CN117245250B - 一种水导激光加工的声学监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水导激光加工技术领域,涉及一种水导激光加工的声学监测装置及监测方法，包括：水导激光加工设备以及声学传感器、信号放大器、控制系统，通过采集数据、提取特征、加工监测、反馈调整四个步骤进行水导激光加工监测；本发明通过采用声学传感器采集水导激光的激光水射流加工时的声音信号，并在消除背景噪音后与非加工状态的脉冲作用声信号与水射流作用声信号进行对比，从而识别水导激光当前的实时加工状态并进行反馈，进而调整水导激光的加工参数取得更好的加工效果；因此，本发明能够不受水雾干扰影响，实现高效，精确的加工监测，进行加工参数调整，提高水导激光的加工速度，保障加工质量。
Description
技术领域
本发明属于水导激光加工技术领域，涉及一种水导激光加工的声学监测装置及监测方法。
背景技术
激光加工技术在现代制造业中扮演着至关重要的角色。激光加工是一种高精度、高效率的工艺，被广泛用于切割、焊接、打标和表面处理等应用。水导激光加工利用水射流导引激光束，以减少热影响区域和提高切割质量，已经成为制造业中的一项重要工艺。
然而，激光加工过程中需要严格监测和控制各种参数，以确保最佳的加工质量和高效率。传统的监测方法通常包括光学监测系统：通过对加工中产生的各种光信号进行分析进行监测；视觉检测系统：使用CCD相机，实时获取加工部分图像，得到加工零件表面信息等。但由于水导激光在加工过程中会产生大量水雾，这些水雾会在激光焦点附近产生散射，干扰传统的光学监测系统，降低了监测精度和可靠性；视觉检测系统也受到水雾的影响，使其难以获得清晰的加工区域图像，从而影响加工质量的实时评估。尽管通过水雾抑制技术或特殊光学设计来减轻光学监测系统及视觉检测系统受到的水雾干扰，但这不能从根本解决问题，水雾依旧会影响光学传感器的性能以及干扰CCD相机实时获取加工图像。而且光学检测系统的搭建和调试较复杂，使用和维护成本较高，难以在工业上大规模应用。
因此，需要一种新的水导激光加工监测系统和方法，能够在水导激光加工中克服水雾干扰，实现高精度和可靠的参数监测。
发明内容
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种水导激光加工的声学监测装置，包括：激光器、光学系统、镜片、耦合系统，激光器用于发射激光，光学系统用于将激光器发射的激光汇聚，镜片用于将光学系统汇聚的激光折射或反射，耦合系统用于将镜片折射或反射的汇聚激光与水流合成为激光水射流后发射至待加工工件的待加工部位；激光器光路连接光学系统，光学系统光路连接镜片，镜片光路连接耦合系统，耦合系统的激光水射流喷口正对待加工工件；
待加工工件固定放置在工作台上，待加工工件旁还设置有声学传感器，声学传感器电连接有信号放大器，信号放大器电连接至控制系统；声学传感器的监测目标包括：环境噪声、气流与工件作用声、水射流与工件作用声、激光脉冲作用声，信号放大器用于将声学传感器实时监测到的声音信号放大后传输至控制系统，控制系统用于将收到的声音信号分析、处理后进行反馈；通过声学传感器收集声信号，经过信号放大器放大后传输至控制系统，控制系统对声信号处理分析，反馈调整加工参数，提高加工效率，从而避免了水导激光加工过程中的水雾对监测装置产生影响。
优选的，所述镜片为反射镜。
优选的，所述控制系统电连接至激光器、光学系统、耦合系统，控制系统根据声音信号分析、处理结果实时控制激光器、光学系统、耦合系统从而调整激光水射流的高度、速度、功率；控制系统根据信号分析反馈结果实时调整激光器的发射功率、光学系统的激光汇聚参数、耦合系统的激光水射流耦合时的各项参数，从而实时调照射到待加工工件的加工部位的整激光水射流的高度、速度、功率等参数，从而实现激光水射流的闭环监控加工。
本申请还公开一种水导激光加工的声学监测方法，所述声学监测方法采用上述的水导激光加工的声学监测装置，声学监测方法包括如下步骤：
步骤S1：采集数据：针对待加工工件，利用声学传感器在未加工的状态下，采集水导激光加工设备产生的环境噪声作为背景噪声，采集仅气流与工件作用的声信号、仅水射流与工件作用的声信号；
步骤S2：提取特征：对步骤S1采集到声信号去噪后进行傅里叶变换，提取每一种声信号对应的频率范围；
步骤S3：加工监测：对待加工工件开始加工，实时采集加工时的声信号，对采集到的声信号进行小波去噪，而后结合步骤S2提取到的频率信息，以背景噪声频率范围为目标进行带阻滤波，得到只含脉冲作用声信号与水射流作用声信号并对其进行频率分析，将步骤S2中提取的仅水射流与工件作用的声信号频率进行匹配，得到当前脉冲作用声的信号频率及幅度；每隔1个单位时间计算当前脉冲作用声与水流作用声在整个信号中的能量占比，若水流作用声能量占比大于脉冲作用声能量占比超过20个单位时间，则反馈需要调整的加工参数；
步骤S4：反馈调整：根据反馈数据，实时人工或自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率。
优选的，所述步骤S1中，水导激光加工设备产生的环境噪声包括：水冷机、恒温空调产生的环境噪声。
优选的，所述步骤S3中，若水流作用声频率消失，则代表喷口损坏，没有稳定的水射流到达工件表面，需要更换喷口。
优选的，所述步骤S3中，单位时间包括：秒、毫秒以及毫秒的整数倍时间段；单位时间可根据待加工工件的加工精度需求进行设置，单位时间越小，加工精度越高，同时更高的灵敏度对激光加工设备及监测设备的要求也就越高。
优选的，所述步骤S4中，自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率方式包括：通过控制系统实时直接控制激光器、光学系统、耦合系统。本发明的有益效果是：
本发明通过采用声学传感器采集水导激光的激光水射流加工时的声音信号，并在消除背景噪音后与非加工状态的脉冲作用声信号与水射流作用声信号进行对比，从而识别水导激光当前的实时加工状态并进行反馈，进而调整水导激光的加工参数取得更好的加工效果；因此，本发明能够不受水雾干扰影响，实现高效，精确的加工监测，进行加工参数调整，提高水导激光的加工速度，保障加工质量。
附图说明
图1是一种水导激光加工的声学监测装置及监测方法的装置示意图；
图2是监测方法流程示意图。
其中，1、激光器；2、光学系统；3、镜片；4、耦合系统；5、待加工工件；6、工作台；7、声学传感器；8、信号放大器；9、控制系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
参考图1-2，一种水导激光加工的声学监测装置，包括：激光器1、光学系统2、镜片3、耦合系统4，激光器1用于发射激光，光学系统2用于将激光器1发射的激光汇聚，镜片3用于将光学系统2汇聚的激光折射或反射，耦合系统4用于将镜片3折射或反射的汇聚激光与水流合成为激光水射流后发射至待加工工件5的待加工部位；激光器1光路连接光学系统2，光学系统2光路连接镜片3，镜片3光路连接耦合系统4，耦合系统4的激光水射流喷口正对待加工工件5；
待加工工件5固定放置在工作台6上，待加工工件5旁还设置有声学传感器7，声学传感器7电连接有信号放大器8，信号放大器8电连接至控制系统9；声学传感器7的监测目标包括：环境噪声、气流与工件作用声、水射流与工件作用声、激光脉冲作用声，信号放大器8用于将声学传感器7实时监测到的声音信号放大后传输至控制系统9，控制系统9用于将收到的声音信号分析、处理后进行反馈；通过声学传感器7收集声信号，经过信号放大器8放大后传输至控制系统9，控制系统9对声信号处理分析，反馈调整加工参数，提高加工效率，从而避免了水导激光加工过程中的水雾对监测装置产生影响。
进一步的，所述镜片3为反射镜。
进一步的，所述控制系统9电连接至激光器1、光学系统2、耦合系统4，控制系统9根据声音信号分析、处理结果实时控制激光器1、光学系统2、耦合系统4从而调整激光水射流的高度、速度、功率；控制系统9根据信号分析反馈结果实时调整激光器1的发射功率、光学系统2的激光汇聚参数、耦合系统4的激光水射流耦合时的各项参数，从而实时调照射到待加工工件5的加工部位的整激光水射流的高度、速度、功率等参数，从而实现激光水射流的闭环监控加工。
本申请还公开一种水导激光加工的声学监测方法，所述声学监测方法采用上述的水导激光加工的声学监测装置，声学监测方法包括如下步骤：
步骤S1：采集数据：针对待加工工件5，利用声学传感器7在未加工的状态下，采集水导激光加工设备产生的环境噪声作为背景噪声，采集仅气流与工件作用的声信号、仅水射流与工件作用的声信号；
步骤S2：提取特征：对采集到声信号去噪后进行傅里叶变换，提取每一种声信号对应的频率范围；
步骤S3：加工监测：对待加工工件5开始加工，实时采集加工时的声信号，对采集到的声信号进行小波去噪，而后结合步骤S2提取到的频率信息，以背景噪声频率范围为目标进行带阻滤波，得到只含脉冲作用声信号与水射流作用声信号并对其进行频率分析，将步骤S2中提取的仅水射流与工件作用的声信号频率进行匹配，得到当前脉冲作用声的信号频率及幅度；每隔1个单位时间计算当前脉冲作用声与水流作用声在整个信号中的能量占比，若水流作用声能量占比脉冲作用声能量占比大于超过20个单位时间，则反馈需要调整的加工参数；
步骤S4：反馈调整：根据反馈数据，实时人工或自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率。
进一步的，所述步骤S1中，水导激光加工设备产生的环境噪声包括：水冷机、恒温空调产生的环境噪声。
进一步的，所述步骤S3中，若水流作用声频率消失，则代表喷口损坏，没有稳定的水射流到达工件表面，需要更换喷口。
进一步的，所述步骤S3中，单位时间包括：秒、毫秒以及毫秒的整数倍时间段；单位时间可根据待加工工件5的加工精度需求进行设置，单位时间越小，加工精度越高，同时更高的灵敏度对激光加工设备及监测设备的要求也就越高。
进一步的，所述步骤S4中，自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率方式包括：通过控制系统9实时直接控制激光器1、光学系统2、耦合系统4。
实施例
水导激光加工过程可以分为以下4个过程：1、水射流作用在工件表面，对材料进行加热；2、功率密度达到一定，材料开始升温、熔融、气化，最后形成等离子体云；3、等离子体被限制在水层与材料之间；4、脉冲作用结束，高速水射流将熔化、气化产物冲刷去除。在整个加工过程中，会出现激光脉冲能量与物质作用声、气流作用声、高速水射流作用声和其他噪声四种声信号。由于气流作用声与其他噪声受加工影响较小，可以合计视为背景噪声，而脉冲作用声与高速水射流作用声是带有加工信息有用信号。通过对这两个声信号的分析，可以得到当前加工状态，例如当信号中是脉冲作用声能量高时，表明当前主要是在进行材料的去除；当信号中是水射流作用声能量高时，表明当前主要是水射流与工件作用，有可能在工件表面反射的水破坏了加工水射流，导致脉冲能量不能作用在工件表面，没有达到去除材料的目的。
通过声学传感器收集声信号，经过信号放大器放大后传输至控制系统，控制系统对声信号处理分析，反馈调整加工参数，提高加工效率。
本实施例中，通过如下步骤实现对声学监测水导激光加工并实时反馈调整水导激光的加工参数：
1、通过声学传感器7采集加工环境的背景噪声，以及仅气流与工件作用、仅水射流与工件作用的声信号；
2、将收集到的声信号通过信号放大器8传输到控制系统9，对信号经过小波去噪，再进行傅里叶变化，得到相关频率信息；
3、通过控制系统9打开激光器1开始加工，加工激光通过用于准直扩束的光学系统2后再由反射镜3进入耦合系统4；在耦合系统4中加工激光被聚焦于喷口上表面，最终在高压水射流中经过全反射形成可用于加工的加工水束。加工水束到达放置在工作台6上的待加工工件5，同时控制系统4根据加工图纸移动工作台6；
4、声学传感器7实时采集加工过程中的声信号，通过信号放大器8传输到控制系统9，对信号经过小波去噪，再进行傅里叶变化，结合前一步提取到的频率信息，以背景噪声频率范围为目标进行带阻滤波，得到只含脉冲作用声信号与水射流作用声信号并对其进行频率分析，将之前提取的水射流作用声信号频率进行匹配，可以得到当前脉冲作用声的信号频率及幅度；每隔1s计算当前脉冲作用声与水流作用声在整个信号中的能量占比，若水流作用声能量占比脉冲作用声能量占比大于超过20s，则调整加工参数。若水流作用声频率消失，则代表喷口损坏，没有稳定的水射流到达工件表面；
控制系统4根据监测分析的结果，改变加工参数，对激光器1进行功率调整；对工作台移动速度进行调整。待完成加工图纸要求加工次数后或喷口损坏后停止加工。
本实施例还可以结合光谱仪分析、视觉监测系统等，结合各监测方案的特点，实现对水导激光加工过程中多个信号的在线监测，并将这些与人工智能技术结合，实现对加工参数进行在线修正，从而为提高加工质量和加工效率提供更大的助力。
综上所述，本发明通过采用声学传感器采集水导激光的激光水射流加工时的声音信号，并在消除背景噪音后与非加工状态的脉冲作用声信号与水射流作用声信号进行对比，从而识别水导激光当前的实时加工状态并进行反馈，进而调整水导激光的加工参数取得更好的加工效果；本发明能够不受水雾干扰影响，实现高效，精确的加工监测，进行加工参数调整，提高水导激光的加工速度，保障加工质量，因此，本发明拥有广泛的应用前景。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述声学监测方法采用的监测装置包括：激光器(1)、光学系统(2)、镜片(3)、耦合系统(4)，所述激光器(1)用于发射激光，所述光学系统(2)用于将激光器(1)发射的激光汇聚，所述镜片(3)用于将光学系统(2)汇聚的激光折射或反射，所述耦合系统(4)用于将镜片(3)折射或反射的汇聚激光与水流合成为激光水射流后发射至待加工工件(5)的待加工部位；
所述激光器(1)光路连接光学系统(2)，所述光学系统(2)光路连接镜片(3)，所述镜片(3)光路连接耦合系统(4)，所述耦合系统(4)的激光水射流喷口正对待加工工件(5)；
所述待加工工件(5)固定放置在工作台(6)上，所述待加工工件(5)旁还设置有声学传感器(7)，所述声学传感器(7)电连接有信号放大器(8)，所述信号放大器(8)电连接至控制系统(9)；
所述声学传感器(7)的监测目标包括：环境噪声、气流与工件作用声、水射流与工件作用声、激光脉冲作用声，所述信号放大器(8)用于将声学传感器(7)实时监测到的声音信号放大后传输至所述控制系统(9)，所述控制系统(9)用于将收到的声音信号分析、处理后进行反馈；
所述声学监测方法包括如下步骤：
步骤S1：采集数据：针对待加工工件(5)，利用声学传感器(7)在未加工的状态下，采集水导激光加工设备产生的环境噪声作为背景噪声，采集仅气流与工件作用的声信号、仅水射流与工件作用的声信号；
步骤S2：提取特征：对步骤S1采集到声信号去噪后进行傅里叶变换，提取每一种声信号对应的频率范围；
步骤S3：加工监测：对待加工工件(5)开始加工，实时采集加工时的声信号，对采集到的声信号进行小波去噪，而后结合步骤S2提取到的频率信息，以背景噪声频率范围为目标进行带阻滤波，得到只含脉冲作用声信号与水射流作用声信号并对其进行频率分析，将步骤S2中提取的仅水射流与工件作用的声信号频率进行匹配，得到当前脉冲作用声的信号频率及幅度；每隔1个单位时间计算当前脉冲作用声与水流作用声在整个信号中的能量占比，若水流作用声能量占比大于脉冲作用声能量占比超过20个单位时间，则反馈需要调整的加工参数；
步骤S4：反馈调整：根据反馈数据，实时人工或自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率。
2.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述镜片(3)为反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述控制系统(9)电连接至所述激光器(1)、光学系统(2)、耦合系统(4)，所述控制系统(9)根据声音信号分析、处理结果实时控制激光器(1)、光学系统(2)、耦合系统(4)从而调整激光水射流的高度、速度、功率。
4.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，水导激光加工设备产生的环境噪声包括：水冷机、恒温空调产生的环境噪声。
5.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，若水流作用声频率消失，则代表喷口损坏，没有稳定的水射流到达工件表面，需要更换喷口。
6.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，单位时间包括：秒、毫秒以及毫秒的整数倍时间段。
7.根据权利要求1所述的一种水导激光加工的声学监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，自动调整水导激光的激光水射流的加工高度、速度、功率方式包括：通过控制系统(9)实时直接控制激光器(1)、光学系统(2)、耦合系统(4)。
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