CN105136027A - 一种激光在线测量加工检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光在线测量加工检测方法及装置，将激光测量、加工和检测集于一体，可实现激光加工前在线测量待加工工件的平面或曲面几何尺寸形貌，获得真实平面或空间结构尺寸和特征，消除待加工工件因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差，提高了激光加工精度和质量。装置包括依次位于同一光路上的加工激光器、光路***和激光加工头；还包括激光测距***，计算机控制***，移动组件和工作台；激光测距***用于获取工件加工前、后的测量数据，包括工件每点的空间坐标值和法线角度，并提供给计算机控制***。本发明装置可以两维平台及三维曲面测量和检测尺寸精度和质量，并且可以提高激光加工精度和质量。

Description

一种激光在线测量加工检测方法及其装置

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，具体为一种激光在线测量加工检测方法及装置。

背景技术

随着激光加工尺寸精度、质量稳定性、重复性和一致性不断提高的需求，激光加工前后的几何尺寸精度及粗糙度质量均需要进行严格测量和检测。目前的测量和检测方法均是采用离线方式通过接触式机电测量或非接触式光学方式的轮廓仪对加工对象进行几何尺寸精度和质量测量和检测。这种离线测量和检测方式均存在如下问题：首先是激光加工前后由激光对加工材料引起的热变形量无法获知，导致激光加工几何尺寸精度不可避免的存在误差；其次，只能测量和检测平面尺寸精度和粗糙度而无法测量和检测曲面尺寸精度和粗糙度，测量和检测范围受到限制；此外，当检测的深度、宽度及粗糙度如不符合指标要求需要继续加工时，加工样品必须要重新返回激光加工台上进行重新定位加工，不但费时费力，同时也增加了加工尺寸精度的不确定性和一致性；最后，这两种测量和检测仪不仅结构复杂，体积庞大而笨重，而且测量和检测尺寸范围有限，不能对较大尺寸样品进行测量和检测且对检测环境要求极高，无法用于在线测量和检测。这些问题都将成为激光加工技术向跨尺度加工的高精度、高质量稳定和一致性以及高效率方面发展的阻碍。

目前，在激光测量方面CN202928523U公开了“一种用于在线测量的激光测量***”，它包括测量台以及激光装置，所述激光装置包括相对地设置在所述测量台的两侧处的发射部及接收部，所述测量台包括：测量底板，所述测量底板上形成有多个第一凹口，所述多个第一凹口中分别设置有高度调整装置。该技术方案是代替机械探针接触式测量方式，仅用于测量平面底板凹口的一种方法，无法测量三维空间几何尺寸，用途极为有限，而且该技术方案并未提供任何有关激光测量的方法、原理和精度，实际上是无法应用。CN103900489A公开了“一种线激光扫描三维轮廓测量方法及相应的装置”，该装置将物体置于水平参考面上，一字线激光器在磁致伸缩微位移控制器的控制下摆动，形成对被检测物体的扫描面，摆动角度ω由物体的大小决定，保证一字线激光器完整扫描被检测物体的轮廓。该发明存在如下问题：首先，由于一字线激光器通过磁致伸缩微位移控制器进行摆动运动，而获取激光漫反射的相机却是静止不动，因此，一字线激光束与相机之间的物理几何尺寸关系不是固定值，导致无法精确标定激光器与相机之间的位置关系；其次，由于激光器是作为来回摆动运动，因此，微小的震动和正反方向摆动的转换等因素均导致摆动角速度是一个变量，故无法获得所谓的匀速摆动来精确测量计算曲面空间各点坐标值和法线方向，存在着随机测量计算误差；最后，由于测量物体和相机的静止不动以及激光器只进行微小的摆动，因此，受到相机景深和相机成像平面的限制，导致测量范围小，无法用于大尺寸三维轮廓测量，更不说用于在线三维高精度测量和检测应用。

发明内容

本发明提供了一种激光在线测量加工检测方法及装置，目的在于解决现有测量技术存在的问题，以提高激光加工精度和质量。

本发明提供的一种激光在线测量加工检测方法，该方法包括在线加工过程和在线检测过程；

所述在线加工过程包括步骤(a1)至(a4)：

(a1)对加工前工件进行在线测量，获得包括工件上每点的空间坐标值和法线角度在内的测量数据，再利用巴特沃斯数字低通滤波器对所述测量数据进行降噪处理，分别得到初始加工数据；

(a2)消除初始加工数据中的异常点，并进行数据精简；

(a3)采用三次NURBS曲线进行曲面拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，最后获得加工前工件的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸大小和法线角度；

(a4)利用步骤(a2)得到的数据进行加工，以消除待待加工工件的实际数据与理论数模之间的误差；

所述在线检测过程包括步骤(b1)至(b4)：

(b1)利用步骤(a1)所使用的机构对加工后工件进行在线测量，获得包括工件上每点的空间坐标值和法线角度在内的测量数据，

(b2)再利用巴特沃斯数字低通滤波器对所述测量数据进行降噪处理，分别得到初始加工数据和初始检测数据；

(b3)采用高斯滤波器对初始检测数据进行轮廓滤波，并采用差分递归算法计算得到已加工工件的表面粗糙度；此外，还利用初始检测数据绘制出加工后工件的表面轮廓，以确定刻蚀形状的位置，再根据确定的刻蚀形状的位置，采用最小二乘法分别对其两侧的数据进行直线拟合，然后计算得到刻蚀形状的深度和宽度；

(b4)检测所述表面粗糙度，刻蚀形状的深度和宽度是否均达到所需要求，如果是，结束，否则再进行修正加工。

本发明提供的一种激光在线测量加工检测装置，包括依次位于同一光路上的加工激光器、光路***和激光加工头；其特征在于，该***还包括激光测距***，计算机控制***，移动组件和工作台；

激光测距***用于获取工件加工前、后的测量数据，包括工件每点的空间坐标值和法线角度，并提供给计算机控制***；激光测距***与激光加工头通过连接件刚性连接并固定在移动组件上，工作台位于激光加工头下方，用于安装所述工件；所述激光测距***、激光加工头和工件能够随移动组件和工作台进行三维空间运动；

计算机控制***用于对接收的加工前测量数据进行降噪、滤波处理，消除异常点和进行数据精简，再采用三次NURBS曲线进行曲面拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，最后获得加工前工件的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸大小和法线角度，控制加工激光器、Z轴移动机构和四轴工作台按照得到的数据进行加工，以提高加工精度；

计算机控制***还用于对接收的加工后测量数据进行轮廓滤波，并采用差分递归算法计算得到加工后工件的表面粗糙度；此外，还利用得到的加工后测量数据绘制出加工后工件的表面轮廓，以确定刻蚀形状的位置，再根据确定的刻蚀形状的位置，采用最小二乘法分别对其两侧的数据进行直线拟合，然后计算得到刻蚀形状的深度和宽度；最后检测工件的表面粗糙度、刻蚀形状的深度和宽度是否符合要求，对不符合要求的工件进行再次加工。

本发明具有以下技术优点：

1.本发明将激光测量、加工和检测集于一体，可实现激光加工前在线测量待加工工件的平面或曲面几何尺寸形貌，获得真实平面或空间结构尺寸和特征，消除待加工工件因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差，提高了激光加工精度和质量；

2.激光加工后，无需离线检测，可实现在线迅速检测加工尺寸精度和质量以及变形量，如达不到指标要求，可在线再次加工，直至满足指标要求，节省人力和时间，提高了激光加工制作效率，稳定性、重复性和一致性；

3.本发明装置在线测量、加工和检测功能不仅可以用于两维平面测量和检测尺寸精度和质量，而且还可用于三维曲面测量和检测尺寸精度和质量，因而增加了测量和检测的应用范围；

4.本发明装置在线测量、加工和检测功能不受待加工工件的尺寸限制，因而扩大了测量和检测尺寸范围。

5.本发明优选采用巴特沃斯数字滤波器对测量数据进行降噪处理，能在一定程度上去除由机械振动和电机随机振动产生的噪声干扰；采用高斯函数的逼近法和冲激响应不变法设计了高斯滤波器，对激光加工表面进行轮廓滤波，采用差分递归算法来计算激光加工表面的粗糙度；通过坐标旋转的方法对测量的轮廓数据进行轮廓调平处理，消除由于测试平台不平整或者样品表面不平和有缺陷等原因引起深度和宽度计算结果的偏差。

附图说明

图1为第一种激光在线测量加工检测方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图2为激光测距***测量和检测方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图3(a)、(b)为步骤(A3)所使用的点集示意图；

图4为第一种激光在线加工方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图5为第二种激光在线测量加工检测方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图6为第二种激光在线加工方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图7为第三种激光在线测量加工检测方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图8为第三种激光在线加工方法及装置具体实施方式的结构示意图；

图9为激光在线测量装置的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明第一个实例提供的装置如图1所示，该装置包括加工激光器1，光路***2，激光加工头3，激光测距***4，计算机控制***6，Z轴移动机构12和四轴工作台5。激光测距***4与激光加工头3通过连接件8刚性连接并固定在Z轴移动机构12上，能够随Z轴移动机构12一起沿Z轴方向上下移动，待加工工件7固定在四轴工作台5上。

如图2所示，激光测距***4是由发出点或线激光束的测量激光器20、均光准直会聚透镜光路21、聚焦透镜22和光线收集器23组成。

均光准直会聚透镜光路21包括准直镜和会聚透镜，可将测量激光器20发出的光束先均光准直后再通过会聚透镜聚焦，再投射到待加工工件7上。

聚焦透镜22用于接收工件7的反射光，缩小其光斑直径或光束宽度，如使光斑直径聚焦至20微米左右或将线光束宽度聚焦到20微米左右，以提高测量和检测的分辨率；聚焦透镜22还可消除不在同一个测量平面造成放大倍率的不同而产生的畸变、视差和光源的几何误差，导致图像边缘位置的不确定性的因素，同时可获得具有低光学失真率和高度聚焦远心特征，实现精确再现平面尤其是三维物体特征尺寸功能。

激光测距***4的工作原理是采用了激光三角测量原理，由测量激光器20对测量或检测工件7发射一束点或线激光束9并通过均光准直会聚透镜光路21聚焦于工件7表面，工件7表面将激光束以一定α角度反射到聚焦透镜22，聚焦成像在光线收集器23上形成光斑，通过光线收集器23将光线信号传变为电信号，经过处理后将测量结果输出到计算机控制***6。

当激光测距***4和工件7表面之间的距离发生变化时，激光束的反射光线α夹角和光线收集器23上的光斑位置都会随之变化。由于测量激光器20与光线收集器23的几何尺寸为固定已知值以及光线反射后的角度和被测工件的距离成比例，因此，可获得光线收集器23上的反射激光光斑精确位置，通过三角几何关系即可得到工件7高度距离的变化值大小，从而获得工件7的高度尺寸(z坐标值)。当工件7的测量或检测高度将要超出激光测距***4的量程范围(即：激光束的反射的光斑位置将要溢出光线收集器23的接受范围)时，Z轴12将向上(或向下)移动一个距离，使工件7的反射光斑位置重新回到光线收集器23的零点(中间)位置，计算机控制***6将记录Z轴12的移动距离值和激光测距***4值的矢量和数据，计算出工件7的实际高度尺寸(z坐标值)。

四轴工作台5是由xy两个平面移动轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C构成，用于放置工件7，使工件7在xy平面上移动和空间旋转，并向计算机控制***6输入激光测距***4聚焦在工件7处的点或线的平面坐标值(x和y坐标)和旋转空间角度值(A和C角度值)。

计算机控制***6的功能有两个，一是控制功能，即控制激光器1输出激光，激光加工头3对待加工工件7进行激光加工，激光测距***4对待加工工件7进行测量和检测以及Z轴12和四轴工作台5的移动；二是数据处理功能，即对激光测距***4，Z轴12和四轴工作台5输出的数据进行采集，并对采集到的数据进行处理，以及对工件7的结构图形和加工区域形貌进行三维重构。

计算机控制***6的数据处理包括二个部分，一是对加工数据的处理，二是对检测数据的处理。

(一)加工数据的具体处理过程为：

(A1)在待加工前，计算机控制***6接收激光测距***4对待加工工件7的测量数据，包括每点高度z坐标值和对应的xy平面坐标值以及A和C角度值，即获得待加工的工件7上每点的空间坐标值和法线角度；

(A2)利用巴特沃斯数字低通滤波器(幅频特性平稳)，对激光测距***4的测量数据进行降噪处理，得到初始加工数据，以消除来自Z轴12和四轴工作台5移动时机械振动产生的噪声对测量和检测尺寸精度的影响。

根据激光测距***4的光束直径以及测量速度，可知波距小于激光光束直径的信号以及高于测速频率的垂直运动频率信号成分均为是噪声，予以滤除。

(A3)对初始加工数据进行处理，进一步消除异常点和数据精简；

本实例中，可以利用曲线检查法消除数据中的异常点，具体方法为：以图3(a)的点集为例，我们首先通过首末数据点用最小二乘法拟合得到一条样条曲线，曲线的阶次可根据曲面界面形状设定，通常为3～4阶，然后分别计算中间数据点到样条曲线的欧氏距离e，如果||e||≥[ε]，[ε]为给定的允差，则认为P_i是噪声点，应予以剔除。

利用弦高-角度法进行数据精简，具体方法为：如图3(b)，我们用弦高h和夹角a两个参数来衡量点云数据是否精简。当弦高h小于我们给定的允差h0时，我们认为P2点对我们要求的精度不造成影响，可以剔除点P2；而当相邻点距离较近时，弦高h又很大时，这是可以用夹角a来衡量点是否去除，若a小于我们给定的允差a0时，我们认为P2点对我们的精度不造成影响，可以剔除点P2。其中允差h0和a0由反求精度确定。

(A4)采用三次NURBS曲线方法对步骤(3)获得的数据进行曲面拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，最后获得待加工工件7的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸大小和法线角度；

计算机控制***6根据获得的待加工工件7的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸和法线角度，利用激光加工头3对待加工工件7进行加工，消除待加工工件7因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差。

(二)检测数据的具体处理过程为

(B1)加工结束后，计算机控制***6接收激光测距***4对工件7的测量数据，包括每点高度z坐标值和对应的xy平面坐标值以及A和C角度值，即获得已加工的工件7上每点的空间坐标值和法线角度；

(B2)按照步骤(A2)相同的方法对步骤(B1)得到的数据(即已加工的工件7上每点的空间坐标值和法线角度)进行降噪处理，得到初始检测数据。

(B3)采用高斯滤波器对初始检测数据进行轮廓滤波，最后采用差分递归算法计算待加工工件7上激光加工表面的粗糙度。

根据国家标准GB/T18777-2009和国际标准ISO16610-21-2011的规定，高斯滤波器为表面粗糙度轮廓滤波器，本发明所使用的高斯滤波器是采用高斯函数的逼近法和冲激响应不变法设计的。

(B4)根据初始检测数据绘制出工件7的表面轮廓，以确定刻蚀形状的位置；再根据确定的刻蚀形状的位置，采用最小二乘法分别对其两侧的数据进行直线拟合；最后，计算刻蚀形状的深度和宽度，通常情况下，由于测试平台不平整或者样品表面不平以及有缺陷等原因会引起测量轮廓的倾斜，导致深度和宽度计算结果的偏差，此时可通过坐标旋转的方法对测量轮廓数据(即计算得到的深度和宽度)进行轮廓调平处理，消除由于测试平台不平整或者样品表面不平和有缺陷等原因引起深度和宽度计算结果的偏差。

本发明可以采用单边算法或双边算法计算刻蚀形状的深度。

步骤(B3)和(B4)的顺序可以互换或者同时进行。

(B5)判断步骤(B3)获得的表面粗糙度，以及步骤(B4)获得的刻蚀深度和宽刻蚀度是否达到指标要求，如果是，结束，否则利用激光加工头3进行修正加工。

上述装置的工作过程如下：

(1)激光加工工件7前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束可为点激光和线激光束)，移动Z轴12，使激光测距***4与待加工工件7的表面之间距离达到测量尺寸精度范围内；

(2)然后启动四轴工作台5对工件7几何尺寸进行两维平面(工作台5进行xy两维平面移动)或三维曲面(工作台5进行xz两维移动和A轴旋转和C轴摆动运动)进行逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描测量，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6；

(3)计算机控制***6对采集的测量数据通过巴特沃斯数字低通滤波器进行降噪处理后，采用三次NURBS曲线方法对曲面进行拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，对待加工件7进行几何尺寸重建，取得实际待加工件7的几何尺寸和特征，消除待加工工件7因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差；

(4)将待加工工件7通过四轴工作台5移至激光加工***下方，启动激光加工头3和四轴工作台5，发出加工激光束10，根据待加工件7重建的几何尺寸对工件7进行两维平面或三维曲面加工处理(见图2所示)；

(5)激光加工结束后，关闭激光加工头3，将已加工的工件7重新移到激光测距***4下方，启动激光测距***4，发出检测激光束9(见图1所示)，通过四轴工作台5对工件平面加工部位进行两维平面或加工三维曲面部位进行逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6；

(6)计算机控制***6对采集的测量数据通过巴特沃斯数字低通滤波器进行降噪处理后，采用三次NURBS曲线方法对曲面进行拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，对加工区域进行几何尺寸重建，获得激光加工的几何尺寸(加工宽度、长度、深度和高度)、精度(加工尺寸误差和位置误差)，采用高斯滤波器对激光加工表面进行轮廓滤波，采用差分递归算法来计算激光加工表面的质量(粗糙度、边缘光洁度和垂直度)以及受热引起的变形量数据；

(7)判断加工尺寸、精度和质量是否满足要求，如不满足，可再次将工件7移动到激光加工头3下方进行激光修正加工，激光修正加工结束后，再次将工件7移动到激光测距***4下方进行检测，直至满足要求为止。从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

实现上述方法的装置之二，如图4所示，本发明装置包括激光器1，光路***2，激光加工头3，激光测距***4，计算机控制***6，由Z轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C构成的运动***13和xy两轴工作台15。激光测距***4与激光加工头3通过连接件8刚性连接并固定在运动***13上，随运动***13沿Z轴方向上下移动和A轴旋转以及C轴摆动，待加工工件7固定于xy两维轴工作台15上。激光加工工件7前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束可为点激光和线激光束)，移动运动***13中的Z轴，使激光测距***4与待加工工件7的表面之间距离达到测量尺寸精度范围内，然后启动两轴工作台15和移动运动***13中的Z轴对工件7进行两维平面或移动运动***13中的Z轴、360°旋转轴A和±90°摆动轴C进行三维曲面进行逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描测量，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，对待加工件7进行几何尺寸重建，取得实际待加工件7的几何尺寸和特征，消除待加工工件7因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差；将待加工工件7通过两轴工作台15移至激光加工头3下方，启动激光加工头3、运动***13和两轴工作台15，发出加工激光束10，根据待加工件7重建的几何尺寸对工件7进行两维平面或三维曲面加工处理(见图5所示)；激光加工结束，关闭激光加工头3，将已加工的工件7重新移到激光测距***4下方，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(见图4所示)，通过运动***13和两轴工作台15对工件平面加工的部位进行两维平面或三维曲面部位逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，进行加工区域的几何尺寸重建，获得激光加工的几何尺寸(加工宽度、长度、深度和高度)、精度(加工尺寸误差和位置误差)和质量(粗糙度、边缘光洁度、垂直度和热影响区)以及受热引起的变形量数据，判断加工尺寸、精度和质量是否满足要求，如不满足，可再次将工件7移动到激光加工头3下方进行激光修正加工，激光修正加工结束后，再次将工件7移动到激光测距***4下方进行检测，直至满足要求为止。从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

实现上述方法的装置之三，如图6所示，本发明装置包括激光器1，光路***2，激光加工头3，激光测距***4，计算机控制***6和由XYZ三轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C构成的运动***16和工作台17。激光测距***4与激光加工头3通过连接件8刚性连接并固定在运动***16上，随XYZ轴和A轴旋转轴以及C轴轴摆动进行三维空间运动，待加工工件7固定于工作台17上。激光加工工件7前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束可为点激光和线激光束)，移动运动***16中的Z轴，使激光测距***4与待加工工件7的表面之间距离达到测量尺寸精度范围内，然后启动运动***16对工件7进行两维平面或三维曲面进行逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描测量，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标值和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，进行待加工件7几何尺寸重建，取得实际待加工件7的几何尺寸和特征，消除待加工工件7因在前期加工处理流程中产生的变形或时效变形所引起与理论数模之间的误差；通过运动***16将激光加工头3移动到待加工工件7上方，启动激光加工头3，发出加工激光束10，根据待加工件7重建的几何尺寸对工件7进行两维平面或三维曲面加工处理(见图7所示)；激光加工结束，关闭激光加工头3，通过运动***16将激光测距***4重新移到已加工的工件7上方，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(见图6所示)，对工件平面加工部位进行两维平面或三维曲面部位进行逐点(激光束为点状光束)或逐线(激光束为线状光束)扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，进行加工区域的几何尺寸重建，获得激光加工的几何尺寸(加工宽度、长度、深度和高度)、精度(加工尺寸误差和位置误差)和质量(粗糙度、边缘光洁度、垂直度和热影响区)以及受热引起的变形量数据，判断加工尺寸、精度和质量是否满足要求，如不满足，可再次将激光加工头3移动到工件7上方进行激光修正加工，激光修正加工结束后，再次将激光测距***4移动到工件7上方进行检测，直至满足要求为止。从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

实例：

实例1：

采用本发明装置之一方法用于紫外激光在石英陶瓷器件表面进行磨削加工，要求激光磨削表面平整度为±0.01mm和磨削粗糙度小于0.01mm。激光磨削加工石英陶瓷器件表面前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束为线光束)，移动Z轴移动***，使激光测距***4与待磨削加工石英陶瓷器件表面之间距离达到测量尺寸精度范围内，然后启动四轴工作台5对石英陶瓷器件表面几何尺寸进行两维平面(工作台5进行xy两维平面移动)，逐线扫描测量，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)，输入计算机控制***6，对待加工石英陶瓷器件表面进行几何尺寸重建，取得实际待加石英陶瓷器件表面的几何尺寸和特征；然后将待加工石英陶瓷器件通过四轴工作台5移至激光加工头3下方，启动激光加工头3和四轴工作台5，发出加工激光束10，根据待加工件石英陶瓷器件表面的几何尺寸进行两维平面激光磨削加工；激光加工结束后，关闭激光加工头3，将已磨削加工的石英陶瓷器件重新移到激光测距***4下方，启动激光测距***4，发出测量激光束9，通过四轴工作台5对石英陶瓷器件表面进行逐线(激光束为线状光束)扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)，输入计算机控制***6，进行加工区域的几何尺寸重建，获得激光磨削加工的表面平整度仍大于±0.01mm，再次将石英陶瓷器件移动到激光加工头3下方进行激光修正磨削加工，激光修正磨削加工结束后，再次将石英陶瓷器件移动到激光测距***4下方进行检测，直至重复三次后，英陶瓷器表面件平整度达到±0.0085mm和磨削粗糙度为0.008mm。满足了要求，从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

实例2：

采用本发明装置之二方法用于光纤激光在复合柔性曲面铝膜表面进行刻蚀加工，要求激光在铝膜上刻蚀内径为3mm、外径为5mm的圆环阵列图案，刻蚀圆环精度误差小于±0.02mm，圆环之间的圆心距离精度误差小于±0.02mm，对铝膜厚度为0.04mm，激光刻蚀部分的铝膜需完全去除，但对载体损伤小于0.02mm。激光刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束为点光束)，移动运动***13中的Z轴，使激光测距***4与待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面之间距离达到测量尺寸精度范围内，启动两轴工作台15和移动运动***13中的Z轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C对复合柔性曲面铝膜表面几何尺寸进行三维曲面逐点扫描测量，将三维曲面数据(每点的x，y、z坐标值和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，对待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面进行几何尺寸重建，取得实际待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面的几何尺寸和特征；通过两轴工作台15将待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜移至激光加工头3下方，启动激光加工头3、运动***13和两轴工作台15，发出加工激光束10，根据待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面重建的几何尺寸进行三维曲面刻蚀加工处理；激光刻蚀加工结束，关闭激光加工头3，将已加工复合柔性曲面铝膜重新移到激光测距***4下方，启动激光测距***4，发出测量激光束9，通过运动***13和两轴工作台15对加工三维曲面部位进行逐点扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，进行加工区域的几何尺寸重建，获得激光刻蚀圆环精度误差小于±0.02mm，圆环之间的圆心距离精度误差小于为±0.02mm，但有些铝膜材料刻蚀深度小于0.04mm，未能完全去除，不满足要求。将复合柔性曲面铝膜重新移动到激光加工头3下方进行激光修正刻蚀加工，激光修正刻蚀加工结束后，再次将柔性曲面铝膜移动到激光测距***4下方进行检测，曲面铝膜刻蚀深度达到0.048mm，完全去除铝膜材料，对载体损伤小于0.01mm，满足要求。从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

实例3：

采用本发明装置之三方法用于光纤激光在大型复合刚性曲面铜膜表面进行激光刻蚀加工，要求激光在铜膜上刻蚀内宽为3mm、外宽为5mm的回形阵列图案，刻蚀阵子图形精度误差小于±0.02mm，阵子中心距离精度误差小于±0.02mm，对通膜厚度为0.012mm，激光刻蚀部分的铜膜需完全去除，但对载体损伤小于0.03mm。激光刻蚀加工大型复合刚性曲面铜膜表面前，先启动激光测距***4，发出测量激光束9(该激光束为线光束)，移动运动***16中的Z轴，使激光测距***4与待刻蚀加工复合柔性曲面铝膜表面之间距离达到测量尺寸精度范围内，启动运动***16中的XYZ轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C对大型复合刚性曲面铜膜表面几何尺寸进行三维曲面逐线扫描测量，将三维曲面数据(每点的x，y、z坐标值和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，对待刻蚀加工大型复合刚性曲面铜膜表面进行几何尺寸重建，取得实际待刻蚀加工大型复合刚性曲面铜膜表面的几何尺寸和特征；将激光加工头3移至待刻蚀加工大型复合刚性曲面铜膜上方，启动激光加工头3和运动***13，发出加工激光束10，根据待刻蚀加工大型复合刚性曲面铜膜表面重建的几何尺寸进行三维曲面刻蚀加工处理；激光刻蚀加工结束，关闭激光加工头3，将激光测距***4重新移到已加工大型复合刚性曲面铜膜上方，启动激光测距***4，发出测量激光束9，通过运动***13对刻蚀加工三维曲面部位进行逐线扫描检测，将获得的平面三维数据(每点的x，y和z坐标)或三维曲面数据(每点的x，y、z坐标和A轴旋转角度以及C轴摆动角度)输入计算机控制***6，进行刻蚀加工区域的几何尺寸重建，获得激光刻蚀阵子图案精度误差小于±0.02mm，阵子中心距离精度误差小于为±0.02mm，但有些铜膜材料刻蚀深度小于0.012mm，未能完全去除，不满足要求。将激光加工头3重新移动到大型复合刚性曲面铜膜上方进行激光修正刻蚀加工，激光修正刻蚀加工结束后，再次将激光测距***4移动到大型复合刚性曲面铜膜上方进行检测，曲面铜膜刻蚀深度达到0.015mm，完全去除铜膜材料，对载体损伤小于0.01mm，满足要求。从而实现激光在线测量加工检测为一体功能。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种激光在线测量加工检测方法，该方法包括在线加工过程和在线检测过程；

所述在线加工过程包括步骤(a1)至(a4)：

(a1)对加工前工件进行在线测量，获得包括工件上每点的空间坐标值和法线角度在内的测量数据，再利用巴特沃斯数字低通滤波器对所述测量数据进行降噪处理，分别得到初始加工数据；

(a2)消除初始加工数据中的异常点，并进行数据精简；

(a3)采用三次NURBS曲线进行曲面拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，最后获得加工前工件的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸大小和法线角度；

(a4)利用步骤(a2)得到的数据进行加工，以消除待待加工工件的实际数据与理论数模之间的误差；

所述在线检测过程包括步骤(b1)至(b4)：

(b1)利用步骤(a1)所使用的机构对加工后工件进行在线测量，获得包括工件上每点的空间坐标值和法线角度在内的测量数据，

(b2)再利用巴特沃斯数字低通滤波器对所述测量数据进行降噪处理，分别得到初始加工数据和初始检测数据；

(b3)采用高斯滤波器对初始检测数据进行轮廓滤波，并采用差分递归算法计算得到已加工工件的表面粗糙度；此外，还利用初始检测数据绘制出加工后工件的表面轮廓，以确定刻蚀形状的位置，再根据确定的刻蚀形状的位置，采用最小二乘法分别对其两侧的数据进行直线拟合，然后计算得到刻蚀形状的深度和宽度；

(b4)检测所述表面粗糙度，刻蚀形状的深度和宽度是否均达到所需要求，如果是，结束，否则再进行修正加工。

2.根据权利要求1所述的激光在线测量加工检测方法，其特征在于，所述步骤(a2)中，利用曲线检查法消除数据中的异常点，利用弦高-角度法进行数据精简。

3.根据权利要求1或2所述的激光在线测量加工检测方法，其特征在于，采用坐标旋转法对步骤(b3)所获得的刻蚀形状的深度和宽度进行轮廓调平处理，以消除偏差，然后再进入步骤(b4)。

4.一种激光在线测量加工检测装置，包括依次位于同一光路上的加工激光器、光路***和激光加工头；其特征在于，该***还包括激光测距***，计算机控制***，移动组件和工作台；

激光测距***用于获取工件加工前、后的测量数据，包括工件每点的空间坐标值和法线角度，并提供给计算机控制***；激光测距***与激光加工头通过连接件刚性连接并固定在移动组件上，工作台位于激光加工头下方，用于安装所述工件；所述激光测距***、激光加工头和工件能够随移动组件和工作台进行三维空间运动；

所述计算机控制***与加工激光器、激光加工头、激光测距***、移动组件和工作台电信号连接，以控制各部件工作；计算机控制***用于对接收的加工前测量数据进行降噪、滤波处理，消除异常点和进行数据精简，再采用三次NURBS曲线进行曲面拟合，获得的曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型的三维几何重构，最后获得加工前工件的空间几何尺寸或激光加工的几何尺寸大小和法线角度，控制加工激光器、Z轴移动机构和四轴工作台按照得到的数据进行加工，以提高加工精度；

计算机控制***还用于对接收的加工后测量数据进行轮廓滤波，并采用差分递归算法计算得到加工后工件的表面粗糙度；此外，还利用得到的加工后测量数据绘制出加工后工件的表面轮廓，以确定刻蚀形状的位置，再根据确定的刻蚀形状的位置，采用最小二乘法分别对其两侧的数据进行直线拟合，然后计算得到刻蚀形状的深度和宽度；最后检测工件的表面粗糙度、刻蚀形状的深度和宽度是否符合要求，对不符合要求的工件进行再次加工。

5.根据权利要求4所述的激光在线测量加工检测装置，其特征在于，所述激光测距***由发出点或线激光束的测量激光器、均光准直会聚透镜光路、聚焦透镜和光线收集器组成；

所述均光准直会聚透镜光路包括准直镜和会聚透镜，用于将测量激光器发出的光束先均光准直后再通过会聚透镜聚焦，再投射到待加工工件上；

聚焦透镜用于接收工件的反射光，缩小其光斑直径或光束宽度；

工作时，由测量激光器对加工前或加工后工件发射一束点或线激光束，并通过均光准直会聚透镜光路聚焦于工件表面，工件表面将激光束反射到聚焦透镜，聚焦成像在光线收集器上形成光斑，通过光线收集器将光线信号传变为电信号，经过处理后将测量结果输出到计算机控制***。

6.根据权利要求4或5所述的激光在线测量加工检测装置，其特征在于，所述移动组件为Z轴移动机构，所述工作台为四轴工作台。

7.根据权利要求4或5所述的激光在线测量加工检测装置，其特征在于，所述移动组件为由Z轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C构成的运动***，所述工作台为xy两轴工作台。

8.根据权利要求4或5所述的激光在线测量加工检测装置，其特征在于，所述移动组件为由XYZ三轴和360°旋转轴A以及±90°摆动轴C构成的运动***。