机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法涉及激光加工技术领域。装置包括激光单元、机械臂单元、冷却单元和寻位单元。所述激光单元获取待加工或蚀除物体的位置信息并测量冷却单元喷在物体表面的液层厚度，实时反馈给机械臂单元，自动找寻激光焦平面；随后冷却单元接收到激光单元测定的液层厚度，实时调控冷却介质参数以配适激光单元的输出参数；接着寻位单元辨识待加工或蚀除物体的位置信息和材料属性信息实时调控机械臂单元的运动进给和激光单元的开关光。通过本发明专利技术，以非接触方法实时调控机械臂运动轨迹与冷却输入，边探测边加工或蚀除，确保激光加工或蚀除的精确化和数字化，降低非计划性组织创伤，能广泛应用于机器人辅助的激光材料加工或手术等领域。用于机器人辅助的激光材料加工或手术等领域。用于机器人辅助的激光材料加工或手术等领域。
【技术实现步骤摘要】
机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法
[0001]本专利技术涉及激光加工
，特别涉及一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法。
技术介绍
[0002]机器人辅助激光实时加工或蚀除，与机器人辅助机械加工或蚀除相较，具有精度高、自由度高、重复性好与非接触等独特优势，并且激光的扫描速度可以达到每秒数千毫米，其工作效率远高于传统机械加工或蚀除。然而，激光加工或蚀除过程中材料内部的处理深度与材料属性难以测量和识别，导致无法精确控制和判断激光作用过程，难以避免非计划性组织创伤，且在过程中还往往存在热积累严重、排屑困难等问题。
[0003]目前国内外报道的机械臂辅助激光加工的实时位置探测主要通过摄像测量装置(如CCD相机)解决。公开在2019年1月4日的授权号为ZL201811229793.9的中国专利,提出了一种基于小同轴激光加工系统的成像定位加工方法，该方法通过图像采集器调节激光光路与影像系统光路二者同轴，然而此方法受影像系统视野影像较大，每加工完一个区域都需要移动视野，不但操作复杂、精度低，还难以保证激光加工全过程完全位于激光焦平面上，直接影响激光加工的效率和效果。公开在2019年8月6日的公开号为CN110090075A的中国专利中，提供了一种基于光信号监测的飞秒激光骨手术方法通过监测溅射物的激光激发信号调节激光参数，然而，此方法无法获知待手术部位的位置和材料属性信息，无法避免由于不适当的去除进给轨迹导致的超出计划手术深度、烧蚀阈值所引起的光烧蚀损伤。
[0004]激光与物体的相互作用以热烧蚀机制为主，液体介质辅助激光加工或蚀除能够降低激光对物体造成的热损伤。中国专利201410331680.5(公开日2014年11月5日)与201910909131.4(公开日2019年12月13日)分别公开了液体介质辅助激光手术和加工的装置和方法，但是外部液体介质的引入主要用于冷却，忽视了液体介质层对入射激光的干扰影响。目前国内外关于液体辅助激光加工或蚀除的报道局限于形成较好冷却效果的液体介质调整，而未从激光与液体介质耦合作用效应的角度考虑，形成一种能够实时监测和调控激光加工或蚀除中液层厚度的装置或方法，克服液体对激光能量存在的吸收或空化屏蔽而获得最好的激光加工/蚀除效果，现有冷却装置和方法的缺陷直接影响激光加工或蚀除的安全性和工作效果。
[0005]为了克服上述问题，本专利技术提出一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法，其探测和控制均通过非接触方式实施，实现激光加工或蚀除实时的数字化测量和自动化控制，突破现有机器人辅助激光加工或蚀除装置和方法的精度和效率瓶颈。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法，以克服现有技术的不足。
[0007]一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置和方法，包括激光单元(1)、
机械臂单元(2)、冷却单元(3)和寻位单元(4)，其中：
[0008]激光单元(1)包括激光发射器(1
‑
1)、激光传输光路(1
‑
2)和激光接收器(1
‑
3)，所述激光发射器(1
‑
1)尾部设有激光接收器(1
‑
3)，激光发射器(1
‑
1)中部与激光接收器(1
‑
3)呈同轴心式配合。
[0009]机械臂单元(2)包括机械手臂(2
‑
1)和运动数据传输线缆(2
‑
2)，其运动端通过连接架分别与激光单元(1)联动连接；在机械臂单元(2)的动力作动下，激光单元(1)能够按照规划路径完成待加工或蚀除部位的激光作用。
[0010]冷却单元(3)包括喷水器(3
‑
1)与液流调控器(3
‑
2)，液流调控器(3
‑
2)与激光发射器(1
‑
1)连接，通过激光接收器(1
‑
3)测定液层厚度和流动参数，并将其反馈给水流调控器(3
‑
2)，对水冷介质的流量和流速进行实时调控。
[0011]寻位单元(4)包括探测光源(4
‑
1)、信号处理器(4
‑
2)与运动控制器(4
‑
3)，探测光源(4
‑
1)发射探测光照射于待加工或蚀除物体表面，信号处理器(4
‑
2)接收并加权物体表面反射光信号，并根据接收信号内的稳态误差计算出待加工或蚀除物质的位置信号和材料属性信息，将信号通过运动数据传输线缆(2
‑
2)传输给机械手臂(2
‑
1)，精确调控激光作用过程中机械手臂(2
‑
1)的末端的运动进给和激光发射器(1
‑
1)的开关光。
[0012]进一步地，激光接收器(1
‑
3)被固定安装在激光发射器(1
‑
1)出口，激光接收器(1
‑
3)内可配有发散角准直整形器与信号放大器；冷却单元(3)将冷却介质喷在待加工或蚀除的物体表面后，通过激光接收器(1
‑
3)获得待加工或蚀除物体的位置信息反馈给机械臂单元(2)实现激光单元(1)的焦平面自动找寻。
[0013]进一步地，激光发射器(1
‑
1)发射出脉冲能量为I、重频为τ的激光束并辐照在液体介质流速为v的待加工或蚀除物体表面上，通过激光接收器(1
‑
3)所得的水层厚度h满足下式：式中ρ为液体介质的密度，并调节流动参数(雷诺数Re)，Re≤2300，能够有效抑制光致空化，最大限度将激光的能量作用在材料上，提高加工效率。
[0014]进一步地，所述机械臂单元(2)的运动端能够实现激光单元(1)在物体部位内部的相对位置调整，使得激光单元(1)在每一次激光加工过程中始终位于激光发射器(1
‑
1)的焦平面上。所述激光接收器(1
‑
3)探测到附着有液体介质上表面距离为H1，水层厚度h，所述寻位单元(4)中信号处理器(4
‑
2)测得已作用深度H2，所述机械臂单元(2)的运动端到待加工或蚀除位置的距离通过运动控制器(4
‑
3)自动调节为H＝H1+h
‑
H2，将激光聚焦于流水层下待加工或蚀除的物体表面。
[0015]进一步地，寻位单元(4)的信号处理器(4
‑
2)通过解耦光信号识别待加工或蚀除物体的密度、成分等材料属性。材料属性不变，激光发射器(1
‑
1)持续出光；一旦材料属性发生改变，信号处理器(4
‑
2)将信号反馈给激光发射器(1
‑
1)，并关闭激光。
[0016]基于上述的技术方案，本专利技术相对于现有装置和方法，具有如下的有益效果：
[0017](1)本专利技术在本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置，其特征在于：包括激光单元、机械臂单元、冷却单元和寻位单元，其中：激光单元包括激光发射器、激光传输光路和激光接收器，所述激光发射器尾部设有激光接收器，激光发射器中部与激光接收器呈同轴心式配合；机械臂单元包括机械手臂和运动数据传输线缆，其运动端与激光单元联动连接；在机械臂单元的动力作动下，激光单元能够按照规划路径完成待加工或蚀除部位的激光作用；冷却单元包括喷液器与液流调控器，液流调控器与激光发射器连接，通过激光接收器测定液层厚度和流动参数，并将其反馈给液流调控器，对水冷介质参数进行实时调控；寻位单元包括探测光源、信号处理器与运动控制器，探测光源发射探测光照射于待加工或蚀除物体表面，信号处理器接收并加权物体表面反射光信号，并根据接收信号内的稳态误差计算出待加工或蚀除物质的位置信号和材料属性信息，将信号通过数据传输线传输给机械手臂，精确调控激光作用过程中机械手臂末端的运动进给和激光发射器开关光。2.根据权利要求1所述的一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置，其特征在于，激光接收器被固定安装在激光发射器出口，激光接收器内配有发散角准直整形器与回波信号器；冷却单元将冷却介质喷在待加工或蚀除物体表面后，通过激光接收器获得待处理物体的位置信息反馈给机械臂单元实现激光单元的焦平面自动找寻。3.根据权利要求1所述的一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置，其特征在于，激光发射器发射出脉冲能量为I、重频为τ的激光束并辐照在液体介质流速为v的待处理物体表面上，通过激光接收器所得的液层厚度h满足下式：式中ρ为液体介质的密度；调节液流调控器，使液层流动参数即雷诺数Re≤2300。4.根据权利要求1所述的一种机器人辅助激光实时探测加工或蚀除一体化装置，其特征在于，其特征在于，所述机械臂单元的运动端能够实现激光单元在...
【专利技术属性】
技术研发人员：季凌飞，张犁天，曹丽杰，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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