一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备及方法；包括计算机控制系统、位移系统、三维扫描系统、图案设计系统、加工规划系统、激光刻蚀系统和收集系统。位移系统带动激光头在三维空间上进行动态位移；三维扫描系统对加工物体进行扫描；图案设计系统对物体表面结构进行设计；加工规划系统对激光头加工路线进行规划；激光刻蚀系统根据设计好的三维模型表面结构和演算出的最高效率加工路线，对物体表面进行结构制造加工；收集系统收集激光刻蚀过程中的加工废屑。本发明专利技术能够对三维复杂曲面进行自由加工，还可同时制造宏观尺度和微纳尺度表面结构，保证了加工精度和加工效率，从而实现三维复杂曲面多尺度结构的高效高精度制造。高效高精度制造。高效高精度制造。

【技术实现步骤摘要】
一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备及方法


[0001]本专利技术属于激光加工领域，特别涉及一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备及方法。

技术介绍

[0002]激光加工是一种利用激光束投射到材料表面产生热效应来进行加工的技术，包括激光焊接、激光切割、激光刻蚀、激光打标、表面改性、激光钻孔和微加工等。与传统加工技术相比，激光加工具有加工效率高、绿色环保、对加工对象具有很强的适应性等优势，作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，在提高劳动生产率、保证产品质量、实现自动化生产、减少污染与材料消耗等方面起到愈来愈重要的作用。超快脉冲激光是指输出激光的脉冲宽度在皮秒级别或小于皮秒级别的脉冲激光，是激光加工领域重要的发展方向之一。采用超快脉冲激光可实现各种微纳加工，在超精密微细加工方面有着显著优势。
[0003]激光刻蚀作为一种较为常见的激光加工工艺，采用高能脉冲激光束在材料表面聚焦成极小光斑，使材料在瞬间汽化蒸发，从而在材料表面形成孔、槽以及更复杂的加工结构。激光刻蚀工艺与湿法刻蚀、等离子刻蚀工艺相比，优点在于无接触性、无污染、成本较低，可以获得良好的尺寸精度和加工质量，在材料精密加工领域占据着重要地位。超快脉冲激光也被逐渐应用于激光刻蚀工艺中，虽然加工精度较高，但加工效率偏低，难以满足大批量的生产需要，而普通脉冲激光相比于超快脉冲激光，加工效率较高但加工精度低。由此可见，目前激光刻蚀技术的加工精度和效率之间难以达到良好的平衡。此外，国内现有的激光刻蚀设备大多只能对二维平面进行加工，针对三维复杂曲面的激光刻蚀装备较为缺乏，而少有的此类装备依赖于复杂的路径编程和规划进行加工，极大地影响了三维复杂曲面的激光刻蚀效率。为了针对三维复杂曲面跨尺度下的结构制造，打破加工精度和效率之间相互制约的矛盾关系，亟待一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备及方法，融合了激光三维扫描技术、激光刻蚀工艺及超快脉冲激光，通过多激光头的协同配合，不仅能够对三维复杂曲面进行自由加工，还可以同时制造宏观尺度和微纳尺度表面结构，保证了加工精度和加工效率，最终实现三维复杂曲面多尺度结构的高效高精度制造。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备，包括计算机控制系统、位移系统、三维扫描系统、图案设计系统、加工规划系统、激光刻蚀系统和收集系统；
[0007]所述计算机控制系统连接位移系统、三维扫描系统、图案设计系统、加工规划系统、激光刻蚀系统和收集系统；
[0008]所述位移系统用于带动激光头在三维空间上的动态位移，以配合激光头对加工物体进行三维扫描与激光刻蚀加工，包括：双轨道、导轨、滑块、机械手臂、转动机构、激光头转换器、电机。其中，导轨安装在双轨道上，可在轨道长度范围内进行平移，机械手臂包括可转动底座、可伸缩臂、转动机构，可转动底座与导轨滑块相接，并且可使机械手臂自身进行360
°
转动，可伸缩臂与可转动底座相接，可伸缩臂前端与转动机构铰接，转动机构能够围绕轴心进行旋转，转动机构前端固定连接有激光头转换器，在转动机构的工作下激光头转换器可向左右两边进行90
°
转动。导轨在双轨道上的移动、滑块在导轨上的滑动、机械手臂自身的转动、可伸缩臂的自由伸缩、转动机构的转动、激光头转换器的转动和运作均在计算机控制系统控制电机驱动下共同作用、协同配合，以实现激光头在空间上的自由移动，确保激光能够对三维复杂曲面进行扫描和加工；
[0009]所述三维扫描系统用于对待加工物体进行扫描，并快速复建出被扫描目标的三维模型，包括：激光器、扫描激光头、接收器、激光头转换器。其中，扫描激光头位于激光头转换器中心，三个接收器平均分布在激光头转换器外壳，利用激光测距的原理，扫描激光头不断发出低能量脉冲激光，照射到物体表面后反射回来被接收器接收，通过记录每个脉冲发出和接收的时间差、接收反射光线的角度以及接收的能量大小等信息，推断出被测物体表面大量点的三维坐标、纹理、反射率等数据信息，来对其线面体和三维模型等数据进行重建；
[0010]所述图案设计系统用于对物体表面结构进行设计，也可以在已经保存的加工案例中提取图案数据，可设计微纳尺度表面结构以及宏观尺度表面结构，将图案添加到三维模型表面进行预览、修改和确认后，此数据信息传输给计算机控制系统；
[0011]所述加工规划系统用于根据在图案设计系统中设计好的三维模型表面结构，对激光头的加工路线进行规划，尽可能使第一激光头和第二激光头同时进行激光刻蚀，演算出最高效率加工路线，并将规划后的加工路线传输给计算机控制系统；
[0012]所述激光刻蚀系统用于根据在图案设计系统中设计好的三维模型表面结构和加工规划系统演算出的最高效率加工路线，激光头在位移系统的带动下对三维复杂曲面进行结构制造加工，包括：激光器、水冷机、第一激光头、第二激光头、激光头转换器。其中，第一激光头和第二激光头皆为复合激光头，普通脉冲激光光路与超快脉冲激光光路集成于同一光路中，使得复合激光头可在发射普通脉冲激光和发射超快脉冲激光两种模式之间快速切换，普通脉冲激光可用于加工宏观尺度的表面结构，超快脉冲激光可用于加工微纳尺度的表面结构，激光头转换器可使激光头进行自由升降，并且两个激光头的升降独立进行、彼此互不影响，第一激光头与第二激光头对称分布在两边，其底座可围绕中心进行旋转，也可进行升降，旋转同时进行，升降互相独立；
[0013]所述收集系统用于收集激光刻蚀过程中的加工废屑，确保加工平台的清洁，以待下一次的加工使用，包括：加工平台、升降柱、电机、吹风装置、收集盒。其中，升降柱顶端与加工平台铰接，电机依据计算机控制系统的命令，控制前后两侧的升降柱下降高度不同从而使加工平台倾斜，铰接处四周有固定装置，在非收集的工作状态下对升降柱顶端进行固定防止平台倾斜，吹风装置的吹风角度与加工平台的倾斜角度保持一致，尽可能将废屑全部吹入收集盒中；
[0014]所述计算机控制系统、图案设计系统、加工规划系统集成于同一计算机中，所述位移系统、三维扫描系统、激光刻蚀系统、收集系统集成于同一设备机柜中，扫描激光光路与
第一激光头光路集成于同一复合光路中。
[0015]一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备的运行方法，包括如下步骤：
[0016]步骤一：对加工物体表面进行基本的打磨和清洗后，打开设备机柜的安全门，并将待加工物体放置于加工平台上，对物体进行装夹固定后将加工平台升至合适高度，关上安全门；
[0017]步骤二：扫描激光头从激光头转换器中伸出，在位移系统的带动下，对待加工物体进行三维扫描，扫描完成后，扫描激光头缩回激光头转换器，计算机根据接收器接收的反射激光信号，复建出加工物体的三维模型；
[0018]步骤三：通过图案设计系统对物体表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备，其特征在于：包括计算机控制系统、位移系统、三维扫描系统、图案设计系统、加工规划系统、激光刻蚀系统和收集系统；所述计算机控制系统连接位移系统、三维扫描系统、图案设计系统、加工规划系统、激光刻蚀系统和收集系统；位移系统用于带动激光头在三维空间上的动态位移，以配合激光头对加工物体进行三维扫描与激光刻蚀加工，包括：双轨道、导轨、滑块、机械手臂、转动机构、激光头转换器、电机；三维扫描系统用于对待加工物体进行扫描，同时记录物体表面大量的、密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，从而快速复建出被扫描目标的三维模型，包括：激光器、扫描激光头、接收器、激光头转换器；图案设计系统用于对物体表面结构进行设计，也可以在已经保存的加工案例中提取图案数据，可设计微纳尺度表面结构以及宏观尺度表面结构，将图案添加到三维模型表面进行预览、修改和确认后，此数据信息传输给计算机控制系统；加工规划系统用于根据在图案设计系统中设计好的三维模型表面结构，对激光头的加工路线进行规划，尽可能使第一激光头和第二激光头同时进行激光刻蚀，演算出最高效率加工路线，并将规划后的加工路线传输给计算机控制系统；激光刻蚀系统用于根据在图案设计系统中设计好的三维模型表面结构和加工规划系统演算出的最高效率加工路线，激光头在位移系统的带动下对三维复杂曲面进行结构制造加工，包括：激光器、水冷机、第一激光头、第二激光头、激光头转换器；收集系统用于收集激光刻蚀过程中的加工废屑，确保加工平台的清洁，以待下一次的加工使用，包括：加工平台、升降柱、电机、吹风装置、收集盒。2.根据权利要求1所述一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备，其特征在于：所述位移系统中，导轨安装在双轨道上，可在轨道长度范围内进行平移，机械手臂包括可转动底座、可伸缩臂、转动机构，可转动底座与导轨滑块相接，并且可使机械手臂自身进行360
°
转动，可伸缩臂与可转动底座相接，可伸缩臂前端与转动机构铰接，转动机构能够围绕轴心进行旋转，转动机构前端固定连接有激光头转换器，在转动机构的工作下激光头转换器可向左右两边进行90
°
转动。3.根据权利要求1所述一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备，其特征在于：所述位移系统中，导轨在双轨道上的移动、滑块在导轨上的滑动、机械手臂自身的转动、可伸缩臂的自由伸缩、转动机构的转动、激光头转换器的转动和运作均在计算机控制系统控制电机驱动下共同作用、协同配合，以实现激光头在空间上的自由移动，确保激光能够对三维复杂曲面进行扫描和加工。4.根据权利要求1所述一种多激光耦合的三维复杂曲面多尺度结构制造设备，其特征在于：所述三维扫描系统中，扫描激光头位于激光头转换器中心，三个接收器平均分布在激光头转换器外壳，利用激光测距的原理，扫描激光头不断发出低能量脉冲激光，照射到物体表面后反射回来被接收器接收，通过记录每个脉冲发出和接收的时间差、接收反射光线的角度以及接收的能量大小等信息，推断出被测物体表面大量点的三维坐标、纹理、反射率等数据信...

【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，陈蔚雯，卜珩倡，刘星，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：