CN117259966A - 机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置与方法 - Google Patents

机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于特种加工领域，公开了一种机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置与方法。本发明设置了CCD相机和激光测距仪，通过光路系统优化设计，实现了CCD光路、激光测距光路与激光刻蚀光路同轴传播，旨在实现激光刻蚀聚焦平面与待加工零件特征点的间距测量及位置校正。考虑偏轴/旁轴激光受待加工零件复杂几何特征影响而产生较大的测量误差，采用测距激光、相机测量信号和刻蚀激光同轴传播的方式实现视觉精准测量，并通过移动位移平台实现法向高精度调节，使用扫描振镜实现加工平面刻蚀区域精准调节，有助于提升目标工件的加工精度和成品质量。

Description

机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置与方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，涉及一种机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置与方法。
背景技术
超快激光刻蚀加工技术是一种高精度的加工技术，采用超高能量密度(大于1012W/cm2)、超短脉宽(皮秒、飞秒量级)的激光束对材料表面进行加工可实现微米/纳米级的加工精度。此外，由于超快激光具有"超强"、"超快"的特点，加工后几乎不产生热效应，实现"冷加工"。不仅如此，超快激光刻蚀加工技术还具有非接触式加工、高效率和无污染等优点，在航空航天、医学、环保和微电子等领域得到了广泛应用。超快激光刻蚀技术结合智能多轴驱动的机械臂可实现大尺寸复杂曲面零件的高精度刻蚀加工。采用扫描振镜对入射激光进行高速扫描、调节，可实现复杂的激光路径调节。通过电机驱动扫描振镜的X轴振镜和Y轴振镜使入射激光束在水平方向发生偏转，通过改变扫描振镜的振动频率和振幅实现对激光束的精确控制，完成对零件的扫描刻蚀加工。
X-Y轴扫描振镜能够调节激光束在聚焦平面上的工作路径，但无法实现激光束聚焦平面法向的精准调节。不仅如此，由于机械臂自身存在的参数误差和机械误差导致特殊、复杂曲面零件在法向的控制加工效果变差，产生较大的加工误差，难以满足实际工况需求。采用旁轴或偏轴激光的测距精度往往受限于待加工零件的几何形状，如何解决这一难题成为了提高激光刻蚀加工效果的关键。视觉传感器的有效测量误差小于0.5μm，使用激光测距仪和CCD相机能够实现对超快激光刻蚀聚焦平面与待加工零件特征点的间距测量和位置校正。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术所存在的问题，提供一种机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距校准方法及装置，采用机械臂与超快激光刻蚀装置相连接的方式，实现大尺寸复杂曲面零件的高精度刻蚀加工。本发明设置了CCD相机和激光测距仪，通过光路系统优化设计，实现了CCD信号光路、激光测距光路与激光刻蚀光路的同轴传播，用于激光刻蚀聚焦平面与待加工零件特征点的间距测量及位置校正。采用测距激光、CCD相机测量信号和刻蚀激光同轴传播的方式实现视觉精准测量；通过移动位移平台实现法向高精度调节，通过扫描振镜实现加工平面刻蚀区域精准调节，提升加工精度和成品质量。
本发明的技术方案如下：
机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置，包括机械臂装置1、导光臂2、法向位移平台3和同轴视觉测距系统4；
所述的机械臂装置1通过计算机编程控制其运动轨迹，所述的导光臂2安装在机械臂装置1的前端，所述的法向位移平台3安装在导光臂2的前端，所述的同轴视觉测距系统4安装在法向位移平台3上实现同轴视觉测距系统4的法向位置调整；
所述的同轴视觉测距系统4包括反射镜6、双色镜a7、双色镜b8、激光测距仪9、CCD相机10和X-Y轴扫描振镜11；所述的反射镜6、双色镜a7和双色镜b8平行布置，双色镜a7位于中间；导光臂2发出的刻蚀激光束位于反射镜6的斜前方；所述的激光测距仪9和CCD相机10分别位于双色镜a7和双色镜b8的斜前方，且导光臂2发出的刻蚀激光束、激光测距仪9发射的测距激光束和CCD相机10发出的CCD相机测量信号的方向平行；
所述的X-Y轴扫描振镜11位于双色镜b8的斜前方，包括X轴振镜12、Y轴振镜13、X轴电机14和Y轴电机15；所述的X轴电机14与X轴振镜12连接，用于调整X轴振镜12的位置；所述的Y轴电机15与Y轴振镜13连接，用于调整Y轴振镜13的方向；
通过机械臂装置1、法向位移平台3以及X轴电机14和Y轴电机15的调整，使同轴视觉测距系统4发出的刻蚀激光束、测距激光束以及CCD相机测量信号与待加工零件5上的特征点保持垂直。
所述的双色镜a7和双色镜b8对不同波长的光折射、反射率不同；所述的双色镜a7使刻蚀激光束发生折射，使测距激光束发生反射；所述的双色镜b8使刻蚀激光束和测距激光束发生折射，使CCD相机测量信号发生反射。
机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准方法，采用上述装置，具体步骤如下：
步骤1、通过计算机编程控制机械臂装置1移动至预定加工区域，由导光臂2向同轴视觉测距系统4输入刻蚀激光束；
步骤2：在同轴视觉测距系统4中，刻蚀激光束经反射镜6反射后，入射到双色镜a7中，经双色镜a7折射后入射至双色镜b8中，经双色镜b8折射后入射至X-Y轴扫描振镜11的X轴振镜12中，经X轴振镜12后入射至Y轴振镜13中，通过X轴电机14和Y轴电机15分别调整X轴振镜12和Y轴振镜13的方向，使经Y轴振镜13射出的刻蚀激光束垂直入射至待加工零件5表面上的特征点；
步骤3：在同轴视觉测距系统4中，激光测距仪9发射测距激光束，依次经双色镜a7反射和双色镜2折射后与刻蚀激光束同轴输入X-Y轴扫描振镜11并输出至待加工零件5表面上的特征点；
步骤4：激光测距仪9接收由待加工零件5表面反射的测距激光束信号，结合刻蚀激光束传播路径，计算得到激光刻蚀聚焦平面与待加工零件5表面特征点的法向间距；
步骤5：在同轴视觉测距系统4中，CCD相机10发射测量信号，经双色镜b8反射后与刻蚀激光束和测距激光束同轴输入至X-Y轴扫描振镜11并输出至待加工零件5表面；
步骤6：CCD相机10捕捉由待加工零件5表面反射的CCD相机测量信号并将其转换为电信号，经过数字化处理后得到激光加工区域照片，为激光束在加工平面位置校准提供参考；根据激光测距仪9的测量结果，使用法向位移平台3实现刻蚀激光束聚焦平面法向的精确调节；根据CCD相机照片和激光测距仪9的测量结果，改变X-Y轴扫描振镜11中X轴振镜12和Y轴振镜13的振动频率和振幅实现对激光束在水平方向的精确控制，从而完成对零件的高精度激光刻蚀加工。
本发明的有益效果：采用测距激光和刻蚀激光同轴输入扫描振镜的方法，保证两束激光同轴输出至待加工零件表面，实现了同轴测量激光刻蚀聚焦平面与待加工零件表面间距的目标。CCD相机测量信号保持与刻蚀激光和测距激光同轴传播，能够为激光刻蚀加工过程中激光束在水平方向的调节提供更加精确的参数。
附图说明
图1为本发明机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距校准装置示意图；
图2为同轴视觉测距系统示意图；
图3为X-Y轴扫描振镜的结构及工作原理示意图；
图4为本发明机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距校准方法的工作流程图。
图中：1机械臂装置；2导光臂；3法向位移平台；4同轴视觉测距系统；5待加工零件；6反射镜；7双色镜a；8双色镜b；9激光测距仪；10CCD相机；11X-Y轴扫描振镜；12X轴振镜；13Y轴振镜；14X轴电机；15Y轴电机。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距校准装置包括机械臂装置1、导光臂2、法向位移平台3和同轴视觉测距系统4。导光臂2安装在机械臂装置1的前端，法向位移平台3安装在导光臂2的前端，同轴视觉测距系统4安装在法向位移平台3上。本发明可以通过机械臂实现了大尺寸复杂曲面零件的高精度刻蚀加工。
如图2所示，同轴视觉测距系统4包括反射镜6、双色镜a7、双色镜b8、激光测距仪9、CCD相机10和X-Y轴扫描振镜11。反射镜6、双色镜a7和双色镜b8平行布置；导光臂2发出的刻蚀激光束、激光测距仪9发射的测距激光束和CCD相机10发出的CCD测量信号的方向平行，且分别位于反射镜6、双色镜a7和双色镜b8的斜前方。
如图3所示，所述的X-Y轴扫描振镜11位于双色镜b8的斜前方，包括X轴振镜12、Y轴振镜13、X轴电机14和Y轴电机15。经X-Y轴扫描振镜11调整后的刻蚀激光束、测距激光束以及CCD测量信号与待加工零件5上的特征点保持垂直。
机械臂1可通过计算机编程控制其运动轨迹，进而调整激光刻蚀加工系统的位置。
导光臂2用于传输超高能量密度(大于1012W/cm2)、超短脉宽(皮秒、飞秒量级)的刻蚀激光束，刻蚀激光束通过反射镜6后发生反射，经过双色镜a7和双色镜b8后传播路径在双色镜内部发生微小程度折射后沿初始方向继续传播(由于折射程度很低，故忽略不计)输入至X-Y轴扫描振镜11，经X-Y轴扫描振镜11处理后输出至待加工零件5表面。
双色镜对不同波长的光透过率不同，其中，双色镜a7能够确保入射刻蚀激光束(λ≈1030nm)发生折射，而测距激光束(λ＝635～650nm)在该处发生反射；双色镜b8能够折射入射刻蚀激光束和测距激光束，而对CCD相机10测量信号(λ＝400～600nm)发生反射；激光测距仪9发出的测距激光束在双色镜a7处发射，反射后的传播路径与刻蚀激光束保持同轴输入至X-Y轴扫描振镜11。
激光测距仪9用于发射测距激光(λ＝635～650nm)，经双色镜a7反射后与刻蚀激光束同轴输入X-Y轴扫描振镜11，之后二者保持同轴传播至待加工零件5表面。通过激光测距仪9端部的光电元件接收由待加工零件5反射的测距激光束信号，结合刻蚀激光束传播路径，计算可得激光刻蚀聚焦平面与待加工零件5表面特征点的法向间距。
CCD相机10捕捉由待加工零件5表面反射的测量信号并将其转换为电信号，进行数字化处理后可得到高质量照片，用于刻蚀激光加工区域在聚焦平面内的校正。根据激光测距仪9测量结果，使用法向位移平台3实现刻蚀激光束聚焦平面法向的精确调节。
本发明机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距校准方法的整体流程如图4所示。
实施例1：超快激光对Ti-6Al-4V金属零件刻蚀工作
一种超快激光对Ti-6A1-4V金属零件刻蚀工作，采用所述试验装置进行试验，包括以下步骤：
步骤1：通过计算机编程控制机械臂装置1(选用六轴机械臂)移动至预定加工区域，由导光臂2向同轴视觉测距系统4输入波长为1030nm、功率为20W、脉冲宽度为100fs的刻蚀激光束；
步骤2：在同轴视觉测距系统4中，经反射镜6反射后，刻蚀激光束的传播路径发生变化；经过双色镜a7和双色镜b8后刻蚀激光束发生小程度折射，但传播方向仍为水为水平方向，随后输入至X-Y轴扫描振镜11，经X-Y轴扫描振镜11处理后输出至待加工零件5表面；随后输入至X-Y轴扫描振镜11，经X-Y轴扫描振镜11处理后输出至待加工零件5表面；
步骤3：采用激光测距仪9发射出波长为635nm的测距激光，经双色镜a7反射和双色镜b8折射后与刻蚀激光束同轴输入X-Y轴扫描振镜11并输出至待加工零件5表面；
步骤4：使用激光测距仪9端部的光电元件接收由待加工零件5表面反射的测距激光束信号，结合刻蚀激光束传播路径，计算可得激光刻蚀聚焦平面与待加工零件5表面特征点的法向间距；
步骤5：采用CCD相机10发射波长为400nm的测量信号，经双色镜b8反射后与刻蚀激光和测距激光同轴输入至X-Y轴扫描振镜11；使用CCD相机10捕捉由待加工零件5表面反射的测量信号并将其转换为电信号，进行数字化处理后可得到高质量照片，用于加工过程中激光束在加工平面位置校正；根据CCD相机5拍摄照片和激光测距仪9测量结果，通过调整扫描振镜X轴振镜12和Y轴振镜13使激光束在加工平面发生偏转，通过改变X-Y轴扫描振镜11的振动频率和振幅实现对激光束的精确控制，完成对零件的扫描刻蚀加工；
步骤6：该区域加工完成后，重复上述步骤1-5，进行其他区域的激光刻蚀加工。
实施例2：超快激光对SiCf/SiC陶瓷零件制孔加工
一种超快激光对SiCf/SiC陶瓷零件制孔加工工作，采用所述试验装置进行试验，包括以下步骤：
步骤1：通过计算机编程控制六轴机械臂移动至预定加工区域，由导光臂2向同轴视觉测距系统4输入波长为1030nm、脉冲宽度为200fs的激光束，其中制孔激光束功率为30W，修孔激光束功率为20W；采用旋转加工的方法，扫描方式为螺型线扫描，扫描层数均为500层；
步骤2：在同轴视觉测距系统4中，经反射镜6反射后，刻蚀激光束的传播路径发生变化；经过双色镜a7和双色镜b8后刻蚀激光束发生小程度折射，但传播方向仍为水平方向，随后输入至X-Y轴扫描振镜11，经X-Y轴扫描振镜11处理后输出至待加工零件表面；
步骤3：采用激光测距仪9发射出波长为650nm的测距激光，经双色镜a7反射和双色镜b8折射后与刻蚀激光束同轴输入X-Y轴扫描振镜11并输出至待加工零件表面；
步骤4：使用激光测距仪9端部的光电元件接收由待加工零件5表面反射的测距激光束信号，结合刻蚀激光束传播路径，计算可得激光刻蚀聚焦平面与待加工零件5表面特征点的法向间距；
步骤5：采用CCD相机10发射波长为500nm的测量信号，经双色镜b8反射后与刻蚀激光和测距激光同轴输入至X-Y轴扫描振镜11；使用CCD相机10捕捉由待加工零件5表面反射的测量信号并将其转换为电信号，进行数字化处理后可得到高质量照片，用于加工过程中激光束在加工平面位置校正；根据CCD相5机拍摄照片和激光测距仪测量结果，通过调整扫描振镜X轴振镜12和Y轴振镜13使激光束在加工平面发生偏转，通过改变X-Y轴扫描振镜11的振动频率和振幅实现对激光束的精确控制，完成对零件的切割制孔加工；
步骤6：该区域加工完成后，重复上述步骤1-5，进行其他区域的激光切割加工。

Claims (3)

1.机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置，其特征在于，所述的机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置包括机械臂装置(1)、导光臂(2)、法向位移平台(3)和同轴视觉测距系统(4)；
所述的机械臂装置(1)通过计算机编程控制其运动轨迹，所述的导光臂(2)安装在机械臂装置(1)的前端，所述的法向位移平台(3)安装在导光臂(2)的前端，所述的同轴视觉测距系统(4)安装在法向位移平台(3)上实现同轴视觉测距系统(4)的法向位置调整；
所述的同轴视觉测距系统(4)包括反射镜(6)、双色镜a(7)、双色镜b(8)、激光测距仪(9)、CCD相机(10)和X-Y轴扫描振镜(11)；所述的反射镜(6)、双色镜a(7)和双色镜b(8)平行布置，双色镜a(7)位于中间；导光臂(2)发出的刻蚀激光束位于反射镜(6)的斜前方；所述的激光测距仪(9)和CCD相机(10)分别位于双色镜a(7)和双色镜b(8)的斜前方，且导光臂(2)发出的刻蚀激光束、激光测距仪(9)发射的测距激光束和CCD相机(10)发出的CCD相机测量信号的方向平行；
所述的X-Y轴扫描振镜(11)位于双色镜b(8)的斜前方，包括X轴振镜(12)、Y轴振镜(13)、X轴电机(14)和Y轴电机(15)；所述的X轴电机(14)与X轴振镜(12)连接，用于调整X轴振镜(12)的位置；所述的Y轴电机(15)与Y轴振镜(13)连接，用于调整Y轴振镜(13)的方向；
通过机械臂装置(1)、法向位移平台(3)以及X轴电机(14)和Y轴电机(15)的调整，使同轴视觉测距系统(4)发出的刻蚀激光束、测距激光束以及CCD相机测量信号与待加工零件(5)上的特征点保持垂直。
2.根据权利要求1所述的机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准装置，其特征在于，所述的双色镜a(7)和双色镜b(8)对不同波长的光折射、反射率不同；所述的双色镜a(7)使刻蚀激光束发生折射，使测距激光束发生反射；所述的双色镜b(8)使刻蚀激光束和测距激光束发生折射，使CCD相机测量信号发生反射。
3.机械臂超快激光刻蚀同轴视觉测距对中校准方法，采用权利要求1或2所述的校准装置，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、通过计算机编程控制机械臂装置(1)移动至预定加工区域，由导光臂(2)向同轴视觉测距系统(4)输入刻蚀激光束；
步骤2：在同轴视觉测距系统(4)中，刻蚀激光束经反射镜(6)反射后，入射到双色镜a(7)中，经双色镜a(7)折射后入射至双色镜b(8)中，经双色镜b(8)折射后入射至X-Y轴扫描振镜(11)的X轴振镜(12)中，经X轴振镜(12)后入射至Y轴振镜(13)中，通过X轴电机(14)和Y轴电机(15)分别调整X轴振镜(12)和Y轴振镜(13)的方向，使经Y轴振镜(13)射出的刻蚀激光束垂直入射至待加工零件(5)表面上的特征点；
步骤3：在同轴视觉测距系统(4)中，激光测距仪(9)发射测距激光束，依次经双色镜a(7)反射和双色镜2折射后与刻蚀激光束同轴输入X-Y轴扫描振镜(11)并输出至待加工零件(5)表面上的特征点；
步骤4：激光测距仪(9)接收由待加工零件(5)表面反射的测距激光束信号，结合刻蚀激光束传播路径，计算得到激光刻蚀聚焦平面与待加工零件(5)表面特征点的法向间距；
步骤5：在同轴视觉测距系统(4)中，CCD相机(10)发射测量信号，经双色镜b(8)反射后与刻蚀激光束和测距激光束同轴输入至X-Y轴扫描振镜(11)并输出至待加工零件(5)表面；
步骤6：CCD相机10捕捉由待加工零件(5)表面反射的CCD相机测量信号并将其转换为电信号，经过数字化处理后得到激光加工区域照片，为激光束在加工平面位置校准提供参考；根据激光测距仪(9)的测量结果，使用法向位移平台(3)实现刻蚀激光束聚焦平面法向的精确调节；根据CCD相机照片和激光测距仪(9)的测量结果，改变X-Y轴扫描振镜(11)中X轴振镜(12)和Y轴振镜(13)的振动频率和振幅实现对激光束在水平方向的精确控制，从而完成对零件的激光刻蚀加工。
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