CN110587159A - 一种实时监测激光加工性能的***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种实时监测激光加工性能的***,涉及激光加工技术领域,包括激光加工***、激光检测***、射线检测***、精密夹具和PC模块,其中激光加工***与激光检测***共用激光器、分光模组、反射镜和聚集模组,且均位于精密夹具的同一侧,所述射线检测***包括射线源和射线探测器,所述PC模块通过信号线与激光检测器和射线检测器连接,所述精密夹具套设在板材上,且所述精密夹具相对板材可沿x、y方向平行移动、沿u、i方向旋转移动,本发明的加工激光束与探测激光束由同一激光器产生,简化了在线检测***的结构,减小激光器以及相关光学元件的数量,降低了***成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域,具体涉及一种实时监测激光加工性能的***及方法。
背景技术
激光具有高分辨率、高效率、无工具磨损等特点,被广泛运用于各类复杂结构材料的加工,可以用于各类材料的细微加工,但激光加工存在热损伤、微裂纹、纳米质变层等问题,影响已加工材料的正常使用性能;同时随着激光加工尺寸的精细化趋势发展,目前可实现的加工尺寸达到10μm以下,常规的检测手段无法完成检测要求。
随着工件所需加工结构的复杂化、精密化趋势发展以及零件本身高成本的特性,需要对激光的加工过程进行实时监测,确保每次加工的正常进行,及时发现加工所存在的问题,并及时作出反馈和止损。
对于工件内部的检测,专利ZL201820239521.6公开了一种印制电路板密集盲孔切面切片机,用于印制电路板盲孔检测前的切片处理,该装置具有结构简单,故障率低、安全性高等优点,但需要根据不用盲孔孔径大小调整切刃宽度,操作步骤较为冗杂,且该检测方法是破坏性检测,一方面破坏性检测会增加成本,另一方面随着使用要求的提高,越来越多的工件要求实行全检,破坏性检测无法满足要求。故无损检测必是未来检测手段的发展趋势,专利ZL201510482808.2公开了一种识别复合材料制品内部缺陷类型的无损检测方法,适用于复合材料制品至内部缺陷的X射线断层CT无损检测领域,操作方便、可靠性高、适用性广、识别速度快,人为误判少,但是该方法需要工件完成后再进行无损检测,无法实现实时在线的观测。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种实时监测激光加工性能的***及方法,该***简化了在线检测***的结构,减少激光器以及相关光学元件的数量,降低***成本。
本发明的另一目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种实时监测激光加工性能的方法,该方法可实现激光加工性能的无损实时监测。
本发明的目的通过以下技术方案实现:提供一种实时监测激光加工性能的***,包括激光加工***、激光检测***、射线检测***、精密夹具和PC模块,所述激光加工***包括依次固定连接的激光器、分光模组、反射镜和聚集模组,所述激光检测***包括依次固定连接的激光器、分光模组、反射镜、聚集模组以及通过信号连接的激光探测器,其中激光加工***与激光检测***共用激光器、分光模组、反射镜和聚集模组,且均位于精密夹具的同一侧,所述射线检测***包括射线源和射线探测器,所述射线探测器和所述激光加工***均位于所述精密夹具的同一侧,所述射线源位于精密夹具的另一侧,所述PC模块通过信号线与激光检测器和射线检测器连接,所述精密夹具套设在板材上,且所述精密夹具相对板材可沿x、y方向平行移动、沿u、i方向旋转移动。
其中,所述板材包括上层的上铜箔、中间层的PI层和底层的下铜箔。
另外,还提供一种实时监测激光加工性能的方法,将工件置于如上所述的***上进行加工检测,检测的步骤包括:
S1:将工件装夹在精密夹具上,调整好工件的初始加工位置;
S2:激光器产生激光束,所述激光束经过分光模组后分为加工激光束和探测激光束;
S3:加工激光束通过聚焦模组聚焦在工件对应位置进行加工;
S4:探测激光束通过聚焦模组聚焦在工件对应位置,反射的探测激光束被激光探测器接收,探测信号通过信号线传至PC模块;
S5:PC模块根据反馈信号调整激光器的激光参数、分光模组的功率和精密夹具的位置;
S6:射线源发射射线,射线透射工件位置,透射的射线被射线探测器接收,探测信号通过信号线传至PC模块。
其中,在所述步骤S1中,精密夹具可沿x、y方向平行移动,同时可以沿u、i方向旋转运动;精密夹具可以沿u方向进行角度调节,调节范围为0~45°,同时可以沿i方向旋转,旋转角度为0~360°,旋转速度为0~500rpm。
其中,在所述步骤S2中,所述分光模组具备分光和调整加工激光束与探测激光束输出功率的作用,所述加工激光束输出功率与探测激光束输出功率之间的调节在功率调节范围内相互独立;所述激光的波长为355nm~10.6μm,脉冲宽度为4~200ns,输出能量功率为0~100W,重复频率为2~150kHz,离焦量为-3~3mm。
其中,在所述步骤S3和步骤S4中,所述聚焦模组具有聚焦加工激光束与探测激光束的作用,且可调整激光束的焦点位置、偏转角度和运动轨迹。
其中,在所述步骤S6中,射线源可根据工件所需检测结构来调整射线种类和照射角度。
其中,在所述步骤S4、S5和S6中,所述PC模块具备图像处理、数据计算、反馈调节和实时检测功能。
其中,所述射线种类包括X射线、γ射线、中子射线、电子射线、成像板射线和相纸射线。
其中,所述照射角度为0~180°。
相对于现有技术,该实时监测激光加工复合材料的***的有益效果:由于加工激光束与探测激光束由同一激光器产生,简化了在线检测***的结构,减小激光器以及相关光学元件的数量,降低了***成本。
相对于现有技术,本发明的检测方法的有益效果:1)利用射线强大的穿透性,可以实现工件内部结构的无损检测,同时利用射线探测器的检测以及PC模块的处理,将信号处理成为图像,实现工件内部结构的检测;2)由于PC模块具备反馈调节的功能,可以根据激光检测以及射线检测所得到的结果调整激光输出以及精密夹具的位置,实现不同结构的加工以及激光加工性能的调控。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制,对于本领域的普通技术人员,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的***结构示意图;
图2是本发明只有射线检测时的结构示意图;
图3是本发明具有激光检测和射线检测时的结构示意图;
图4是本发明针对复合板材两种检测的结构示意图;
图5是本发明针对同一材料复杂孔两种检测的结构示意图;
图中,1-激光器、2-激光束、21-加工激光束、22-探测激光束、3-分光模组、4-反射镜、5-聚焦模组、6-精密夹具、7-板材、71-第一微孔、72-第二微孔、701-上铜箔、702-PI层、703-下铜箔、721-上部圆柱孔、722-中部圆柱孔,723-下部圆锥孔、8-射线源、9-射线、10-射线探测器、11-信号线、12-激光探测器、13-PC模块。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明并不局限于此。
实施例1:
如图1所示,装夹好板材7(偏转角度为0,水平装夹),激光器1输出参数为波长为355nm、脉冲宽度为50ns、功率为20W、重复频率为100kHz的激光束2,经过分光模组3分为波长为355nm、脉冲宽度为50ns、功率为19W、重复频率为100kHz的加工激光束21以及波长为355nm、脉冲宽度为50ns、功率为0.5W、重复频率为100kHz的探测激光束22,加工激光束21经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°及加工途径(螺旋加工)在板材7上加工第一微孔71,探测激光束22经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°在第一微孔71孔壁反射被激光探测器12吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面粗糙度、微裂纹等,PC模块13根据需求调整激光器1的激光输出、分光模组3的功率调节、精密夹具6的位置等。
实施例2:
如图2所示:装夹好板材7(偏转角度为0,水平装夹),激光器1输出参数为波长为1064nm、脉冲宽度为50ps、功率为10W、重复频率为80kHz的激光束2,经过分光模组3分为波长为1064nm、脉冲宽度为50ps、功率为8W、重复频率为80kHz的加工激光束21以及波长为1064nm、脉冲宽度为50ps、功率为0W、重复频率为80kHz的探测激光束22,加工激光束21经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°及加工途径(螺旋加工)在板材7上加工第二微孔72,射线源8发出射线9(X射线),透射过板材7已加工完成的第一微孔71,被射线探测器10吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面形貌、形状等。
实施例3:
如图3所示,装夹好板材7(偏转角度为0,水平装夹),激光器1输出参数为波长为533nm、脉冲宽度为50fs、功率为8W、重复频率为90kHz的激光束2,经过分光模组3分为波长为533nm、脉冲宽度为50fs、功率为5W、重复频率为90kHz的加工激光束21以及波长为533nm、脉冲宽度为50fs、功率为0.2W、重复频率为90kHz的探测激光束22,加工激光束21经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°及加工途径(螺旋加工)在板材7上加工第二微孔72,探测激光束22经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°在第二微孔72孔壁反射被激光探测器12吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面粗糙度、微裂纹等,PC模块13根据需求调整激光器1的激光输出、分光模组3的功率调节和精密夹具6的位置等,同时,射线源8发出射线9(X射线),透射过板材7已加工完成的第一微孔71,被射线探测器10吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面形貌、形状等。
实施例4:
如图1和图4所示,装夹好板材7(偏转角度为0,水平装夹),板材7是典型的FPC,由上铜箔701、下铜箔703及中间的PI层702组成,激光器1输出参数为波长为355nm、脉冲宽度为170ns、功率为5W、重复频率为90kHz的激光束2,经过分光模组3分为波长为355nm、脉冲宽度为170ns、功率为4W、重复频率为90kHz的加工激光束21以及波长为355nm、脉冲宽度为170ns、功率为0.2W、重复频率为90kHz的探测激光束22,加工激光束21经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°及加工途径(螺旋加工)在板材7上加工第二微孔72,探测激光束22经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度5°在第二微孔72孔壁反射被激光探测器12吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面粗糙度、微裂纹等,当加工完成铜箔层701上的第二微孔72时,激光检测***检测出铜箔层701与PI层702之间的交界面并将信息传至PC模块13时,PC模块13降低激光器1的输出功率,经过分光模组3分为波长为355nm、脉冲宽度为170ns、功率为3W、重复频率为90kHz的加工激光束21以及波长为355nm、脉冲宽度为170ns、功率为0.1W、重复频率为90kHz的探测激光束22,继续完成PI层702的加工检测,依次类推完成铜箔层703第二微孔72的加工;同时,射线源8发出射线9(X射线),透射过板材7已加工完成的第一微孔71,被射线探测器10吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面形貌、形状等。
实施例5
如图1和图5所示,装夹好板材7(偏转角度为u方向偏转5°),板材7的第二微孔72分为上部圆柱孔721、中部圆柱孔722,下部圆锥孔723,激光器1输出参数为波长为1064nm、脉冲宽度为170ns、功率为10W、重复频率为90kHz的激光束2,经过分光模组3分为波长为1064nm、脉冲宽度为170ns、功率为8W、重复频率为90kHz的加工激光束21以及波长为1064nm、脉冲宽度为170ns、功率为1W、重复频率为90kHz的探测激光束22,加工激光束21经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度0°及加工途径(同心圆加工)在板材7上加工第二微孔72,探测激光束22经过聚焦模组5聚焦并调整位置角度0°在微孔72孔壁反射被激光探测器12吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面粗糙度、微裂纹等,当完成上部圆柱孔721的加工时,PC模块13根据加工要求调整激光器1的输出功率,经过分光模组3分为波长为533nm、脉冲宽度为170ns、功率为4W、重复频率为90kHz的加工激光束21以及波长为533nm、脉冲宽度为170ns、功率为1W、重复频率为90kHz的探测激光束22,继续完成中部圆柱孔722的加工,同时激光检测***实时检测所加工第二微孔72并将信息反馈至PC模块13时,完成闭环控制,依次类推完成下部圆锥孔723的加工;同时,射线源8发出射线9(X射线),透射过板材7已加工完成第一微孔71,被射线探测器10吸收,并经过信号线11将信息传至PC模块13,输出对应的检测信息,如表面形貌、形状等。
通过以上5个实施例,实施例1只有激光检测,实施例2只有射线检测,实施例3具有激光和射线两种检测,实施例4针对复合板材的两种检测,实施例5针对同一材料复杂孔的两种检测,从而可以看出,两种检测方法可以单独进行,可以实现激光加工性能的实时监测,并利用PC模块实现激光加工结构及性能的调控,可实现分段异型孔的加工,也可以实现激光加工形状的无损在线检测。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种实时监测激光加工性能的***,其特征在于:包括激光加工***、激光检测***、射线检测***、精密夹具和PC模块,所述激光加工***包括依次固定连接的激光器、分光模组、反射镜和聚集模组,所述激光检测***包括依次固定连接的激光器、分光模组、反射镜、聚集模组以及通过信号连接的激光探测器,其中激光加工***与激光检测***共用激光器、分光模组、反射镜和聚集模组,且均位于精密夹具的同一侧,所述射线检测***包括射线源和射线探测器,所述射线探测器和所述激光加工***均位于所述精密夹具的同一侧,所述射线源位于精密夹具的另一侧,所述PC模块通过信号线与激光检测器和射线检测器连接,所述精密夹具套设在板材上,且所述精密夹具相对板材可沿x、y方向平行移动、沿u、i方向旋转移动。
2.根据权利要求1所述的一种实时监测激光加工性能的***,其特征在于:所述板材包括上层的上铜箔、中间层的PI层和底层的下铜箔。
3.一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:将工件置于权利要求1或2所述的***上进行加工检测,检测的步骤包括:
S1:将工件装夹在精密夹具上,调整好工件的初始加工位置;
S2:激光器产生激光束,所述激光束经过分光模组后分为加工激光束和探测激光束;
S3:加工激光束通过聚焦模组聚焦在工件对应位置进行加工;
S4:探测激光束通过聚焦模组聚焦在工件对应位置,反射的探测激光束被激光探测器接收,探测信号通过信号线传至PC模块;
S5:PC模块根据反馈信号调整激光器的激光参数、分光模组的功率和精密夹具的位置;
S6:射线源发射射线,射线透射工件位置,透射的射线被射线探测器接收,探测信号通过信号线传至PC模块。
4.根据权利要求3所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:在所述步骤S1中,精密夹具可沿x、y方向平行移动,同时可以沿u、i方向旋转运动;精密夹具可以沿u方向进行角度调节,调节范围为0~45°,同时可以沿i方向旋转,旋转角度为0~360°,旋转速度为0~500rpm。
5.根据权利要求3所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:在所述步骤S2中,所述分光模组具备分光和调整加工激光束与探测激光束输出功率的作用,所述加工激光束输出功率与探测激光束输出功率之间的调节在功率调节范围内相互独立;所述激光的波长为355nm~10.6μm,脉冲宽度为4~200ns,输出能量功率为0~100W,重复频率为2~150kHz,离焦量为-3~3mm。
6.根据权利要求3所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:在所述步骤S3和步骤S4中,所述聚焦模组具有聚焦加工激光束与探测激光束的作用,且可调整激光束的焦点位置、偏转角度和运动轨迹。
7.根据权利要求3所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:在所述步骤S6中,射线源可根据工件所需检测结构来调整射线种类和照射角度。
8.根据权利要求3所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:在所述步骤S4、S5和S6中,所述PC模块具备图像处理、数据计算、反馈调节和实时检测功能。
9.根据权利要求7所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:所述射线种类包括X射线、γ射线、中子射线、电子射线、成像板射线和相纸射线。
10.根据权利要求7所述的一种实时监测激光加工性能的方法,其特征在于:所述照射角度为0~180°。
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