本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种采用超快激光实现高精度微孔加工的工艺方法及装置。
背景技术：
超快激光微孔加工技术是叶片气膜孔、火焰筒气膜孔以及航空喷油嘴微孔加工的最新技术手段，但这些领域所需的微孔存在精度高、品质好和对面壁无损伤等加工要求。然而目前超快激光微孔加工过程中，由于激光器的差异性、加工环境以及光路调试存在误差等因素，对制孔精度产生严重的影响，并且在加工过程中，激光是通过孔壁反射、衍射以及等离子体吸收等多种方式传播至孔底，使得孔深度增加。但激光在孔壁上的反射率依赖于偏振方向，会导致激光能量分布不均匀，同时由于飞秒激光容易产生空气电离，气相容易受到扰动，从而使激光在传播至孔底的过程中并非理想的均匀状态，导致孔底部形貌不均匀，呈锥形分布，易造成孔尚未加工完成时就因孔底部分区域穿透而出现对面壁损伤等问题。若按要求实现高精度微孔加工，加工前需反复调试加工工艺，并需人工改变加工工艺参数对微孔进行二次修正，无法单步单机完成微孔加工，过程复杂且周期长，对超快激光高精度微孔加工真正实现工程化应用产生影响。所以如何解决制孔过程中底部锥形形貌导致的对面壁损伤及为了确保微孔加工精度需要人工改变加工工艺参数导致的工艺复杂周期长等问题，是实现超快激光高精度微孔加工工程化应用的重要技术方向。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种采用超快激光实现高精度微孔加工的工艺方法及装置，以解决微孔加工中底部锥形形貌导致的对面壁损伤和由此导致的工艺调试复杂且周期长等问题，实现高精度微孔智能加工。
本发明的技术解决方案是提供一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工方法，包括以下步骤：
步骤一：根据需要加工的微孔参数，确定初始加工工艺参数及多组修正加工工艺参数；
步骤二：沿微孔的径向截面将制孔区域划分为不同的同心圈区；
步骤三：根据步骤一确定的初始加工工艺参数，开始激光扫描加工微孔；
步骤四：实时监测微孔实际加工过程中微孔形貌，并对孔横截面和深度维实时成像，根据成像结果得到此时微孔内底部平整度h；
步骤五：分析步骤四得到的实时微孔内底部平整度h，当微孔加工过程中h发生改变时，实时调用相应的修正加工工艺参数进行加工；
步骤六：当监测到的微孔深度符合设定深度时，结束微加工。
优选地，不同的h对应不同的激光扫描功率，具体为：
当h＞a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；
当h＜-a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；
当-a≤h≤a，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描功率相等；
其中a为底部平整度测量误差值。
优选地，步骤四中根据成像结果还可以得到此时微孔孔径测量值d及孔深测量值l；
步骤五：根据得到的微孔孔径测量值d及孔深测量值l，当微孔加工过程中微孔孔径测量值d及孔深测量值l发生改变时，实时调用相应的修正加工工艺参数进行加工。
优选地，不同的d对应不同的激光扫描功率，具体为：
当d-b≤d≤d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描圈数相等；
当d＞d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；
当d＜-(d+b)时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；
其中d为微孔孔径理论值，b为误差值；
当l≤l≤l+c时，结束微孔加工，其中l为微孔孔深理论值，c为微孔孔深测量误差值。
优选地，步骤四利用光学相干层析成像同轴监测方法；
将激光光源发出的监测光束分为两路，一路经反射镜反射至探测器，另一路与激光加工光路汇合，到达加工区域，对加工过程中的微孔形貌进行扫描，加工区域的实时反射光经过聚焦、过滤与反射镜反射光汇合入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像，分析图像，得到微孔实际加工过程中微孔孔径d、孔内底部平整度h及孔深l。
优选地，步骤三中采用从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式进行扫描加工。
优选地，孔参数包括孔径、孔深度、孔间距、加工方向及孔总数量；加工工艺参数，包括激光功率、扫描方式、扫描重叠率、频率、扫描速度。
本发明还提供一种能够实现上述微孔加工方法的基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置，其特殊之处在于：包括光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统；
上述光束扫描系统包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扫描模块与聚焦镜；激光器发射加工光束入射至扫描模块，从扫描模块射出的加工光束经过聚焦镜聚焦后，作用于待加工工件的目标区域；
上述光学相干层析成像同轴监测系统包括激光光源、第一半透镜、第二反射镜、第二半透镜、第三半透镜、第四半透镜、滤波片、第三反射镜、探测器及数据采集卡；第三半透镜设置在激光器与扫描模块之间且位于激光器出射光路中；第四半透镜设置于扫描模块与聚焦镜之间且位于扫描模块的出射光路中；
激光光源发出的监测光束经过第一半透镜分光，一路监测光进入第二反射镜反射，经第二反射镜反射后的光束透过第一半透镜后进入探测器；另一路监测光透过第二半透镜，经第三半透镜反射至加工光路中；监测光束经过扫描模块的调节，透过第四半透镜和聚焦镜到达加工区域；加工区域的实时反射光经过聚焦镜，由第四半透镜反射至滤波片，对反射光束进行过滤，再经由第三反射镜、第二半透镜和第一半透镜反射后，入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像，处理图像，得到微孔实际加工过程中的微孔参数；
激光器、扫描模块、激光光源及数据采集卡均与控制系统电连接。
优选地，本发明加工装置还包括位于激光器与扫描模块之间的反射镜，激光器出射光束经由反射镜反射后入射至扫描模块。
优选地，激光光源为850nm激光光源。
本发明的有益效果是：
1)本发明在超快激光高精度微孔加工过程中，采用光学相干层析成像同轴监测实现微孔加工过程的三维实时成像，保证微孔加工过程中孔底形貌均匀，根据加工过程中孔横截面(x、y方向)和深度维(z方向)实时成像结果的分析，在微孔加工过程中孔形貌较预期指标要求发生改变时，能实时有效的做出识别并实时调控制相应的孔工艺参数，实现高精度微孔智能加工，确保航空喷油嘴微孔及叶片气膜孔等类型微孔加工过程中对面壁无损伤；
2)在高精度微孔加工过程中，根据光学相干层析成像系统同轴监测孔直径d和孔底部平整度h的信息，自动调用加工参数，加工过程简单，周期短；
3)扫描方式选择从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式，通过对扫描速度、功率和频率的匹配，控制激光扫描重叠率，进一步确保高精度微孔加工。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统示意图；
图2a为微孔扫描区域示意图；
图2b为加工过程中孔底形貌图；
图3为本发明一个实施例的方法流程图；
图4为超快激光微孔加工工艺规范示意图；
图中附图标记为：1-工控机，2-高速数据采集卡，3-探测器，4-850nm激光光源，5-第二反射镜，6-第一半透镜，7-第二半透镜，8-监测光束，9-第一反射镜，11-激光器，12-第三半透镜，13-扫描模块，14-滤波片，15-第四半透镜，16-聚焦镜，17-第三反射镜，18-叶片基体，19-叶片腔体及内部防护材料，20-叶片气膜孔对面壁，21、22、23、24、25-扫描圈区。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
本发明采用光学相干层析成像同轴监测加工过程中微孔形貌并实时调控加工工艺参数实现超快激光微孔加工，可实现一段式高精度微孔加工；首先需要根据工件需加工的孔参数，确定初始加工工艺参数及多组修正加工工艺参数；沿微孔的径向截面将制孔区域划分为不同的同心圈区；再根据确定的初始加工工艺参数，开始激光扫描加工微孔；在加工过程中，利用光学相干层析成像同轴监测方法，实时对孔横截面和深度维实时成像，分析图像，得到微孔孔径d、孔内底部平整度h及孔深l；最后分析得到的微孔孔径d、孔内底部平整度h及孔深l，当微孔加工过程中孔形貌较理论d、h、l要求发生改变时，实时调用相应的修正加工工艺参数进行加工，其中，孔内底部平整度h指的是孔底形貌的最高点与最低点之间的距离。
修正加工工艺参数与d、h、l的对应关系如下：
当h＞a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；设定公差可以是2w等。
当h＜-a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；
当-a≤h≤a，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描功率相等；
其中a为底部平整度测量误差值，可以根据常规测量误差进行选取，如0.05mm等。
当d-b≤d≤d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描圈数相等；
当d＞d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；此处设定公差可以选取2；
当d＜-(d+b)时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；
其中d为微孔孔径理论值，b为微孔孔径测量误差值，可以根据常规测量误差进行选取，如0.05mm等。
当l≤l≤l+c时，结束微孔加工，其中l为微孔孔深理论值，c为微孔孔深测量误差值，可以根据常规测量误差进行选取，如0.05mm等。
光学相干层析成像同轴监测过程如下：将激光光源发出的监测光束分为两路，一路经反射镜反射至探测器，另一路与加工激光光路汇合，到达加工区域，加工区域的实时反射光经过聚焦、过滤与反射镜反射光汇合入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像；分析图像，得到微孔实际加工过程中微孔孔径d、孔内底部平整度h及孔深l。
具体的可以通过如图1所示的系统实现，从图1可以看出，该加工系统主要包括3个部分：光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统，该实施例中控制系统为工控机1。利用光学相干层析成像同轴监测系统可以实现对孔底形貌的精确监测，并将监测数据传输至工控机1，工控机1可根据实时的监测结果向光束扫描系统配置适时的加工参数，如激光扫描重叠率、扫描功率、进给量等，以实现不损伤对面壁的加工要求。
其中，光束扫描系统包括激光器11、第一反射镜9、扫描模块13以及聚焦镜16。激光器11发射出用于加工工件的激光光束，激光光束经由反射镜9偏转90°，竖直向下入射至扫描模块13。在另一实施方式中，激光器竖直向下发射激光，使激光光束入射至扫描模块13中，而不需要设置第一反射镜9。扫描模块13可以包括用于使光束发生可控偏转和横移的光学器件组，在本实施例中可采用四光楔形式、或pzt反射模块和平行平板的组合形式，也可采用实现光束可控偏转和横移的其他形式。从扫描模块13射出的加工光束经过聚焦镜16聚焦后作用于待加工工件的目标区域。激光器11、扫描模块13与工控机1电连接，以控制激光器、扫描光束以及其他附件从而按不同的打孔需求匹配合适的工艺参数组合。
光学相干层析成像同轴监测系统包括高速数据采集卡2、探测器3、850nm激光光源4、第二反射镜5、第一半透镜6、第二半透镜7、第三半透镜12、扫描模块13、第四半透镜15、滤波片14以及第三反射镜17。为了完成监测工作，将850nm激光光源4的出光经过第一半透镜6分光，一路进入参考臂，参考臂为反射式结构，即如图1中所示，从激光光源4发出的监测光束经过第一半透镜6的反射竖直向上入射至第二反射镜5，通过第二反射镜5的反射，竖直向下透过第一半透镜6入射至探测器3中；另一路进入样品臂，即从激光光源4发出的监测光束依次穿过第一半透镜6和第二半透镜7，经由第三半透镜12反射至加工光路中。监测光束经过扫描模块13的调节，穿过第四半透镜15和聚焦镜16到达加工区域实现制孔过程中形貌扫描。加工区域的实时反射光则经过聚焦镜16，由第四半透镜15反射，反射光路设置有滤波片14以对反射光束进行过滤实现稳定的光学相干，再经由第三反射镜17、第二半透镜7和第一半透镜6反射与参考臂汇合，入射至探测器3实现光电转换，随后经过高速数据采集卡的ad转化，转换为数字信号存储在计算机中，对采集信号进行高速处理即可得到最终图像，实现微孔制孔过程的三维成像，进而通过对成像的分析，得到加工直径d和孔底部平整度h的实时数据。通过该系统可以在制孔过程中实时成像判断微孔形貌是否发生改变，且可实时监测孔底部形貌，实时调控加工工艺参数，一段式完成高精度微孔加工。
下面以叶片气膜孔加工过程中工况情况为示例，进行详细说明，叶片包括叶片基体18与叶片腔体内部防护材料19，图1同时给出了叶片气膜孔对面壁20。其要求为加工过程中基体无重铸层、无微裂纹、无热影响区，且对面壁无损伤，同时加快制孔效率。
首先，根据需要加工的叶片气膜孔参数，确定加工工艺参数；具体地，孔参数包括孔径d、孔深度l、孔间距、加工方向及孔总数量；加工工艺参数，包括激光功率、扫描方式、扫描重叠率、频率、扫描速度；可以理解，实际加工过程中，根据工件的加工图纸和需要加工的孔参数，根据经验和软件程序计算可以确定工件的加工工艺参数。
其次，控制系统中各模块自检回零，激光器的预热和光束扫描系统的回零，以及机床运动平台的回零，确保气膜孔的精确加工。
再次，将待加工叶片固定于定位平台上，并调整至水平位置；选定叶片上某个位置为坐标原点，建立直角坐标系；根据所述直角坐标系确定叶片上需要加工的钻孔坐标；并根据所述直角坐标系和机床平台的坐标系转换关系，将所述钻孔坐标转换为所述机床平台的坐标系下的钻孔坐标；
然后，在工控机中输入所加工气膜孔的直径d和孔深l，将制孔横向区域分为5个圈区，如图2a所示。加工过程中孔底形貌如图2b所示，l为孔深，h表示孔底平整度，实际加工过程中，应保持孔底形貌均匀，以实现高质量的制孔加工，故必须实时调节孔底能量分布。并且加工过程中为控制孔的锥度偏差确保孔的垂直性，需适时调节孔径扫描圈数。根据加工过程中监测到的气膜孔实际加工直径d和孔底部平整度h(其中测量值误差范围为±0.05mm)的情况，设置相应的加工工艺参数，如图3所示。
然后，开启光学相干层析成像同轴监测系统10-15秒后，开启光束扫描系统，设定初始加工参数，激光脉宽为100-800fs，采用从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式进行加工，扫描重叠率控制为70％，匹配扫描速度、功率和频率，将图2a中扫描圈区21、22、23、24和25的扫描圈数设定为10，相应的匹配功率均为15w，z轴进给量为0.01-0.1mm。开始制孔。
工控机根据接收的光学相干层析成像同轴监测系统发送的关于孔直径d和底部高度h的数值，向激光器和扫描模块实时配置适当的加工工艺参数。
从图3和图4可以看出，在d-0.05≤d≤d+0.05的情况下，即孔径加工精度合理的情况下，根据监测到的底部平整度h的结果，当-0.05≤h≤0.05，底部形貌均匀，则为提高加工效率，工控机将激光器和扫描模块配置成激光扫描重叠率为60％-80％，21-25圈的扫描圈数均为10，其扫描功率均为15w，z轴进给量为0.01-0.1mm。而当监测到h>0.05时，底部有凸起，此时控制扫描内圈时用大功率输出而外圈时采用小功率输出并减小z轴进给量以消除凸起，具体参数可设置为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数均为10，其扫描功率则从内到外(从21-25)设置为10-2w，每圈间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。而在持续的加工过程中一旦监测到底部形貌为凹形的临界值时，即h开始小于-0.05时，对孔底形貌进行即时的修正，改变加工参数，改变21-25圈的功率分布，以外圈为大功率而内圈保持小功率同时以小进给量进行进给。具体参数为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数均为10，其扫描功率由外圈到内圈为10-2w(从25-21)，间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。
一旦在加工过程中监测到d开始大于d+0.05的情况下，即加工的孔径有大于设置孔径的趋势时，当监测到的底部高度h的结果为-0.05≤h≤0.05时，底部形貌均匀，为消除孔径变大的趋势，从内圈到外圈扫描圈数要逐渐变小。为此，设置激光扫描重叠率为30％-50％，21-25圈的扫描圈数为10-2，各圈的扫描圈数间隔为2，其扫描功率均为15w，z轴进给量为0.01-0.1mm。而当监测到h>0.05时，底部有凸起，此时控制扫描内圈时用大功率输出而外圈时采用小功率输出并减小z轴进给量以消除凸起且为消除孔径变大的趋势功率从内圈到外圈扫描圈数要逐渐变小，具体参数可设置为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数为10-2，各圈的扫描圈数间隔为2，其扫描功率则从内到外(从21-25)设置为10-2w，每圈间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。而在持续的加工过程中一旦监测到底部形貌为凹形的临界值时，即h开始小于-0.05时，对孔底形貌进行即时的修正，改变加工参数，改变21-25圈的功率分布，以外圈为大功率而内圈保持小功率同时以小进给量进行进给，并保证从内圈到外圈扫描圈数要逐渐变小。具体参数为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数为10-2，间隔为2，其扫描功率由外圈到内圈为10-2w(从25-21)，间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。
在加工过程中监测到d出现小于d+0.05的情况下，即加工的孔径有小于设置孔径的趋势时，当监测到的底部高度h的结果为-0.05≤h≤0.05时，设置激光扫描重叠率为30％-50％，21-25圈的扫描圈数均为2-10，间隔为2，其扫描功率均为15w，z轴进给量为0.01-0.1mm。而当监测到h>0.05时，底部有凸起，此时控制扫描内圈时用大功率输出而外圈时采用小功率输出并减小z轴进给量以消除凸起并且从外圈到内圈扫描圈数逐渐减小，具体参数可设置为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数均为2-10，间隔为2，其扫描功率则从内到外(从21-25)设置为10-2w，每圈间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。而在持续的加工过程中一旦监测到底部形貌为凹形的临界值时，即h开始小于-0.05时，对孔底形貌进行即时的修正，改变加工参数，改变21-25圈的功率分布，以外圈为大功率而内圈保持小功率同时以小进给量进行进给并且从外圈到内圈扫描圈数逐渐减小。具体参数为激光扫描重叠率30％-50％，21-25圈的扫描圈数均为2-10，间隔为2，其扫描功率由外圈到内圈为10-2w(从25-21)，间隔为2w，z轴进给量设置为0.01-0.05mm。
当监测制孔深度l在l≤l≤l+0.05mm范围内，关闭光束控制扫描系统，停止加工，由于在腔体内选择填充损伤阈值很高的防护材料，所以可以保证加工过程中对面壁20不受任何损伤。
通过所述加工方法进行微孔加工，可以确保始终以初始设定指标要求进行加工，可有效的提高微孔加工精度及效率。