一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法
【专利摘要】本发明提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，包括：装夹工件；控制二维激光位移传感器与工件发生相对平移运动，获得均匀测量点的坐标矩阵；之后控制扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵；计算δ＝z’max?z’min，若δ小于等于工件的目标平整度，则结束；否则，构建工件表面的激光扫描网格图，对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k；控制振镜扫描系统对激光扫描网格图中的每个网格按权值k进行k次扫描加工。本发明实现了工艺参数的动态调整以及不同阶段用不同的工艺参数，可以加大每次激光扫描去除的材料厚度，加快平整化的速度，提高加工效率和加工精度。
【专利说明】
一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法
技术领域
[0001] 本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种测量加工一体化的激光平整化抛光 方法。
【背景技术】
[0002] 随着材料表面技术的发展，表面抛光技术成为了一个越来越重要的技术。抛光技 术又称镜面加工技术，是制造平坦而且加工变形层很小，没有擦痕的面加工工艺。在工业应 用中，对材料表面粗糙度的要求越来越高，已经从微米级、亚微米级、纳米级逐渐发展到了 亚纳米级。为了满足应用的需要，已经有多种抛光技术被应用在工业生产中。抛光技术有： 机械抛光、超声波抛光、化学抛光、离子束抛光、电解抛光、流体抛光、磁研磨抛光等。这些抛 光技术在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领域得到广泛的应用。
[0003] 激光抛光技术是21世纪最有发展前景和最有效的抛光技术之一。激光抛光本质上 就是激光与材料表面相互作用，它遵从激光与材料作用的普遍规律。激光与材料的相互作 用主要有两种效果:热作用和光化学作用。根据激光与材料的作用机理，可把激光抛光简单 分为两类:一类为热抛光，另一类为冷抛光。热抛光一般用连续长波长激光，抛光时主要用 波长为1.06wii的YAG激光器和波长10.6wii的C0 2激光器，作用的机理是激光与材料相互作用 的热效应，通过熔化、蒸发等过程来去除材料表面的成分，因此，只要材料的热物理性质好， 都可用它来进行抛光。冷抛光一般用短脉冲短波长激光，抛光时主要用紫外准分子激光器 或飞秒脉冲激光器。飞秒激光器有很窄的脉冲宽度，它和材料作用时几乎不产生热效应。准 分子激光波长短，属于紫外和深紫外光谱段，有强的脉冲能量和光子能量、高的重复频率、 窄的脉冲宽度。大多数的金属和非金属材料对紫外光有强烈的吸收系数。冷抛光主要是通 过"消融"作用，即光化学分解作用。作用的机理是"单光子吸收"或"多光子吸收"，材料吸收 光子后，材料中的化学键被打断或者晶格结构被破坏，材料中成分被剥离。在抛光过程中， 热效应可以忽略，热应力很小，不产生裂纹，不影响周围材料，材料去除量易控制，所以，特 别适合精密抛光，尤其适合硬脆材料。冷抛光能完成激光热抛光不能完成的一些工作，因 此，在微细抛光、硬脆性材料和高分子材料抛光等方面具有无法比拟的优越性。
[0004] 江超等（《激光技术》，2006第6期）指出，激光在对不同的材料进行抛光时，系统是 有些差别的。现有技术中的激光抛光系统的主要构成有:激光器、光束均匀器、面形检测反 馈系统、三维位移台和计算机控制系统。激光抛光通常采用两种方法:一种是激光光束固定 不动，位移台带动工件运动；另一种是位移台和工件不动，光束根据要求运动。用连续激光 抛光时，激光作用在材料表面，检测设备跟踪检测，实时反馈控制决定每个微小部分作用时 间（或扫描速度)或控制变焦聚焦系统来改变激光功率密度。用脉冲激光抛光时，激光作用 在材料表面，检测设备跟踪检测，实时反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控 制变焦聚焦系统来改变激光的能量密度。在激光抛光过程中，检测技术和实时反馈控制技 术是关键，在很大程度上决定了抛光的等级。然而，在当前的实际工业应用领域，无论是采 用的是热抛光还是冷抛光原理，现有激光抛光技术中的抛光工艺控制基本都是开环方式。 虽然有天津大学张峰烈等人提出了基于CCD图像检测的激光抛光过程的激光能量密度实时 控制方案，但依靠CCD图像采集和后续图像处理获得表面起伏形貌，显然精度较低，且受到 光照均匀性、激光辐射、工件本身光反射率均匀性的诸多限制。进一步的，如何将实时测量 与加工一体化，无缝集成，提升加工效率，还没有较好的解决方案。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光 方法。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0007] 一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将工件装夹在多维工作台的基准面上，以所述基准面作为X0Y平面，依右手螺 旋法则建立XYZ三维直角坐标系；要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平 行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内；二维激光位移传感器的测量宽度 大于工件表面待抛光部分的宽度;工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程;二维 激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线Ln的方向平行于Y轴；
[0009] (2)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位 移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面待抛光部分的起伏形貌 数据，即获得均匀测量点的坐标矩阵M( x，y，z);
[0010] (3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光 部分，控制激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分；
[0011] (4)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位 移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分 均匀测量点的新坐标矩阵M'（x'，y'，z'）；
[0012] (5)计算S = z'max-z'min，若S小于等于工件的目标平整度，则转入步骤（11);否则， 进入步骤(6);
[0013] 其中，z 'max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M'（x '，y '，z '）中所有 测量点Z '值的最大值，Z ' min为Z '值的最小值；
[0014] (6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相 等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足:Gx >max (D，dx，dy，P)且Gy >max (D，dx，dy， P);
[0015] 其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均匀测量点的新坐标矩阵 M'（x'，y'，z'）中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔;P为振镜扫描系统的扫描精度；
[0016] (7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k;
[0017] 若网格内仅存在一个测量点，则权值k = (z ' -z 'min)/ A，其中，z '为该网格内测量 点对应M'（x'，y'，z'）中的z'值，A为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；
[0018] 若网格内存在N个测量点，N> 1，则权值
[0019] ki=(z'i-z'min)/A，其中，z'i为该网格内任一测量点对应M'（x'，y'，z'）中的z' 值;且当k-[k]<0.5时，取k=[k];当0.5<k-[k]<l时，取k=[k]+l，[k]表示k向左取整；
[0020] (8)开启激光器，将激光的聚焦位置调整到，_与，_之间，控制振镜扫描系统对 激光扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加工；
[0021] (9)将工件绕Z轴旋转任意一个角度；
[0022] (10)返回步骤(2);
[0023] (11)结束。
[0024] 优选的，振镜扫描系统可以为一维振镜扫描系统，也可以为二维振镜扫描系统。 [0025]优选的，所述二维激光位移传感器为一个。
[0026] 优选的，所述二维激光位移传感器为两个，激光加工头与两个二维激光位移传感 器并列安装在一起，一个二维激光位移传感器安装在激光加工头前，另一个二维激光位移 传感器安装在激光加工头后，两个二维激光位移传感器之间的距离是二维激光位移传感器 取样间距的整数倍。
[0027] 优选的，步骤(2)、（3)和(4)同时进行，即步骤(2)中采用的二维激光位移传感器为 激光加工头前端的二维激光位移传感器，步骤(4)中采用的二维激光位移传感器为激光加 工头后端的二维激光位移传感器。
[0028]本发明具有如下有益效果：
[0029] (1)本发明通过动态构建工件表面的激光扫描网格图，并针对每个网格分别计算 扫描次数的权值，进行不同次数的激光扫描，使得每个网格的每次扫描都可以采用不同的 工艺参数，实现了工艺参数的动态调整以及不同阶段用不同的工艺参数。比如在加工初期 (即工件表面粗糙度很大的时候），采用大功率的参数，这样可以加大每次激光扫描去除的 材料厚度，加快平整化的速度，提高加工效率;而在加工后期，采用小功率的参数，减小每次 激光扫描去除的材料厚度，提高加工精度。
[0030] (2)本发明所述激光扫描网格图中的网格是动态调整的，即对工件表面的全部网 格扫描完成后，会通过旋转台将工件旋转任意一个角度，之后重新构建激光扫描网格图，再 次进行扫描加工。网格的大小、排布都是动态更新的，这种变网格的方式，可以消除网格线 分界处的痕迹，有利于提高工件表面光洁度。
[0031 ] (3)传统的机械抛光加工过程是抛光-拆卸-清洗-面形测量-装夹-再抛 光......循环往复，直至光洁度达到要求为止。本发明采用闭环工艺控制，实现了测量与加 工一体化，边加工边测量，边修改工艺参数，直至满足工艺要求加工过程才结束。通过实时 反馈控制决定每个微小部分作用的脉冲个数或者控制变焦聚焦系统来改变激光的能量密 度，比如光洁度要求不高的话，则加工循环次数就少一点，光洁度要求高的话，则加工循环 次数就多一点;如此能够满足任意的工艺要求。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明所述二维激光位移传感器、工件与XYZ轴示意图；
[0033] 图2为本实施例中所述测量加工一体化加工装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0035]本发明所述的测量加工一体化的激光平整化抛光方法，需要将工件装夹在一种特 定的测量加工一体化加工装置上，该测量加工一体化加工装置中至少要包括激光加工头、 二维激光位移传感器和多维工作台，将多维运动台的上表面作为基准面，以基准面作为X0Y 平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系，工件装夹在多维工作台的基准面上。
[0036] 所述二维激光位移传感器（比如欧姆龙的ZG2型传感器），可测一定长度范围的直 线上n个均匀间距点与二维激光位移传感器之间的距离值。二维激光位移传感器可以是一 个，也可以是两个。如图1所示，二维激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线LN的方向平 行于Y轴，设二维激光位移传感器的等间隔测距点的间隔为dy。
[0037]要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维 激光位移传感器的测距范围内，工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程;二维激 光位移传感器的n个等间隔测距点之连线LN的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度。 [0038]本发明要求多维工作台至少具有一个绕Z轴的转动自由度，多维工作台与二维激 光位移传感器之间至少可以发生沿X轴方向的相对运动，多维工作台与激光加工头之间至 少可以发生沿Z轴方向的相对运动。
[0039]所述激光加工头包括振镜扫描系统和聚焦物镜，外部激光器发出的激光束经光路 系统传输后，激光束垂直或以一定偏角入射并聚焦在工件表面，由振镜扫描系统实现激光 束的聚焦光斑在工件表面的扫描运动。所述光路系统可以包含扩束准直镜、转折镜和整形 镜等。振镜扫描系统可以是一维振镜扫描系统，也可以是二维振镜扫描系统。
[0040] 如图2所示，本实施例中提供了一种测量加工一体化加工装置，包括激光加工头1、 二维激光位移传感器2和多维工作台3,所述多维工作台3包括Z向运动机构和平移旋转机 构，待加工的工件4安装于平移旋转机构之上，由平移旋转机构带动待加工工件做平移运动 (X向或者XY向）以及绕Z轴的旋转运动。
[0041] 所述Z向运动机构用于调整激光加工头1与工件4表面之间的Z向距离，所述Z向运 动机构为升降Z轴或者Z向位移台；若Z向运动机构为升降Z轴，则激光加工头1安装于升降Z 轴上，由升降Z轴带动激光加工头做Z向升降运动;若Z向运动机构为Z向位移台，则由Z向位 移台带动待加工工件做Z向升降运动。
[0042] 所述平移旋转机构包括位移台和旋转台，位移台可以仅支持一维X向运动，也可以 支持二维XY向运动，更优选的，位移台可以与Z向位移台组合为一体结构，形成XYZ三轴运动 台。位移台和旋转台两者的位置可换，即位移台在上，旋转台在下;或者位移台在下，旋转台 在上均可。
[0043] 若二维激光位移传感器2为两个，激光加工头1内的振镜扫描系统安装在两个二维 激光位移传感器2之间，两个二维激光位移传感器2之间的距离是二维激光位移传感器2取 样间距的整数倍，这样可以保证在扫描工件过程中两个二维激光位移传感器2的测量点完 全重合。
[0044]若振镜扫描系统采用的是一维振镜扫描系统，振镜扫描系统输出激光束的扫描方 向沿着Y轴方向；若振镜扫描系统采用的是二维振镜扫描系统，振镜扫描系统输出激光束的 扫描方向沿着Y轴方向和X轴方向。
[0045]外部激光器5发出的激光束经光路系统6传输后，激光束垂直或以一定偏角入射并 聚焦在工件4的表面，由激光加工头1内的振镜扫描系统实现激光束的聚焦光斑在工件4表 面的扫描运动。
[0046] 实施例一：
[0047] 此实施例为测量加工一体化加工装置中振镜扫描系统为一维振镜扫描系统，二维 激光位移传感器为一个，位移台仅支持一维X向运动的情况。
[0048] 本发明提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，具体包括如下步骤：
[0049] (1)将工件装夹于图2所示的测量加工一体化加工装置上，使二维激光位移传感器 的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内，工 件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程。
[0050] 要求所述工件满足以下条件:工件沿Y轴方向的宽度小于振镜扫描系统沿Y轴方向 的扫描宽度，工件沿X轴方向的长度小于位移台的X向最大行程;工件的高度小于位移台的Z 向最大行程与二维激光位移传感器的Z向量程之和。
[0051 ] (2)控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向相对平移运动(可以是位移台带动 工件或者二维激光位移传感器沿X轴方向运动），使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一 次工件表面待抛光部分，二维激光位移传感器每隔固定距离dx采样一次，从而可以获得工 件表面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得工件表面待抛光部分按dx、dy间隔获得均匀测 量点的坐标矩阵M(x，y，z)，其中z是二维激光位移传感器测得的高度值；
[0052] (3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光 部分，使激光加工头的扫描振镜系统按设定扫描速度进行扫描，扫描方向与LN方向（Y轴方 向）平行。同时使激光加工头与工件发生相对平移运动(工件或者激光加工头之一沿X轴方 向运动），使激光束扫描一次工件表面待抛光部分。
[0053] (4)按照步骤(2)的方法，使二维激光位移传感器沿X轴方向重新扫描一次工件表 面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵M'（x'，y'， z'）。
[0054] 优选的，可以在步骤(2)后，激光加工头与工件相对运动回复到初始位置的过程 中，即在反向回起点过程中完成本步骤。
[0055] (5)计算S = z'max-z'min，若5小于等于工件的目标平整度，则转入步骤（11);否则， 进入步骤(6);其中，z' max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M'（X'，y'，z'）* 所有测量点z '值的最大值，z ' min为z '值的最小值；
[0056] (6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相 等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：
[0057] 6叉>111&叉（0，(^，(17，？）且67>1]1&叉（0，(^，(17，？）；
[0058] 其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均勾测量点的坐标矩阵M' (x'，y'，z'）中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔;P为振镜扫描系统的扫描精度;如 此则可保证激光扫描网格图中的每个网格内必含有M'（x'，y'，z'）中的至少一个测量点；
[0059] (7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值；
[0060] 若网格内仅存在一个测量点，则权值k = (z ' -z 'min)/ A，其中，z '为该网格内测量 点对应M'（x'，y'，z'）中的z'值，A为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；
[0061 ] 若网格内存在N(N>1)个测量点，则权值
[0062] ki=(z'i-z'min)/A，其中，z'i为该网格内任一测量点对应M'（x'，y'，z'）中的z' 值。且当k-[k]<0.5时，取k=[k];当0.5<k-[k]<l时，取k=[k]+l，[k]表示k向左取整。 [0063] A可通过如下方法获得：
[0064]先关闭激光器，控制二维激光位移传感器扫描一次工件表面，获得工件表面起伏 形貌的数据，亦即步骤(2)中的均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z);之后打开激光器，通过振 镜扫描系统对工件表面进行一次扫描；最后再利用二维激光位移传感器扫描一次工件表 面，亦即获得步骤(4)中的均匀测量点的新坐标矩阵M'（x'，y'，z'）；通过计算两次二维激光 位移传感器测量的高度值之差可获得振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚A， 即均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)与M'（x'，y'，z'）在同一测量位置的两次测量高度值之 差:A = z_z' 〇
[0065] (8)开启激光器，通过Z向运动机构将激光的聚焦位置调整到z'min与z' max之间，控 制振镜扫描系统对激光扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加 工；
[0066] (9)通过旋转台将工件绕Z轴旋转任意一个角度；
[0067] (10)返回步骤(2);
[0068] (11)结束。
[0069] 实施例二：
[0070] 此实施例为测量加工一体化加工装置中振镜扫描系统为一维振镜扫描系统，二维 激光位移传感器为两个，激光加工头与两个二维激光位移传感器并列安装在一起，一个二 维激光位移传感器安装在激光加工头前，另一个二维激光位移传感器安装在激光加工头 后，两个二维激光位移传感器之间的距离是二维激光位移传感器取样间距的整数倍，这样 可以保证在扫描工件过程中两个二维激光位移传感器的测量点完全重合。
[0071] 本发明提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，具体包括如下步骤：
[0072] (1)将工件装夹于图2所示的测量加工一体化加工装置上，使二维激光位移传感器 的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内，L N 的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度，工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z 向量程。
[0073] 要求所述工件满足以下条件:工件沿Y轴方向的宽度小于振镜扫描系统沿Y轴方向 的扫描宽度，工件沿X轴方向的长度小于位移台的X向最大行程;工件的高度小于Z向运动机 构的Z向最大行程与二维激光位移传感器的Z向量程之和。
[0074] (2)控制两个二维激光位移传感器和激光加工头与工件在X轴方向发生相对平移 运动，前端的二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面 待抛光部分按dx、dy间隔获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z);其中z是激光扫描前测得的 高度值；
[0075] 同时，激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度进行扫描，扫描方向与LN方 向（Y轴方向）平行，激光扫描的同时激光加工头与二维激光位移传感器同步沿X轴方向运 动；
[0076]后方的二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分;获得激光 扫描后工件表面待抛光部分均匀测量点的新坐标矩阵M'（x'，y'，z'）；其中z'是激光扫描后 测得的高度值；
[0077] (3)计算S = z'max-z'_，若S小于等于工件的目标平整度，则转入步骤(9);否则，进 入步骤(4);
[0078] 其中，z ' max为步骤(2)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵M '（ x '，y '，z '）中所有 测量点z '值的最大值，z ' min为z '值的最小值；
[0079] (4)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相 等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：
[0080] 6叉>111&叉（0，(^，(17，？）且67>1]1&叉（0，(^，(17，？）；
[0081] 其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均匀测量点的新坐标矩阵 1!'（1'，7'， 2'）中相邻两个测量点之间的乂向间隔和￥向间隔;？为振镜扫描系统的扫描精度； 如此则可保证激光扫描网格图中的每个网格内必含有M'（x'，y'，z'）中的至少一个测量点；
[0082] (5)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值；
[0083] 若网格内仅存在一个测量点，则权值k = (z ' -z 'min)/ A，其中，z '为该网格内测量 点对应M'（x'，y'，z'）中的z'值，A为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；
[0084] 若网格内存在N(N> 1)个测量点，则权值
[0085] ki=(z'i-z'min)/A，其中，z'i为该网格内任一测量点对应M'（x'，y'，z'）中的z' 值。且当k-[k]<0.5时，取k=[k];当0.5<k-[k]<l时，取k=[k]+l，[k]表示k向左取整。
[0086] A可通过如下方法获得:按照步骤(2)所述，激光器开启后，控制振镜扫描系统和 两个二维激光位移传感器同步对工件表面进行一次扫描，则在激光加工头前后的两个二维 激光位移传感器将分别获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)与M'（x'，y'，z'），计算两个二 维激光位移传感器测量的高度值之差，就是振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层 厚A，即均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z)与^(1'， 7'，2'）在同一测量位置的两次测量高度 值之差:A = z_z' ；
[0087] (6)开启激光器，将激光的聚焦位置调整到z'min与z'max之间，控制振镜扫描系统对 激光扫描网格图中的每个网格按步骤(5)计算的权值k进行k次扫描加工；
[0088] (7)通过旋转台将工件绕Z轴旋转任意一个角度；
[0089] (8)返回步骤（2);
[0090] (9)结束。
[0091] 实施例三：
[0092] 此实施例为测量加工一体化加工装置中振镜扫描系统为二维振镜扫描系统，二维 激光位移传感器为一个的情况。
[0093] 本发明提供了一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，具体包括如下步骤：
[0094] (1)将工件装夹于图2所示的测量加工一体化加工装置上，使二维激光位移传感器 的测量激光输出面与基准面平行，二者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内，LN 的测量宽度大于工件表面待抛光部分的宽度，工件的起伏度小于二维激光位移传感器的z 向量程。
[0095] 要求所述工件满足以下条件:工件沿Y轴方向的宽度小于振镜扫描系统沿Y轴方向 的扫描宽度，工件沿X轴方向的长度小于振镜扫描系统沿X轴方向的扫描长度;工件的高度 小于位移台的Z向最大行程与二维激光位移传感器的Z向量程之和。
[0096] (2)控制二维激光位移传感器与工件相对平移运动（可以是位移台带动工件或者 二维激光位移传感器之一沿X轴方向运动），使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次工 件表面待抛光部分，二维激光位移传感器每隔固定距离dx采样一次，从而可以获得工件表 面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得工件表面待抛光部分按dx、dy间隔获得均匀测量点 的坐标矩阵M(x，y，z)，其中z是测得的高度值；
[0097] (3)激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光 部分，使激光加工头的扫描振镜系统按设定扫描速度进行扫描;此时由于扫描振镜系统为 二维扫描振镜系统，则激光加工头与工件不必发生相对运动，直接使激光束扫描一次工件 表面待抛光部分即可。
[0098] (4)再次使二维激光位移传感器与工件相对平移运动(可以是位移台带动工件或 者二维激光位移传感器之一沿X轴方向运动），使二维激光位移传感器沿X轴方向扫描一次 工件表面待抛光部分，二维激光位移传感器每隔固定距离dx采样一次，从而可以获得激光 扫描后工件表面待抛光部分的起伏形貌数据，即获得激光扫描后工件表面待抛光部分按 dx、dy间隔获得均匀测量点的新坐标矩阵^(1'， 7'，2'），其中2'是测得的高度值；
[0099] (5)计算S = z'max-z'min，若5小于等于工件的目标平整度，则转入步骤（11);否则， 进入步骤(6);其中，z' max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的坐标矩阵M'（X'，y'，z'）*m 有测量点z '值的最大值，z ' min为z '值的最小值；
[0100] (6)构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相 等，网格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足：
[0101 ] 6叉>111&叉（0，(^，(17，？）且67>1]1&叉（0，(^，(17，？）；
[0102] 其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均勾测量点的坐标矩阵M' (x'，y'，z'）中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔;P为振镜扫描系统的扫描精度;如 此则可保证激光扫描网格图中的每个网格内必含有M'（x'，y'，z'）中的至少一个测量点；
[0103] (7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值；
[0104] 若网格内仅存在一个测量点，则权值k = (z ' -z 'min)/ A，其中，z '为该网格内测量 点对应M'（x'，y'，z'）中的z'值，A为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚；
[0105] 若网格内存在N(N> 1)个测量点，则权值
[0106] ki=(z'i-z'min)/A，其中，z'i为该网格内任一测量点对应M'（x'，y'，z'）中的z' 值。且当k-[k]<0.5时，取k=[k];当0.5<k-[k]<l时，取k=[k]+l，[k]表示k向左取整。
[0107] (8)开启激光器，将激光的聚焦位置调整到，_与，_之间，控制振镜扫描系统对 激光扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加工；
[0108] (9)通过旋转台将工件旋转任意一个角度；
[0109] (10)返回步骤(2);
[0110] (11)结束。
[0111] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为 脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利 要求的范围之内。
【主权项】
1. 一种测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将工件装夹在多维工作台的基准面上，以所述基准面作为XOY平面，依右手螺旋法 则建立XYZ三维直角坐标系;要求二维激光位移传感器的测量激光输出面与基准面平行，二 者间距保持在二维激光位移传感器的测距范围内；二维激光位移传感器的测量宽度大于工 件表面待抛光部分的宽度;工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程;二维激光位 移传感器的η个等间隔测距点之连线Ln的方向平行于Y轴； (2) 控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传 感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得工件表面待抛光部分的起伏形貌数据， 即获得均匀测量点的坐标矩阵M(x，y，z); (3) 激光器按设定工艺参数输出激光束，经激光加工头后聚焦于工件表面待抛光部分， 控制激光加工头内的扫描振镜系统按设定扫描速度扫描一次工件表面待抛光部分； (4) 控制二维激光位移传感器与工件在X轴方向发生相对平移运动，使二维激光位移传 感器沿X轴方向扫描一次工件表面待抛光部分，获得激光扫描后工件表面待抛光部分均匀 测量点的新坐标矩阵M'（X'，y'，z'）； (5) 计算S = z'max-z'min，若δ小于等于工件的目标平整度，则转入步骤（11);否则，进入 步骤(6); 其中，z'max为步骤(4)中所获得的均匀测量点的新坐标矩阵^(1'，7'，2'）中所有测量 点z '值的最大值，z ' _为2 '值的最小值； (6) 构建工件表面的激光扫描网格图，要求激光扫描网格图中的每个网格大小相等，网 格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy满足:Gx >max (D，dx，dy，P)且Gy >max (D，dx，dy，P); 其中，D为振镜扫描系统扫描的光斑直径，dx、dy分别为均勾测量点的新坐标矩阵M ' (X'，y'，z'）中相邻两个测量点之间的X向间隔和Y向间隔;P为振镜扫描系统的扫描精度； (7) 对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值k; 若网格内仅存在一个测量点，则权值k =( z ' -Z 'min)/ △，其中，z '为该网格内测量点对 应1'（^，/，2'）中的2'值，4为振镜扫描系统进行单次激光扫描去除的材料层厚； 若网格内存在N个测量点，N> 1，则；ki=(Z'i-Z'min)/A，其中，z'i为该网格内任一测量点对应M'（X'，y'，Z'）中的Z'值； 且当k-[k]<0.5时，取k= [k];当0.5<k-[k]<l时，取k= [k]+l，[k]表示k向左取整； (8) 开启激光器，将激光的聚焦位置调整到z'min与z'max之间，控制振镜扫描系统对激光 扫描网格图中的每个网格按步骤(7)计算的权值k进行k次扫描加工； (9) 将工件绕Z轴旋转任意一个角度； (10) 返回步骤(2); (11) 结束。2. 根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，振镜扫 描系统可以为一维振镜扫描系统，也可以为二维振镜扫描系统。3. 根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，所述二 维激光位移传感器为一个。4. 根据权利要求1所述的测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，所述二 维激光位移传感器为两个，激光加工头与两个二维激光位移传感器并列安装在一起，一个 二维激光位移传感器安装在激光加工头前，另一个二维激光位移传感器安装在激光加工头 后，两个二维激光位移传感器之间的距离是二维激光位移传感器取样间距的整数倍。5. 根据权利要求4所述的测量加工一体化的激光平整化抛光方法，其特征在于，步骤 (2)、（3)和(4)同时进行，即步骤(2)中采用的二维激光位移传感器为激光加工头前端的二 维激光位移传感器，步骤(4)中采用的二维激光位移传感器为激光加工头后端的二维激光 位移传感器。
【文档编号】B23K26/082GK106001927SQ201610537385
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】曹宇, 何安, 刘文文, 张健, 孙兵涛, 朱德华, 姜小霞
【申请人】温州大学