一种具有抽检功能的全自动数控激光切割方法与流程

激光加工技术在材料加工领域有广泛的应用，如激光切割、打孔、激光辅助化学刻蚀等。石英属于典型的硬脆材料，惯性传感器如石英挠性加速度计、石英振梁加速度计等均采用精密石英结构作为关键的敏感单元，具有形状复杂、几何尺寸精度和表面质量要求高的特点。本发明涉及一种利用激光技术完成对石英玻璃的精密成形加工，主要应用于航空、航天及军事应用领域的惯性传感器用石英摆片。

背景技术：

随着惯性器件石英加速度计精度和稳定性的不断提高，对石英摆片的加工精度和效率要求也随之增高，石英摆片具有形状复杂、几何尺寸精度和表面质量要求高等特点。通常采用机械研磨、超声落料、激光切割方法加工成形。机械研磨加工去除率低，尺寸精度差，成本高；超声落料加工精度低，损伤严重会有崩边出现，工具磨损严重；激光加工具有精度高，切口光洁、效率高等优点。

国外有多家公司生产石英挠性加速度计，其系列产品从低性能导航、飞行控制扩展到重力测量等高性能应用，技术上日趋成熟，应用上日益广泛。如美国利顿公司的a-4型石英挠性加速度计，用于从姿态航行基准系统到每小时亚海里级的惯导系统；西斯特朗·道耐尔公司使用熔融石英结构开发了系列的石英挠性加速度计，用于一般的仪表、制导导航和控制系统。国外普遍采用德国rofin的激光切割设备对石英摆片进行加工，但由于其每次只能安装一片石英摆片至工装夹具内，且无法对加工精度进行检测，需要每次加工完成后将石英摆片拆下，放置于显微镜下进行尺寸检测，且如果设备精度出现偏差，无法快速识别检测，导致加工成品率低、效率低，难以满足使用要求，且限制国内企业及研究所采购该类型装备，迫切需要研制新型全自动数控激光加工装置，满足国内日益使用的要求。

此外，摆片尺寸精确度也是限制加速度计发展的主要因素，文献指出摆片质量摆中心和影响伺服电路系统的电磁力矩中心不一致时，当两者相距0.025mm时就会造成加速度计约5g的偏差。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种智能化、自动化的全自动数控激光加方法，克服了传统机械研磨、超声落料等方式加工的缺点，能实现对石英摆片的高效率、高精度加工，又能实现对加工后的石英摆片几何形状进行检测。

本发明的技术解决方案是：一种具有抽检功能的全自动数控激光切割方法，方法依托的设备包括一个工作平台、机器人单元和调焦装置：所述的工作平台为待加工工件提供加工区域并使加工区域达到激光切割环境；机器人单元实现自动上下料；调焦装置用于调整激光束作用至工件表面的距离；方法通过下述方式实现：

1)在切割前对待加工工件位置进行识别定位：

2)控制机器人单元向加工区域上料，并控制工作平台使加工区域达到激光切割环境，并控制激光器发射符合切割工艺的激光束，控制调焦装置使激光焦点位置作用于待加工工件上；

3)按照预设的切割图像对待加工工件进行切割，切割完成后由机器人单元完成自动下料及上料；当前切割完成数量是否达到预设检测值时执行步骤4)；

4)对加工区域内的切割完成的工件进行尺寸偏差检测，若偏差检测满足要求，则继续等待后续检测；否则，利用检测的尺寸偏差重新对待加工工件位置进行识别定位，从步骤2)重新开始执行。

优选的，步骤1)通过下述方式对待加工工件位置进行识别定位：

按照切割图像尺寸参数，生成预设切割图形，所述预设切割图形的中心位于加工区域的原点处，根据预设切割图像加工标准件，并在标准件上设置mark点；

将所述标准件放置在加工区域，并控制工作平台带动标准件移动至图像检测的视场下方，对标准件mark点进行提取，确定当前中心位置；

根据当前中心位置与预设切割图形的中心，确定位移量a；

在加工区域完成一次工件的激光切割，控制工作平台带动切割好工件移动至图像检测的视场下方，对工件中心点进行提取，确定工件中心位置；进而确定加工区域原点与预设切割图形的中心之间的位移量b；

根据位移量a、位移量b对待加工工件位置进行补偿，完成识别定位。

优选的，所述预先设置的切割数量取值5-10片。

优选的，所述的符合切割工艺的激光束通过下述方式得到：

激光器根据预先设置的平均功率、重复频率、脉冲宽度信号，并发送符合参数设置的激光发送到合束器，合束器同时接收可见光指示器发出的指示光，并将激光与指示光在合束器中进行激光的合束，再扩束、整形，滤除杂散光，经合束及扩束后的光束入射到反射镜后进入反射式相位延迟器，将激光线偏振光改变成圆偏振光，再进入激光切割头，激光切割头将圆偏振光束射到聚焦镜上并接收吹气装置的气体，激光束与气体一起即为符合切割工艺的激光束。

优选的，根据激光切割工艺最佳效果，通过调节扩束器倍率改变激光器输出光斑直径，从而改变聚焦镜后的光斑直径，具体计算公式如下：

d＝4λf/πd

其中f为焦距；λ为激光器波长；d为激光器输出光斑直径；d为聚焦光斑直径。

优选的，所述的工作平台包括基台、x/y运动平台、用于存放工件的储料盘、工装夹具、吹气装置、除尘装置；

所述的基台为工作平台上其余部件提供安装基础，基台上安装带有通气嘴的x/y运动平台，工装夹具安装在所述x/y运动平台上，所述工装夹具上安装待加工工件；所述吹气装置的输出分成两路，一路直接通过所述通气嘴通入x/y运动平台的内部，在x/y运动平台内部形成正压环境，另一路与激光束同轴输出，作用于待加工工件表面；所述的除尘装置对加工过程中的粉尘进行回收处理。

优选的，所述吹气装置产生气体的压力为2mpa～6mpa。

优选的，所述的工装夹具包括定位卡头、导杆气缸、废料回收盒、膨胀组件，定位卡头；

所述的废料回收盒上方通过工作底座安装导杆气缸，导杆气缸与胀套组件连接，定位卡头安装在工作底座上，所述的定位卡头为端部开口的膨胀结构，待加工工件安装于定位卡头内；导杆气缸带动胀套组件向上或向下移动，通过将胀套组件套装在定位卡头上实现对定位卡头的锁死。

优选的，所述的机器人单元包括机器人和双吸嘴机构；所述的双吸嘴机构安装在机器人的末端；所述的双吸嘴机构，包括一个旋转轴、两套相同的吸嘴结构，两套吸嘴结构安装在旋转轴，通过旋转轴切换工作的吸嘴结构；所述的吸嘴结构包括真空发生器、滑动组件、u型光电探测器、吸嘴、下限位模块；

吸嘴安装在滑动组件上，由滑动组件带动吸嘴在上下料时实现上下移动；真空发生器为吸嘴提供上下料时的正、负压；u型光电探测器安装在滑动组件上，用于对滑动组件上升时提供上限位保护；安装在滑动组件上的下限位用于保证吸嘴向下移动时，不会存在过大压力而损坏工件。

优选的，通过下述方式实现上下料控制：

控制旋转轴将其中一个吸嘴记为吸嘴1转至放料区，另一吸嘴记为吸嘴2；控制真空发生器为吸嘴1提供负压，由吸嘴1吸取待加工的工件，之后控制旋转轴由吸嘴2吸取另一待加工工件；

将吸嘴1中的待加工工件放置于定位卡头中锁定，加工完成后，吸嘴1将加工完成的工件取出，吸嘴2将待加工的工件放入定位卡头中锁定，吸嘴1将加工完成的工件放入料盘，再吸取待加工的工件等待，直至完成所有工件加工。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用激光技术代替了传统机械研磨、超声落料等加工方式，弥补了传统去除率低，尺寸精度差，成本高的缺点，简化了传统复杂的加工过程，提高了石英摆片的加工精度及效率。

(2)本发明解决了现有激光加工装置无法实时在线检测，采用图像识别技术，实现对石英摆片的高精度定位与几何形状检测。

(3)本发明优化了激光传输光路结构，对激光进行多次调控与整形，通过调整激光偏振状态及激光光斑形貌，将指示光与激光同光轴输入，可精确显示可见光位置，保证了激光定位精度及加工质量。

(4)本发明通过研制全自动上下料装置，解决了自动上下料的难题，提高了单次加工效率，减少了传统方式人员多次干预且效率低下的问题。

(5)本发明优化了激光工艺参数，通过吹气、吸气等辅助手段，使激光加工质量更加精细，边缘更加光滑。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为全自动上下料装置示意图；

图3为本发明工装夹具示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

本实例主要针对一种利用激光技术完成对石英玻璃的精密成形加工，主要应用于航空、航天及军事应用领域的惯性传感器用石英摆片。方法依托的设备包括一个工作平台、机器人单元和调焦装置：所述的工作平台为待加工工件提供加工区域并使加工区域达到激光切割环境；机器人单元实现自动上下料；调焦装置用于调整激光束作用至工件表面的距离；方法通过下述方式实现：

1)在切割前对待加工工件位置进行识别定位：

按照切割图像尺寸参数，生成预设切割图形，所述预设切割图形的中心位于加工区域的原点处，根据预设切割图像加工标准件，并在标准件上设置mark点；

将所述标准件放置在加工区域，并控制工作平台带动标准件移动至图像检测的视场下方，对标准件mark点进行提取，确定当前中心位置；

根据当前中心位置与预设切割图形的中心，确定位移量a；

在加工区域完成一次工件的激光切割，控制工作平台带动切割好工件移动至图像检测的视场下方，对工件中心点进行提取，确定工件中心位置；进而确定加工区域原点与预设切割图形的中心之间的位移量b；

根据位移量a、位移量b对待加工工件位置进行补偿，完成识别定位。。

上述识别定位可以利用图1中给出的图像检测单元实现，图像检测单元300包含ccd相机、镜头、光源、图像处理单元等。根据金属或非金属材料工件的特征及尺寸，其相机分辨率2μm，像素2448×2050，通过网口进行通讯，镜头为2x-20x远心镜头，工作距离>110mm，光源为白光、红光、蓝光等，可对亮度进行调节，根据实际需要选择蓝色光源，可实现对工件的精准定位及尺寸精度检测。

2)控制机器人单元向加工区域上料，并控制工作平台使加工区域达到激光切割环境，并控制激光器发射符合切割工艺的激光束，控制调焦装置使激光焦点位置作用于待加工工件上；

本发明激光切割环境的保证可以采用现有方式实现也可以采用本发明给出的独创性的工作平台实现：

所述的工作平台包含基台(大理石平台)、x/y运动平台、储料盘、工装夹具、吹气装置、除尘装置。所述的工作台包括底层和龙门结构，均使用大理石材料，并经过时效处理进行应力释放及多次研磨、抛光等工序，具有刚度大、结构稳定、无蠕变、精度保持好、膨胀系数小等优点，为各功能单元提供了稳定的安装基础。底层大理石平台上集成有x/y运动平台、机器人单元、工装夹具、储料盘、工件；龙门上大理石平台安装有激光光路传输单元、调焦装置、图像检测单元。

所述的大理石平台底部为固定支撑台架，通过九点支撑，使其每个支点受力均匀，支点处安装有隔震装置，其屏蔽低价频率，避免x/y运动平台在运动过程中受低阶频率影响，出现抖动等现象，影响工件加工质量。

所述的储料盘，可根据工件尺寸设计专用储料盘，同时为了自动识别工装内工件型号及尺寸，在储料盘底部安装有传感器，可识别工件。

所述的工装夹具含有定位卡头、导杆气缸、废料回收盒、膨胀组件，定位卡头，将工件安装于定位卡头内，用于给工件精确定位；导杆气缸，用于带动胀套组件向上或向下移动；废料回收盒，可将切割完成的废料进行回收；胀套组件，用于将定位卡头锁死，固定工件，保证工件不发生位移。具体连接关系如图3所示，废料回收盒上方通过工作底座安装导杆气缸，导杆气缸与胀套组件连接，定位卡头安装在工作底座上，所述的定位卡头为端部开口的膨胀结构，待加工工件安装于定位卡头内；导杆气缸带动胀套组件向上或向下移动，通过将胀套组件套装在定位卡头上实现对定位卡头的锁死。

所述的工作平台上含有吹气装置、除尘装置，吹气装置为空气压缩机产生的气体为2mpa～6mpa，在激光加工的过程中，需要将气体通入激光切割头内，并与激光束同时从激光切割嘴的中心射出，从而将激光束融化的材料及时去除，减少切割后工件表面的熔渣，从而实现激光切割。

所述的工作平台上的吹气装置，需要将气体通入x/y运动平台，运动平台为密封结构，滑动模块与轨道之间为折叠布，x/y运动平台各自带有通气嘴，可将气体直接通入x/y运动平台内部，避免在激光加工过程中粉尘进入滑轨，导致轨道或光栅尺损伤，影响加工精度。

所述的工作平台上的吹气装置，需要将气体通入到吸嘴内，真空发生器与吸嘴配合连接，可将正压气体形成负压气体进行切换使用，当机器人末端吸嘴从储料盘或工装夹具内抓取工件时，吸嘴内的气体为负压气体，当机器人末端吸嘴将工件放置于储料盘或工装夹具内时，吸嘴内的气体为负压气体。

所述的工作平台上的除尘装置，除尘管道为围绕在激光切割头边缘的环形结构，将激光加工材料产生的粉尘及时回收，避免污染设备及危害人员健康。

符合切割工艺的激光束可以利用图1所述的激光光路传输单元实现；激光光路传输单元100包含激光器110、可见光指示器120、合束器130、扩束器140、反射镜150、反射式相位延迟器160、激光切割头170、聚焦镜180、冷却装置190，其中激光器110从激光电路控制单元630中接收平均功率、重复频率、脉冲宽度信号，并发送符合参数设置的激光发送到合束器130，合束器130同时接收可见光指示器120发出的指示光，并将激光与指示光在合束器中进行激光的合束，再扩束、整形，滤除杂散光，根据入射激光直径调节扩束器倍率1.5倍至n倍，经合束及扩束后的光束入射到反射镜后进入反射式相位延迟器160，通过调节其角度将激光线偏振光改变成圆偏振光，再进入激光切割头将激光束射到聚焦镜上，用来聚焦光束，以产生高能量密度激光至工件上，同时接收吹气装置的气体，将气体与聚焦光束一起作用在工件上，气体起到保护光路、提高切割质量的作用。

本发明激光器输出连续或脉冲式激光，根据激光器输出光斑直径确定扩束器倍率，反射镜可反射激光工作波长及可见光指示器波长，反射式相位延迟器可将线偏振光调制成圆偏振光，保证加工质量，激光切割头吹气气压可调节，气体由切割嘴处均匀吹出，激光切割头内含有聚焦镜，可透射激光工作波长及可见光指示器波长。

激光器输出连续或脉冲式激光，激光波长段为0.266μm～10.64μm，平均功率小于2000w，重复频率为1hz～1mhz，脉冲宽度10μs～400μs，最大占空比60％，可见光指示器波长为633nm，合束镜对633nm波长在45°方向反射，激光工作波长99.9％以上透射，根据激光器输出光斑直径确定扩束器倍率为1.5x～8x可调节，反射镜可反射激光工作波长99.5％以上，对可见光指示器632.8nm波长反射率99％以上，表面镀有高反射膜，反射式相位延迟器可将线偏振光调制成圆偏振光，保证加工质量，激光切割头内含有聚焦镜，可透射激光工作波长99.6％以上及可见光指示器波长99％，聚焦镜焦距为50mm～160mm，可更换。

所述调焦装置包含激光测距器和调焦模块(亦称z轴位移台)，激光测距器利用三角反射原理测量聚焦镜至工件表面位置，发射632.8nm测量激光，在返回端口接收测量激光，测量激光功率<1mw，工作距离为100mm±40mm，光束直径300μm，重复精度<100μm，为避免工作激光干扰测量激光，导致测量数据异常，因此在测量激光输出端口和接收端口安装玻璃窗口片，玻璃窗口片表面镀有工作激光1064nm波长的高反膜、测距激光632.8nm波长的增透膜，玻璃窗口片能够覆盖测距激光输出口及接收口，使工作激光无法干扰测距激光。激光测距器将电流或电压信号处理转换成数据信息，并回传至上位机，上位机接收位置信息数据并发送至调焦模块，实现精准调焦，测量反馈精度为2μm。

3)按照预设的切割图像对待加工工件进行切割，切割完成后由机器人单元完成自动下料及上料；当前切割完成数量是否达到预设检测值时执行步骤4)；

机器人单元包括机器人和双吸嘴机构；四轴机器人运动路径包括：a：料盘取放料位、b：复位、c：等待位和d：工装夹具取放料位。

如图2所示，所述的双吸嘴机构安装在机器人的末端；所述的双吸嘴机构，包括一个旋转轴、两套相同的吸嘴结构，两套吸嘴结构安装在旋转轴，通过旋转轴切换工作的吸嘴结构；所述的吸嘴结构包括真空发生器、滑动组件、u型光电探测器、吸嘴、下限位模块；

吸嘴安装在滑动组件上，由滑动组件带动吸嘴在上下料时实现上下移动；真空发生器为吸嘴提供上下料时的正、负压；u型光电探测器安装在滑动组件上，用于对滑动组件上升时提供上限位保护；安装在滑动组件上的下限位用于保证吸嘴向下移动时，不会存在过大压力而损坏工件。

具体通过下述方式实现上下料控制：

控制旋转轴将其中一个吸嘴记为吸嘴1转至放料区，另一吸嘴记为吸嘴2；控制真空发生器为吸嘴1提供负压，由吸嘴1吸取待加工的工件，之后控制旋转轴由吸嘴2吸取另一待加工工件；

将吸嘴1中的待加工工件放置于定位卡头中锁定，加工完成后，吸嘴1将加工完成的工件取出，吸嘴2将待加工的工件放入定位卡头中锁定，吸嘴1将加工完成的工件放入料盘，再吸取待加工的工件等待，直至完成所有工件加工。

预先设置的切割数量可以根据实际需求灵活选取，一般建议取值5-10片。

4)对加工区域内的切割完成的工件进行尺寸偏差检测，若偏差检测满足要求，则继续等待后续检测；否则，利用检测的尺寸偏差重新对待加工工件位置进行识别定位，从步骤2)重新开始执行。

切割后尺寸精度检测，每对一片工件切割之后，工件回到ccd相机下方固定位置处，利用ccd相机对工件进行拍照，通过图像处理算法，提取工件切割mark点的边缘，检测各关键mark点的定位精度，以保证切割工件的成品率。以设定切割图形参数及位置作为切割对比的依据，以设定阈值为检测是否合格的依据；然后利用ccd相机对工件中心的多个标记点进行图像取样，提取多个标记点的边缘并计算相应标记点位置；最后将计算的标记点位置与预设的切割位置进行对比，并计算两者偏移差值，若两者差值超出检测阈值则自动报警，并停止切割。

本发明工控机中通过软件设有偏差量调整功能，输入检测到偏差值，切割图形按照偏差值重新定位位置，实现对切割位置的校正，待校正完成后再继续加工工件，以提高加工合格率。

所述的机器人单元包括四轴机器人和双吸嘴机构，机器人末端带有两个吸嘴，通过真空发生器可实现吸嘴的正压与负压切换，通过上位机发送给机器人控制器运动指令，从取料盘上吸取待加工工件，移动放置在工装位置，以及从工装位置吸取加工后的工件，移动放置在取料盘，依次循环取放工件。

所述的双吸嘴机构，如图2所示，主要由旋转轴、滑动组件、u型光电探测器、真空发生器、吸嘴、下限位模块组成。旋转轴，在上下料时，可对双吸嘴位置切换；滑动组件，包括滑轨、滑动模块，在上下料时实现上下移动，提供缓冲距离；u型光电探测器，当机器人出现故障，吸嘴吸取工件持续上升时，插头会进入u型光电探测器内部，立即报警，提供上限位保护；真空发生器，与吸嘴连接，形成负压力吸取工件；吸嘴，直径约2mm～12mm，用于吸取工件；下限位，保证吸嘴向下移动时，不会存在过大压力而损坏工件。

具体上下料控制过程中：控制旋转轴将其中一个吸嘴记为吸嘴1转至放料区，另一吸嘴记为吸嘴2；控制真空发生器为吸嘴1提供负压，由吸嘴1吸取待加工的工件，之后控制旋转轴由吸嘴2吸取另一待加工工件；

将吸嘴1中的待加工工件放置于定位卡头中锁定，加工完成后，吸嘴1将加工完成的工件取出，吸嘴2将待加工的工件放入定位卡头中锁定，吸嘴1将加工完成的工件放入料盘，再吸取待加工的工件等待，直至完成所有工件加工。

上述方法中涉及的控制可以利用图1中给出的主控单元实现，该主控单元包含上位机、主控电路、激光控制电路、机器人控制器、电机驱动器和图像采集卡，其中上位机向主控电路发送激光参数控制指令、机器人控制器发送位置、速度、加速度等控制指令，电机驱动器发送x/y运动平台方向及脉冲控制信号指令，图像采集卡接收图像采集的工件信息并经过图像处理算法处理。

应用例一

使用输出功率为150w的10.64μmco2激光器，激光器输出光斑直径为8mm，扩束1.5x，，脉冲宽度40μs，聚焦光斑直径<50μm，对石英摆片进行切割成型，激光切割成型时使用的激光器平均功率为60w，重复频率为10khz，扫描速度2.0mm/s，激光切割头吹气气压为3.5mpa，切割成型环境条件为：恒温恒湿25℃，65％，万级净化室，切割成型前开启吹气装置和除尘装置，从而将激光束融化的材料及时去除，减少切割后工件表面的熔渣，从而实现激光切割成型，切割成型石英摆片厚度为0.8mm，时间为50s，定位精度0.05mm，上下料时间15s，检测精度0.05mm。

在上位机抽检窗口输入抽检间隔x，系统会自动按照n＝xi(i＝0，1，2…)的顺序抽检。输入间隔为0，全部不抽检，输入间隔为1，全部抽检，且当x≥1时，第一个工件必检。抽检时，位移台自动将切割完成的工件移动到图像检测单元下方，进行图像比对。上位机自动识别工件外边缘和工件内切割图形，计算工件圆心与切割图形圆心之间的位置关系，判定工件圆心与切割图形圆心的重合误差是否小于阈值，误差小于阈值，则工件抽检合格；否则，抽检工件不合格，直至完成全部工件的加工，生产效率优于传统激光切割方式。

应用例二

使用输出功率为100w的1064nm光纤脉冲激光器，激光器输出光斑直径为4mm，扩束2x，脉冲宽度100ns，聚焦光斑直径<40μm，对蓝宝石进行切割成型，激光切割成型时使用的激光器平均功率为50w，重复频率为50khz，扫描速度2.0mm/s，激光切割头吹气气压为3.5mpa，切割成型环境条件为：恒温恒湿25℃，65％，万级净化室，切割成型前开启吹气装置和除尘装置，从而将激光束融化的材料及时去除，减少切割后工件表面的熔渣，从而实现激光切割成型，切割成型石英摆片厚度为0.7mm，时间为45s，定位精度0.05mm，上下料时间15s，检测精度0.05mm。

在工装上放置切割完成的工件，手动移动位移台，到图像检测单元下方，图像检测单元自动识别工件圆心和切割圆弧的圆心位置，并显示切割误差，小于等于误差阈值，工件合格，大于误差阈值，工件不合格。激光切割成型在加工精度及合格率远优于传统机械研磨、超声落料等加工方式，生产效率优于传统激光切割方式。

以上所述，仅为本发明最佳的实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

本发明中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。