/1或90/10的原位测量光和测量参考光，其中强度值大的一路为原位测量光光路，强度较小的一路为测量参考光。
其中，照射在待加工件14上的原位测量光被工件面反射后，原路折返至耦合器4处。
其中，光学延迟线5用于调节测量参考光的光程，使得测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同。
用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括第一准直器6，第一准直器6设置在耦合器4与立体分束器10之间的光路上，以对经由耦合器4传播至立体分束器10的原位测量光和测量参考光进行准直。
通过设置第一准直器6能够对耦合器4分出的原位测量光和测量参考光进行准直，通过前置的类似凸透镜变成平行光。
用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括带通滤光片8，带通滤光片8设置在耦合器4与立体分束器10之间的光路上。
通过设置带通滤光片8，只允许超连续红外宽带光源发出的光通过，阻止其他波段范围光的通过，能够保护耦合器4、光学延迟线5和解算部的作用，还能提升系统干扰能力。
其中，带通滤光片8的通过范围为850nm±45nm。
用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括反射镜7，反射镜7设置在第一准直器6与带通滤光片8之间的光路上。
通过设置反射镜7，能够对耦合器4的出光进行反射，保证耦合器4的出光能够准确到达带通滤光片8。
其中，出光方向被反射镜7由0°改变为90°。
光谱仪2用于获取被待加工件14反射回的原位测量光和测量参考光在耦合器4内产生的干涉信号的原始信号和实时信号，并发送至计算机1，计算机1基于原始信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与原始信号对应的第一最大峰值，计算机1基于实时信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与实时信号对应的第二最大峰值，计算机1基于第一最大峰值和第二最大峰值得到加工深度。
通过设置光谱仪2，能够检测折返的原位测量光与折返的测量参考光在耦合器4处相遇时产生的低相干干涉信号。通过设置计算机1能够接收光谱仪2检测到的低相干干涉信号，并基于低相干干涉信号进行解算，得到实时加工深度。
其中，光谱仪2为超高分辨率光谱仪。
其中，原始信号为通过光学延迟线5调整测量参考光的光程后且在待加工件14初始位置处的干涉信号。实时信号为对待加工件14进行加工时的干涉信号。
其中，第一最大峰值为测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同时，光谱仪2采集到的原始信号做傅里叶变换和消除直流分量后波形内最大峰峰值。
其中，第二最大峰值为待加工件14被加工时，光谱仪2采集到的实时信号同样做傅里叶变换、消除直流分量，然后记录波形内最大峰峰值。
原始信号为原位测量光和测量参考光照射加工初始位置且光程相同的情况下的耦合器4内产生的干涉信号。
通过光学延迟线5调节测量参考光的光程，使得测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同。此时光谱仪2采集到的原始信号做傅里叶变换、消除直流分量，然后记录波形内最大峰峰值所在位置，也即，第一最大峰值，记为
Figure SMS_1
。当待加工件14被加工时，其表面深度发生变化，此时测量参考光的光程是固定的，但原位测量光的光程相比于初始位置时会增大，此时对光谱仪2采集到的原始信号同样做傅里叶变换、消除直流分量，然后记录波形内最大峰峰值所在位置，即第二最大峰值，记为/>
Figure SMS_2
。此时待加工件14被加工的深度为：/>
Figure SMS_3
，其中k为光谱空间到物理空间的系数。
立体分束器10包括第一棱镜段15和第二棱镜段16，第一棱镜段15和第二棱镜段16拼合为立方体结构，原位测量光和测量参考光经由第一棱镜段15射入至立体分束器10内的汇聚点，加工光经由第二棱镜段16射入至立体分束器10内的汇聚点，并在汇聚点与原位测量光和测量参考光汇聚为一束射出立体分束器10，并照射在待加工件14上。
其中，第一棱镜段15和第二棱镜段16形状尺寸相同，且镜像设置，以拼合为立方体结构。
其中，立体分束器10内的汇聚点可位于立体分束器10的中心位置。
其中，第一棱镜段15和第二棱镜段16可均为三棱柱结构。
其中，第一棱镜段15和第二棱镜段16的横截面均为直角三角形。
第一棱镜段15与第二棱镜段16之间设置有分光膜17，立体分束器10的入射面和出射面上设置有增透膜18。第一棱镜段15与第二棱镜段16对称设置，以使立体分束器10呈正方体结构。
其中，分光膜17设置在第一棱镜段15和第二棱镜段16的横截面所呈的直角三角形的斜边上。
其中，分光膜17的分光比为50/50。
其中，入射面为光束射入立体分束器10的面，出射面为光束射出立体分束器10的面。第一棱镜段15和第二棱镜段16均具有入射面。出射面设置在第二棱镜段16上。
其中，原位测量光和测量参考光垂直于第一棱镜段15的入射面射入第一棱镜段15。加工光垂直于第二棱镜段16的入射面射入第二棱镜段16。原位测量光、测量参考光和加工光汇聚为一束后垂直于出射面射出第二棱镜段16。
本实施例的另一方面，提供了一种激光加工设备，包括如上述的用于水导激光加工的原位在机测量系统。
其中，激光加工设备为水导激光加工设备。
其中，加工光源9为大功率绿激光光源。
其中，激光加工设备还包括第二准直器11、聚焦透镜12和水喷嘴13。大功率绿激光光源用于发出加工光，第二准直器11设置在大功率绿激光光源与立体分束器10之间的光路上，用于对加工光进行准直。聚焦透镜12和水喷嘴13依次设置在立体分束器10与待加工件14之间的光路上，其中聚焦透镜12位于水喷嘴13立体分束器10与之间的光路上。
其中，大功率绿激光光源发出的绿激光的波长范围为532-556nm。
具体的，大功率绿激光光源发出的绿激光经过第二准直器11准直后，其出光方向由0°被立体分束镜转为90°，后被聚焦透镜12聚焦后，射入水喷嘴13，并被水喷嘴13喷出的细长水流引导至待加工件14表面，对工件进行加工。
其中，原位测量光和加工光在立体分束器10处汇合为一路，然后依次经过聚焦透镜12、水喷嘴13后照射在待加工件14上。此时加工光与测量光共用同一条光路，因此可实现原位测量以及工件在加工过程中的实时测量。
其中，激光加工设备中至少包括原位测量光支路、测量参考光支路、加工光支路、低相干干涉信号采集及检测支路。
具体的，原位测量光支路包括依次连接的2x2耦合器、准直镜、反射镜7、带通滤光片8、立体分束器10、聚焦透镜12、水喷嘴13。测量参考光支路包括依次连接的2x2耦合器、光学延迟线5。加工光支路包括依次连接的大功率绿激光光源、准直镜、立体分束镜、聚焦透镜12、水喷嘴13；低相干干涉信号采集及检测支路包括依次相连的计算机1、超高分辨率光谱仪、2x2耦合器。
更为具体的，原位测量光光路中，超连续红外宽带光源发出的宽带光由光纤传输至2x2耦合器，由2x2耦合器分为强度值为99/1或90/10的两路，强度值较大的一路为原位测量光光路，该路光经过第一准直器6后，出光方向被反射镜7由0°变为90°，然后经过带通滤光片8后透过立体分束镜，并被聚焦透镜12聚焦至水喷嘴13，水喷嘴13通过喷出的细长水流引导测量光照射在待加工件14上，照射在待加工件14上的原位测量光被工件面反射后，原路折返至2x2耦合器处。测量参考光光路中，从2x2耦合器分出的强度值较小的一路光，经过光学延迟线5后，按原路折返至耦合器4处，光学延迟线5调节测量参考光的光程，使得测量参考光的光程与原位测量光在加工件初始位置处的光程相同。加工光光路中，大功率绿激光光源发出的绿激光经过第二准直镜准直后，其出光方向由0°被立体分束镜转为90°，后被聚焦透镜12聚焦后，射入水喷嘴13，并被水喷嘴13喷出的细长水流引导至待加工件14表面，对待加工件14进行加工。检测光路中，折返的原位测量光与折返的测量参考光在2x2耦合器处相遇，产生低相干干涉信号，所产生的低相干信号被超高分辨率光谱仪检测，然后送入计算机1，由计算机1对低相干信号进行解算。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，包括测量光源(3)、耦合器(4)、光学延迟线(5)、立体分束器(10)和解算部，所述耦合器(4)与所述测量光源(3)相连接，以将所述测量光源(3)发出的光分为原位测量光和测量参考光，所述光学延迟线(5)与所述耦合器(4)相连接，以调整所述测量参考光的光程，所述立体分束器(10)分别与所述耦合器(4)和加工光源(9)相连接，以将所述原位测量光、所述测量参考光和加工光汇为一束照射在待加工件(14)上，所述解算部包括光谱仪(2)和计算机(1)，所述光谱仪(2)分别与所述耦合器(4)和所述计算机(1)相连接，所述光谱仪(2)用于获取被所述待加工件(14)反射回的所述原位测量光和所述测量参考光在所述耦合器(4)内产生的干涉信号，所述计算机(1)基于所述干涉信号得到加工深度；
所述光谱仪(2)用于获取被所述待加工件(14)反射回的所述原位测量光和所述测量参考光在所述耦合器(4)内产生的干涉信号的原始信号和实时信号，并发送至所述计算机(1)，所述计算机(1)基于所述原始信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与所述原始信号对应的第一最大峰值，所述计算机(1)基于所述实时信号进行傅里叶变换并消除直流分量，得到与所述实时信号对应的第二最大峰值，所述计算机(1)基于所述第一最大峰值和所述第二最大峰值得到加工深度；
所述原始信号为所述原位测量光和所述测量参考光照射加工初始位置且光程相同的情况下的所述耦合器(4)内产生的干涉信号；
所述立体分束器(10)包括第一棱镜段(15)和第二棱镜段(16)，所述第一棱镜段(15)和所述第二棱镜段(16)拼合为立方体结构，所述原位测量光和所述测量参考光经由所述第一棱镜段(15)射入至所述立体分束器(10)内的汇聚点，所述加工光经由所述第二棱镜段(16)射入至所述立体分束器(10)内的汇聚点，并在所述汇聚点与所述原位测量光和所述测量参考光汇聚为一束射出所述立体分束器(10)，并照射在待加工件(14)上。
2.根据权利要求1所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括第一准直器(6)，所述第一准直器(6)设置在所述耦合器(4)与所述立体分束器(10)之间的光路上，以对经由所述耦合器(4)传播至所述立体分束器(10)的所述原位测量光和所述测量参考光进行准直。
3.根据权利要求2所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括带通滤光片(8)，所述带通滤光片(8)设置在所述耦合器(4)与所述立体分束器(10)之间的光路上。
4.根据权利要求3所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，所述用于水导激光加工的原位在机测量系统还包括反射镜(7)，所述反射镜(7)设置在所述第一准直器(6)与所述带通滤光片(8)之间的光路上。
5.根据权利要求1所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，所述第一棱镜段(15)与所述第二棱镜段(16)之间设置有分光膜(17)，所述立体分束器(10)的入射面和出射面上设置有增透膜(18)。
6.根据权利要求1所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统，其特征在于，所述第一棱镜段(15)与所述第二棱镜段(16)对称设置，以使所述立体分束器(10)呈正方体结构。
7.一种激光加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的用于水导激光加工的原位在机测量系统。
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