一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法技术

本发明专利技术提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，包括：装夹工件；控制二维激光位移传感器与工件发生相对平移运动，获得均匀测量点的坐标矩阵；之后控制扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵；计算δ＝z’max‑z’min，若δ小于等于工件的目标平整度，则结束；否则，构建工件表面的激光扫描网格图，对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k；控制振镜扫描系统对激光扫描网格图中的每个网格按权值k进行k次扫描加工。本发明专利技术实现了工艺参数的动态调整以及不同阶段用不同的工艺参数，可以加大每次激光扫描去除的材料厚度，加快平整化的速度，提高加工效率和加工精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光加工
，具体涉及一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法。
技术介绍
随着材料表面技术的发展，表面抛光技术成为了一个越来越重要的技术。抛光技术又称镜面加工技术，是制造平坦而且加工变形层很小，没有擦痕的面加工工艺。在工业应用中，对材料表面粗糙度的要求越来越高，已经从微米级、亚微米级、纳米级逐渐发展到了亚纳米级。为了满足应用的需要，已经有多种抛光技术被应用在工业生产中。抛光技术有：机械抛光、超声波抛光、化学抛光、离子束抛光、电解抛光、流体抛光、磁研磨抛光等。这些抛光技术在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领域得到广泛的应用。激光抛光技术是21世纪最有发展前景和最有效的抛光技术之一。激光抛光本质上就是激光与材料表面相互作用，它遵从激光与材料作用的普遍规律。激光与材料的相互作用主要有两种效果：热作用和光化学作用。根据激光与材料的作用机理，可把激光抛光简单分为两类：一类为热抛光，另一类为冷抛光。热抛光一般用连续长波长激光，抛光时主要用波长为1.06μm的YAG激光器和波长10.6μm的CO2激光器，作用的机理是激光与材料相互作用的热效应，通过熔化、蒸发等过程来去除材料表面的成分，因此，只要材料的热物理性质好，都可用它来进行抛光。冷抛光一般用短脉冲短波长激光，抛光时主要用紫外准分子激光器或飞秒脉冲激光器。飞秒激光器有很窄的脉冲宽度，它和材料作用时几乎不产生热效应。准分子激光波长短，属于紫外和深紫外光谱段，有强的脉冲能量和光子能量、高的重复频率、窄的脉冲宽度。大多数的金属和非金属材料对紫外光有强烈
的吸收系数。冷抛光主要是通过“消融”作用，即光化学分解作用。作用的机理是“单光子吸收”或“多光子吸收”，材料吸收光子后，材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，材料中成分被剥离。在抛光过程中，热效应可以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除量易控制，所以，特别适合精密抛光，尤其适合硬脆材料。冷抛光能完成激光热抛光不能完成的一些工作，因此，在微细抛光、硬脆性材料和高分子材料抛光等方面具有无法比拟的优越性。江超等(《激光技术》，2006第6期)指出，激光在对不同的材料进行抛光时，系统是有些差别的。现有技术中的激光抛光系统的主要构成有：激光器、光束均匀器、面形检测反馈系统、三维位移台和计算机控制系统。激光抛光通常采用两种方法：一种是激光光束固定不动，位移台带动工件运动；另一种是位移台和工件不动，光束根据要求运动。用连续激光抛光时，激光作用在材料表面，检测设备跟踪检测，实时反馈控制决定每个微小部分作用时间(或扫描速度)或控制变焦聚焦系统来改变激光功率密度。用脉冲激光抛光时，激光作用在材料表面，检测设备跟踪检测，实时反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控制变焦聚焦系统来改变激光的能量密度。在激光抛光过程中，检测技术和实时反馈控制技术是关键，在很大程度上决定了抛光的等级。然而，在当前的实际工业应用领域，无论是采用的是热抛光还是冷抛光原理，现有激光抛光技术中的抛光工艺控制基本都是开环方式。虽然有天津大学张峰烈等人提出了基于CCD图像检测的激光抛光过程的激光能量密度实时控制方案，但依靠CCD图像采集和后续图像处理获得表面起伏形貌，显然精度较低，且受到光照均匀性、激光辐射、工件本身光反射率均匀性的诸多限制。进一步的，如何将实时测量与加工一体化，无缝集成，提升加工效率，还没有较好的解决方案。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，包括如下步骤：(1)将工件装夹在多维工作台的基准面上，以所述基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内；二维激光位移传感器的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度；工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程；二维激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线LN的方向平行于Y轴；(2)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)；(3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光部分，控制激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分；(4)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)；(5)计算δ＝z’max-z’min，若δ小于等于工件的目标平整度，则转入步骤(11)；否则，进入步骤(6)；其中，z’max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中所有测量点z’值的最大值，z’min为z’值的最小值；(6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：Gx＞max(D，dx，dy，P)且Gy＞max(D，dx，dy，P)；其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔；P为振镜扫描系统的扫描精度；(7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k；若网格内仅存在一个测量点，则权值k＝(z’-z’min)/Δ，其中，z’为该网格内测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值，Δ为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；若网格内存在N个测量点，N＞1，则权值ki＝(z’i-z’min)/Δ，其中，z’i为该网格内任一测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值；且当k-[k]≤0.5时，取k＝[k]；当0.5＜k-[k]＜1时，取k＝[k]+1，[k]表示k向左取整；(8)开启激光器，将激光的聚焦位置调整到z’min与z’max之间，控制振镜扫描系统对激光扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加工；(9)将工件绕Z轴旋转任意一个角度；(10)返回步骤(2)；(11)结束。优选的，振镜扫描系统可以为一维振镜扫描系统，也可以为二维振镜扫描系统。优选的，所述二维激光位移传感器为一个。优选的，所述二维激光位移传感器为两个，激光加工头与两个二维激光位移传感器并列安装在一起，一个二维激光位移传感器安装在激光加工头前，另一个二维激光位移传感器安装在激光加工头后，两个二维激光位移传感器之间的距离是二维激光位移传感器取样间距的整数倍。优选的，步骤(2)、(3)和(4)同时进行，即步骤(2)中采用的二维激光位移传感器为激光加工头前端的二维激光位移传感器，步骤(4)中采用的二维激光位移传感器为激光加工头后端的二维激光位移传感器。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术通过动态构建工件表面的激光扫描网格图，并针对每个网
格分别计算扫描次数的权值，进行不同次数的激光扫描，使得每个网格的每次本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将工件装夹在多维工作台的基准面上，以所述基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内；二维激光位移传感器的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度；工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程；二维激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线LN的方向平行于Y轴；(2)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)；(3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光部分，控制激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分；(4)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)；(5)计算δ＝z’max‑z’min，若δ小于等于工件的目标平整度，则转入步骤(11)；否则，进入步骤(6)；其中，z’max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中所有测量点z’值的最大值，z’min为z’值的最小值；(6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：Gx＞max(D，dx，dy，P)且Gy＞max(D，dx，dy，P)；其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔；P为振镜扫描系统的扫描精度；(7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k；若网格内仅存在一个测量点，则权值k＝(z’‑z’min)/Δ，其中，z’为该网格内测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值，Δ为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；若网格内存在N个测量点，N＞1，则权值ki＝(z’i‑z’min)/Δ，其中，z’i为该网格内任一测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值；且当k‑[k]≤0.5时，取k＝[k]；当0.5＜k‑[k］＜1时，取k＝[k］+1，[k］表示k向左取整；(8)开启激光器，将激光的聚焦位置调整到z’min与z’max之间，控制振镜扫描系统对激光扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加工；(9)将工件绕Z轴旋转任意一个角度；(10)返回步骤(2)；(11)结束。...

【技术特征摘要】
1.一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将工件装夹在多维工作台的基准面上，以所述基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内；二维激光位移传感器的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度；工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程；二维激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线LN的方向平行于Y轴；(2)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)；(3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光部分，控制激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分；(4)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)；(5)计算δ＝z’max-z’min，若δ小于等于工件的目标平整度，则转入步骤(11)；否则，进入步骤(6)；其中，z’max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中所有测量点z’值的最大值，z’min为z’值的最小值；(6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：Gx＞max(D，dx，dy，P)且Gy＞max(D，dx，dy，P)；其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均匀测量点
\t的新坐标矩阵M’(x’，y’，z’)中相邻两个测量点之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，何安，刘文文，张健，孙兵涛，朱德华，姜小霞，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33