一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法与流程

本发明属于数控机床激光加工技术领域，具体涉及一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法。

背景技术：

激光加工的原理是激光经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应进行加工，数控机床激光加工技术将多轴机床、振镜与激光相结合，充分利用了激光非接触加工、能量密度高等优点，用于包括激光焊接、切割、雕刻、表面改性、打标、钻孔和微加工以及传统难加工材料的加工。

传统的二维振镜加工三维工件时，需要采用分层或者增加旋转轴的方式，难以保证加工精度及效率，不能灵活地应用于三维激光加工，而三维振镜需要事先获得工件的三维模型，目前大都采用独立的扫描设备获取物体三维模型后导入三维振镜控制软件用于生成三维加工轨迹，操作流程繁琐，且需要人为将工件摆放于特定位置，摆放精度难以保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上的不足，提供了一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于扫描振镜的激光原位加工装备，包括五轴运动平台、工业相机、激光器、工业控制计算机以及由二维振镜和动态聚焦镜组成的三维振镜；其中，

激光器用于发出相应波长的激光或指示光，依次经过动态聚焦镜和二维振镜，聚焦在五轴运动平台上；五轴运动平台用于调整其上工件的位姿；工业相机用于获得五轴运动平台上激光或指示光的光斑位置；工业控制计算机用于控制三维振镜的运动、激光器的通断、工业相机采集图像、五轴运动平台的运动以及完成工件三维形貌测量及激光加工联动控制。

本发明进一步的改进在于，激光器发出的激光或指示光通过三维振镜实现五轴运动平台上工件的三维加工，五轴运动平台用于调整工件的位姿，并在不同位姿处进行激光三维加工。

一种基于扫描振镜的激光原位加工方法，该方法基于上述一种基于扫描振镜的激光原位加工装备，包括以下步骤：

步骤1，相机标定：在振镜坐标系o振-x振y振平面内进行标定得到相机内参、外参以及振镜坐标系与相机坐标系的转换矩阵；通过测量已知高度的标定件在振镜坐标系z振方向上进行标定；

步骤2，工件三维形貌位姿测量：激光器发射低能量的激光或指示光，经过三维振镜后在工件上扫描出激光线，使得激光线遍历工件，工业相机获取一系列激光线图像，利用三维结构光原理得到工件的三维形貌模型及位姿信息；

步骤3，原位加工路径生成：根据不同的应用，在步骤2中生成的三维形貌模型上提取、设计、生成三维振镜的原位加工路径；

步骤4，三维激光原位加工：激光通过三维振镜在工件上按照步骤3生成的原位加工路径进行原位加工；

步骤5，加工结果检测：再次通过步骤2中的方法进行三维建模或者通过二维图像检测技术对加工效果进行检测。

本发明进一步的改进在于，步骤1中，在振镜坐标系o振-x振y振平面内进行相机标定时将五轴运动平台的平面移动至三维振镜的o振-x振y振平面处，并将振镜坐标系作为世界坐标系进行相机标定，各坐标系关系如下：

式中，o像-x像y像z像为像素平面坐标系，o相-x相y相z相为相机坐标系，o振-x振y振z振为振镜坐标系，[u,v]^t为像素坐标，f为相机焦距，α、β、u0、v0分别为u轴和v轴的缩放和平移系数，r、t为相机外参，即相机坐标系相对振镜坐标系的旋转平移矩阵。

本发明进一步的改进在于，在振镜坐标系z振方向上进行标定时，将五轴运动平台沿振镜坐标系z振方向运动至不同高度，得到同一条激光线在工业相机中的像素差，并将像素差与实际高度差进行拟合。

本发明进一步的改进在于，步骤2中，激光线的遍历速度人为设定。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，通过工业控制计算机生成的三维振镜的原位加工路径，并直接作用于实际工件的相应位置，实现原位三维激光加工。

本发明进一步的改进在于，五轴运动平台能够反馈其的当前位姿，因此，步骤1中相机标定只需在设备安装完成后进行一次标定工作，后续直接进行三维测量及加工。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于扫描振镜的激光原位加工装备，采用三维振镜加五轴运动平台的硬件设计，充分满足工业加工自由度的需要，三维振镜可实现一定范围的三维激光加工，提高三维加工精度和效率，五轴运动平台可进一步扩大可用加工范围，满足大尺寸工件的加工需要。

本发明提供的一种基于扫描振镜的激光原位加工方法，基于扫描振镜的激光原位加工装备将工件的三维建模、加工、检测通过一套设备完成，充分发挥了设备的利用率，提高了功能集成效率。同时，在线获取工件三维形貌及位姿，避免了传统的建模后装夹的步骤，大大提高了工件的装夹定位精度及加工过程的便捷性。

进一步，根据测量精度及速度的要求，可人为设定激光线的遍历速度，适用于不同精度要求场合。

综上所述，本发明提供的一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法，实现了激光三维加工过程中的三维建模、加工、检测一体化，提高了工件的定位精度及操作的便捷性。

附图说明

图1为本发明一种基于扫描振镜的激光原位加工装备的结构示意图。

附图标记说明：1为激光线，2为五轴运动平台，3为工件，4为工业相机，5为二维振镜，6为动态聚焦镜，7为三维振镜，8为激光或指示光，9为激光器，10为原位加工路径，11为三维形貌模型，12为工业控制计算机。

图2为本发明一种基于扫描振镜的激光原位加工方法的流程图。

图3为相机标定中的坐标系关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于扫描振镜的激光原位加工装备，包括工业相机4、五轴运动平台2、激光器9、工业控制计算机12以及由二维振镜5和动态聚焦镜6组成的三维振镜7；其中，激光器9用于发出相应波长的激光或指示光8，依次经过动态聚焦镜6和二维振镜5，聚焦在五轴运动平台2上；五轴运动平台2用于调整其上工件3的位姿；工业相机4用于获得五轴运动平台2上激光或指示光8的光斑位置；工业控制计算机12用于控制三维振镜7的运动、激光器9的通断、工业相机4采集图像、五轴运动平台2的运动以及完成工件3的三维形貌测量及激光加工联动控制。

激光器9发出的激光或指示光8通过三维振镜7实现五轴运动平台2上工件3的三维加工，五轴运动平台2用于调整工件3的位姿，并在不同位姿处进行激光三维加工。

如图2所示，本发明提供的一种基于扫描振镜的激光原位加工方法，包括以下步骤：

步骤1：相机标定：在振镜坐标系o振-x振y振平面内进行标定得到相机内参、外参以及振镜坐标系与相机坐标系的转换矩阵；通过测量已知高度的标定件在振镜坐标系z振方向上进行标定；

步骤2：工件三维形貌位姿测量：激光器发射低能量的激光或指示光8，经过三维振镜7后在工件3上扫描出激光线1，使得激光线1遍历工件3，激光线1的遍历速度可人为设定，利用三维结构光原理得到工件3的三维形貌模型11及位姿信息；

步骤3：原位加工路径10生成：根据不同的应用，如抛光、除锈、去毛边、打孔等，在步骤2中生成的三维形貌模型11上提取、设计、生成三维振镜的原位加工路径10；

步骤4：三维激光原位加工：激光通过三维振镜7在工件3上按照步骤3生成的原位加工路径10进行原位加工；

步骤5：加工结果检测：再次通过步骤2中的方法进行三维建模或者二维图像检测技术对加工效果进行检测。

如图3所示，在振镜坐标系o振-x振y振平面内进行相机标定时将五轴运动平台2的平面运动至三维振镜7的坐标系o振-x振y振平面处，并将振镜坐标系作为世界坐标系进行相机标定，各坐标系关系如下：

式中，o像-x像y像z像为像素平面坐标系，o相-x相y相z相为相机坐标系，o振-x振y振z振为振镜坐标系，[u,v]^t为像素坐标，f为相机焦距，α、β、u0、v0分别为u轴和v轴的缩放和平移系数，r、t为相机外参及相机坐标系相对振镜坐标系的旋转平移矩阵。在振镜坐标系z振方向上进行标定时，将五轴运动平台2运动至不同高度，得到同一条激光线1在工业相机4中的像素差，并将像素差与实际高度差进行拟合。

通过工业控制计算机12生成的三维振镜7的原位加工路径10可以直接作用于实际工件3的相应位置，实现原位三维激光加工。五轴运动平台2可以反馈平台的当前位姿，因此，步骤1中相机标定只需在设备安装完成后进行一次标定工作，后续可直接进行三维测量及加工。