一种测量加工一体化的激光平整化抛光装置的制作方法

本实用新型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装置。

背景技术：

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。

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1.06μm的YAG激光器和波长10.6μm的CO₂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。

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。

技术实现要素：

本实用新型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装置。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种测量加工一体化的激光平整化抛光装置，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XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系；

所述多维工作台包括Z向运动机构和平移旋转机构，待加工的工件安装于基准面上，由平移旋转机构带动工件做平移运动以及绕Z轴的旋转运动；所述Z向运动机构用于调整激光加工头与工件表面之间的Z向距离；

所述平移旋转机构包括位移台和旋转台，所述位移台至少具有一个沿X轴方向的运动自由度，所述旋转台至少具有一个绕Z轴的转动自由度；

所述二维激光位移传感器用于测直线上多个等间隔均匀间距点与二维激光位移传感器之间的Z向距离值；二维激光位移传感器的多个等间隔均匀测距点之连线L_N的方向平行于Y轴；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；

所述激光加工头包括振镜扫描系统和聚焦物镜；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；外部激光器发出的激光束经光路系统传输后，激光束入射并聚焦在工件的表面，由激光加工头内的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。

优选的，所述二维激光位移传感器为一个。

优选的，所述二维激光位移传感器为两个；激光加工头内的振镜扫描系统安装在两个二维激光位移传感器之间，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。

本实用新型所述的测量加工一体化的激光平整化抛光装置中的激光加工头与二维激光位移传感器配合使用，可以实现测量与加工一体化，可以有效测量每次激光扫描去除的材料厚度，为工艺参数的动态调整提供依据；同时本实用新型中多维工作台具有多个运动自由度，为激光扫描抛光时网格的动态调整提供了前提。该测量加工一体化的激光平整化抛光装置可用于激光平整化抛光，提高工作效率和加工精度。

附图说明

图1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；

图2为本实用新型所述二维激光位移传感器、工件与XYZ轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型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。

将多维运动台3的上表面作为基准面，以基准面作为XOY平面，依右手螺旋法则建立XYZ三维直角坐标系。

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的基准面上，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。

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。

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向运动机构组合为一体结构，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。

所述二维激光位移传感器2(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2所示，二维激光位移传感器的n个等间隔测距点之连线L_N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。

要求二维激光位移传感器2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2的测距范围内。

所述激光加工头1包括振镜扫描系统和聚焦物镜。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。

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。

若激光加工头1内的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。

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。所述光路系统6可以包含扩束准直镜、转折镜和整形镜等。

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。

采用上述测量加工一体化的激光平整化抛光装置进行工件平整化抛光的方法，具体包括如下步骤：

(1)将工件装夹于图1所示的测量加工一体化的激光平整化抛光装置上。

要求所述工件满足以下条件：工件的起伏度小于二维激光位移传感器的Z向量程，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。

(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；

(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L_N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。

(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’)。

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。

(5)计算δ＝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；

(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分别为均匀测量点的坐标矩阵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；

(7)对激光扫描网格图中的每个网格赋予权值；

若网格内仅存在一个测量点，则权值k＝(z’-z’_min)/Δ，其中，z’为该网格内测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值，Δ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(N＞1)个测量点，则权值

k_i＝(z’_i-z’_min)/Δ，其中，z’_i为该网格内任一测量点对应M’(x’，y’，z’)中的z’值。

Δ可通过如下方法获得：

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Δ，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：Δ＝z-z’。

(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；

(9)通过旋转台将工件绕Z轴旋转任意一个角度；

(10)返回步骤(2)；

(11)结束。

本实用新型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实用新型的范围。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。