CN113319424B - 一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法，解决现有三维结构形貌及尺寸无法精密加工的问题。本发明系统和方法在激光加工头上设置共焦位移传感器，首先，通过共焦位移传感器高精度调整加工件的空间位置姿态，从而完成加工件的高精度定位和基准校正；其次，标定共焦位移传感器与激光焦点之间的相对位置，为后续激光扫描去除工件材料后的焦点跟随奠定基础；再次，通过共焦位移传感器测量各层激光扫描后的三维形貌，结合正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，可大幅提升底面形貌的粗糙度和加工深度控制精度。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法。
背景技术
激光加工技术由于具有非接触、近似“冷加工”、无污染和材料适用性广等优点，已成为各种功能结构和三维精细结构加工的关键技术。然而，由于激光具有一定焦深，如何实现三维结构精密加工成为难点。
中国专利CN107498189A公开了一种金属表面三维V形槽结构的激光加工方法，在该方法中，获取V形槽的数据后，通过矩形框的扫描加工实现各层材料的加工及轮廓的控制。但是，该方法未实现闭环控制加工，每一层的加工深度和底面粗糙度由于受到激光参量、焦点位置和吹气等各种因素影响，不能实现特定V型结构的精密加工。
中国专利CN104439709A公开了一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备，该方法中利用三维振镜系统实现三维结构加工的方法，将被加工物体的曲面模型经过分割处理，并结合三维振镜系统直接加工得到三维结构。但是，该方法采用的三维振镜价格昂贵，限制了其广泛应用；另外，三维振镜受限于微米级结构的切片和分层精度，不能实现微米级的高精度、高一致性加工，且该方法同样未实现闭环控制加工，未提出控制底面粗糙度和加工深度的控制方法。
由于激光焦点具有一定的焦深，不利于三维结构的精密加工，三维结构无法实现精密加工，导致激光加工方法在三维结构精密加工领域还未进行实际应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有三维结构形貌及尺寸无法精密加工的问题，提供一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维形貌精确控制加工方法，包括以下步骤：
步骤一、在激光加工头上设置共焦位移传感器，所述激光加工头包括二维扫描振镜和远心平场镜；
步骤二、激光加工头对单层材料进行试加工，确定加工该材料的激光单脉冲能量和脉冲重叠率范围；
步骤三、确定脉冲重叠率后，建立激光单脉冲能量与加工深度、底面粗糙度的映射关系；
步骤四、寻找激光焦点，标定共焦位移传感器与激光焦点之间的相对位置，得到共焦位移传感器的标定值，同时，记录此时加工平台XY轴的坐标值为激光焦点的初始位置；
步骤五、将加工件放置在加工平台上，调整加工件的空间姿态，使得加工件四个边角形成的平面与加工平台的XY坐标平面平行；
步骤六、根据步骤三获取的激光单脉冲能量和加工深度的映射关系，对加工件的三维结构进行分层；
步骤七、依据步骤六分层的结果，通过正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，实现不同深度、不同粗糙度的三维结构加工；
7.1)依据分层结果，选择对应加工深度的激光单脉冲能量和脉冲重叠率，二维扫描振镜在X方向实现单层扫描加工，此时，实现X方向扫描加工的激光单脉冲能量为a；
7.2)X方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台，使共焦位移传感器移动至X方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器的实时显示值和标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点跟随已加工的表面；
7.3)共焦位移传感器对X方向扫描加工区域进行再次测量，测量X方向扫描加工区域的形貌数据，得到X方向扫描加工区域的深度和粗糙度，在XY坐标平面内移动加工平台，使激光焦点回到初始位置；
7.4)依据测量得到的X方向扫描加工区域的深度和粗糙度，选择合适的激光单脉冲能量和脉冲重叠率实现Y方向的单层扫描加工，此时，此时Y方向扫描加工的激光单脉冲能量为b，且b＜a；
7.5)Y方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台，使共焦位移传感器移动至Y方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点跟随已加工的表面；
7.6)共焦位移传感器对Y方向扫描加工区域进行测量，测量得到Y方向扫描加工区域的形貌数据，得到Y方向扫描加工区域的深度和粗糙度，为下一层的激光单脉冲能量选择提供依据；在XY坐标平面内移动加工平台，使激光焦点回到初始位置；
步骤八、重复步骤七，实现一定结构深度和粗糙度要求的三维结构精密加工。
进一步地，步骤五中，将加工件放置在加工平台上，移动加工平台，共焦位移传感器测量加工件四个边角的空间位置，根据共焦位移传感器测量的数据调整加工件的空间姿态，使得加工件四个边角的形成的平面与加工平台的XY坐标平面平行，从而完成加工件的高精度定位和基准校正。
进一步地，步骤一中，远心平场镜的焦距为60mm以内。
进一步地，步骤7.4)中，a为2～4倍的b。
进一步地，步骤二中，在脉冲重叠率范围的参数内，加工的材料表面无重铸层、无微裂纹、无再结晶，且加工区域表面粗糙度Ra≤0.2。
同时，本发明还提供一种实现上述方法的三维形貌精确控制加工系统，该系统包括激光器、扩束镜、激光能量分布调节器、波片、光阑、Z轴平移机构、激光加工头和共焦位移传感器；所述激光器用于发出激光加工光束；所述扩束镜、激光能量分布调节器、波片、光阑和激光加工头依次设置在激光器的出射光路上；所述扩束镜用于对激光束进行扩束，使其成为平顶光；所述激光能量分布调节器用于调节激光束焦点的能量分布；所述波片用于将线偏振光转变为圆偏振平顶光，实现偏振态的调节；所述光阑用于对激光束进行整形，用于滤除低能量激光；所述激光加工头包括二维扫描振镜和远心平场镜，所述激光加工头设置在Z轴平移机构上，Z轴平移机构能够带动激光加工头实现沿光路方向的移动，用于将激光束聚焦至被加工表面；所述共焦位移传感器设置在激光加工头上，用于对加工件的加工深度和底面形貌进行精密测量。
进一步地，所述光阑和二维扫描振镜之间还设置有第一反射镜和第二反射镜，且第二反射镜设置在Z轴平移机构上，用于对激光束的光路方向进行调整。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明系统和方法通过共焦位移传感器测量各层激光扫描后的三维形貌，结合正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，可大幅提升底面形貌的粗糙度和加工深度控制精度，同时，可依据三维结构的加工深度选择扫描层数，从而实现不同深度和表面粗糙度要求的三维结构加工，而不产生热效应。
2.本发明系统和方法通过共焦位移传感器可实现纳米级定位和结构测量，可大幅提高激光焦点的定位精度以及加工件在坐标系统中的定位精度，为三维结构的高一致性加工提供了精度保证。
3.本发明系统和方法中的激光能量分布调节器可调节光束能量，使焦点处的激光能量呈“平顶”式分布，有利于降低材料加工表面的粗糙度。
4.本发明系统和方法通过确定合适的脉冲重叠率后，建立单脉冲能量与加工深度和底面粗糙度的映射关系，可为单一材料不同深度的三维结构加工提供依据。
5.本发明系统和方法的加工头采用二维扫描振镜，极大地降低了加工系统的成本。
附图说明
图1为本发明三维形貌精确控制加工系统的示意图；
图2为本发明三维结构分层加工示意图；
图3为本发明三维结构形貌控制示意图；
图4为本发明单脉冲能量与加工深度和底面粗糙度的映射关系。
附图标记：1-激光器，2-扩束镜，3-激光能量分布调节器，4-波片，5-光阑，6-第一反射镜，7-激光束，8-第二反射镜，9-Z轴平移机构，10-远心平场镜，11-激光焦点，12-二维扫描振镜，13-共焦位移传感器，14-加工件，15-加工平台，16-工控机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法，该方法结合加工过程中的离线检测以及分层变功率控制，可有效控制三维结构的底面形貌及加工深度，用以实现三维结构超精密加工过程中三维轮廓形貌加工质量的控制。该方法需要的装置结构简单、成本较低，仅需在扫描振镜系统中增加共焦位移传感器，即可适用于不同材料表面的三维结构精密加工。同时，该系统和方法可依据实际加工工况现场调节激光加工参量，提高了加工系统的适应性，此外，该系统和方法可实现任意三维结构的精密加工，适用性广，非常适用于超快激光实现三维结构的加工。
如图1所示，本发明三维形貌精确控制加工系统包括激光器1、扩束镜2、激光能量分布调节器3、波片4、光阑5、第一反射镜6、第二反射镜8、Z轴平移机构9、二维扫描振镜12、远心平场镜10和共焦位移传感器13；其中，激光器1用于发出激光加工光束，扩束镜2、激光能量分布调节器3、波片4、光阑5、第一反射镜6和第二反射镜8依次设置在激光器1的出射光路上，扩束镜2用于对激光束7进行扩束，使其成为平顶光。激光能量分布调节器3用于调节激光束7焦点的能量分布，波片4用于将线偏振光转变为圆偏振平顶光，实现偏振态的调节，光阑5用于对激光束7进行整形，用于滤除低能量激光；第一反射镜6和第二反射镜8对激光束7的姿态和位置进行调整，使得系统的布局更加合理；二维扫描振镜12和远心平场镜10设置在第二反射镜8的出射光路上，二者组成激光加工头，该激光加工头和第二反射镜8设置在Z轴平移机构9上，Z轴平移机构9带动激光头实现沿光路方向的移动，用于将激光束7聚焦至被加工表面。共焦位移传感器13设置在激光加工头上，用于对加工件14的加工深度和底面形貌进行精密测量，该加工件14设置在加工平台15上，该加工平台15为四轴运动平台，由工控机16控制，同时，工控机16控制激光器1、Z轴平移机构9、激光加工头的工作状态，并对共焦位移传感器13采集的数据进行处理。
本发明系统中设置有共焦位移传感器13，依据共焦位移传感器13测量的数据选择激光加工功率(即选择激光单脉冲能量)，同时调整激光焦点11的位置，使激光焦点11高精度跟随加工表面，然后按与初始垂直的方向进行扫描加工，可通过多次正交加工实现不同深度的三维结构加工，实现底面粗糙度和加工深度的控制，进而实现不同的三维结构精密加工。
本发明提供的三维形貌精确控制加工方法具体包括以下步骤：
步骤一、在激光加工头上设置共焦位移传感器13，激光加工头包括二维扫描振镜12和远心平场镜10，远心平场镜10的焦距为60mm以内，使激光焦点11的焦深尽可能小；
步骤二、激光加工头对单层材料进行试加工，确定加工该材料合适的激光单脉冲能量和脉冲重叠率范围，在该脉冲重叠率范围的参数内，加工的材料表面无重铸层、无微裂纹、无再结晶，且加工区域表面粗糙度Ra≤0.2；
步骤三、确定合适的脉冲重叠率后，建立激光单脉冲能量与加工深度、底面粗糙度的映射关系，该映射关系如图4所示；
步骤四、寻找激光焦点11，标定共焦位移传感器13与激光焦点11之间的相对位置，得到共焦位移传感器13的标定值，同时，记录此时加工平台15XY轴的坐标值为激光焦点11的初始位置；
步骤五、将加工件14放置在加工平台15上，移动加工平台15，共焦位移传感器13测量加工件14四个边角的空间位置，根据共焦位移传感器13测量的数据高精度调整加工件14的空间姿态，使得加工件14四个边角的形成的平面与加工平台15的XY坐标平面平行，从而完成加工件14的高精度定位和基准校正，避免加工件14的加工效果不一致；
步骤六、根据步骤三获取的激光单脉冲能量和加工深度的映射关系，通过三维结构分层软件对加工件14的三维结构进行分层，选取最合理的分层方式；
步骤七、依据步骤六分层的结果，通过正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，实现不同深度、不同粗糙度的三维结构加工，提高三维结构底面形貌的平整度；
7.1)依据分层结果，选择对应加工深度的激光单脉冲能量和脉冲重叠率，二维扫描振镜12在X方向实现单层扫描加工，此时，X方向扫描加工的激光单脉冲能量为a；
7.2)X方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台15，使共焦位移传感器13移动至X方向的扫描加工区域，依据共焦位移传感器13的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点11跟随已加工的表面；
7.3)共焦位移传感器13对X方向扫描加工区域进行再次测量，测量得到X方向扫描加工区域的形貌数据，由此数据分析可得加工区域的深度和粗糙度，再次在XY坐标平面内移动加工平台15，使激光焦点11回到初始位置；
7.4)依据上一步测量得到的X方向扫描加工区域的深度和粗糙度，选择合适的激光单脉冲能量和脉冲重叠率实现Y方向的单层扫描加工，使激光仅能去除极小深度的材料，此时，Y方向扫描加工的激光单脉冲能量为b，b＜a，具体的，a可为2-4倍的b；
7.5)Y方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台15，使共焦位移传感器13移动至Y方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器13的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点11跟随已加工的表面；
7.6)共焦位移传感器13对Y方向扫描加工区域进行再次测量，测量得到Y方向扫描加工区域的形貌数据，由此数据分析可得加工区域的深度和粗糙度，为下一层的单脉冲能量选择提供依据，随后在XY坐标平面内移动加工平台15，使激光焦点11回到初始位置；
步骤八、重复步骤七，实现一定结构深度和粗糙度要求的三维结构精密加工。
本发明方法和系统通过共焦位移传感器13可大幅度提高加工件14的定位精度，为三维结构的加工提供数据支撑。首先，通过共焦位移传感器13高精度调整加工件14的空间位置姿态，从而完成加工件14的高精度定位和基准校正，避免加工件14的加工效果不一致；其次，标定共焦位移传感器13与激光焦点11之间的相对位置，为后续激光扫描去除工件材料后的焦点跟随奠定基础；再次，在脉冲重叠率等加工参量不变的前提下，扫描振镜按一固定方向扫描加工，加工深度和底面形貌通过共焦位移传感器13精密测量，由此建立不同单脉冲能量与加工深度和底面粗糙度的映射关系，为后续三维形貌的加工提供参数选择依据。
如图2和图3所示，本发明方法加工三维形貌时，扫描振镜按正交变单脉冲能量的方法进行扫描加工，奇数层采用大单脉冲能量，偶数层采用小单脉冲能量去除底面起伏，可大幅减小底面形貌的粗糙度，实现三维结构底面粗糙度和加工深度的控制。奇数层加工完毕后，通过共焦位移传感器13精密扫描加工后的形貌，加工偶数层时基于共焦位移传感器13的数值调整激光焦点11的位置，使激光焦点11跟随工件表面，同时基于共焦位移传感器13测量数据为偶数层扫描加工时的激光单脉冲能量选择提供依据。
下面以具体的实施例对本发明方法进行详细说明。
步骤一、搭建包含三维结构激光精密加工系统，包含二维扫描振镜12、远心平场镜10、共焦位移传感器13等部件，焦点直径约为20微米左右，焦深为200微米左右；
步骤二、在加工材料的试片上进行试加工，确定该材料上加工时较为合适的激光单脉冲能量和脉冲重叠率；
步骤三、确定脉冲重叠率后，利用不同的单脉冲能量在试片材料上进行加工，测量不同单脉冲能量下的加工深度和底面粗糙度，得到单脉冲能量与加工深度和底面粗糙度的映射关系；
步骤四、寻找激光焦点11，标定共焦位移传感器13与激光焦点11之间的相对位置，得到共焦位移传感器13的标定值，可使其数值显示为0，以用于后续激光焦点11的寻找，同时，记录激光焦点11的初始位置；
步骤五、将加工件14放置在加工平台15上，移动加工平台15，通过共焦位移传感器13得到工件四个边角的具体数值，据此高精度调整加工件14的空间姿态，使加工件14的位置和姿态精度保持在5微米内；
步骤六、结合单脉冲能量和加工深度的映射关系，通过三维结构分层软件对三维结构进行分层，选取最合理的分层方式；
步骤七、通过正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，实现不同深度、不同粗糙度的三维结构加工；
7.1)依据分层结果，二维扫描振镜12在X方向实现单层扫描加工；
7.2)X方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台15，使共焦位移传感器13移动至X方向的扫描加工区域，依据共焦位移传感器13的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点11跟随已加工的表面；
7.3)共焦位移传感器13对X方向扫描加工区域进行再次测量，加工后的形貌通过共焦位移传感器13精密测量，得到加工后三维结构的加工深度为6μm和底部形貌起伏差值约为2μm，依据共焦位移传感器13的数值调整激光焦点11的位置，使激光焦点11高精度跟随加工表面，共焦位移传感器13的显示数值与初始0值的差值在0.5μm以内；
7.4)依据已加工层底部形貌起伏差值2μm选择激光单脉冲能量，实现Y向的单层扫描加工，在该参数下激光仅能去除3μm深度的材料；
7.5)Y方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台15，使共焦位移传感器13移动至Y方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器13的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点11跟随已加工的表面；
7.6)共焦位移传感器13对Y方向扫描加工区域进行再次测量，测量得到Y方向扫描加工区域的形貌数据，由此数据分析可得加工区域的深度和粗糙度，为下一层的单脉冲能量选择提供依据；在XY坐标平面内移动加工平台15，使激光焦点11回到初始位置；
步骤八、重复步骤七，如此往复约20次，实现150μm深度和粗糙度Ra为0.15的三维结构精密加工。
Claims (5)
1.一种三维形貌精确控制加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在激光加工头上设置共焦位移传感器，所述激光加工头包括二维扫描振镜和远心平场镜；
步骤二、激光加工头对单层材料进行试加工，确定加工该材料的激光单脉冲能量和脉冲重叠率范围；
步骤三、确定脉冲重叠率后，建立激光单脉冲能量与加工深度、底面粗糙度的映射关系；
步骤四、寻找激光焦点，标定共焦位移传感器与激光焦点之间的相对位置，得到共焦位移传感器的标定值，同时，记录此时加工平台XY轴的坐标值为激光焦点的初始位置；
步骤五、将加工件放置在加工平台上，调整加工件的空间姿态，使得加工件四个边角形成的平面与加工平台的XY坐标平面平行；
步骤六、根据步骤三获取的激光单脉冲能量和加工深度的映射关系，对加工件的三维结构进行分层；
步骤七、依据步骤六分层的结果，通过正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，实现不同深度、不同粗糙度的三维结构加工；
7.1)依据分层结果，选择对应加工深度的激光单脉冲能量和脉冲重叠率，二维扫描振镜在X方向实现单层扫描加工，此时，实现X方向扫描加工的激光单脉冲能量为a；
7.2)X方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台，使共焦位移传感器移动至X方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器的实时显示值和标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点跟随已加工的表面；
7.3)共焦位移传感器对X方向扫描加工区域进行再次测量，测量X方向扫描加工区域的形貌数据，得到X方向扫描加工区域的深度和粗糙度，在XY坐标平面内移动加工平台，使激光焦点回到初始位置；
7.4)依据测量得到的X方向扫描加工区域的深度和粗糙度，选择合适的激光单脉冲能量和脉冲重叠率实现Y方向的单层扫描加工，此时，此时Y方向扫描加工的激光单脉冲能量为b，且b＜a；
7.5)Y方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台，使共焦位移传感器移动至Y方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器的实时显示值与标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点跟随已加工的表面；
7.6)共焦位移传感器对Y方向扫描加工区域进行测量，测量得到Y方向扫描加工区域的形貌数据，得到Y方向扫描加工区域的深度和粗糙度，为下一层的激光单脉冲能量选择提供依据；在XY坐标平面内移动加工平台，使激光焦点回到初始位置；
步骤八、重复步骤七，实现一定结构深度和粗糙度要求的三维结构精密加工。
2.根据权利要求1所述的三维形貌精确控制加工方法，其特征在于：步骤五中，将加工件放置在加工平台上，移动加工平台，共焦位移传感器测量加工件四个边角的空间位置，根据共焦位移传感器测量的数据调整加工件的空间姿态，使得加工件四个边角形成的平面与加工平台的XY坐标平面平行，从而完成加工件的高精度定位和基准校正。
3.根据权利要求2所述的三维形貌精确控制加工方法，其特征在于：步骤一中，远心平场镜的焦距为60mm以内。
4.根据权利要求1或2或3所述的三维形貌精确控制加工方法，其特征在于：步骤7.4)中，a为2～4倍的b。
5.根据权利要求4所述的三维形貌精确控制加工方法，其特征在于：步骤二中，在脉冲重叠率范围的参数内，加工的材料表面无重铸层、无微裂纹、无再结晶，且加工区域表面粗糙度Ra≤0.2。
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