[发明专利]一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法

说明书

本发明提供一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法，解决现有三维结构形貌及尺寸无法精密加工的问题。本发明系统和方法在激光加工头上设置共焦位移传感器，首先，通过共焦位移传感器高精度调整加工件的空间位置姿态，从而完成加工件的高精度定位和基准校正；其次，标定共焦位移传感器与激光焦点之间的相对位置，为后续激光扫描去除工件材料后的焦点跟随奠定基础；再次，通过共焦位移传感器测量各层激光扫描后的三维形貌，结合正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，可大幅提升底面形貌的粗糙度和加工深度控制精度。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法。

背景技术

激光加工技术由于具有非接触、近似“冷加工”、无污染和材料适用性广等优点，已成为各种功能结构和三维精细结构加工的关键技术。然而，由于激光具有一定焦深，如何实现三维结构精密加工成为难点。

中国专利CN107498189A公开了一种金属表面三维V形槽结构的激光加工方法，在该方法中，获取V形槽的数据后，通过矩形框的扫描加工实现各层材料的加工及轮廓的控制。但是，该方法未实现闭环控制加工，每一层的加工深度和底面粗糙度由于受到激光参量、焦点位置和吹气等各种因素影响，不能实现特定V型结构的精密加工。

中国专利CN104439709A公开了一种三维激光打标方法、装置及三维激光加工设备，该方法中利用三维振镜系统实现三维结构加工的方法，将被加工物体的曲面模型经过分割处理，并结合三维振镜系统直接加工得到三维结构。但是，该方法采用的三维振镜价格昂贵，限制了其广泛应用；另外，三维振镜受限于微米级结构的切片和分层精度，不能实现微米级的高精度、高一致性加工，且该方法同样未实现闭环控制加工，未提出控制底面粗糙度和加工深度的控制方法。

由于激光焦点具有一定的焦深，不利于三维结构的精密加工，三维结构无法实现精密加工，导致激光加工方法在三维结构精密加工领域还未进行实际应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有三维结构形貌及尺寸无法精密加工的问题，提供一种三维形貌精确控制加工系统及加工方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维形貌精确控制加工方法，包括以下步骤：

步骤一、在激光加工头上设置共焦位移传感器，所述激光加工头包括二维扫描振镜和远心平场镜；

步骤二、激光加工头对单层材料进行试加工，确定加工该材料的激光单脉冲能量和脉冲重叠率范围；

步骤三、确定脉冲重叠率后，建立激光单脉冲能量与加工深度、底面粗糙度的映射关系；

步骤四、寻找激光焦点，标定共焦位移传感器与激光焦点之间的相对位置，得到共焦位移传感器的标定值，同时，记录此时加工平台XY轴的坐标值为激光焦点的初始位置；

步骤五、将加工件放置在加工平台上，调整加工件的空间姿态，使得加工件四个边角形成的平面与加工平台的XY坐标平面平行；

步骤六、根据步骤三获取的激光单脉冲能量和加工深度的映射关系，对加工件的三维结构进行分层；

步骤七、依据步骤六分层的结果，通过正交式逐层扫描和变单脉冲能量方式，实现不同深度、不同粗糙度的三维结构加工；

7.1)依据分层结果，选择对应加工深度的激光单脉冲能量和脉冲重叠率，二维扫描振镜在X方向实现单层扫描加工，此时，实现X方向扫描加工的激光单脉冲能量为a；

7.2)X方向扫描完成后，在XY坐标平面内移动加工平台，使共焦位移传感器移动至X方向扫描加工区域，依据共焦位移传感器的实时显示值和标定值的差值，移动机床Z轴，使激光焦点跟随已加工的表面；