CN116727900A - 一种用于航空复合材料的激光制孔开口方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空复合材料加工技术领域，尤其涉及一种用于航空复合材料的激光制孔开口方法及装置，本发明通过构建材料表面的三维模型，基于制孔区域的区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器的输出光束进行角度调整，通过预制孔计算材料特征系数，并基于材料特征系数控制脉冲激光器的初始输出功率，制孔过程中基于制孔区域的当前温度以及表面平整度判定制孔状态，并基于不同的制孔状态控制脉冲激光器以不同的调整方式进行工作，进而，实现了适应性调整输出光束方向、对激光初始输出功率根据不同材料的特征进行适应性的调整以及对制孔区域内材料温度的严格控制，提高了制孔质量以及复合材料的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及航空复合材料加工技术领域，尤其涉及一种用于航空复合材料的激光制孔开口方法及装置。
背景技术
当前，以树脂基复合材料、铝合金、钛合金和结构钢为主的四大航空材料加工工艺要求严格，各类航空复合材料也具有抗冲击能力差、层间剪切强度低、分层缺陷敏感等缺点，航空航天装备在生产制造和装配过程中，需要大量各种类型的螺栓、铆钉连接，需要制孔开口，这些孔口的制作加工传统手段在制孔过程中由于发热影响，易造成重铸层、孔边易分层以及加工效率低等突出问题，因此，对于航空复合材料激光制孔方法以及装置的改进越来越受到相关领域技术人员的关注。
中国专利公开号：CN114682928A，公开了一种适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，该激光制孔装置包括：保持装置，其能够可靠地保持待加工的CFRP板材；用于提供高速自旋的初始激光束的激光束源装置；光学系统，其能够将初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束，并且能够将第一激光束和第二激光束设定为分别自被保持在保持装置上的CFRP板材的相对侧投射至CFRP板材上的同一待成形孔处，根据该发明的适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，能够适用于针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行激光制孔加工并避免或至少缓解制孔产生的锥度问题，改善了制孔加工效率和加工质量。
可见，现有技术中还存在以下问题；
1、现有技术中，未考虑制孔材料表面不平整的情况下，直接对复合材料进行制孔可能导致偏孔以及歪孔的产生，影响制孔质量；
2、现有技术中，未考虑对复合材料不同部位进行制孔时，由于材料的变化影响材料特征，造成初始设定的激光输出功率不合适；
3、现有技术中，未考虑在制孔过程中，制孔区域内材料的温度升高形成热影响区域，影响制孔区域周边材料的耐久性。
发明内容
为克服现有技术中对表面不平整的材料进行制孔易出现偏孔以及歪孔、对复合材料不同部位的不同特征材料进行制孔初始设定的激光输出功率不合适以及制孔过程中制孔区域内材料的温度升高形成热影响区域的问题，本发明提供一种用于航空复合材料的激光制孔开口方法，包括：
步骤S1，获取材料表面制孔区域的点云数据，基于所述点云数据构建所述材料表面制孔区域的三维模型；
步骤S2，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整；
步骤S3，对所述制孔区域进行预制孔，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器对材料的扫描深度计算材料特征系数，并基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器的初始输出功率，所述预制孔包括控制脉冲激光器开启激光在制孔区域内扫描预定距离；
步骤S4，控制所述脉冲激光器以所述初始输出功率对所述制孔区域进行扫描，直至制孔区域形成通孔，其中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值，并基于所述制孔状态评估值判定制孔状态；
并基于不同的所述制孔状态控制所述脉冲激光器以不同的工作方式进行工作，包括，
在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器调整扫描速度；
或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器调整输出功率。
进一步地，在所述步骤S2中，还包括确定材料表面的虚拟参照区域，其中，
以制孔区域圆心为基准构建一矩形区域，以使所述制孔区域内切于所述矩形区域的各边，将所述矩形区域确定为所述虚拟参照区域。
进一步地，在所述步骤S2中，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，其中，
获取所述虚拟参照区域各顶点的三维坐标，基于所述虚拟参照区域中的第一对角线上两端的顶点以及第二对角线上的第一顶点构建制孔区域第一平面，基于所述虚拟参照区域中第一对角线上两端的顶点以及第二对角线上的第二顶点构建制孔区域第二平面，将所述制孔区域第一平面的第一法向与所述制孔区域第二平面的第二法向叠加确定所述制孔区域的区域法向。
进一步地，在所述步骤S2中，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整，其中，
将所述偏差角与预设的偏差角阈值进行对比，
若所述偏差角小于等于所述偏差角阈值，则判定不需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整；
若所述偏差角大于所述偏差角阈值，则判定需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整。
进一步地，在所述步骤S3中，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器对材料的扫描深度计算材料特征系数，
(1)
公式(1)中，E为材料特征系数，T为温度变化量，/>T0为设定的温度变化参考量，/>H为扫描深度，/>H0为设定的扫描参考深度。
进一步地，在所述步骤S3中，基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器的初始输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设定有若干基于所述材料特征系数确定所述初始输出功率的功率确定方式，各所述功率确定方式所确定的初始输出功率不同。
进一步地，在所述步骤S4中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度按公式(2)计算制孔状态评估值，
(2)
公式(2)中，P为制孔状态评估值，T为当前温度，T0为材料的初始温度，Ra为制孔区域表面平整度，为设定的制孔区域表面平整度参考值。
进一步地，在所述步骤S4中，基于所述制孔状态评估值判定制孔状态，其中，
将所述制孔状态评估值与预设的第一评估参考值以及第二评估参考值进行对比，
若所述制孔状态评估值大于所述第一评估参考值，且，所述制孔状态评估值小于所述第二评估参考值，则判定制孔状态为第一制孔状态；
若所述制孔状态评估值大于等于第二评估参考值，则判定制孔状态为第二制孔状态；
若所述制孔状态评估值小于等于第一评估参考值，则判定制孔状态为第三制孔状态。
进一步地，在所述步骤S4中，在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器调整扫描速度，或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器调整输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器的扫描速度的速度调整方式，各所述速度调整方式对扫描速度的调整量不同；
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器的输出功率的功率调整方式，各所述功率调整方式对输出功率的调整量不同。
进一步地，本发明还提供一种用于航空复合材料的激光制孔开口装置，包括：
底盘，其包括工作台以及设置在所述工作台下方的万向轮，以使所述万向轮带动所述工作台移动；
支撑单元，包括设置在所述工作台上的固定杆以及与所述固定杆活动连接的高度调节支架，以使所述高度调节支架沿所述固定杆移动，调整所述高度调节支架与所述工作台的距离；
激光制孔单元，其包括与所述高度调节支架连接的伸缩支臂以及设置在所述伸缩支臂上的脉冲激光器和三维动态聚焦振镜，以使所述伸缩支臂带动所述脉冲激光器和三维动态聚焦振镜移动至不同位置，所述脉冲激光器用以输出不同功率的激光，所述三维动态聚焦振镜用以改变所述脉冲激光器输出的光束的方向；
采集模组，其包括与所述脉冲激光器外壳连接的，用以对制孔区域的材料表面进行测距以及对所述制孔区域表面平整度进行检测的测距单元以及设置在所述伸缩支臂一端用以实时采集所述制孔区域的当前温度的温度采集单元；
吹气单元，其设置在所述伸缩支臂的一端，包括用以在制孔过程中清理残渣以及对制孔区域进行降温的吹气嘴以及与所述吹气嘴连接用以向所述吹气嘴供气的气管；
上位机，其分别与所述采集模组、支撑单元以及激光制孔单元连接，用以接收所述采集模组所采集的数据以及控制所述支撑单元和激光制孔单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过构建材料表面的三维模型，基于制孔区域的区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器的输出光束进行角度调整，通过预制孔计算材料特征系数，并基于材料特征系数控制脉冲激光器的初始输出功率，制孔过程中基于制孔区域的当前温度以及表面平整度计算制孔状态评估值，判定制孔状态，并基于不同的制孔状态控制脉冲激光器以不同的调整方式进行工作，进而，实现了适应性调整制孔方向、对激光初始输出功率根据不同材料的特征进行适应性的调整以及对制孔区域内材料温度的严格控制，提高了制孔质量以及复合材料的耐久性。
尤其，本发明通过对制孔区域的三维坐标采集，确定制孔区域的法向，在实际情况中，由于材料表面是曲面，无法准确地确定制孔区域的法向，通过基于制孔区域划定虚拟参照区域，将虚拟参照区域的四个顶点划分为两组，根据三个点组成一个面的原理划分虚拟参照区域的两个平面，将两个平面的法向叠加确定制孔区域这个曲面的法向更加准确且简便，本发明通过确定制孔区域的法向，进而，更加直观地判断制孔方向与材料表面的偏差角，避免了歪孔以及偏孔的产生，提高了制孔质量。
尤其，本发明通过获取制孔区域的区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器进行角度调整，在实际情况中，当激光光束中心线与制孔区域的区域法向之间的偏差角超过偏差允许的情况下，在材料上的制孔可能产生偏孔或者歪孔，还会影响之后铆接部件的牢固程度，本发明通过预设的偏差角阈值来判定是否需要对脉冲激光器进行角度调整，进而，提高了制孔质量。
尤其，本发明通过预制孔过程中的温度变化量以及扫描深度计算材料特征系数，在实际情况中，预制孔过程中温度变化量越大表征材料的导热性能越强，越容易形成热影响区域等不利影响，扫描深度越深表征材料的硬度越小，当前输出功率的激光越容易对材料产生过度熔融，本发明通过对预制孔过程中温度变化量以及扫描深度计算材料特征系数，进而，更加直观地表征材料的耐受温度以及硬度特征。
尤其，本发明通过材料特征系数控制脉冲激光器的初始输出功率，在实际情况中，材料的导热性能越强以及单次扫描深度越深，表征材料越容易熔融，激光的输出功率需要适应性的调小，本发明将所述材料特征系数与预设的第一对比系数以及第二对比系数进行对比确定不同功率大小的初始输出功率等级，进而，实现了对激光初始输出功率根据不同材料的特征进行适应性的调整。
尤其，本发明在制孔过程中基于当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值，判定制孔状态，在实际情况中，制孔区域温度的上升会导致热影响区域产生，影响复合材料的耐久性，制孔区域表面平整度会影响脉冲激光器的激光聚焦，制孔区域表面平整度越差越易使制孔出现毛刺等不良现象，本发明通过当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值来表征制孔过程中温度以及平整度的综合状态，进而，更加直观地将制孔过程状态进行数据化表征，减小制孔过程中热影响区域造成的不利影响。
尤其，本发明在不同的制孔状态控制所述脉冲激光器以不同的调整方式进行工作，在实际情况中，在制孔状态较差时，可以通过降低制孔过程中脉冲激光器的扫描速度保证制孔质量，在制孔状态特别差时，降低制孔过程中激光扫描单元的扫描速度不足以提升激光制孔质量，需要减小脉冲激光器的输出功率来提升激光制孔质量，进而，尽可能保证制孔效率的前提下，在制孔过程中对制孔区域内根据材料的温度以及制孔区域平整度适应性地调整脉冲激光器的工作模式。
附图说明
图1为发明实施例的用于航空复合材料的激光制孔开口方法步骤图；
图2为本发明实施例的虚拟参照区域示意图；
图3为本发明实施例的用于航空复合材料的激光制孔开口装置的结构示意图；
图中，1：工作台，2：万向轮，3：高度调节支架，4：伸缩支臂，5：脉冲激光器，6：三维动态聚焦振镜，7：测距单元，8：温度采集单元，9：吹气嘴，10：气管，11：第一对角线，12：第二对角线。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为发明实施例的用于航空复合材料的激光制孔开口方法步骤图，本发明的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，包括：
步骤S1，获取材料表面制孔区域的点云数据，基于所述点云数据构建所述材料表面制孔区域的三维模型；
步骤S2，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器5输出的光束进行角度调整；
步骤S3，对所述制孔区域进行预制孔，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器5对材料的扫描深度计算材料特征系数，并基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器5的初始输出功率，所述预制孔包括控制脉冲激光器5开启激光在制孔区域内扫描预定距离；
步骤S4，控制所述脉冲激光器5以所述初始输出功率对所述制孔区域进行扫描，直至制孔区域形成通孔，其中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值，并基于所述制孔状态评估值判定制孔状态；
并基于不同的所述制孔状态控制所述脉冲激光器5以不同的工作方式进行工作，包括，
在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器5调整扫描速度；
或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器5调整输出功率。
具体而言，请参阅图2所示，其为本发明实施例的虚拟参照区域示意图，在所述步骤S2中，还包括确定材料表面的虚拟参照区域，其中，
以制孔区域圆心为基准构建一矩形区域，以使所述制孔区域内切于所述矩形区域的各边，将所述矩形区域确定为所述虚拟参照区域。
具体而言，对于扫描的方式，可控制激光脉冲器在制孔区域内移动实现扫描动作，此处不再赘述。
具体而言，在所述步骤S2中，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，其中，
获取所述虚拟参照区域各顶点的三维坐标，基于所述虚拟参照区域中的第一对角线11上两端的顶点a和c以及第二对角线12上的第一顶点b构建制孔区域第一平面，基于所述虚拟参照区域中第一对角线11上两端的顶点a和c以及第二对角线12上的第二顶点d构建制孔区域第二平面，将所述制孔区域第一平面的第一法向与所述制孔区域第二平面的第二法向叠加确定所述制孔区域的区域法向。
具体而言，本发明通过对制孔区域的三维坐标采集，确定制孔区域的法向，在实际情况中，由于材料表面是曲面，无法准确地确定制孔区域的法向，通过基于制孔区域划定虚拟参照区域，将虚拟参照区域的四个顶点划分为两组，根据三个点组成一个面的原理划分虚拟参照区域的两个平面，将两个平面的法向叠加确定制孔区域这个曲面的法向更加准确且简便，本发明通过确定制孔区域的法向，进而，更加直观地判断制孔方向与材料表面的偏差角，避免了歪孔以及偏孔的产生，提高了制孔质量。
具体而言，在所述步骤S2中，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器5输出的光束进行角度调整，其中，
将所述偏差角β与预设的偏差角阈值β0进行对比，
若所述偏差角β小于等于所述偏差角阈值β0，则判定不需要对脉冲激光器5输出的光束进行角度调整；
若所述偏差角β大于所述偏差角阈值β0，则判定需要对脉冲激光器5输出的光束进行角度调整；
其中，预设的偏差角阈值β0的取值区间为[10,15]，区间单位为度。
尤其，本发明通过获取制孔区域的区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器5进行角度调整，在实际情况中，当激光光束中心线与制孔区域的区域法向之间的偏差角超过偏差允许的情况下，在材料上的制孔可能产生偏孔或者歪孔，还会影响之后铆接部件的牢固程度，本发明通过预设的偏差角阈值来判定是否需要对脉冲激光器5进行角度调整，进而，提高了制孔质量。
在本实施例中，进行角度调整时，尽可能调整脉冲激光器与区域法向的偏差角小于偏差角阈值。
具体而言，在所述步骤S3中，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器5对材料的扫描深度计算材料特征系数，
(1)
公式(1)中，E为材料特征系数，T为温度变化量，/>T0为设定的温度变化参考量，/>H为扫描深度，/>H0为设定的扫描参考深度；
其中，T0与/>H0预先基于测定所得，获取若干次对同种材料进行预制孔过程中的温度变化平均量和扫描深度平均值，将所述预设时间内温度变化平均量确定为设定的温度变化参考量/>T0，将扫描深度平均值确定为扫描参考深度/>H0。
具体而言，本发明通过预制孔过程中的温度变化量以及扫描深度计算材料特征系数，在实际情况中，预制孔过程中温度变化量越大表征材料的导热性能越强，越容易形成热影响区域等不利影响，扫描深度越深表征材料的硬度越小，当前输出功率的激光越容易对材料产生过度熔融，本发明通过对预制孔过程中温度变化量以及扫描深度计算材料特征系数，进而，更加直观地表征材料的耐受温度以及硬度特征。
具体而言，在所述步骤S3中，基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器5的初始输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设定有若干基于所述材料特征系数确定所述初始输出功率的功率确定方式，各所述功率确定方式所确定的初始输出功率不同。
具体而言，在本实施例中，设定至少三种基于所述材料特征系数E确定所述脉冲激光器5的初始输出功率的功率确定方式，其中，将所述材料特征系数E与预设的第一对比系数E1以及第二对比系数E2进行对比，
若E≤E1，则确定所述脉冲激光器5的初始输出功率的功率确定方式为第一功率确定方式Ka；
若E1＜E＜E2，则确定所述脉冲激光器5的初始输出功率的功率确定方式为第二功率确定方式Kb；
若E≥E2，则确定所述脉冲激光器5的初始输出功率的功率确定方式为第三功率确定方式Kc；
其中，在本实施例中，为使得第一对比系数E1以及第二对比系数E2能够区分所述材料的本身特征，可以使2.5≤E1＜E2≤3.5，同样的，为使得不同功率确定方式的输出功率有差别，并避免差别过大导致扫描差异过大，在本实施例中，350w≤Kc＜Kb＜Ka≤500w。
具体而言，本发明通过材料特征系数控制脉冲激光器5的初始输出功率，在实际情况中，材料的导热性能越强以及单次扫描深度越深，表征材料越容易熔融，激光的输出功率需要适应性的调小，本发明将所述材料特征系数与预设的第一对比系数以及第二对比系数进行对比确定不同功率大小的初始输出功率等级，进而，实现了对激光初始输出功率根据不同材料的特征进行适应性的调整。
具体而言，在所述步骤S4中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度按公式(2)计算制孔状态评估值，
(2)
公式(2)中，P为制孔状态评估值，T为当前温度，T0为材料的初始温度，Ra为制孔区域表面平整度，为设定的制孔区域表面平整度参考值；
其中，材料的初始温度T0是在对制孔区域扫描前测量所得，制孔区域表面平整度参考值预先基于测定所得，获取若干次同种材料的表面平整度平均值，将所述表面平整度平均值确定为制孔区域表面平整度参考值/>。
具体而言，在所述步骤S4中，基于所述制孔状态评估值判定制孔状态，其中，
将所述制孔状态评估值P与预设的第一评估参考值P1以及第二评估参考值P2进行对比，
若所述制孔状态评估值P大于所述第一评估参考值P1，且，所述制孔状态评估值P小于所述第二评估参考值P2，则判定制孔状态为第一制孔状态；
若所述制孔状态评估值P大于等于第二评估参考值P2，则判定制孔状态为第二制孔状态；
若所述制孔状态评估值P小于等于第一评估参考值P1，则判定制孔状态为第三制孔状态；
其中，在本实施例中，为使得第一评估参考值P1以及第二评估参考值P2能够区分制孔过程中的状态变化，可以使2.5≤P1＜P2≤3.2。
具体而言，本发明在制孔过程中基于当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值，判定制孔状态，在实际情况中，制孔区域温度的上升会导致热影响区域产生，影响复合材料的耐久性，制孔区域表面平整度会影响脉冲激光器5的激光聚焦，制孔区域表面平整度越差越易使制孔出现毛刺等不良现象，本发明通过当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值来表征制孔过程中温度以及平整度的综合状态，进而，更加直观地将制孔过程状态进行数据化表征，减小制孔过程中热影响区域造成的不利影响。
具体而言，在所述步骤S4中，在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器5调整扫描速度，或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器5调整输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器5的扫描速度的速度调整方式，各所述速度调整方式对扫描速度的调整量不同；
具体而言，在本实施例中，设定至少两种基于所述制孔状态评估值P对所述脉冲激光器5的扫描速度的速度调整方式，其中，将所述制孔状态评估值P与预设的第一制孔状态参考值Pa进行对比，
若P≤Pa，则确定所述脉冲激光器5的扫描速度的速度调整方式为第一速度调整方式，所述第一速度调整方式为将所述脉冲激光器5的扫描速度调整至第一扫描速度V1，设定V1=V0－v1；
若P＞Pa，则确定所述脉冲激光器5的扫描速度的速度调整方式为第二速度调整方式，所述第二速度调整方式为将所述脉冲激光器5的扫描速度调整至第二扫描速度V2，设定V2=V0－v2；
其中，V0表示所述脉冲激光器5的初始扫描速度，v1表示第一扫描速度调整量，v2表示第二扫描速度调整量，在本实施例中，为使得第一制孔状态参考值Pa能够区分制孔过程中的状态变化程度，可以使2.5≤P1＜Pa＜P2≤3.2，同样的，为使得调整有效，并避免调整量过大，在本实施例中，0.1V0≤/>v1＜/>v2＜0.5V0。
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器5的输出功率的功率调整方式，各所述功率调整方式对输出功率的调整量不同；
具体而言，在本实施例中，设定至少两种基于所述制孔状态评估值P对所述脉冲激光器5的输出功率的功率调整方式，其中，将所述制孔状态评估值P与预设的第二制孔状态参考值Pb进行对比，
若P≤Pb，则确定所述脉冲激光器5的输出功率的功率调整方式为第一功率调整方式，所述第一功率调整方式为将所述脉冲激光器5的输出功率调整至第一输出功率K1，设定K1=K0－k1；
若P＞Pb，则确定所述脉冲激光器5的输出功率的功率调整方式为第二功率调整方式，所述第二功率调整方式为将所述脉冲激光器5的输出功率调整至第二输出功率K2，设定K2=K0－k2；
其中，K0表示所述脉冲激光器5的初始输出功率，所述K0的值为Ka、Kb或Kc中的任一数值，k1表示第一输出功率调整量，/>k2表示第二输出功率调整量，在本实施例中，为使得第二制孔状态参考值Pb能够区分制孔过程中的状态变化程度，可以使P2≤Pb，同样的，为使得调整有效，并避免调整量过大，在本实施例中，0.1K0≤/>k1＜/>k2≤0.25K0。
具体而言，本发明在不同的制孔状态控制所述脉冲激光器5以不同的调整方式进行工作，在实际情况中，在制孔状态较差时，可以通过降低制孔过程中脉冲激光器5的扫描速度保证制孔质量，在制孔状态特别差时，降低制孔过程中激光扫描单元的扫描速度不足以提升激光制孔质量，需要减小脉冲激光器5的输出功率来提升激光制孔质量，进而，尽可能保证制孔效率的前提下，在制孔过程中对制孔区域内根据材料的温度以及制孔区域平整度适应性地调整脉冲激光器5的工作模式。
具体而言，请参阅图3所示，其为本发明实施例的用于航空复合材料的激光制孔开口装置的结构示意图，包括：
底盘，其包括工作台1以及设置在所述工作台1下方的万向轮2，以使所述万向轮2带动所述工作台1移动；
支撑单元，包括设置在所述工作台1上的固定杆以及与所述固定杆活动连接的高度调节支架3，以使所述高度调节支架3沿所述固定杆移动，调整所述高度调节支架3与所述工作台1的距离；
激光制孔单元，其包括与所述高度调节支架3连接的伸缩支臂4以及设置在所述伸缩支臂4上的脉冲激光器5和三维动态聚焦振镜6，以使所述伸缩支臂4带动所述脉冲激光器5和三维动态聚焦振镜6移动至不同位置，所述脉冲激光器5用以输出不同功率的激光，所述三维动态聚焦振镜6用以改变所述脉冲激光器5输出的光束的方向；
采集模组，其包括与所述脉冲激光器5外壳连接的，用以对制孔区域的材料表面进行测距以及对所述制孔区域表面平整度进行检测的测距单元7以及设置在所述伸缩支臂4一端用以实时采集所述制孔区域的当前温度的温度采集单元8；
吹气单元，其设置在所述伸缩支臂4的一端，包括用以在制孔过程中清理残渣以及对制孔区域进行降温的吹气嘴9以及与所述吹气嘴9连接用以向所述吹气嘴9供气的气管10；
上位机，其分别与所述采集模组、支撑单元以及激光制孔单元连接，用以接收所述采集模组所采集的数据以及控制所述支撑单元和激光制孔单元。
具体而言，本发明对所述伸缩支臂4的具体结构不做限定，作为具体可实施的方式，优选的，所述伸缩支臂4可以由丝杠光杠结构和液压结构组成，丝杠光杠结构用以限定位移距离，液压结构用以进行预设方向和范围的位移，当然伸缩支臂也可以是一个多关节多自由度的机械臂，此为现有技术，此处不再赘述。
具体而言，本发明对所述脉冲激光器5的具体结构不做限定，作为具体可实施的方式，优选的，所述脉冲激光器5选用脉冲激光为500瓦光纤MOPA激光，此为现有技术，此处不再赘述。
具体而言，本发明对所述测距单元7的具体结构不做限定，作为具体可实施的方式，优选的，可以选用激光测距仪对材料表面进行测量，此为本领域技术人员熟知的技术应用。
具体而言，本发明对所述温度采集单元8的具体结构不做限定，作为具体可实施的方式，优选的，可以选用红外温度传感器，此为本领域技术人员熟知的技术应用。
具体而言，对于高度调节支架沿活动杆移动的方式，本发明不做具体限定，在本实施例中，可在固定杆上设置螺杆，在高度调节支架上设置与所述螺杆配合的螺孔，并且使得固定杆穿过高度调节支架上的通孔进行限位实现高度调节支架沿活动杆移动的功能，当然，也可以采用其他形式，此处不再赘述。
具体而言，本发明对所述上位机的具体结构不做限定，其可以为相关算法程序，也可以是微型控制计算机，还可以是集成CPU，此为现有技术，此处不再赘述。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取材料表面制孔区域的点云数据，基于所述点云数据构建所述材料表面制孔区域的三维模型；
步骤S2，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整；
步骤S3，对所述制孔区域进行预制孔，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器对材料的扫描深度计算材料特征系数，并基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器的初始输出功率，所述预制孔包括控制脉冲激光器开启激光在制孔区域内扫描预定距离；
步骤S4，控制所述脉冲激光器以所述初始输出功率对所述制孔区域进行扫描，直至制孔区域形成通孔，其中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度计算制孔状态评估值，并基于所述制孔状态评估值判定制孔状态；
并基于不同的所述制孔状态控制所述脉冲激光器以不同的工作方式进行工作，包括，
在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器调整扫描速度；
或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器调整输出功率。
2.根据权利要求1所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S2中，还包括确定材料表面的虚拟参照区域，其中，
以制孔区域圆心为基准构建一矩形区域，以使所述制孔区域内切于所述矩形区域的各边，将所述矩形区域确定为所述虚拟参照区域。
3.根据权利要求2所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S2中，基于所述三维模型确定制孔区域的区域法向，其中，
获取所述虚拟参照区域各顶点的三维坐标，基于所述虚拟参照区域中的第一对角线上两端的顶点以及第二对角线上的第一顶点构建制孔区域第一平面，基于所述虚拟参照区域中第一对角线上两端的顶点以及第二对角线上的第二顶点构建制孔区域第二平面，将所述制孔区域第一平面的第一法向与所述制孔区域第二平面的第二法向叠加确定所述制孔区域的区域法向。
4.根据权利要求3所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S2中，基于所述区域法向与激光光束中心线的偏差角判定是否需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整，其中，
将所述偏差角与预设的偏差角阈值进行对比，
若所述偏差角小于等于所述偏差角阈值，则判定不需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整；
若所述偏差角大于所述偏差角阈值，则判定需要对脉冲激光器输出的光束进行角度调整。
5.根据权利要求4所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S3中，基于预制孔过程中材料表面的温度变化量以及脉冲激光器对材料的扫描深度计算材料特征系数，
(1)
公式(1)中，E为材料特征系数，T为温度变化量，/>T0为设定的温度变化参考量，/>H为扫描深度，/>H0为设定的扫描参考深度。
6.根据权利要求5所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S3中，基于所述材料特征系数确定所述脉冲激光器的初始输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设定有若干基于所述材料特征系数确定所述初始输出功率的功率确定方式，各所述功率确定方式所确定的初始输出功率不同。
7.根据权利要求1所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S4中，基于实时采集的所述制孔区域的当前温度以及制孔区域表面平整度按公式(2)计算制孔状态评估值，
(2)
公式(2)中，P为制孔状态评估值，T为当前温度，T0为材料的初始温度，Ra为制孔区域表面平整度，为设定的制孔区域表面平整度参考值。
8.根据权利要求7所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S4中，基于所述制孔状态评估值判定制孔状态，其中，
将所述制孔状态评估值与预设的第一评估参考值以及第二评估参考值进行对比，
若所述制孔状态评估值大于所述第一评估参考值，且，所述制孔状态评估值小于所述第二评估参考值，则判定制孔状态为第一制孔状态；
若所述制孔状态评估值大于等于第二评估参考值，则判定制孔状态为第二制孔状态；
若所述制孔状态评估值小于等于第一评估参考值，则判定制孔状态为第三制孔状态。
9.根据权利要求8所述的用于航空复合材料的激光制孔开口方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在第一制孔状态下控制所述脉冲激光器调整扫描速度，或，在第二制孔状态下控制所述脉冲激光器调整输出功率，其中，
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器的扫描速度的速度调整方式，各所述速度调整方式对扫描速度的调整量不同；
所述步骤S3中，预先设有若干基于所述制孔状态评估值调整所述脉冲激光器的输出功率的功率调整方式，各所述功率调整方式对输出功率的调整量不同。
10.一种应用权利要求1-9任一项所述方法的用于航空复合材料的激光制孔开口装置，其特征在于，包括：
底盘，其包括工作台以及设置在所述工作台下方的万向轮，以使所述万向轮带动所述工作台移动；
支撑单元，包括设置在所述工作台上的固定杆以及与所述固定杆活动连接的高度调节支架，以使所述高度调节支架沿所述固定杆移动，调整所述高度调节支架与所述工作台的距离；
激光制孔单元，其包括与所述高度调节支架连接的伸缩支臂以及设置在所述伸缩支臂上的脉冲激光器和三维动态聚焦振镜，以使所述伸缩支臂带动所述脉冲激光器和三维动态聚焦振镜移动至不同位置，所述脉冲激光器用以输出不同功率的激光，所述三维动态聚焦振镜用以改变所述脉冲激光器输出的光束的方向；
采集模组，其包括与所述脉冲激光器外壳连接的，用以对制孔区域的材料表面进行测距以及对所述制孔区域表面平整度进行检测的测距单元以及设置在所述伸缩支臂一端用以实时采集所述制孔区域的当前温度的温度采集单元；
吹气单元，其设置在所述伸缩支臂的一端，包括用以在制孔过程中清理残渣以及对制孔区域进行降温的吹气嘴以及与所述吹气嘴连接用以向所述吹气嘴供气的气管；
上位机，其分别与所述采集模组、支撑单元以及激光制孔单元连接，用以接收所述采集模组所采集的数据以及控制所述支撑单元和激光制孔单元。
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