本實用新型屬于激光加工技術領域，具體涉及一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置。

背景技術：

隨著材料表面技術的發展，表面拋光技術成為了一個越來越重要的技術。拋光技術又稱鏡面加工技術，是制造平坦而且加工變形層很小，沒有擦痕的面加工工藝。在工業應用中，對材料表面粗糙度的要求越來越高，已經從微米級、亞微米級、納米級逐漸發展到了亞納米級。為了滿足應用的需要，已經有多種拋光技術被應用在工業生產中。拋光技術有：機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、離子束拋光、電解拋光、流體拋光、磁研磨拋光等。這些拋光技術在電子設備、精密機械、儀器儀表、光學元件、醫療器械等領域得到廣泛的應用。

激光拋光技術是21世紀最有發展前景和最有效的拋光技術之一。激光拋光本質上就是激光與材料表面相互作用，它遵從激光與材料作用的普遍規律。激光與材料的相互作用主要有兩種效果：熱作用和光化學作用。根據激光與材料的作用機理，可把激光拋光簡單分為兩類：一類為熱拋光，另一類為冷拋光。熱拋光一般用連續長波長激光，拋光時主要用波長為1.06μm的YAG激光器和波長10.6μm的CO₂激光器，作用的機理是激光與材料相互作用的熱效應，通過熔化、蒸發等過程來去除材料表面的成分，因此，只要材料的熱物理性質好，都可用它來進行拋光。冷拋光一般用短脈沖短波長激光，拋光時主要用紫外準分子激光器或飛秒脈沖激光器。飛秒激光器有很窄的脈沖寬度，它和材料作用時幾乎不產生熱效應。準分子激光波長短，屬于紫外和深紫外光譜段，有強的脈沖能量和光子能量、高的重復頻率、窄的脈沖寬度。大多數的金屬和非金屬材料對紫外光有強烈的吸收系數。冷拋光主要是通過“消融”作用，即光化學分解作用。作用的機理是“單光子吸收”或“多光子吸收”，材料吸收光子后，材料中的化學鍵被打斷或者晶格結構被破壞，材料中成分被剝離。在拋光過程中，熱效應可以忽略，熱應力很小，不產生裂紋，不影響周圍材料，材料去除量易控制，所以，特別適合精密拋光，尤其適合硬脆材料。冷拋光能完成激光熱拋光不能完成的一些工作，因此，在微細拋光、硬脆性材料和高分子材料拋光等方面具有無法比擬的優越性。

江超等(《激光技術》，2006第6期)指出，激光在對不同的材料進行拋光時，系統是有些差別的?，F有技術中的激光拋光系統的主要構成有：激光器、光束均勻器、面形檢測反饋系統、三維位移臺和計算機控制系統。激光拋光通常采用兩種方法：一種是激光光束固定不動，位移臺帶動工件運動；另一種是位移臺和工件不動，光束根據要求運動。用連續激光拋光時，激光作用在材料表面，檢測設備跟蹤檢測，實時反饋控制決定每個微小部分作用時間(或掃描速度)或控制變焦聚焦系統來改變激光功率密度。用脈沖激光拋光時，激光作用在材料表面，檢測設備跟蹤檢測，實時反饋控制決定每個微小部分作用的脈沖個數或者控制變焦聚焦系統來改變激光的能量密度。在激光拋光過程中，檢測技術和實時反饋控制技術是關鍵，在很大程度上決定了拋光的等級。然而，在當前的實際工業應用領域，無論是采用的是熱拋光還是冷拋光原理，現有激光拋光技術中的拋光工藝控制基本都是開環方式。雖然有天津大學張峰烈等人提出了基于CCD圖像檢測的激光拋光過程的激光能量密度實時控制方案，但依靠CCD圖像采集和后續圖像處理獲得表面起伏形貌，顯然精度較低，且受到光照均勻性、激光輻射、工件本身光反射率均勻性的諸多限制。進一步的，如何將實時測量與加工一體化，無縫集成，提升加工效率，還沒有較好的解決方案。

技術實現要素：

本實用新型針對上述現有技術的不足，提供了一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置。

本實用新型是通過如下技術方案實現的：

一種測量加工一體化的激光平整化拋光裝置，包括激光加工頭、二維激光位移傳感器和多維工作臺；將多維運動臺的上表面作為基準面，以基準面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標系；

所述多維工作臺包括Z向運動機構和平移旋轉機構，待加工的工件安裝于基準面上，由平移旋轉機構帶動工件做平移運動以及繞Z軸的旋轉運動；所述Z向運動機構用于調整激光加工頭與工件表面之間的Z向距離；

所述平移旋轉機構包括位移臺和旋轉臺，所述位移臺至少具有一個沿X軸方向的運動自由度，所述旋轉臺至少具有一個繞Z軸的轉動自由度；

所述二維激光位移傳感器用于測直線上多個等間隔均勻間距點與二維激光位移傳感器之間的Z向距離值；二維激光位移傳感器的多個等間隔均勻測距點之連線L_N的方向平行于Y軸；二維激光位移傳感器的測量激光輸出面與基準面平行，二者間距保持在二維激光位移傳感器的測距范圍內；

所述激光加工頭包括振鏡掃描系統和聚焦物鏡；振鏡掃描系統可以是一維振鏡掃描系統，也可以是二維振鏡掃描系統；外部激光器發出的激光束經光路系統傳輸后，激光束入射并聚焦在工件的表面，由激光加工頭內的振鏡掃描系統實現激光束的聚焦光斑在工件表面的掃描運動。

優選的，所述二維激光位移傳感器為一個。

優選的，所述二維激光位移傳感器為兩個；激光加工頭內的振鏡掃描系統安裝在兩個二維激光位移傳感器之間，兩個二維激光位移傳感器之間的距離是二維激光位移傳感器取樣間距的整數倍。

本實用新型所述的測量加工一體化的激光平整化拋光裝置中的激光加工頭與二維激光位移傳感器配合使用，可以實現測量與加工一體化，可以有效測量每次激光掃描去除的材料厚度，為工藝參數的動態調整提供依據；同時本實用新型中多維工作臺具有多個運動自由度，為激光掃描拋光時網格的動態調整提供了前提。該測量加工一體化的激光平整化拋光裝置可用于激光平整化拋光，提高工作效率和加工精度。

附圖說明

圖1為本實施例中所述測量加工一體化加工裝置的結構示意圖；

圖2為本實用新型所述二維激光位移傳感器、工件與XYZ軸示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細的說明。

如圖1所示，本實用新型提供了一種測量加工一體化加工裝置，包括激光加工頭1、二維激光位移傳感器2和多維工作臺3。

將多維運動臺3的上表面作為基準面，以基準面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標系。

所述多維工作臺3包括Z向運動機構和平移旋轉機構，待加工的工件4安裝于平移旋轉機構之上的基準面上，由平移旋轉機構帶動待加工工件做平移運動(X向或者XY向)以及繞Z軸的旋轉運動。

所述Z向運動機構用于調整激光加工頭1與工件4表面之間的Z向距離，所述Z向運動機構為升降Z軸或者Z向位移臺；若Z向運動機構為升降Z軸，則激光加工頭1安裝于升降Z軸上，由升降Z軸帶動激光加工頭做Z向升降運動；若Z向運動機構為Z向位移臺，則由Z向位移臺帶動待加工工件做Z向升降運動。

所述平移旋轉機構包括位移臺和旋轉臺，位移臺可以僅支持一維X向運動，也可以支持二維XY向運動，更優選的，位移臺可以與Z向運動機構組合為一體結構，形成XYZ三軸運動臺。位移臺和旋轉臺兩者的位置可換，即位移臺在上，旋轉臺在下；或者位移臺在下，旋轉臺在上均可。

所述二維激光位移傳感器2(比如歐姆龍的ZG2型傳感器)，可測一定長度范圍的直線上n個均勻間距點與二維激光位移傳感器之間的距離值。二維激光位移傳感器可以是一個，也可以是兩個。如圖2所示，二維激光位移傳感器的n個等間隔測距點之連線L_N的方向平行于Y軸，設二維激光位移傳感器的等間隔測距點的間隔為dy。

要求二維激光位移傳感器2的測量激光輸出面與基準面平行，二者間距保持在二維激光位移傳感器2的測距范圍內。

所述激光加工頭1包括振鏡掃描系統和聚焦物鏡。振鏡掃描系統可以是一維振鏡掃描系統，也可以是二維振鏡掃描系統。

若二維激光位移傳感器2為兩個，激光加工頭1內的振鏡掃描系統安裝在兩個二維激光位移傳感器2之間，兩個二維激光位移傳感器2之間的距離是二維激光位移傳感器2取樣間距的整數倍，這樣可以保證在掃描工件過程中兩個二維激光位移傳感器2的測量點完全重合。

若激光加工頭1內的振鏡掃描系統采用的是一維振鏡掃描系統，振鏡掃描系統輸出激光束的掃描方向沿著Y軸方向；若振鏡掃描系統采用的是二維振鏡掃描系統，振鏡掃描系統輸出激光束的掃描方向沿著Y軸方向和X軸方向。

外部激光器5發出的激光束經光路系統6傳輸后，激光束垂直或以一定偏角入射并聚焦在工件4的表面，由激光加工頭1內的振鏡掃描系統實現激光束的聚焦光斑在工件4表面的掃描運動。所述光路系統6可以包含擴束準直鏡、轉折鏡和整形鏡等。

此實施例為測量加工一體化加工裝置中振鏡掃描系統為一維振鏡掃描系統，二維激光位移傳感器為一個，位移臺僅支持一維X向運動的情況。

采用上述測量加工一體化的激光平整化拋光裝置進行工件平整化拋光的方法，具體包括如下步驟：

(1)將工件裝夾于圖1所示的測量加工一體化的激光平整化拋光裝置上。

要求所述工件滿足以下條件：工件的起伏度小于二維激光位移傳感器的Z向量程，工件沿Y軸方向的寬度小于振鏡掃描系統沿Y軸方向的掃描寬度，工件沿X軸方向的長度小于位移臺的X向最大行程；工件的高度小于位移臺的Z向最大行程與二維激光位移傳感器的Z向量程之和。

(2)控制二維激光位移傳感器與工件在X軸方向相對平移運動(可以是位移臺帶動工件或者二維激光位移傳感器沿X軸方向運動)，使二維激光位移傳感器沿X軸方向掃描一次工件表面待拋光部分，二維激光位移傳感器每隔固定距離dx采樣一次，從而可以獲得工件表面待拋光部分的起伏形貌數據，即獲得工件表面待拋光部分按dx、dy間隔獲得均勻測量點的坐標矩陣M(x，y，z)，其中z是二維激光位移傳感器測得的高度值；

(3)激光器按設定工藝參數輸出激光束，經激光加工頭后聚焦于工件表面待拋光部分，使激光加工頭的掃描振鏡系統按設定掃描速度進行掃描，掃描方向與L_N方向(Y軸方向)平行。同時使激光加工頭與工件發生相對平移運動(工件或者激光加工頭之一沿X軸方向運動)，使激光束掃描一次工件表面待拋光部分。

(4)按照步驟(2)的方法，使二維激光位移傳感器沿X軸方向重新掃描一次工件表面待拋光部分，獲得激光掃描后工件表面待拋光部分均勻測量點的新坐標矩陣M’(x’，y’，z’)。

優選的，可以在步驟(2)后，激光加工頭與工件相對運動回復到初始位置的過程中，即在反向回起點過程中完成本步驟。

(5)計算δ＝z’_max-z’_min，若δ小于等于工件的目標平整度，則轉入步驟(11)；否則，進入步驟(6)；其中，z’_max為步驟(4)中所獲得的均勻測量點的新坐標矩陣M’(x’，y’，z’)中所有測量點z’值的最大值，z’_min為z’值的最小值；

(6)構建工件表面的激光掃描網格圖，要求激光掃描網格圖中的每個網格大小相等，網格沿X向的尺寸Gx和沿Y向的尺寸Gy滿足：

Gx＞max(D，dx，dy，P)且Gy＞max(D，dx，dy，P)；

其中，D為振鏡掃描系統掃描的光斑直徑，dx、dy分別為均勻測量點的坐標矩陣M’(x’，y’，z’)中相鄰兩個測量點之間的X向間隔和Y向間隔；P為振鏡掃描系統的掃描精度；如此則可保證激光掃描網格圖中的每個網格內必含有M’(x’，y’，z’)中的至少一個測量點；

(7)對激光掃描網格圖中的每個網格賦予權值；

若網格內僅存在一個測量點，則權值k＝(z’-z’_min)/Δ，其中，z’為該網格內測量點對應M’(x’，y’，z’)中的z’值，Δ為振鏡掃描系統進行單次激光掃描去除的材料層厚；

若網格內存在N(N＞1)個測量點，則權值

k_i＝(z’_i-z’_min)/Δ，其中，z’_i為該網格內任一測量點對應M’(x’，y’，z’)中的z’值。

Δ可通過如下方法獲得：

先關閉激光器，控制二維激光位移傳感器掃描一次工件表面，獲得工件表面起伏形貌的數據，亦即步驟(2)中的均勻測量點的坐標矩陣M(x，y，z)；之后打開激光器，通過振鏡掃描系統對工件表面進行一次掃描；最后再利用二維激光位移傳感器掃描一次工件表面，亦即獲得步驟(4)中的均勻測量點的新坐標矩陣M’(x’，y’，z’)；通過計算兩次二維激光位移傳感器測量的高度值之差可獲得振鏡掃描系統進行單次激光掃描去除的材料層厚Δ，即均勻測量點的坐標矩陣M(x，y，z)與M’(x’，y’，z’)在同一測量位置的兩次測量高度值之差：Δ＝z-z’。

(8)開啟激光器，通過Z向運動機構將激光的聚焦位置調整到z’_min與z’_max之間，控制振鏡掃描系統對激光掃描網格圖中的每個網格按步驟(7)計算的權值k進行k次掃描加工；

(9)通過旋轉臺將工件繞Z軸旋轉任意一個角度；

(10)返回步驟(2)；

(11)結束。

本實用新型可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本實用新型的范圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的范圍之內。