一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法
本专利技术属于激光加工领域，具体涉及一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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，本专利技术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，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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为本专利技术三维形貌精确控制加工系统的示意图；图2为本专利技术三维结构分层加工示意图；图3为本专利技术三维结构形貌控制示意图；图4为本专利技术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-激光能量分布调本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n7.1)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；/n7.2)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；/n7.3)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；/n7.4)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；/n7.5)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；/n7.6)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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，李晨晨，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61