一种用于激光精密加工的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于激光精密加工的装置，包括光电传感器阵列架，光电传感器阵列架的中心处设有激光头，激光头的正下方设有加工平台，加工平台上设有加工工件，激光头经激光出光口发射的激光束垂直照射至加工工件上，所述激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐射光信号；加工平台的下方设有三自由度平移台。本发明专利技术还公开了一种用于激光精密加工的装置的加工方法，本发明专利技术解决了目前行业内无法自动精准地跟随激光焦点位置的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光精密加工的装置及其方法
本专利技术属于激光加工
，涉及一种用于激光精密加工的装置，本专利技术还涉及上述装置的加工方法。
技术介绍
近年来，强激光凭借其多种优良的性能，被广泛应用于特种加工行业。随着社会发展，技术进步，市场及客户对强激光加工的精度提出更高要求。而强激光加工的精度与强激光焦点的位置有着密切关系，在强激光束对金属工件进行切/刻/焊等加工操作时，保持工件待加工曲面始终处于激光束的焦平面处(简称“随焦”)，是确保加工精度的关键技术。需要说明的是，本专利技术中所提到的“焦点”，更准确地说是激光对所加工材料而言的最佳烧蚀位置点，指的是距离激光头的某位置处，具有最佳的烧蚀深度和效果，而非纯光学意义上的焦点。现有随焦方法按其工作原理可分为建模法和测距法。建模法是根据待加工件模型来计算载物台升降预设值的，因此该方法不能自适应工件尺寸容差；测距法目前最为常用，是基于电容或者激光三角测距原理来保持焦平面与待加工面的距离不变的，因此该方法不适用于曲率较大的曲面。上述方法均是以激光透镜组焦距不变为前提，而忽略了强激光“热透镜”效应带来的误差，因此不能自适应加工过程中需不断变化的激光功率调控。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于激光精密加工的装置，解决了目前行业内无法自动精准地跟随激光焦点位置的问题。本专利技术的目的是还提供一种用于激光精密加工的装置的加工方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种用于激光精密加工的装置，包括光电传感器阵列架，光电传感器阵列架的中心处设有激光头，激光头的正下方设有加工平台，加工平台上设有加工工件，激光头经激光出光口发射的激光束垂直照射至加工工件上，所述激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐射光信号；加工平台的下方设有三自由度平移台。本专利技术采用的第一种技术方案的特点还在于：光电传感器阵列架包括圆形的架体，圆形架体被均匀分成四部分圆弧架，位于同一对角线上的两个圆弧架上分别同时设有宽禁带紫外传感器和硅光电传感器，架体朝向加工工件的一侧设有摄像头，摄像头、宽禁带紫外传感器及硅光电传感器位于架体的同一侧；宽禁带紫外传感器及硅光电传感器分别依次连接有加法器、积分器、ADC处理器器及微控制器，微控制器还连接摄像头。圆形架体上均匀开设有四个凹槽，四个凹槽将圆形架体分隔成了四个圆弧架。激光头的四周分别通过四个螺栓与架体连接，四个螺栓恰好嵌在四个凹槽内。四个螺栓与激光头的接触处设有压力缓冲垫。本专利技术采用的第二种技术方案为：一种用于激光精密加工的装置的加工方法，具体包括如下步骤：步骤1，通过三自由度平移台带动加工平台向下移动，至加工平台最低位置处，将激光头固定在光电传感器的中心处，设定加工过程中宽禁带紫外传感器采集数据的期望值为Ex1、允许误差为Err1、摄像头拍摄激光光斑期望几何尺寸为R、加工时X方向最小步进长度为Dx、Z方向最小步进长度为Dz；设加工时宽禁带紫外传感器的最小信号值为pmin、硅光电传感器的最小信号值为smin，加工平台沿z轴正方向的最大移动长度为L；步骤2，激光头经激光出光口发射的激光束照射至加工工件上，激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐射光信号和等离子体辐射紫外光信号，摄像头拍摄加工工件表面激光光斑、硅光电传感器采集等离子体辐射可见光信号、宽禁带紫外传感器采集等离子体辐射紫外光信号一并发送至微控制器；加工平台向上移动L后停止并转为向下移动；步骤3，激光束烧蚀加工工件，宽禁带紫外传感器采集加工过程中的等离子体辐射紫外光信号，等离子体辐射紫外光信号依次通过加法器、积分器、ADC处理器获得当前等离子体紫外光辐射值Lnow，发送至微控制器20，若|Lnow–Ex1|≤Err1，加工平台停止下降；若|Lnow–Ex1|>Err1,加工平台继续下降；步骤4，对加工工件5在加工过程中进行实时随焦；步骤5，步骤5.重复执行步骤4直至加工完成，关闭激光，装置回车。本专利技术第二种技术方案的特点还在于：步骤4的具体过程为：4.1，激光束对加工工件进行加工，三自由度平移台按照加工要求在X方向以位移Dx步进，宽禁带紫外传感器采集加工过程中的等离子体辐射紫外光信号，等离子体辐射紫外光信号依次通过加法器、积分器及ADC处理器获得当前等离子体紫外光辐射值Lnow，发送至微控制器20，若|Lnow–Ex1|≤Err1，重复步骤4.1；若|Lnow–Ex1|>Err1，执行步骤4.2.4.2，微控制器控制加工平台沿z轴正方向位移距离Dz，若|Lnow–Ex1|逐渐减小，则加工平台沿z轴正方向位移Dz；若|Lnow–Ex1|未减小，则加工平台沿z轴负方向位移Dz，重复步骤4.2，直至|Lnow–Ex1|≤Err1；若Lnow<pmin，执行步骤4.3.4.3，选通硅光电传感器，采集此时烧蚀产生的等离子体辐射信号Lnow；调整加工平台高度，使Lnow>pmin，关断硅光电传感器，执行步骤4.2，若Lnow<smin，执行步骤4.4；4.4，使用摄像头27传回图像数据发送至微控制器20，判断激光光斑几何尺寸，调节加工平台移动，使激光光斑几何尺寸等于R，执行步骤4.3。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术一种用于激光精密加工的装置利用光电传感器阵列架装置上的宽禁带光电传感器的日盲特性，对激光烧蚀产生的等离子体的紫外分量进行响应，通过积分加法器电路对测得的信号处理，记录处理等离子体辐射强度值，从而根据强度值与离焦量的关系达到精准随焦的目的。系统能自适应激光功率变化、工件容差、温度变化、环境光变化、低频振动，可用于精准随焦。本专利技术系统具有高精度，高自适应性的优点。2.本专利技术一种用于激光精密加工的装置的加工方法，基于激光烧蚀板材时的等离子体辐射紫外分量强度与离焦量之间具有很强的负相关性，利用光电传感器采集不同位置的强度值大小，实时跟随激光的焦点位置。附图说明图1是本专利技术一种用于激光精密加工的装置的结构示意图；图2是本专利技术一种用于激光精密加工的装置中光电传感器阵列架的仰视图；图3是本专利技术一种用于激光精密加工的装置中辐射信号处理框；图4是本专利技术一种用于激光精密加工的装置中三自由度平移台的结构示意图；图5是本专利技术一种用于激光精密加工的装置的加工方法实施例加工所得的视图。1.激光头，2.激光出光口，3.激光束，4.加工平台，5.加工工件，6.等离子体，8.螺栓，9.压力缓冲垫，10.光电传感器阵列架，12.宽禁带紫外传感器，15.硅光电传感器，17.加法器，18.积分器，19.ADC处理器,20.微控制器，22.电源信号总线；23.三自由度平移台，23-1.X方向位移平台，23-2.Z方向位移平台，23-3.Y方向位移平台；24.架体，27.摄像头。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种用于激光精密加工的装置，如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：包括光电传感器阵列架，光电传感器阵列架的中心处设有激光头，激光头的正下方设有加工平台，加工平台上设有加工工件，激光头经激光出光口发射的激光束垂直照射至加工工件上，所述激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐射光信号；加工平台的下方设有三自由度平移台。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：包括光电传感器阵列架，光电传感器阵列架的中心处设有激光头，激光头的正下方设有加工平台，加工平台上设有加工工件，激光头经激光出光口发射的激光束垂直照射至加工工件上，所述激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐射光信号；加工平台的下方设有三自由度平移台。


2.根据权利要求1所述的一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：所述光电传感器阵列架包括圆形的架体，架体被均匀分成四部分圆弧架，位于同一对角线上的两个圆弧架上分别同时设有宽禁带紫外传感器和硅光电传感器，架体朝向加工工件的一侧设有摄像头，摄像头、宽禁带紫外传感器及硅光电传感器位于架体的同一侧；宽禁带紫外传感器及硅光电传感器分别依次连接有加法器、积分器、ADC处理器器及微控制器，微控制器还连接摄像头。


3.根据权利要求2所述的一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：所述架体上均匀开设有四个凹槽，四个所述凹槽将圆形架体分隔成了四个圆弧架。


4.根据权利要求3所述的一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：所述激光头的四周分别通过四个螺栓与架体连接，四个螺栓恰好嵌在四个凹槽内。


5.根据权利要求4所述的一种用于激光精密加工的装置，其特征在于：四个所述螺栓与激光头的接触处设有压力缓冲垫。


6.一种用于激光精密加工的装置的加工方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，通过三自由度平移台带动加工平台向下移动，至加工平台最低位置处，将激光头固定在光电传感器的中心处，设定加工过程中宽禁带紫外传感器采集数据的期望值为Ex1、允许误差为Err1、摄像头拍摄激光光斑期望几何尺寸为R、加工时X方向最小步进长度为Dx、Z方向最小步进长度为Dz；设加工时宽禁带紫外传感器的最小信号值为pmin、硅光电传感器的最小信号值为smin，加工平台沿z轴正方向的最大移动长度为L；
步骤2，激光头经激光出光口发射的激光束照射至加工工件上，激光束对加工工件进行烧蚀产生等离子体辐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王馨梅，王伟，熊培羽，陈炜龙，刘旭阳，邢毓华，张翔，申晓昂，赵晨晨，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61