一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置的制作方法

本實用新型屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置。

背景技術(shù)：

隨著材料表面技術(shù)的發(fā)展，表面拋光技術(shù)成為了一個越來越重要的技術(shù)。拋光技術(shù)又稱鏡面加工技術(shù)，是制造平坦而且加工變形層很小，沒有擦痕的面加工工藝。在工業(yè)應(yīng)用中，對材料表面粗糙度的要求越來越高，已經(jīng)從微米級、亞微米級、納米級逐漸發(fā)展到了亞納米級。為了滿足應(yīng)用的需要，已經(jīng)有多種拋光技術(shù)被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。拋光技術(shù)有：機械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、離子束拋光、電解拋光、流體拋光、磁研磨拋光等。這些拋光技術(shù)在電子設(shè)備、精密機械、儀器儀表、光學(xué)元件、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

激光拋光技術(shù)是21世紀(jì)最有發(fā)展前景和最有效的拋光技術(shù)之一。激光拋光本質(zhì)上就是激光與材料表面相互作用，它遵從激光與材料作用的普遍規(guī)律。激光與材料的相互作用主要有兩種效果：熱作用和光化學(xué)作用。根據(jù)激光與材料的作用機理，可把激光拋光簡單分為兩類：一類為熱拋光，另一類為冷拋光。熱拋光一般用連續(xù)長波長激光，拋光時主要用波長為1.06μm的YAG激光器和波長10.6μm的CO₂激光器，作用的機理是激光與材料相互作用的熱效應(yīng)，通過熔化、蒸發(fā)等過程來去除材料表面的成分，因此，只要材料的熱物理性質(zhì)好，都可用它來進行拋光。冷拋光一般用短脈沖短波長激光，拋光時主要用紫外準(zhǔn)分子激光器或飛秒脈沖激光器。飛秒激光器有很窄的脈沖寬度，它和材料作用時幾乎不產(chǎn)生熱效應(yīng)。準(zhǔn)分子激光波長短，屬于紫外和深紫外光譜段，有強的脈沖能量和光子能量、高的重復(fù)頻率、窄的脈沖寬度。大多數(shù)的金屬和非金屬材料對紫外光有強烈的吸收系數(shù)。冷拋光主要是通過“消融”作用，即光化學(xué)分解作用。作用的機理是“單光子吸收”或“多光子吸收”，材料吸收光子后，材料中的化學(xué)鍵被打斷或者晶格結(jié)構(gòu)被破壞，材料中成分被剝離。在拋光過程中，熱效應(yīng)可以忽略，熱應(yīng)力很小，不產(chǎn)生裂紋，不影響周圍材料，材料去除量易控制，所以，特別適合精密拋光，尤其適合硬脆材料。冷拋光能完成激光熱拋光不能完成的一些工作，因此，在微細(xì)拋光、硬脆性材料和高分子材料拋光等方面具有無法比擬的優(yōu)越性。

江超等(《激光技術(shù)》，2006第6期)指出，激光在對不同的材料進行拋光時，系統(tǒng)是有些差別的?，F(xiàn)有技術(shù)中的激光拋光系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：激光器、光束均勻器、面形檢測反饋系統(tǒng)、三維位移臺和計算機控制系統(tǒng)。激光拋光通常采用兩種方法：一種是激光光束固定不動，位移臺帶動工件運動；另一種是位移臺和工件不動，光束根據(jù)要求運動。用連續(xù)激光拋光時，激光作用在材料表面，檢測設(shè)備跟蹤檢測，實時反饋控制決定每個微小部分作用時間(或掃描速度)或控制變焦聚焦系統(tǒng)來改變激光功率密度。用脈沖激光拋光時，激光作用在材料表面，檢測設(shè)備跟蹤檢測，實時反饋控制決定每個微小部分作用的脈沖個數(shù)或者控制變焦聚焦系統(tǒng)來改變激光的能量密度。在激光拋光過程中，檢測技術(shù)和實時反饋控制技術(shù)是關(guān)鍵，在很大程度上決定了拋光的等級。然而，在當(dāng)前的實際工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，無論是采用的是熱拋光還是冷拋光原理，現(xiàn)有激光拋光技術(shù)中的拋光工藝控制基本都是開環(huán)方式。雖然有天津大學(xué)張峰烈等人提出了基于CCD圖像檢測的激光拋光過程的激光能量密度實時控制方案，但依靠CCD圖像采集和后續(xù)圖像處理獲得表面起伏形貌，顯然精度較低，且受到光照均勻性、激光輻射、工件本身光反射率均勻性的諸多限制。進一步的，如何將實時測量與加工一體化，無縫集成，提升加工效率，還沒有較好的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置。

本實用新型是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置，包括激光加工頭、二維激光位移傳感器和多維工作臺；將多維運動臺的上表面作為基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標(biāo)系；

所述多維工作臺包括Z向運動機構(gòu)和平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，待加工的工件安裝于基準(zhǔn)面上，由平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動工件做平移運動以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動；所述Z向運動機構(gòu)用于調(diào)整激光加工頭與工件表面之間的Z向距離；

所述平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括位移臺和旋轉(zhuǎn)臺，所述位移臺至少具有一個沿X軸方向的運動自由度，所述旋轉(zhuǎn)臺至少具有一個繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度；

所述二維激光位移傳感器用于測直線上多個等間隔均勻間距點與二維激光位移傳感器之間的Z向距離值；二維激光位移傳感器的多個等間隔均勻測距點之連線L_N的方向平行于Y軸；二維激光位移傳感器的測量激光輸出面與基準(zhǔn)面平行，二者間距保持在二維激光位移傳感器的測距范圍內(nèi)；

所述激光加工頭包括振鏡掃描系統(tǒng)和聚焦物鏡；振鏡掃描系統(tǒng)可以是一維振鏡掃描系統(tǒng)，也可以是二維振鏡掃描系統(tǒng)；外部激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光路系統(tǒng)傳輸后，激光束入射并聚焦在工件的表面，由激光加工頭內(nèi)的振鏡掃描系統(tǒng)實現(xiàn)激光束的聚焦光斑在工件表面的掃描運動。

優(yōu)選的，所述二維激光位移傳感器為一個。

優(yōu)選的，所述二維激光位移傳感器為兩個；激光加工頭內(nèi)的振鏡掃描系統(tǒng)安裝在兩個二維激光位移傳感器之間，兩個二維激光位移傳感器之間的距離是二維激光位移傳感器取樣間距的整數(shù)倍。

本實用新型所述的測量加工一體化的激光平整化拋光裝置中的激光加工頭與二維激光位移傳感器配合使用，可以實現(xiàn)測量與加工一體化，可以有效測量每次激光掃描去除的材料厚度，為工藝參數(shù)的動態(tài)調(diào)整提供依據(jù)；同時本實用新型中多維工作臺具有多個運動自由度，為激光掃描拋光時網(wǎng)格的動態(tài)調(diào)整提供了前提。該測量加工一體化的激光平整化拋光裝置可用于激光平整化拋光，提高工作效率和加工精度。

附圖說明

圖1為本實施例中所述測量加工一體化加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型所述二維激光位移傳感器、工件與XYZ軸示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本實用新型提供了一種測量加工一體化加工裝置，包括激光加工頭1、二維激光位移傳感器2和多維工作臺3。

將多維運動臺3的上表面作為基準(zhǔn)面，以基準(zhǔn)面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標(biāo)系。

所述多維工作臺3包括Z向運動機構(gòu)和平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，待加工的工件4安裝于平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)之上的基準(zhǔn)面上，由平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動待加工工件做平移運動(X向或者XY向)以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。

所述Z向運動機構(gòu)用于調(diào)整激光加工頭1與工件4表面之間的Z向距離，所述Z向運動機構(gòu)為升降Z軸或者Z向位移臺；若Z向運動機構(gòu)為升降Z軸，則激光加工頭1安裝于升降Z軸上，由升降Z軸帶動激光加工頭做Z向升降運動；若Z向運動機構(gòu)為Z向位移臺，則由Z向位移臺帶動待加工工件做Z向升降運動。

所述平移旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括位移臺和旋轉(zhuǎn)臺，位移臺可以僅支持一維X向運動，也可以支持二維XY向運動，更優(yōu)選的，位移臺可以與Z向運動機構(gòu)組合為一體結(jié)構(gòu)，形成XYZ三軸運動臺。位移臺和旋轉(zhuǎn)臺兩者的位置可換，即位移臺在上，旋轉(zhuǎn)臺在下；或者位移臺在下，旋轉(zhuǎn)臺在上均可。

所述二維激光位移傳感器2(比如歐姆龍的ZG2型傳感器)，可測一定長度范圍的直線上n個均勻間距點與二維激光位移傳感器之間的距離值。二維激光位移傳感器可以是一個，也可以是兩個。如圖2所示，二維激光位移傳感器的n個等間隔測距點之連線L_N的方向平行于Y軸，設(shè)二維激光位移傳感器的等間隔測距點的間隔為dy。

要求二維激光位移傳感器2的測量激光輸出面與基準(zhǔn)面平行，二者間距保持在二維激光位移傳感器2的測距范圍內(nèi)。

所述激光加工頭1包括振鏡掃描系統(tǒng)和聚焦物鏡。振鏡掃描系統(tǒng)可以是一維振鏡掃描系統(tǒng)，也可以是二維振鏡掃描系統(tǒng)。

若二維激光位移傳感器2為兩個，激光加工頭1內(nèi)的振鏡掃描系統(tǒng)安裝在兩個二維激光位移傳感器2之間，兩個二維激光位移傳感器2之間的距離是二維激光位移傳感器2取樣間距的整數(shù)倍，這樣可以保證在掃描工件過程中兩個二維激光位移傳感器2的測量點完全重合。

若激光加工頭1內(nèi)的振鏡掃描系統(tǒng)采用的是一維振鏡掃描系統(tǒng)，振鏡掃描系統(tǒng)輸出激光束的掃描方向沿著Y軸方向；若振鏡掃描系統(tǒng)采用的是二維振鏡掃描系統(tǒng)，振鏡掃描系統(tǒng)輸出激光束的掃描方向沿著Y軸方向和X軸方向。

外部激光器5發(fā)出的激光束經(jīng)光路系統(tǒng)6傳輸后，激光束垂直或以一定偏角入射并聚焦在工件4的表面，由激光加工頭1內(nèi)的振鏡掃描系統(tǒng)實現(xiàn)激光束的聚焦光斑在工件4表面的掃描運動。所述光路系統(tǒng)6可以包含擴束準(zhǔn)直鏡、轉(zhuǎn)折鏡和整形鏡等。

此實施例為測量加工一體化加工裝置中振鏡掃描系統(tǒng)為一維振鏡掃描系統(tǒng)，二維激光位移傳感器為一個，位移臺僅支持一維X向運動的情況。

采用上述測量加工一體化的激光平整化拋光裝置進行工件平整化拋光的方法，具體包括如下步驟：

(1)將工件裝夾于圖1所示的測量加工一體化的激光平整化拋光裝置上。

要求所述工件滿足以下條件：工件的起伏度小于二維激光位移傳感器的Z向量程，工件沿Y軸方向的寬度小于振鏡掃描系統(tǒng)沿Y軸方向的掃描寬度，工件沿X軸方向的長度小于位移臺的X向最大行程；工件的高度小于位移臺的Z向最大行程與二維激光位移傳感器的Z向量程之和。

(2)控制二維激光位移傳感器與工件在X軸方向相對平移運動(可以是位移臺帶動工件或者二維激光位移傳感器沿X軸方向運動)，使二維激光位移傳感器沿X軸方向掃描一次工件表面待拋光部分，二維激光位移傳感器每隔固定距離dx采樣一次，從而可以獲得工件表面待拋光部分的起伏形貌數(shù)據(jù)，即獲得工件表面待拋光部分按dx、dy間隔獲得均勻測量點的坐標(biāo)矩陣M(x，y，z)，其中z是二維激光位移傳感器測得的高度值；

(3)激光器按設(shè)定工藝參數(shù)輸出激光束，經(jīng)激光加工頭后聚焦于工件表面待拋光部分，使激光加工頭的掃描振鏡系統(tǒng)按設(shè)定掃描速度進行掃描，掃描方向與L_N方向(Y軸方向)平行。同時使激光加工頭與工件發(fā)生相對平移運動(工件或者激光加工頭之一沿X軸方向運動)，使激光束掃描一次工件表面待拋光部分。

(4)按照步驟(2)的方法，使二維激光位移傳感器沿X軸方向重新掃描一次工件表面待拋光部分，獲得激光掃描后工件表面待拋光部分均勻測量點的新坐標(biāo)矩陣M’(x’，y’，z’)。

優(yōu)選的，可以在步驟(2)后，激光加工頭與工件相對運動回復(fù)到初始位置的過程中，即在反向回起點過程中完成本步驟。

(5)計算δ＝z’_max-z’_min，若δ小于等于工件的目標(biāo)平整度，則轉(zhuǎn)入步驟(11)；否則，進入步驟(6)；其中，z’_max為步驟(4)中所獲得的均勻測量點的新坐標(biāo)矩陣M’(x’，y’，z’)中所有測量點z’值的最大值，z’_min為z’值的最小值；

(6)構(gòu)建工件表面的激光掃描網(wǎng)格圖，要求激光掃描網(wǎng)格圖中的每個網(wǎng)格大小相等，網(wǎng)格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy滿足：

Gx＞max(D，dx，dy，P)且Gy＞max(D，dx，dy，P)；

其中，D為振鏡掃描系統(tǒng)掃描的光斑直徑，dx、dy分別為均勻測量點的坐標(biāo)矩陣M’(x’，y’，z’)中相鄰兩個測量點之間的X向間隔和Y向間隔；P為振鏡掃描系統(tǒng)的掃描精度；如此則可保證激光掃描網(wǎng)格圖中的每個網(wǎng)格內(nèi)必含有M’(x’，y’，z’)中的至少一個測量點；

(7)對激光掃描網(wǎng)格圖中的每個網(wǎng)格賦予權(quán)值；

若網(wǎng)格內(nèi)僅存在一個測量點，則權(quán)值k＝(z’-z’_min)/Δ，其中，z’為該網(wǎng)格內(nèi)測量點對應(yīng)M’(x’，y’，z’)中的z’值，Δ為振鏡掃描系統(tǒng)進行單次激光掃描去除的材料層厚；

若網(wǎng)格內(nèi)存在N(N＞1)個測量點，則權(quán)值

k_i＝(z’_i-z’_min)/Δ，其中，z’_i為該網(wǎng)格內(nèi)任一測量點對應(yīng)M’(x’，y’，z’)中的z’值。

Δ可通過如下方法獲得：

先關(guān)閉激光器，控制二維激光位移傳感器掃描一次工件表面，獲得工件表面起伏形貌的數(shù)據(jù)，亦即步驟(2)中的均勻測量點的坐標(biāo)矩陣M(x，y，z)；之后打開激光器，通過振鏡掃描系統(tǒng)對工件表面進行一次掃描；最后再利用二維激光位移傳感器掃描一次工件表面，亦即獲得步驟(4)中的均勻測量點的新坐標(biāo)矩陣M’(x’，y’，z’)；通過計算兩次二維激光位移傳感器測量的高度值之差可獲得振鏡掃描系統(tǒng)進行單次激光掃描去除的材料層厚Δ，即均勻測量點的坐標(biāo)矩陣M(x，y，z)與M’(x’，y’，z’)在同一測量位置的兩次測量高度值之差：Δ＝z-z’。

(8)開啟激光器，通過Z向運動機構(gòu)將激光的聚焦位置調(diào)整到z’_min與z’_max之間，控制振鏡掃描系統(tǒng)對激光掃描網(wǎng)格圖中的每個網(wǎng)格按步驟(7)計算的權(quán)值k進行k次掃描加工；

(9)通過旋轉(zhuǎn)臺將工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)任意一個角度；

(10)返回步驟(2)；

(11)結(jié)束。

本實用新型可改變?yōu)槎喾N方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，這樣的改變不認(rèn)為脫離本實用新型的范圍。所有這樣的對所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改，將包括在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。