CN117020398B - 复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法 - Google Patents
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Abstract
复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，采用了一种激光清洗装置，激光清洗装置包括激光清洗加工头，激光清洗加工头上还安装有深度相机；通过深度相机对待清洗工件局部区域成像探测；利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号，得到待清洗工件表面局部区域的具有深度信息的三维信息；结合深度相机解析得到的待清洗工件表面局部区域特征的三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息；调节激光清洗加工头保持与法向量N方向平行和倾斜一定角度。解决了现有激光清洗过程中因各种非规则复杂曲面的清洗角度偏差影响清洗后的质量一致性和工作部件表面质量和表面光洁度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及复杂曲面激光加工技术领域，尤其涉及一种复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法。
背景技术
水电机组中水轮机推力瓦、导叶、转轮叶片等大型非规则复杂曲面形态工作部件属于机组中重要做功部件，其表面质量决定了工作部件的可靠性和服役寿命，当其表面长期附着污染物不清理的话，在长时间高强度工作过程中可能会造成附着污染物对部件本体造成侵蚀、蚀损以及刮擦损伤等破坏性影响降低表面质量，严重的话可能会导致水电机组损坏停机，造成安全事故；而水轮机推力瓦、导叶、转轮叶片等工作部件具备不同的非规则复杂曲面形态，在激光清洗过程中因各种非规则复杂曲面的清洗角度偏差难以保证最佳激光清洗角度，以致较难以保证工作部件清洗后的质量一致性，进而影响工作部件表面质量和表面光洁度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，实现待清洗工件表面是任意非规则复杂曲面形态时，都能自适应保持激光清洗光束入射角度始终垂直于待清洗工件表面或者倾斜一定角度的最佳清洗角度，保证激光清洗效果的一致性和高质量。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，采用了一种激光清洗装置，所述激光清洗装置包括激光清洗加工头，所述激光清洗加工头上还安装有深度相机；复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法包括以下步骤：
S10. 通过深度相机在不同时间窗口采集深度相机主动投射出的光束经过待清洗工件表面反射，并被深度相机接收这个过程来回的飞行时间，实现待清洗工件局部区域成像探测；
S11. 利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号，得到待清洗工件表面局部区域的具有深度信息的三维信息；
S12. 根据曲面上任一点的主曲率方向切向量df(X)与法向量N相互垂直的关系，结合深度相机解析得到的待清洗工件表面局部区域特征的三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息；
S13. 调节激光清洗加工头保持与法向量N方向平行或倾斜一定角度，激光清洗加工头辐照的聚焦光点位于待清洗工件的表面。
所述激光清洗装置还包括激光器，所述激光器通过传输光纤与激光清洗加工头连接，运动机构负载所述激光清洗加工头，并能驱动激光清洗加工头进行三维运动。
对待清洗工件进行激光清洗作业的步骤包括：
S20. 通过深度相机以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准；
S21. 对激光器、激光清洗加工头进行参数设置并模拟运行，深度相机进行测量校准；
S22. 激光清洗加工头进行激光清洗作业，作业过程中，运动机构驱动激光清洗加工头保持与法向量N方向平行或倾斜一定角度。
在S20中，将激光器、激光清洗加工头以及深度相机通电，打开激光器的指示红光，指示红光经过传输光纤和激光清洗加工头辐照输出形成同轴耦合指示光点；深度相机安装在激光清洗加工头前端，通电开启后以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准。
在S21中，在激光器上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数，同步通过激光清洗加工头的控制系统设置激光清洗加工头在区域内激光光斑的扫描速度、扫描线形的尺寸、扫描填充形状、填充密度参数；进行清洗作业前打开激光器的同轴耦合指示光点按设置的参数进行模拟，同步调整深度相机对准指示光点扫描的区域边界范围进行视场范围的测量校准。
在S22中，根据S21设置的参数，打开激光器发出高能激光束经过激光清洗加工头处理后辐照到目标表面选定区域开始进行激光清洗作业，同步启动深度相机开始对被测目标表面选定区域进行成像探测，解析出具有深度信息的三维信息，实时在三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，提取并反馈给运动机构，运动机构负载激光清洗加工头调节角度和姿态，使激光清洗加工头保持与法向量N方向平行或倾斜一定角度。
所述深度相机通过内置的传感器在不同时间窗口采集深度相机主动投射出光束经过被测目标表面反射后被深度相机接收这个过程的来回的飞行时间，一次性实现局部区域成像探测，同时利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号的偏移，当被测目标表面具有三维空间属性时，照射到被测目标表面不同位置区域的光具有不同的飞行时间，深度相机基于时间采集与三维空间尺度表征反馈输出具有深度信息的三维信息。
激光清洗作业完成后观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S21步骤调整激光清洗工艺参数，直至达到清洗效果。
本发明有如下有益效果：
1、本发明相比于现有的保持激光清洗焦平面的方法来说，在激光清洗非规则复杂曲面时，通过CW iTOF深度相机采集投射到被测目标表面后反射回的光子飞行时间计算解析出被测目标表面区域带深度信息的空间三维信息，进而通过追踪方式得到当前被测目标区域法向量N的信息，这种基于时空反馈的方法能实现清洗过程中数据反馈与运动机构的实时衔接与快速调整，避免因信息反馈和调整的延迟而导致激光清洗加工头在某一局部区域出现加减速及停顿导致激光清洗区域边缘处受激光照射的时间变长，存在明显的过烧纹理痕迹，影响工作部件表面清洗质量一致性、表面质量及表面光洁度的问题。
2、本发明的方法可以基于CW iTOF深度相机探测得到的三维信息中主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，也可以通过标定法向量N和主曲率方向切向量df(X)的正交平面的夹角值来调整激光清洗光束入射角度与待清洗目标表面呈一定入射角度，进一步拓宽不同入射角度下激光清洗的工艺应用。
附图说明
图1为本发明流程框图。
图2为本发明的结构示意图。
图中：激光器1，传输光纤2，激光束3，激光清洗加工头4，待清洗工件5，聚焦光点6，激光焦平面7，深度相机8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。
实施例一：
参见图1、2，复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，采用了一种激光清洗装置，激光清洗装置包括激光清洗加工头4，激光清洗加工头4上还安装有深度相机8，深度相机8采用CW iTOF深度相机。
复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法包括以下步骤：
S10. 通过深度相机8在不同时间窗口采集深度相机主动投射出的光束经过待清洗工件5表面反射，并被深度相机接收这个过程来回的飞行时间，实现待清洗工件5局部区域成像探测；
S11. 利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号，得到待清洗工件5表面局部区域的具有深度信息的三维信息；
S12. 根据曲面上任一点的主曲率方向切向量df(X)与法向量N相互垂直的关系，结合深度相机8解析得到的待清洗工件5表面局部区域特征的三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息；
S13. 调节激光清洗加工头4保持与法向量N方向平行，激光清洗加工头4辐照的聚焦光点6位于待清洗工件5的表面。
通过深度相机8内置的传感器在不同时间窗口采集深度相机8主动投射出光束经过待清洗工件5表面反射后，被深度相机8接收这个过程的来回的飞行时间（每个像素点都可以记录光子飞行时间），一次性实现局部区域成像探测，同时利用测相位偏移的方法（发射正弦波/方波与接收正弦波/方波之间相位差，间接测量发射信号和接收信号的时间差）解析出局部区域的正弦相位信号，进而得到被测目标表面局部区域的具有深度信息的三维信息。由于待清洗工件5表面具有三维空间属性，照射到待清洗工件5表面不同位置区域的光具有不同的飞行时间，因此基于时空反馈输出具有深度信息的三维信息。根据曲面上任一点的主曲率方向切向量df(X)与法向量N相互垂直的关系，对于复杂曲面，过曲面上某个点的法线具有无穷个平面，这些平面交曲面能得到无数曲线，因而曲面可以看作是由无数条相同高度的“等高线”组成，在“等高线”上的某一点，曲率最大的方向是与该点切线垂直的方向，曲率最小的方向是与该点法线垂直的方向，而法线与切线是互相垂直的，可以结合深度相机8解析得到的待清洗工件5表面局部区域特征的三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，从而通过控制系统实时反馈调节激光清洗加工头4保持与法向量N方向平行，最终实现激光束3入射角度始终垂直于待清洗目标表面，保持最佳激光清洗角度姿态下的清洗效果，解决在现有激光清洗过程中因各种非规则复杂曲面的清洗角度偏差影响清洗后的质量一致性和工作部件表面质量和表面光洁度的问题。
实施例二：
参见图2，激光清洗装置还包括激光器1，激光器1通过传输光纤2与激光清洗加工头4连接，运动机构负载所述激光清洗加工头4，并能驱动激光清洗加工头4进行三维运动。
对待清洗工件5进行激光清洗作业的步骤包括：
S20. 通过深度相机8以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准；
S21. 对激光器1、激光清洗加工头4进行参数设置并模拟运行，深度相机8进行测量校准；
S22. 激光清洗加工头4进行激光清洗作业，作业过程中，运动机构驱动激光清洗加工头4保持与法向量N方向平行。
在S20中，将激光器1、激光清洗加工头4以及深度相机8通电，打开激光器1的指示红光，指示红光经过传输光纤2和激光清洗加工头4辐照输出形成同轴耦合指示光点；深度相机8安装在激光清洗加工头4前端，通电开启后以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准。
在S21中，在激光器1上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数，同步通过激光清洗加工头4的控制系统设置激光清洗加工头4在区域内激光光斑的扫描速度、扫描线形的尺寸、扫描填充形状、填充密度参数；进行清洗作业前打开激光器1的同轴耦合指示光点按设置的参数进行模拟，同步调整深度相机8对准指示光点扫描的区域边界范围进行视场范围的测量校准。
在S22中，根据S21设置的参数，打开激光器1发出高能激光束经过激光清洗加工头4处理后辐照到待清洗工件5表面选定区域开始进行激光清洗作业，同步启动深度相机8开始对被测目标表面选定区域进行成像探测，解析出具有深度信息的三维信息，实时在三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，提取并反馈给运动机构，运动机构负载激光清洗加工头4调节角度和姿态，使激光清洗加工头4保持与法向量N方向平行。待清洗工件5表面是任意非规则复杂曲面形态时，都能自适应保持激光束3入射角度始终垂直于待清洗工件5表面。
激光清洗时由激光器1通过传输光纤2将激光束3传输到激光清洗加工头4内，激光束3在激光清洗加工头4中依次在准直光学镜进行激光光束准直，准直光束再经由振镜中X方向扫描光学镜及Y方向扫描光学镜进行平面X-Y方向的扫描填充，最后由F-Theta场镜将激光束3辐照输出聚焦在待清洗工件5表面，形成具有高能量密度的聚焦光点6，同步通过设置振镜中X方向扫描光学镜及Y方向扫描光学镜的偏摆角度实现聚焦光点6在激光焦平面7上X-Y方向任意图形的扫描填充。
当待清洗工件5表面是非规则复杂曲面时，激光清洗过程中需实时通过CW iTOF深度相机采集投射到待清洗工件5表面后反射回的光子飞行时间来计算解析出被测工件表面区域带深度信息的空间三维信息，进一步通过提取当前被测区域的主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，更进一步通过控制系统实时反馈调节激光清洗加工头4保持与法向量N方向平行，保持垂直于工件表面的激光清洗角度姿态下的最佳清洗效果。
具体的，运动机构可采用协作机械臂。
具体的，深度相机8通过内置的传感器在不同时间窗口采集深度相机8主动投射出光束经过被测目标表面反射后被深度相机8接收这个过程的来回的飞行时间，一次性实现局部区域成像探测，同时利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号的偏移，当被测目标表面具有三维空间属性时，照射到被测目标表面不同位置区域的光具有不同的飞行时间，深度相机8基于时间采集与三维空间尺度表征反馈输出具有深度信息的三维信息。
进一步地，激光清洗作业完成后观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S21步骤调整激光清洗工艺参数，直至达到清洗效果。
实施例三：
参见图2，通过CW iTOF深度相机8探测得到被测区域的主曲率方向切向量df(X)的信息并反向追踪得到法向量N的信息，进一步结合上述法线与切线互相垂直的推导结论，将激光清洗光束入射角度从平行于法向量N方向调整为与法向量N方向呈θ夹角，最终达到激光清洗非规则复杂曲面表面的自动寻矢并自适应控制激光清洗光束入射角度始终与待清洗目标表面呈90-θ的夹角，保持与工件表面呈一定夹角的激光清洗角度姿态下的最佳清洗效果，进一步拓宽不同入射角度下激光清洗的工艺应用。
Claims (8)
1.复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，采用了一种激光清洗装置，所述激光清洗装置包括激光清洗加工头（4），其特征在于：所述激光清洗加工头（4）上还安装有深度相机（8）；复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法包括以下步骤：
S10. 通过深度相机（8）在不同时间窗口采集深度相机主动投射出的光束经过待清洗工件（5）表面反射，并被深度相机接收这个过程来回的飞行时间，实现待清洗工件（5）局部区域成像探测；
S11. 利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号，得到待清洗工件（5）表面局部区域的具有深度信息的三维信息；
S12. 根据曲面上任一点的主曲率方向切向量df(X)与法向量N相互垂直的关系，结合深度相机解析得到的待清洗工件（5）表面局部区域特征的三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息；
S13. 调节激光清洗加工头（4）保持与法向量N的方向平行或倾斜一定角度，激光清洗加工头（4）辐照的聚焦光点（6）位于待清洗工件（5）的表面。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：所述激光清洗装置还包括激光器（1），所述激光器（1）通过传输光纤（2）与激光清洗加工头（4）连接，运动机构负载所述激光清洗加工头（4），并能驱动激光清洗加工头（4）进行三维运动。
3.根据权利要求2所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：对待清洗工件（5）进行激光清洗作业的步骤包括：
S20. 通过深度相机（8）以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准；
S21. 对激光器（1）、激光清洗加工头（4）进行参数设置并模拟运行，深度相机（8）进行测量校准；
S22. 激光清洗加工头（4）进行激光清洗作业，作业过程中，运动机构驱动激光清洗加工头（4）保持与法向量N方向平行或倾斜一定角度。
4.根据权利要求3所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：在S20中，将激光器（1）、激光清洗加工头（4）以及深度相机（8）通电，打开激光器（1）的指示红光，指示红光经过传输光纤（2）和激光清洗加工头（4）辐照输出形成同轴耦合指示光点；深度相机（8）安装在激光清洗加工头（4）前端，通电开启后以同轴耦合指示光点为局部测量区域的中心点进行校准。
5.根据权利要求3所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：在S21中，在激光器（1）上设置激光清洗所需的激光功率、脉冲宽度、重复频率参数，同步通过激光清洗加工头（4）的控制系统设置激光清洗加工头（4）在区域内激光光斑的扫描速度、扫描线形的尺寸、扫描填充形状、填充密度参数；进行清洗作业前打开激光器（1）的同轴耦合指示光点按设置的参数进行模拟，同步调整深度相机（8）对准指示光点扫描的区域边界范围进行视场范围的测量校准。
6.根据权利要求3所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：在S22中，根据S21设置的参数，打开激光器（1）发出高能激光束经过激光清洗加工头（4）处理后辐照到目标表面选定区域开始进行激光清洗作业，同步启动深度相机（8）开始对被测目标表面选定区域进行成像探测，解析出具有深度信息的三维信息，实时在三维信息中基于主曲率方向切向量df(X)的信息反向追踪得到法向量N的信息，提取并反馈给运动机构，运动机构负载激光清洗加工头（4）调节角度和姿态，使激光清洗加工头（4）保持与法向量N方向平行或倾斜一定角度。
7.根据权利要求1或6所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：所述深度相机（8）通过内置的传感器在不同时间窗口采集深度相机（8）主动投射出光束经过被测目标表面反射后被深度相机（8）接收这个过程的来回的飞行时间，一次性实现局部区域成像探测，同时利用测相位偏移的方法解析出局部区域的正弦相位信号的偏移，当被测目标表面具有三维空间属性时，照射到被测目标表面不同位置区域的光具有不同的飞行时间，深度相机（8）基于时间采集与三维空间尺度表征反馈输出具有深度信息的三维信息。
8.根据权利要求3所述的复杂曲面法曲率追踪寻矢自适应控制激光束入射角的方法，其特征在于：激光清洗作业完成后观察所清洗区域的清洗效果，如果未能达到理想清洗效果，则重复S21步骤调整激光清洗工艺参数，直至达到清洗效果。
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