CN108994453A - 数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲激光数控加工技术领域，涉及一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，在超短脉冲激光打孔时材料烧蚀阈值求解方法的基础上，提出了激光移动加工时材料烧蚀阈值的表示方法，并结合阈值效应相关理论及实际加工工艺数据，基于激光参数及加工速度建立加工宽度模型和加工深度模型，最终建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型，在数控加工中，能根据加工宽度和加工深度自适应确定脉冲激光的平均功率和脉冲周期，能自适应匹配加工尺寸的要求，避免材料的浪费，提高加工精度和加工质量。

Description

数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法

技术领域

本发明属于脉冲激光数控加工技术领域，涉及一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法。

背景技术

制造业是第一产业，是国家实体经济的主体，是国家安全的保障，是增强国家核心竞争力的重要所在。我国是制造大国，但不是制造强国，在创新能力、整体素质及竞争力方面都与发达国家存在一定的差距，在精密、超精密加工领域的表现更为明显。为实现制造大国向制造强国转变这一重大目标，2015年，国家制定了“中国制造2025”战略，对我国制造业的转型升级作了整体部署并选择了十大重点领域作为突破点，其中具有高速、精密与智能等特性的高档数控机床在列。

激光技术与数控技术相结合产生的激光数控加工机床能够对各种复杂的平面及曲面进行高精度、高效率与高质量的加工。长脉冲激光数控加工不适用于易燃易爆材料的加工，飞秒、皮秒级的超短脉冲激光的出现解决了这一问题，将激光数控加工的优势发挥到最大。

超短脉冲激光指激光脉宽小于10皮秒(ps，10^-12s)的激光。超短脉冲激光具有极短的脉宽和极高的峰值功率，在极短的时间和极小的空间作用于材料表面，受作用材料表面的局部温度瞬时急剧上升，远超过材料熔化和气化的温度值，致使材料发生多光子高度电离，最后以等离子体喷发的形式逃逸出母材并带走几乎全部能量，实现了材料的去除。超短脉冲激光作用材料的机理与长脉冲激光不同，超短脉冲激光作用材料的过程主要表现为材料多光子电离过程，无热影响区域产生，并且能够聚焦到超细微的区域，加工表面粗糙度低，无微裂纹，能够实现对超硬、易碎、高熔点、易爆材料等材料的加工，具有长脉冲激光无法比拟的优势。因此，超短脉冲激光数控加工常被应用于航空航天、军事国防及医疗等领域的精密器械及零件加工中。

与长脉冲激光加工相比，超短脉冲激光加工过程为非热熔过程，具有诸多优势：(1)无热影响区：超短脉冲激光加工为非热熔过程，避免了热传递时导致的热影响区的产生；(2)无污染物：等离子体带正电荷，喷发时相互排斥，无液滴洒落和重新凝结产生的污染区；(3)加工范围广：超短脉冲激光加工具有阈值效应，理论上，只要激光脉宽足够短，峰值功率足够高，超短脉冲激光可以实现对任何材料的加工；(4)透明材料内部加工：用激光能量密度略低于材料烧蚀阈值的激光光束聚焦照射透明材料内部焦点，光束能量全部汇聚于材料内部焦点处，只有焦点处的激光能量密度高于材料的烧蚀阈值，只有焦点处的材料被去除，实现对透明材料内部的精细加工；(5)激光能量利用率高：超短脉冲激光加工时，材料的烧蚀阈值通常只有毫焦耳或微焦耳量级，因此，能对材料产生烧蚀作用的激光光束半径较大，激光能量利用率也随之较高；(6)环保：超短脉冲激光加工几乎没有废渣、废液产生，绿色环保；(7)特殊材料加工：超短脉冲激光加工为非热熔加工，可实现对超硬、易碎、高熔点、易爆材料等特殊材料的加工。

在超短脉冲激光数控加工过程中，除了数控机械本体制造精度、装配精度、定位及重复定位精度、运动刚性等因素直接影响产品的加工精度外，加工工艺参数更是影响产品加工精度的重要因素，也更加难以突破。

在超短脉冲激光数控加工过程中，由于加工工件复杂、机床性能限制与加工效率要求等问题，加工尺寸要求及加工速度也经常变化。此时，若激光参数与加工速度不能较好地匹配加工尺寸的要求，则会导致材料过烧或欠烧现象的发生，从而造成材料浪费、加工质量差与加工效率低等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，能自适应匹配加工尺寸的要求，避免材料的浪费，提高加工精度和加工质量。

本发明是这样实现的：

一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，其具体包括以下步骤：

S1、基于激光参数及加工速度，建立加工宽度模型；

S11、超短脉冲激光光束呈高斯分布，超短脉冲激光进行单脉冲打孔时，烧蚀孔直径D与激光高斯光束腰ω₀、激光峰值能量密度及材料单脉冲烧蚀阈值的关系式如下：

其中，为材料单脉冲烧蚀阈值；为激光峰值能量密度；

S12、等效脉冲数量表示：

超短脉冲激光的加工路径等效为多脉冲激光加工，多脉冲加工下的材料烧蚀阈值为

其中，ε为材料的累计系数，N_e为等效脉冲数量，N_e具体如下式表示：

其中，D为激光照射光斑直径，其值与步骤S11中的烧蚀孔直径D等价；v为加工速度；T为激光脉冲周期；

S13、建立加工宽度模型：

在超短脉冲激光加工中，加工宽度W与激光能量密度加工速度v、激光脉冲周期T的关系表达式如下所示：

激光能量密度通过激光平均功率P与脉冲周期T来表示，为其中，P为激光的平均功率，f为激光脉冲重复频率；

则在超短脉冲激光加工中，利用参数激光平均功率P、加工速度v和脉冲周期T表示的加工宽度W模型为：

S2、基于激光参数及加工速度，建立加工深度模型；

加工深度H与激光平均功率P、等效脉冲数量N_e的关系表达式为

其中，线性比例系数k₁、k₂与常数系数b通过三组实际加工的激光平均功率P、加工速度v、激光脉冲周期T、激光光斑直径D和加工深度H确定；

激光平均功率P等效为多脉冲烧蚀阈值功率P_th(N)，则其与单脉冲烧蚀阈值功率P_th(1)、脉冲数量N的关系表达式为

S3、建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型；

基于步骤S1的加工宽度模型和步骤S2的加工深度模型，建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型：

优选地，步骤S12中等效脉冲数量的具体表示方法如下：

总激光能量E_总为作用在该光斑直径范围内的所有脉冲的有效作用能量之和，表达式如下：

其中，E_i为第i个激光脉冲在光斑直径范围内的有效作用能量，表达式为

其中，D为激光照射光斑直径，v为加工速度，T为激光脉冲周期，i为激光脉冲序号，i∈[1,2,...,n]；E为激光脉冲能量，

设n为有效作用脉冲数量，其表达为式中为上取整符号，表示n取不小于的整数中最小的一个，则总激光能量E_总表示为

优选地，步骤S2中，线性比例系数k₁、k₂与常数系数b的确定方法具体如下：

设三组实际加工数据分别为(P₁,v₁,T₁,D₁,H₁)、(P₂,v₂,T₂,D₂,H₂)与(P₃,v₃,T₃,D₃,H₃)，则k₂的表达式如下：

其中，N_e1、N_e2、N_e3为第一、二、三组实际加工工艺数据对应的等效脉冲数量，

常系数b的表达式为

b＝w₁b₁₂+w₂b₂₃

其中，w₁、w₂——为权重系数，b₁₂、b₂₃分别为由第一与二组、第二与三组实际加工工艺数据求得的常数系数，表达式如下：

k₁的表达式如下：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，将超短脉冲激光移动加工过程等效为多脉冲激光加工过程，基于激光参数及加工速度建立加工宽度模型和加工深度模型，最终确定超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型，能根据加工宽度和加工深度自适应确定脉冲激光的平均功率和脉冲周期，能自适应匹配加工尺寸的要求，避免材料的浪费，提高加工精度和加工质量。本发明具有较强的通用性及适应性，对于提高超短脉冲激光加工工艺实验效率、降低成本等方面也具有重要意义。

附图说明

图1为超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型的建立及其工作流程。

图2为超短脉冲激光移动加工过程的示意图。

图3为加工深度与激光平均功率自然对数之间的关系。

图4为加工深度与等效脉冲数量自然对数之间的关系。

图5为实际平均功率与本发明的自适应控制方法得到的平均功率对比图。

图6为实际等效脉冲数量对数与本发明预测的等效脉冲数量对数对比图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，其具体包括以下步骤：

S1、基于激光参数及加工速度，建立加工宽度模型；

在超短脉冲激光加工中，材料加工宽度主要由激光能量密度与材料烧蚀阈值的数值关系决定，超短脉冲激光移动加工过程等效为多脉冲激光加工过程，等效脉冲数量通过加工速度与激光脉冲周期确定，材料等效烧蚀阈值也可通过加工速度与激光脉冲周期表示。因此可用激光参数及加工速度表示材料等效烧蚀阈值，进而确定加工宽度关于激光参数及加工速度的表达式。

S11、超短脉冲激光光束呈高斯分布，超短脉冲激光进行单脉冲打孔时，烧蚀孔直径D与激光高斯光束腰ω₀、激光峰值能量密度及材料单脉冲烧蚀阈值的关系式如下：

式中D——烧蚀孔直径；

ω₀——激光高斯光束腰，也叫束腰半径；

——激光峰值能量密度；

——材料单脉冲烧蚀阈值，其值固定。

式(1)中，激光峰值能量密度的表示方法如式(2)所示。

其中，f为激光脉冲重复频率，

多脉冲激光加工时脉冲能量具有累积效应，当激光脉冲数量增加时，材料的烧蚀阈值会随着脉冲数量的不同而不同。一般情况下，材料烧蚀阈值与脉冲数量呈反比，并且在脉冲数量到达一定的值后，材料烧蚀阈值也会达到一个饱和值。在烧蚀阈值饱和值范围内，材料多脉冲烧蚀阈值与材料单脉冲烧蚀阈值脉冲数量N的关系如式(3)所示：

式中——材料多脉冲烧蚀阈值；

N——脉冲数量；

——材料单脉冲烧蚀阈值；

ε——材料的累计系数，为固定值。

由式(1)与式(3)可求得在超短脉冲激光进行多脉冲打孔时，多脉冲烧蚀孔直径D(N)与激光高斯光束腰ω₀、激光峰值能量密度材料单脉冲烧蚀阈值及脉冲数量N之间的关系，如式(4)所示。

S12、等效脉冲数量表示：

超短脉冲激光移动加工过程可理解为多个激光脉冲烧蚀作用在材料表面的叠加，如图2所示。图中，D_o表示激光照射光斑直径，T表示激光脉冲周期，v表示加工速度，L_T表示相邻激光光斑点的中心间距，也表示激光头在一个激光脉冲周期下相对工件的移动距离。

超短脉冲激光匀速加工时，激光脉冲在加工路径上被认为是平均分布的。由于激光脉冲能量的累积效应，超短脉冲激光加工该路径可等效为多脉冲激光加工，等效脉冲数量为N_e，此时烧蚀阈值可表示为式(5)。

式中N_e——等效脉冲数量。

在超短脉冲激光移动加工中，等效脉冲数量是指作用在材料表面上单个激光照射光斑直径范围内的激光脉冲的数量，可通过作用在材料表面上单个激光照射光斑直径范围内的总激光能量E_总与激光脉冲能量E之比来确定其值。

总激光能量E_总可通过作用在该光斑直径范围内的所有脉冲的有效作用能量之和计算，如式(6)所示。

式中E_i——第i个激光脉冲在光斑直径范围内的有效作用能量，计算方法如式(7)所示；

n——有效作用脉冲数量，确定方法如式(8)所示：

式中E_i——第i个激光脉冲在光斑直径范围内的有效作用能量；

D——激光照射光斑直径；

v——加工速度；

T——激光脉冲周期；

i——激光脉冲序号，i∈[1,2,...,n]；

E——激光脉冲能量。

有效作用脉冲数量n的计算方法如式(8)所示。

式中为上取整符号，表示n取不小于的整数中最小的一个。

由式(6)与式(7)可得，总激光能量E_总可表示为式(9)。

将式(8)代入式(9)得，总激光能量E_总可表示为式(10)：

则等效脉冲数量N_e的计算方法可表示为式(11)：

由式(5)与式(11)可得，超短脉冲激光移动加工时，烧蚀阈值可用加工速度表示。此时，烧蚀阈值可表示为式(12)。

S13、建立加工宽度模型

由式(4)与式(12)可得，在超短脉冲激光加工中，加工宽度W与激光能量密度加工速度v、激光脉冲周期T的关系可表示为式(13)：

式中W——加工宽度。

激光能量密度可以通过激光平均功率P来表示。由式(2)与(13)可得，在超短脉冲激光加工中，加工宽度W与激光平均功率P、加工速度v、激光脉冲周期T等参数的关系可表示为式(14)。

由式(14)可以看出，在超短脉冲激光加工中，加工宽度与激光平均功率、加工速度、激光脉冲周期、材料单脉冲烧蚀阈值功率、材料累计系数、激光高斯光束腰、激光光斑直径这几个参数相关。因此，在加工过程中，可通过调整激光平均功率、加工速度、激光脉冲周期、激光光斑直径来获得一定的加工宽度。

S2、基于激光参数及加工速度，建立加工深度模型；

选用5种不同加工速度和5种不同激光平均功率情景下的共25组ntD材料的实际加工工艺数据，加工速度分别取0.01mm/s、0.05mm/s、0.1mm/s、0.5mm/s、1mm/s，激光平均功率分别取10mW、20mW、30mW、40mW、50mW，确定加工深度与激光平均功率自然对数的关系及加工深度与等效脉冲数量的关系。

(1)加工深度与激光平均功率的关系

根据25组实际加工工艺数据，对加工深度H与激光平均功率P之间的关系进行拟合，发现加工深度与激光平均功率的自然对数呈线性相关关系，且线性比例系数与等效脉冲数量无关，如图3所示。

(2)加工深度与等效脉冲数量的关系

根据25组实际加工工艺数据，对加工深度H与等效脉冲数量N_e之间的关系进行了拟合，发现加工深度与等效脉冲数量的自然对数呈线性相关关系，且线性比例系数与激光平均功率无关，如图4所示。

由图3及图4可得，加工宽度H与激光平均功率P、等效脉冲数量N_e的关系，如式(15)所示：

H＝k₁lnP+k₂lnN_e+b (15)

根据式(15)与式(11)可得，加工深度H与激光平均功率P、加工速度v的关系，如式(16)所示：

其中，线性比例系数k₁、k₂与常数系数b通过三组实际加工的激光平均功率P、加工速度v、激光脉冲周期T、激光光斑直径D和加工深度H确定；

此处，激光平均功率P可等效为多脉冲烧蚀阈值功率P_th(N)，则其与单脉冲烧蚀阈值功率P_th(1)、脉冲数量N的关系表达式为

由式(15)可以看出，超短脉冲激光加工过程中，加工深度与激光平均功率的自然对数、等效脉冲数量的自然对数之间均呈线性相关关系。线性比例系数k₁、k₂与常数系数b可通过三组实际加工数据(激光平均功率、加工速度、激光脉冲周期、激光光斑直径和加工深度求得：

假设三组实际加工数据分别为(P₁,v₁,T₁,D₁,H₁)、(P₂,v₂,T₂,D₂,H₂)与(P₃,v₃,T₃,D₃,H₃)，则k₂、b与k₁的求解方式分别表示为式(18)、式(19)与式(22)。

式中N_e1、N_e2、N_e3——第一、二、三组实际加工工艺数据对应的等效脉冲数量，可通过式(11)确定。

常数系数b的求解方式如式(19)所示：

b＝(b₁₂+b₂₃)/2 (19)

式中b₁₂——第一、二组实际加工工艺数据求得的常数系数，确定方法见式(20)；

b₂₃——第二、三组实际加工工艺数据求得的常数系数，确定方法见式(21)。

比例系数k₁的求解方式如式(22)所示。

S3、建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型；

在基于激光参数及加工速度建立的加工宽度模型和加工深度模型的基础上，对式(14)、式(16)进行变换，最终可得如式(23)所示的超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型：

对于特定材料而言，材料单脉冲烧蚀阈值与材料累计系数为固定值；对于特定激光器而言，激光束腰半径与激光光斑直径一般不会轻易变化。因此，从理论角度，在材料与激光器一定时，依据实际加工工艺数据，建立起如式(23)所示的超短脉冲激光器加工工艺参数自适应模型，便可根据实际工况中给定的加工宽度、加工深度与加工速度，来求取满足超短脉冲激光特性加工的激光平均功率与激光脉冲周期。超短脉冲激光器加工工艺参数自适应模型的建立及其工作流程如图1所示。

选取25组实际加工工艺数据中的3组，代入式(18)、式(20)、式(21)及式(22)，得出k₁为4.163，k₂为1.461，b为-13.348，其中w₁，w₂均取1。将实际加工工艺数据代入超短脉冲激光参数自适应模型(式23)，可得到激光平均功率与激光脉冲周期。通过对比本发明的激光平均功率、激光脉冲周期与实际加工的激光平均功率与激光脉冲周期，验证本发明的脉冲激光参数自适应控制方法的准确性。激光脉冲周期对加工深度的影响主要体现在等效脉冲数量的对数上，因此，对本发明得到的等效脉冲数量对数与实际等效脉冲数量对数进行对比。

实际平均功率与本发明得到的平均功率的图形化对比表示如图5所示，实际等效脉冲数量对数与本发明得到的等效脉冲数量对数的图形化对比表示如图6所示。

综上所述，本发明的超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法得到的激光平均功率误差为0.69％，脉冲周期对应的等效脉冲数量对数误差为-0.1077。因此，本发明的脉冲激光参数自适应控制方法是合理的，且准确性较高。

根据超短脉冲激光加工的阈值效应，只有当激光能量密度大于烧蚀阈值时才能实现材料去除。因此，根据本发明得到的激光平均功率与激光脉冲周期得到烧蚀阈值与激光能量密度，对比烧蚀阈值与激光能量密度的关系，判断本发明确定的激光参数满足烧蚀阈值约束。烧蚀阈值与激光能量密度对比数据如表1所示。

表1烧蚀阈值与激光能量密度对比

由表1可知，本发明确定的激光参数对应的激光能量密度除第21组外均大于烧蚀阈值，第21组的激光能量密度小于烧蚀阈值，与实际加工时加工宽度为0的情况符合。因此，本发明的脉冲激光参数自适应控制方法满足阈值效应理论。

本发明在超短脉冲激光打孔时材料烧蚀阈值求解方法的基础上，提出了激光移动加工时材料烧蚀阈值的表示方法，并结合阈值效应相关理论及实际加工工艺数据，基于激光参数及加工速度分别建立加工宽度模型和加工深度模型，最终，建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型，在数控加工中，能根据加工宽度和加工深度自适应确定脉冲激光的平均功率和脉冲周期，能自适应匹配加工尺寸的要求，避免材料的浪费，提高加工精度和加工质量。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

S1、基于激光参数及加工速度，建立加工宽度模型；

S11、超短脉冲激光光束呈高斯分布，超短脉冲激光进行单脉冲打孔时，烧蚀孔直径D与激光高斯光束腰ω₀、激光峰值能量密度及材料单脉冲烧蚀阈值的关系式如下：

其中，为材料单脉冲烧蚀阈值；为激光峰值能量密度；

S12、等效脉冲数量表示：

超短脉冲激光的加工路径等效为多脉冲激光加工，多脉冲加工下的材料烧蚀阈值为

其中，ε为材料的累计系数，N_e为等效脉冲数量，N_e具体如下式表示：

其中，D为激光照射光斑直径，其值与步骤S11中的烧蚀孔直径D等价；v为加工速度；T为激光脉冲周期；

S13、建立加工宽度模型：

在超短脉冲激光加工中，加工宽度W与激光能量密度加工速度v、激光脉冲周期T的关系表达式如下所示：

激光能量密度通过激光平均功率P与脉冲周期T来表示，为其中，P为激光的平均功率，f为激光脉冲重复频率；

则在超短脉冲激光加工中，利用参数激光平均功率P、加工速度v和脉冲周期T表示的加工宽度W模型为：

S2、基于激光参数及加工速度，建立加工深度模型；

加工深度H与激光平均功率P、等效脉冲数量N_e的关系表达式为

其中，线性比例系数k₁、k₂与常数系数b通过三组实际加工的激光平均功率P、加工速度v、激光脉冲周期T、激光光斑直径D和加工深度H确定；

激光平均功率P等效为多脉冲烧蚀阈值功率P_th(N)，则其与单脉冲烧蚀阈值功率P_th(1)、脉冲数量N的关系表达式为

S3、建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型；

基于步骤S1的加工宽度模型和步骤S2的加工深度模型，建立超短脉冲激光加工工艺参数自适应模型：

2.根据权利要求1所述的数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，其特征在于：步骤S12中等效脉冲数量的具体表示方法如下：

总激光能量E_总为作用在该光斑直径范围内的所有脉冲的有效作用能量之和，表达式如下：

其中，E_i为第i个激光脉冲在光斑直径范围内的有效作用能量，表达式为

其中，D为激光照射光斑直径，v为加工速度，T为激光脉冲周期，i为激光脉冲序号，i∈[1,2,...,n]；E为激光脉冲能量，

设n为有效作用脉冲数量，其表达为式中为上取整符号，表示n取不小于的整数中最小的一个，则总激光能量E_总表示为

3.根据权利要求1所述的数控加工中超短脉冲激光加工工艺参数自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中，线性比例系数k₁、k₂与常数系数b的确定方法具体如下：

设三组实际加工数据分别为(P₁,v₁,T₁,D₁,H₁)、(P₂,v₂,T₂,D₂,H₂)与(P₃,v₃,T₃,D₃,H₃)，则k₂的表达式如下：

其中，N_e1、N_e2、N_e3为第一、二、三组实际加工工艺数据对应的等效脉冲数量，

常系数b的表达式为

b＝w₁b₁₂+w₂b₂₃

其中，w₁、w₂——为权重系数，b₁₂、b₂₃分别为由第一与二组、第二与三组实际加工工艺数据求得的常数系数，表达式如下：

k₁的表达式如下：