一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法
【技术领域】
1.本发明属于飞秒激光微孔加工技术领域，具体涉及一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法。
背景技术：2.飞秒激光加工集超快激光技术、超高精度定位技术、显微技术于一身，是一种新型的cmc-sic材料加工方式，与普通加工方式相比，主要优点如下：1、加工损伤小：飞秒超短脉冲激光脉冲持续时间短，能量在极小时间和空间内完成与物质的相互作用，从加工开始至结束，热量来不及扩散，能量仅积累在材料微小区域的薄层内，加工完成后，损伤区域周围的材料仍处于“冷”状态，大大减弱了传统加工中热效应带来的诸多负面影响；2、加工精度高：飞秒激光能量在空间和时间上都呈现高斯型或类高斯型分布，这可以使得只有聚焦光斑中心部位的强度可达到材料的加工阈值，此时加工中的能量吸收与作用范围被限制于焦点中心处很小体积内，加工尺度远小于光斑尺寸，达到亚微米级甚至纳米级。
3.目前已有相关的研究，例如中国专利申请号cn202110490885.8一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其利用空间光调制器加载0-π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。
4.在航空发动机叶片气膜孔加工孔时，要求加工孔定位准确、对壁无损伤、加工无重铸层、无微裂纹等要求，传统的气膜孔加工方法包括长脉冲激光加工、电火花加工和电液束加工。前两种加工方法都存在较大的重铸层；电液束加工能做到无重铸层，但是加工效率较低且加工的一致性较差。
5.飞秒激光微加工技术作为新兴的特种加工技术，具有加工精度高、热影响区小、重铸层薄，无毛刺、材料适用性强等优点，是实现超精密航空发动机叶片气膜孔加工的一种新方法。传统的气膜孔加工中通过工装定位来建立工装坐标系，再在工装坐标系下进行气膜孔的加工，由于存在叶片铸造误差、加工误差、工装夹具制造误差等，采用该方法会导致气膜孔位置及角度与设计值有一定偏差，这对航空发动机的冷效性能和使用寿命产生了较大影响。由于气膜孔除了上述要求外，定位精度也要求极高，这种复杂曲面定位精度对仅仅依靠加工机床和夹具的理论模型的位置来加工，很难实现。
技术实现要素：6.针对现有技术中气膜孔的定位精度要求极高，且要求的复杂曲面定位精度对仅仅依靠加工机床和夹具的理论模型的位置来加工很难实现的问题，本发明提供了一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，通过测距传感器在叶身上测量若干特征点的
位置，以此作为输入与理论模型进行迭代逼近，形成叶身坐标转换矩阵，进而将气膜孔坐标转换为机床坐标得到气膜孔的加工精确位置和方向。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，包括如下步骤：
9.1)在理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
内，在叶片上选取能够最佳定位叶片的特征点，以光学测量装置，在理论模型上得到留若干个特征点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)i，i＝1，2
……
；
10.2)采用机床定位在真实叶片上建立机床坐标系(o,x,y,z)m，假设机床坐标系和理论模型坐标重合，在(o,x,y,z)m坐标系内以所述的光学测量装置，在真实叶片上得到若干个点的坐标(xm,ym,zm,αm,βm)i，i＝1，2
……
；由于真实叶片和理论模型之间存在差异，在真实叶片上得到的若干个点和理论模型上得到的若干个点的坐标不同；
11.3)保持理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
不变，对叶片理论模型进行平移和旋转(δx,δy,δz,δα,δβ)，采用同样的测量方法在(o,x,y,z)
l
坐标系内对旋转后的理论模型进行测量，得到新的若干个点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)i，i＝1，2
……
；通过反复迭代，找到一个最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)，在该平移旋转量条件下，于理论模型中得到的这若干个点的坐标和在真实叶片上得到的若干个相对应的点的坐标之间的差异最小；
12.4)用步骤3)中得到的最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)对真实叶片上建立的机床坐标系(o,x,y,z)m进行修正，获得叶片坐标系在机床坐标系下的最优表达，并计算输出所有待加工孔对应的机床坐标参数，进而指导工作人员进行工件孔位加工；
13.所述的光学测量装置，包括控制模块(1)、工控机(2)、步进电机(3)、电荷耦合器件(charge-coupled device，ccd)(4)、成像装置凸透镜i(5)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜ii(7)、监控反射光路(8)、分光板(9)、加工光路(10)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)、被加工件发动机叶片(14)、被加工件发动机叶片的固定夹具(15)；
14.飞秒激光器输出直行光路上，依次设置有分光板(9)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)，最终光束达到被加工件发动机叶片(14)上；部分反射光从被加工件发动机叶片(14)上反射后，在被分光板(9)反射后的监控反射光路(8)直行光路上，依次设置有成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)、电荷耦合器件(4)；电荷耦合器件(4)固定在步进电机(3)上，通过数据线与工控机(2)连接；
15.所述的成像装置凸透镜i(5)和成像装置凸透镜ii(7)的实际焦距不一样；
16.所述的聚焦光路凸透镜i(11)和聚焦光路凸透镜ii(13)的实际焦距不一样。
17.步骤4)所述的工件孔位加工，包括打孔监控，具体步骤如下：
18.(1)打孔开始时，各个加工模块进行初始化，各系统全部归零；
19.(2)加工光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；
20.(3)反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；
21.(4)经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；
22.(5)电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别后进入总控工控机(2)；
23.(6)前后移动步进电机(3)，使电荷耦合器件(4)上的灰度图像发生变化，由工控机(2)判断ccd(4)是否是灰度最大值，如果是最大值，则步进电机(3)停止移动；
24.(7)加工光路(10)能量加大，工控机(2)判断被加工件发动机叶片(14)上的孔是否已经穿透；
25.(8)如果工控机(2)判断穿透信号已经发生，则激光能量输出归零，加工光路(10)能量归零；
26.(9)成孔。
27.步骤4)所述的工件孔位加工，包括测量，具体步骤如下：
28.①
打孔开始时，各个测量模块进行初始化，各系统全部归零；
29.②
测量光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；
30.③
反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；
31.④
经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；
32.⑤
电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别，并把测量的实际坐标值发给总控工控机(2)；
33.⑥
测量完毕。
34.和现有技术相比，本发明具有如下优点：
35.1、本发明所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，解决了加工复杂型面铸造偏差导致的定位难题。
36.2、本发明所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，在不依赖超精密机床情况下，实现了5um的精确定位。
【附图说明】
37.图1是本发明实施例得到的航空发动机气膜孔剖视图；
38.图2是本发明实施例航空发动机叶片及其加工工装示意图；
39.图3是本发明实施例航空发动机叶片气膜孔测量及加工过程的图；
40.图4是本发明对比例传统的气膜孔加工示意图。
41.附图标记：
42.1、控制模块；2、工控机；3、步进电机；4、电荷耦合器件；5、成像装置凸透镜i；6、成像装置凹透镜；7、成像装置凸透镜ii；8、监控反射光路；9、分光板；10、加工光路；11、聚焦光路凸透镜i；12、聚焦光路凹透镜；13、聚焦光路凸透镜ii；14、被加工件发动机叶片；15、被加工件发动机叶片的固定夹具。
【具体实施方式】
43.以下结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。
44.实施例：
45.一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，包括如下步骤：
46.1)在理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
内，在叶片上选取能够最佳定位叶片的特征点，以光学测量装置，在理论模型上得到留若干个特征点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)i，i＝1，2
……
；
47.2)采用机床定位在真实叶片上建立机床坐标系(o,x,y,z)m，假设机床坐标系和理论模型坐标重合，在(o,x,y,z)m坐标系内以所述的光学测量装置，在真实叶片上得到若干个点的坐标(xm,ym,zm,αm,βm)i，i＝1，2
……
；由于真实叶片和理论模型之间存在差异，在真实叶片上得到的若干个点和理论模型上得到的若干个点的坐标不同；
48.3)保持理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
不变，对叶片理论模型进行平移和旋转(δx,δy,δz,δα,δβ)，采用同样的测量方法在(o,x,y,z)
l
坐标系内对旋转后的理论模型进行测量，得到新的若干个点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)i，i＝1，2
……
；通过反复迭代，找到一个最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)，在该平移旋转量条件下，于理论模型中得到的这若干个点的坐标和在真实叶片上得到的若干个相对应的点的坐标之间的差异最小；
49.4)用步骤3)中得到的最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)对真实叶片上建立的机床坐标系(o,x,y,z)m进行修正，获得叶片坐标系在机床坐标系下的最优表达，并计算输出所有待加工孔对应的机床坐标参数，进而指导工作人员进行工件孔位加工；
50.所述的光学测量装置，包括控制模块(1)、工控机(2)、步进电机(3)、电荷耦合器件(charge-coupleddevice，ccd)(4)、成像装置凸透镜i(5)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜ii(7)、监控反射光路(8)、分光板(9)、加工光路(10)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)、被加工件发动机叶片(14)、被加工件发动机叶片的固定夹具(15)；
51.飞秒激光器输出直行光路上，依次设置有分光板(9)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)，最终光束达到被加工件发动机叶片(14)上；部分反射光从被加工件发动机叶片(14)上反射后，在被分光板(9)反射后的监控反射光路(8)直行光路上，依次设置有成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)、电荷耦合器件(4)；电荷耦合器件(4)固定在步进电机(3)上，通过数据线与工控机(2)连接；
52.所述的成像装置凸透镜i(5)和成像装置凸透镜ii(7)的实际焦距不一样；
53.所述的聚焦光路凸透镜i(11)和聚焦光路凸透镜ii(13)的实际焦距不一样。
54.步骤4)所述的工件孔位加工，包括打孔监控，具体步骤如下：
55.(1)打孔开始时，各个加工模块进行初始化，各系统全部归零；
56.(2)加工光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；
57.(3)反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；
58.(4)经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；
59.(5)电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别后进入总控工控机(2)；
60.(6)前后移动步进电机(3)，使电荷耦合器件(4)上的灰度图像发生变化，由工控机(2)判断ccd(4)是否是灰度最大值，如果是最大值，则步进电机(3)停止移动；
61.(7)加工光路(10)能量加大，工控机(2)判断被加工件发动机叶片(14)上的孔是否已经穿透；
62.(8)如果工控机(2)判断穿透信号已经发生，则激光能量输出归零，加工光路(10)能量归零；
63.(9)成孔。
64.步骤4)所述的工件孔位加工，包括测量，具体步骤如下：
65.①
打孔开始时，各个测量模块进行初始化，各系统全部归零；
66.②
测量光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；
67.③
反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；
68.④
经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；
69.⑤
电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别，并把测量的实际坐标值发给总控工控机(2)；
70.⑥
测量完毕。
71.对比例：
72.传统的气膜孔加工中通过工装定位来建立工装坐标系，再在工装坐标系下进行气膜孔的加工。
73.如图4所示，由于真实工件与理论模型总是存在铸造、铣削、工装等偏差，因此加工微孔的位置不可避免出现偏差，难以保证批量加工的位置精度。
74.结果与总结：
75.本发明所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，首次构建了多特征融合的迭代式数学模型，突破复杂曲面高精度自适应定位技术，解决了复杂型面铸造偏差导致的定位难题；实现了不依赖超精密机床情况下，实现了5um的精确定位。
76.以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变化，这些都属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，其特征在于：包括如下步骤：1)在理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
内，在叶片上选取能够最佳定位叶片的特征点，以光学测量装置，在理论模型上得到留若干个特征点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)
i
，i＝1，2
……
；2)采用机床定位在真实叶片上建立机床坐标系(o,x,y,z)
m
，假设机床坐标系和理论模型坐标重合，在(o,x,y,z)
m
坐标系内以所述的光学测量装置，在真实叶片上得到若干个点的坐标(x
m
,y
m
,z
m
,α
m
,β
m
)
i
，i＝1，2
……
；由于真实叶片和理论模型之间存在差异，在真实叶片上得到的若干个点和理论模型上得到的若干个点的坐标不同；3)保持理论模型坐标系(o,x,y,z)
l
不变，对叶片理论模型进行平移和旋转(δx,δy,δz,δα,δβ)，采用同样的测量方法在(o,x,y,z)
l
坐标系内对旋转后的理论模型进行测量，得到新的若干个点的坐标(x
l
,y
l
,z
l
,α
l
,β
l
)
i
，i＝1，2
……
；通过反复迭代，找到一个最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)，在该平移旋转量条件下，于理论模型中得到的这若干个点的坐标和在真实叶片上得到的若干个相对应的点的坐标之间的差异最小；4)用步骤3)中得到的最优平移旋转量(δx,δy,δz,δα,δβ)对真实叶片上建立的机床坐标系(o,x,y,z)
m
进行修正，获得叶片坐标系在机床坐标系下的最优表达，并计算输出所有待加工孔对应的机床坐标参数，进而指导工作人员进行工件孔位加工；所述的光学测量装置，包括控制模块(1)、工控机(2)、步进电机(3)、电荷耦合器件(4)、成像装置凸透镜i(5)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜ii(7)、监控反射光路(8)、分光板(9)、加工光路(10)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)、被加工件发动机叶片(14)、被加工件发动机叶片的固定夹具(15)；飞秒激光器输出直行光路上，依次设置有分光板(9)、聚焦光路凸透镜i(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜ii(13)，最终光束达到被加工件发动机叶片(14)上；部分反射光从被加工件发动机叶片(14)上反射后，在被分光板(9)反射后的监控反射光路(8)直行光路上，依次设置有成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)、电荷耦合器件(4)；电荷耦合器件(4)固定在步进电机(3)上，通过数据线与工控机(2)连接。2.根据权利要求1所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，其特征在于：所述的成像装置凸透镜i(5)和成像装置凸透镜ii(7)的实际焦距不一样。3.根据权利要求1所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，其特征在于：所述的聚焦光路凸透镜i(11)和聚焦光路凸透镜ii(13)的实际焦距不一样。4.根据权利要求1所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，其特征在于：步骤4)所述的工件孔位加工，包括打孔监控，具体步骤如下：(1)打孔开始时，各个加工模块进行初始化，各系统全部归零；(2)加工光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；(3)反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；(4)经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；(5)电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别后进入总控工控机(2)；
(6)前后移动步进电机(3)，使电荷耦合器件(4)上的灰度图像发生变化，由工控机(2)判断ccd(4)是否是灰度最大值，如果是最大值，则步进电机(3)停止移动；(7)加工光路(10)能量加大，工控机(2)判断被加工件发动机叶片(14)上的孔是否已经穿透；(8)如果工控机(2)判断穿透信号已经发生，则激光能量输出归零，加工光路(10)能量归零；(9)成孔。5.根据权利要求1所述的一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，其特征在于：步骤4)所述的工件孔位加工，包括测量，具体步骤如下：
①
打孔开始时，各个测量模块进行初始化，各系统全部归零；
②
测量光路(10)依次通过分光板(9)、聚焦光路凸透镜(11)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(13)，到达被加工件发动机叶片(14)上，此时会反射一部分光线；
③
反射光线依次经过聚焦光路凸透镜(13)、聚焦光路凹透镜(12)、聚焦光路凸透镜(11)、分光板(9)，经分光板(9)折射后进入成像及控制模块(1)；
④
经过分光板(9)的折射光线依次进入成像装置凸透镜ii(7)、成像装置凹透镜(6)、成像装置凸透镜i(5)后，聚焦在成像装置的电荷耦合器件(4)上；
⑤
电荷耦合器件(4)经过特征提取、特征分析、模式识别，并把测量的实际坐标值发给总控工控机(2)；
⑥
测量完毕。
技术总结本发明公开了一种用于复杂曲面飞秒激光微孔加工的自适应定位方法，通过测距传感器在叶身上测量若干特征点的位置，以此作为输入与理论模型进行迭代逼近，形成叶身坐标转换矩阵，进而将气膜孔坐标转换为机床坐标得到气膜孔的加工精确位置和方向。孔的加工精确位置和方向。孔的加工精确位置和方向。
技术研发人员：王国富 杨小君 贾小波 崔书婉 王小红 莫韬 刘宴升 周瑾 李宏达 谢先明 覃觅觅 陈华金 李俊明 李红立 梁焕勇
受保护的技术使用者：西安中科微精光子科技股份有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
