CN116551192A - 一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于实时反馈的激光抛光系统及方法，该系统包括光束发射模块、光束运动模块、加工模块、表面测量模块和控制模块。该方法利用光束发射模块发射出本系统所用加工光束和测量光束；加工光束和测量光束经过光束运动模块，始终保持一个固定距离做相同运动；利用表面测量模块获取待抛光样品的扫描路径上的高度信息实时反馈至控制模块，控制模块实时调控加工模块中相应的激光抛光工艺参数与激光行走路径，并通过计算机控制光束发射模块、光束运动模块和加工模块实现实时反馈加工。本发明在保证抛光质量的前提下，利用计算机辅助控制技术，客服了加工过程中实时监测难度大等的问题，为复杂3D构型的工件表面处理提供了新方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光先进制造领域，具体涉及一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法。
背景技术
激光抛光技术是一种新型非接触式抛光技术，具有许多独特的优点，如无机械工具磨损、灵活性高、无需研磨剂和抛光剂、无需后续清洁工序、保形加工、任意(非平面)几何表面的高速加工(～10cm2/s)、局部微小表面(～μm)的选区加工等，相较于传统研磨式抛光，可达到更低的微粗糙度，适合加工硬脆性材料，且绿色无污染。目前针对复杂的三维结构表面抛光还依赖于手工研磨抛光，不仅耗时且人工成本高，可重复性差，激光抛光为复杂3D构型的工件表面处理提供了新方法，尤其是增材制造领域，相近的基于激光的制造方法有利于集成分步的工序，降低制造与装备的成本。
目前，针对激光抛光过程中熔池演化的监测手段，常用的有高速摄像机、红外相机和高温计等，但激光加工过程中产生的熔池变化过程很快，熔池温度高、视场亮度强，尺寸和宽度一般在几个毫米范围内，冷却速度非常快，又通常被加工产生的等离子体或蒸汽所遮挡，在可见光到红外波段均产生强烈的干扰，观测难度高且效果不好。激光抛光过程的熔池监测是为了揭示激光抛光的机理这一科学问题，将其用于加工过程中的实时监测与反馈并进行调节工艺参数这一思路目前并不容易实现，原因如下，激光抛光速度通常很快，约百毫米/秒，在这个过程中要完成对熔池形貌图像的采集、提取和分析，之后再反馈计算工艺参数，最后调节工艺参数这一过程，利用目前的技术手段难以实现。因此，在目前的激光抛光领域，实现加工过程中的实时监测与反馈控制仍是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法，该系统包括光束发射模块、光束运动模块、加工模块、表面测量模块和控制模块。该方法利用光束发射模块发射出本系统所用加工光束和测量光束；加工光束和测量光束经过光束运动模块，始终保持相距一个固定距离做相同运动；测量光束在加工过程中测量工件表面的高度，每一个加工光束半径的长度反馈一次过滤面形轮廓后的最大高度和最小高度的高度差至控制系统，系统根据高度差调控光束运动模块中的光束加工速度进行加工，以此完成加工过程中的反馈调节。本方法为三维工件表面的激光抛光提供了一种现实的解决方案，在保证抛光质量的前提下，利用计算机辅助技术，克服了加工过程中实时监测难度大等的问题，为复杂3D构型的工件表面处理提供了新方法。
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于实时反馈的激光抛光系统，该系统包括光束发射模块、光束运动模块、加工模块、表面测量模块和控制模块；
所述光束发射模块包括加工激光器、探测激光器及相应的激光调制系统，所述加工激光器发射加工光束，包括连续激光器和脉冲激光器；探测激光器为连续激光器或者脉冲激光器发射测量光束；
所述光束运动模块根据加工参数需求分为振镜协助运动装置和机械臂协助运动装置，在扫描过程中，测量光束在加工光束之前，扫描方向为单向扫描，相距一个固定距离，照射在工件表面，根据工件的加工尺寸和扫描速度选择振镜协助运动装置或机械臂协助运动装置；
所述加工模块包括保护性氛围气室和加工移动平台，待抛光物品放置于其x，y所组成的平面，激光光源实现z方向的移动，在抛光的过程中，x，y，z三个方向的合成运动实现三维物体表面的抛光；
所述表面测量模块包括回波处理单元、信息处理单元、处理器单元，激光发射关联单元和激光接收关联单元；
所述控制模块包括计算机及数据传输单元、数据处理单元、激光器控制传感器单元、光束运动控制传感单元、加工参数控制传感单元和表面高度测量传感单元。
进一步地，所述加工运动平台为三坐标高精密移动平台。
进一步地，所述表面测量模块中的回波处理单元接收带有高度信息的反射光束，将其信号传输至信息处理单元，信息处理单元将带有高度信息的反射光束信号转化为数字信号存储至处理器单元，处理器单元可以实现数据的存储或者读取，以及传送，将带有高度信息的数字信号传输至控制模块进行数据处理；激光发射关联单元和激光接收关联单元与光束发射模块相连接，用于记录激光的发射和接收状态；表面测量模块在测量光束运动过程中将光束反射传输的时间信息转换成高度信息，并可以完成数据的存储和传输；
所述控制模块中的计算机为控制模块的硬件设施，其带有的数据传输单元用于接收和传输来自其它模块的信息；数据处理单元用于处理来自其它模块的数据信息；激光器控制传感器单元用于监测和控制光束发射模块，光束运动控制传感单元用于监测和控制光束运动模块，加工参数控制传感单元用于监测和控制加工模块，表面高度测量传感单元用于监测表面测量模块；控制模块向光束发射模块、光束运动模块和加工模块传递控制指令，接收来自表面测量的数据信息并对发射模块、光束运动模块和加工模块传递的控制指令进行实时调控
进一步地，利用表面测量模块获取待抛光样品的扫描路径上的高度信息实时反馈至控制模块，控制模块实时调控加工模块中相应的激光抛光工艺参数与激光行走路径，并通过计算机控制光束运动模块和加工模块实现实时反馈加工，
本发明还提供一种基于实时反馈的激光抛光方法，包括以下步骤：
S1：根据待抛光样品的材料信息以及初始表面粗糙度信息，初步制定抛光工艺策略；
S2：在控制模块中设定加工的初始工艺参数，对加工系统中的样品位置进行标定和归零初始化，对样品进行加工，加工初期，加工光束在测量光束移动一个L的长度后启动加工，测量光束每扫描一条路径结束后停止扫描，加工光束每加工一条路径后停止加工；
S3：加工过程中，加工光束与测量光束始终相距一个固定的长度L，光束运动模块带动加工光束和测量光束同时移动，在移动的过程中，测量光束测量工件表面的高度，每扫描一个固定的小于L的加工长度，反馈一次高度数据至控制模块；
S4：控制模块对高度数据进行数据滤波处理，得到表面轮廓数据和表面粗糙度数据；根据表面轮廓数据规划激光行走在测量长度内的z轴方向上的位移；根据表面粗糙度数据，计算出高度差Rz，并划分等级，根据Rz的等级调节激光行走在测量长度上的x轴方向上的速度大小；控制模块将指令传递至加工模块；
S5：激光加工光束在加工完每条单向路径后，沿原加工路径原路返回，在返回的过程中，测量光束对加工后的表面高度进行测量并将高度数据存储，控制模块中，每测量一条加工路径上的表面高度后，对线粗糙度数据进行计算，当所有线粗糙度数据满足加工要求后，加工结束，否则，重新对表面进行多次加工。
进一步地，所述步骤S1中，根据待抛光样品的材料参数，确定用于激光抛光的激光器参数以及工艺参数，包括离焦量，扫描间距，扫描路径，扫描速度，扫描次数。
进一步地，所述的步骤S3中，测量光束测量工件表面的高度，具体方法为：测量光束照射在工件表面之后将脉冲信号反射传输至表面测量模块中的回波处理单元传输至激光接收关联单元，信息处理单元计算激光脉冲探测到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出表面原始高度信息h，存储至处理器单元，并传输至控制模块。
进一步地，所述的步骤S4中，计算表面原始高度信息h的具体方法为：控制模块的信息处理单元对每一个加工长度内的高度数据做滤波处理，提供过滤面形轮廓后的高度信息，然后提取出高度的最大值和最小值，计算出表面高度差即为原始高度信息h。
进一步地，所述的步骤S4中，根据表面高度差调控加工扫描路径，具体方法为：根据所获得原始高度信息h，计算出样品的面形轮廓h”ij，在加工过程中，加工模块中的加工移动平台hz根据h”ij上下运动。
进一步地，所述的步骤S4中，高度等级划分标准为：一等：Rz<10μm；二等：10μm<Rz<50μm；三等：50μm<Rz<320μm。
进一步地，所述的步骤S5中，根据表面高度差调控加工扫描速度，具体方法为：根据步骤S1中所制定的抛光策略中所确定的激光功率、激光半径、脉宽和频率，和相应的最优工艺参数组合，包括扫描速度和扫描间距，制定出不同表面高度等级内，扫描速度的调控方法，具体为：一等：扫描速度v1＝v0不调整，其中v0为S1中初步制定的抛光工艺策略中的初始扫描速度；二等：v2＝v0-Δv1(Rz)；三等：v3＝v0-Δv2(Rz)，其中Δv1(Rz)和Δv2(Rz)均为速度调节函数，跟表面高度差的绝对值成正比。10.根据权利要求9中所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，速度调节函数Δv1(Rz)和Δv2(Rz)系数由样品材料和表面高度等级共同确定，其中-0.2v0<Δv1(Rz)<0，-0.8v0<Δv2(Rz)<-0.2v0。
与现有激光抛光技术相比，本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法，将实时监测与激光抛光技术结合，能够在加工光束加工样品前，采用分段简化算法，实现快速测量，对待抛光样品表面进行高度分析和计算，根据样品表面局部差异化特征，调整设置差异化抛光工艺参数，利用计算机辅助控制光束运动模块和加工模块中的加工移动平台实现加工过程中的加工速度和加工路径的反馈调节运动，最终实现三维表面的选区差异化激光抛光，并实现抛光后表面实时测量。该激光抛光方法，利用计算机辅助分析计算和控制，实现实时检测反馈调节的抛光方法，并对抛光后表面质量进行实时监测，操作简单，成本低，且目前的技术易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例的激光抛光系统流程简图
图2为本发明实施例的激光抛光系统简图
图3为本发明实施例的激光抛光方法流程图
图4为本发明实施例的表面测量模块简图
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于实时反馈的激光抛光系统的系统流程示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于实时反馈的激光抛光系统的激光抛光系统简图，图3为本发明实施例的激光抛光方法流程图。如图1、图2、图3所示，本发明实施例提供了一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法，具体包含：光束发射模块、光束运动模块、加工模块、表面测量模块和控制模块。
所述光束发射模块包括加工激光器、探测激光器及相应的激光调制系统，所述加工激光器发射加工光束，包括连续激光器和脉冲激光器，连续激光器的参数包括但不限于：波长λ范围为1070nm～1090nm，功率P范围为1W～6000W，光束半径r大于80μm；脉冲激光器的参数范围包括但不限于：波长λ为515～532nm的绿光或1030～1090nm的红外光，功率P范围为1W～1000W，光束半径r大于80μm，脉宽τ为1ns～500ns,频率f为20kHz～400kHz；探测激光器发射测量光束，其参数包括但不限于：功率为0.1W-1W的小功率连续激光器或者脉冲激光器，光束半径r大于80μm，脉宽τ为1ns～500ns,频率f为20kHz～400kHz。
所述光束运动模块根据加工参数需求分为振镜协助运动装置和机械臂协助运动装置，在扫描过程中，测量光束在加工光束之前，扫描方向为单向扫描，相距一个固定距离，照射在工件表面；当工件尺寸的加工面长度在10cm及以下，采用振镜协助运动装置控制光束扫描运动；当工件尺寸的加工面长度在10cm以上且加工速度在20mm/s以上，采用振镜协助运动系统控制光束扫描运动和加工模块中的移动运动装置同时移动被加工工件做相对运动共同完成加工面扫描加工；当工件尺寸的加工面长度在10cm以上且加工速度在20mm/s及以下上，采用机械臂协助运动装置控制光束扫描运动；
所述加工模块包括保护性氛围气室和加工移动平台，所述加工运动平台为三坐标高精密移动平台，待抛光物品放置于其x，y所组成的平面，激光光源实现z方向的移动，在抛光的过程中，x，y，z三个方向的合成运动实现三维物体表面的抛光。
所述表面测量模块包括回波处理单元，信息处理单元、、处理器单元，激光发射关联单元和激光接收关联单元，在测量光束运动过程中将光束反射传输的时间信息转换成高度信息；其中，回波处理单元接收带有高度信息的反射光束，将其信号传输至信息处理单元，信息处理单元将带有高度信息的反射光束信号转化为数字信号存储至处理器单元，处理器单元可以实现数据的存储或者读取，以及传送等，将带有高度信息的数字信号传输至控制模块进行数据处理。激光发射关联单元和激光接收关联单元与光束发射模块相连接，用于记录激光的发射和接收状态。表面测量模块在测量光束运动过程中将光束反射传输的时间信息转换成高度信息，并可以完成数据的存储和传输。
所述控制模块包括计算机及数据传输单元、数据处理单元、激光器控制传感器单元、光束运动控制传感单元、加工参数控制传感单元和表面高度测量传感单元，控制模块向光束发射模块、光束运动模块和加工模块传递控制指令，接收来自表面测量的数据信息并对发射模块、光束运动模块和加工模块传递的控制指令进行实时调控。其中计算机为控制模块的硬件设施，其带有的数据传输单元用于接收和传输来自其它模块的信息；数据处理单元用于处理来自其它模块的数据信息，例如对表面测量模块传输的高度信息执行提取、分类、滤波、筛选等功能；激光器控制传感器单元用于监测和控制光束发射模块，光束运动控制传感单元用于监测和控制光束运动模块，加工参数控制传感单元用于监测和控制加工模块，表面高度测量传感单元用于监测表面测量模块。
一种基于实时反馈的激光抛光方法，如图3所示，利用表面测量模块获取待抛光样品的扫描路径上的高度信息实时反馈至控制模块，控制模块实时调控相应的激光抛光工艺参数与激光行走路径，并通过计算机控制光束运动模块和加工模块实现实时反馈加工，包括以下步骤：
S1：根据待抛光样品的材料信息以及初始表面粗糙度信息，初步制定抛光工艺策略；
初步制定激光抛光策略，其特征在于，包含以下步骤：
根据待抛光样品的材料参数，包括：熔点Tm(K)，沸点Te(K)，密度ρ(g/cm3)，传热系数k(W/(m2·K))，热容Cp(J/(kg·K))，动力粘度mu(Pa·s)、恒压热容，吸收等；确定该材料工件激光加工适合的功率密度I(kW/cm2)的范围；在使用脉冲激光为加工光束时，确定适合的单脉冲能量密度E(J/cm2)的范围。
确定用于激光抛光的激光器参数，包括加工功率，光斑大小，脉冲宽度、脉冲频率等，其具体方法为：
·加工功率P：根据加工效率最大化原则，根据激光器参数，选择最大功率Pmax为加工功率；
·光斑半径r：在满足加工功率密度的条件下，选择最大的光斑半径r；
·脉冲宽度tp：在使用脉冲激光为加工光束时，脉冲宽度在满足单脉冲能量密度E的范围内，根据表面初始糙度选择，表面初始糙度越高，选用的脉冲宽度越大；
·脉冲频率f：根据脉冲宽度选取；
确定用于加工的工艺参数，包括离焦量，扫描间距，搭接率，扫描路径，扫描速度，扫描次数等，其具体方法为：
·离焦量H0：根据光斑半径确定离焦量；
·扫描间距Ls：设定范围为r/6<Ls<r；
·扫描速度v：根据加工的功率密度和初始表面粗糙度共同确定，具体方式为：建立一个包含温度场、流场和速度场的二维微单元数值模型，模型尺寸为长2r×高r的单元，模型表面线粗糙度为Ra0，模型输入为确定的激光功率密度，根据材料属性设置合适的边界条件，根据能量守恒方程、动量守恒方程和质量守恒方程对二维微单元数值模型进行迭代计算，当模型表面线粗糙度为Ra0最小时，停止计算，所对应的时间为ts。所确定的扫描速度为：v0＝2r/ts。
·扫描次数N：根据所要求的表面粗糙度Ra_Required确定，当一次扫描不能得到所要求的表面粗糙度时，增加扫描次数直到满足要求。
·扫描路径：根据样品表面的三维形貌确定，路径之间的间距由扫描间距确定。
S2：在控制系统中设定加工的初始工艺参数，对加工系统中的位置进行标定和初始化，对样品进行加工。加工初期，加工光束在测量光束移动一个L的长度后启动加工。测量光束每扫描一条路径结束后停止扫描，加工光束每加工一条路径后停止加工。
S3：加工过程中，加工光束与测量光束始终相距一个固定的长度L，光束运动模块带动加工光束和探测光束同时移动，在移动的过程中，测量光束测量工件表面的高度，每扫描一个固定的小于L的加工长度，反馈一次高度数据至控制模块。
图4为本发明实施例的表面测量模块简图，测量光束测量工件表面的高度，如图4所示，其具体方法为：由激光器(如连续波HeNe激光器)发出激光，利用可调透镜对重新准直后，进入一个分束镜，光束分为参考光束和测量光束，测量光束照射在工件表面，反射光束反射回分束镜后经过一对柱面透镜，放置到电荷耦合器件(CCD)，发射的激光如HeNe，在CCD上根据光束与工件表面的距离呈现不同位置的图像，以此确定工件表面的高度变化。本测量精度最高可达亚纳米，在测量重复精度为1μm时，单次高度测量范围可达10mm，连续位移测量高度达数十毫米。
在实际测量过程中，将激光束分束为一列i束的光束矩阵，在激光行走的过程中，发射多次脉冲，经处理单元得到一组高度矩阵H0，在除去系统测量误差和基准高度之后，得到一组测量表面的原始高度数据矩阵H:
H＝(H1,H2,…,Hi)T；
其中：H1＝(h11,h12,…,h1j)，H2＝(h21,h22,…,h2j)，…，Hi＝(hi1,hi2,…,hij)，分别为测量光束分束后的每一束光的行走轨迹上的高度值。
为了提高系统的数据处理效率，在每扫描一个加工长度后，反馈一次高度信息至控制模块；
S4：控制模块对高度数据进行数据滤波处理，得到表面轮廓数据和表面粗糙度数据；根据表面轮廓数据规划激光行走在测量长度内的z轴方向上的位移，根据表面粗糙度数据规划激光行走在测量长度上的x轴方向上的速度大小；控制模块将指令传递至加工模块。
计算表面高度差，具体方法为：控制模块对每一个加工长度内的高度数据H做滤波处理，提供过滤面形轮廓后的高度信息H’，即：
H’＝(H’1,H’2,…,H’i)；
其中：H1’＝(h’11,h’12,…,h’1j)，H’2＝(h’21,h’22,…,h’2j),…,H’i＝(h’i1,h’i2,…,h’ij)，
然后提取出高度的最大值和最小值：
hmax＝MAX(H’)；
hmin＝MIN(H’)；
计算出表面高度差:
Rz＝hmax-hmax；
所述划分表面高度等级，其特征在于，高度等级划分标准为：
一等：Rz<10μm；
二等：10μm<Rz<80μm；
三等：80μm<Rz<320μm。
根据表面高度差调控加工扫描速度，具体方法为：根据初定的抛光策略中所确定的激光功率、激光半径、脉宽和频率，和相应的最优工艺参数组合，包括扫描速度和扫描间距，制定出不同表面高度等级内，扫描速度的调控方法，具体为：
一等：扫描速度：v1＝v0，不调整；
二等：扫描速度：v2＝v0-Δv1(Rz)；
三等：v3＝v0-Δv2(Rz)，其中Δv(Rz)为速度调节函数，-0.2v0<Δv1(Rz)<0，-0.8v0<Δv2(Rz)<-0.2v0；Δv(Rz)跟表面高度差的绝对值成正比，系数由样品材料和表面高度等级共同确定，表面高度等级越高，速度越慢。
根据表面轮廓数据规划激光行走在测量长度内的z轴方向上的位移，具体方法为：根据所获得原始高度数据矩阵H，计算出样品的面形轮廓，具体的计算方法为：
对高度矩阵数据做滤波处理，只留下高度数据的低频数据，过滤掉表面的粗糙度数据，得到表面轮廓数据矩阵H”：
根据表面高度差调控加工扫描路径，具体方法为：
H”s＝(H”1s,H”2s,…,H”is)；
其中：H”1s＝(h”11,h”12,…,h”1j)，H2s”＝(h”21,h”22,…,h”2j),…,His”＝(h”i1,h”i2,…,h”ij)，
在加工过程中，加工模块中的加工移动平台hz根据h”ij上下运动。
S5：激光加工光束在加工完每条单向路径后，沿加工路径原路返回，在返回的过程中，测量光束对加工后的表面高度进行测量并将高度数据存储。控制模块中，每测量一条加工路径上的表面高度后，对线粗糙度数据进行计算。当所有线粗糙度数据满足加工要求后，加工结束，否则，重新对表面进行多次加工。
加工模块中具体包括一个三坐标高精密移动平台，一个旋转加持装置及在控制模块中具备对应的计算机控制系统。
在加工时，将待抛光样品放置于三坐标高精密移动平台的x，y所组成的平面上，此平面可以在x,y,z平面上实现运动；其中x，y方向上的运动主要是协助光束运动模块做大尺寸样品的扫描加工；z方向上的移动是为了根据表面高度差调控加工扫描路径，以此实现三维表面的扫描加工。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于实时反馈的激光抛光系统，其特征在于：该系统包括光束发射模块、光束运动模块、加工模块、表面测量模块和控制模块；
所述光束发射模块包括加工激光器、探测激光器及相应的激光调制系统，所述加工激光器发射加工光束，包括连续激光器和脉冲激光器；探测激光器为连续激光器或者脉冲激光器发射测量光束；
所述光束运动模块根据加工参数需求分为振镜协助运动装置和机械臂协助运动装置，在扫描过程中，测量光束在加工光束之前，扫描方向为单向扫描，相距一个固定距离，照射在工件表面，根据工件的加工尺寸和扫描速度选择振镜协助运动装置或机械臂协助运动装置；
所述加工模块包括保护性氛围气室和加工移动平台，待抛光物品放置于其x，y所组成的平面，激光光源实现z方向的移动，在抛光的过程中，x，y，z三个方向的合成运动实现三维物体表面的抛光；
所述表面测量模块包括回波处理单元、信息处理单元、处理器单元，激光发射关联单元和激光接收关联单元；
所述控制模块包括计算机及数据传输单元、数据处理单元、激光器控制传感器单元、光束运动控制传感单元、加工参数控制传感单元和表面高度测量传感单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时反馈的激光抛光系统，其特征在于：所述加工运动平台为三坐标高精密移动平台。
3.根据权利要求1所述的一种基于实时反馈的激光抛光系统，其特征在于：所述表面测量模块中的回波处理单元接收带有高度信息的反射光束，将其信号传输至信息处理单元，信息处理单元将带有高度信息的反射光束信号转化为数字信号存储至处理器单元，处理器单元可以实现数据的存储或者读取，以及传送，将带有高度信息的数字信号传输至控制模块进行数据处理；激光发射关联单元和激光接收关联单元与光束发射模块相连接，用于记录激光的发射和接收状态；表面测量模块在测量光束运动过程中将光束反射传输的时间信息转换成高度信息，并可以完成数据的存储和传输；
所述控制模块中的计算机为控制模块的硬件设施，其带有的数据传输单元用于接收和传输来自其它模块的信息；数据处理单元用于处理来自其它模块的数据信息；激光器控制传感器单元用于监测和控制光束发射模块，光束运动控制传感单元用于监测和控制光束运动模块，加工参数控制传感单元用于监测和控制加工模块，表面高度测量传感单元用于监测表面测量模块；控制模块向光束发射模块、光束运动模块和加工模块传递控制指令，接收来自表面测量的数据信息并对发射模块、光束运动模块和加工模块传递的控制指令进行实时调控。
4.一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于：利用表面测量模块获取待抛光样品的扫描路径上的高度信息实时反馈至控制模块，控制模块实时调控加工模块中相应的激光抛光工艺参数与激光行走路径，并通过计算机控制光束运动模块和加工模块实现实时反馈加工，包括以下步骤：
S1：根据待抛光样品的材料信息以及初始表面粗糙度信息，初步制定抛光工艺策略；
S2：在控制模块中设定加工的初始工艺参数，对加工系统中的样品位置进行标定和归零初始化，对样品进行加工，加工初期，加工光束在测量光束移动一个L的长度后启动加工，测量光束每扫描一条路径结束后停止扫描，加工光束每加工一条路径后停止加工；
S3：加工过程中，加工光束与测量光束始终相距一个固定的长度L，光束运动模块带动加工光束和测量光束同时移动，在移动的过程中，测量光束测量工件表面的高度，每扫描一个固定的小于L的加工长度，反馈一次高度数据至控制模块；
S4：控制模块对高度数据进行数据滤波处理，得到表面轮廓数据和表面粗糙度数据；根据表面轮廓数据规划激光行走在测量长度内的z轴方向上的位移；根据表面粗糙度数据，计算出高度差Rz，并划分等级，根据Rz的等级调节激光行走在测量长度上的x轴方向上的速度大小；控制模块将指令传递至加工模块；
S5：激光加工光束在加工完每条单向路径后，沿原加工路径原路返回，在返回的过程中，测量光束对加工后的表面高度进行测量并将高度数据存储，控制模块中，每测量一条加工路径上的表面高度后，对线粗糙度数据进行计算，当所有线粗糙度数据满足加工要求后，加工结束，否则，重新对表面进行多次加工。
5.根据权利要求4所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据待抛光样品的材料参数，确定用于激光抛光的激光器参数以及工艺参数，包括离焦量，扫描间距，扫描路径，扫描速度，扫描次数。
6.根据权利要求4所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述的步骤S3中，测量光束测量工件表面的高度，具体方法为：测量光束照射在工件表面之后将脉冲信号反射传输至表面测量模块中的回波处理单元传输至激光接收关联单元，信息处理单元计算激光脉冲探测到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出表面原始高度信息h，存储至处理器单元，并传输至控制模块。
7.根据权利要求6中所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述的步骤S4中，计算表面原始高度信息h的具体方法为：控制模块的信息处理单元对每一个加工长度内的高度数据做滤波处理，提供过滤面形轮廓后的高度信息，然后提取出高度的最大值和最小值，计算出表面高度差即为原始高度信息h。
8.根据权利要求5中所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述的步骤S4中，根据表面高度差调控加工扫描路径，具体方法为：根据所获得原始高度信息h，计算出样品的面形轮廓h”ij，在加工过程中，加工模块中的加工移动平台hz根据h”ij上下运动。
9.根据权利要求4中所述的一种基于实时高度反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述的步骤S4中，高度等级划分标准为：一等：Rz<10μm；二等：10μm<Rz<50μm；三等：50μm<Rz<320μm。
10.根据权利要求4中所述的一种基于实时反馈的激光抛光方法，其特征在于，所述的步骤S5中，根据表面高度差调控加工扫描速度，具体方法为：根据步骤S1中所制定的抛光策略中所确定的激光功率、激光半径、脉宽和频率，和相应的最优工艺参数组合，包括扫描速度和扫描间距，制定出不同表面高度等级内，扫描速度的调控方法，具体为：一等：扫描速度v1＝v0不调整，其中v0为S1中初步制定的抛光工艺策略中的初始扫描速度；二等：v2＝v0-Δv1(Rz)；三等：v3＝v0-Δv2(Rz)，其中Δv1(Rz)和Δv2(Rz)均为速度调节函数，跟表面高度差的绝对值成正比；速度调节函数Δv1(Rz)和Δv2(Rz)系数由样品材料和表面高度等级共同确定，其中-0.2v0<Δv1(Rz)<0，-0.8v0<Δv2(Rz)<-0.2v0。
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| CN117001139B (zh) * | 2023-10-07 | 2024-03-01 | 天蔚蓝电驱动科技(江苏)有限公司 | 金属基材表面激光处理方法及涂覆方法 |
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