脉冲激光打孔定位校准方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体为脉冲激光打孔定位校准方法。

背景技术

激光打孔是指激光经聚焦后作为高强度热源对材料进行加热，使激光作用区内材料熔化或汽化继而蒸发，从而形成孔洞的激光加工过程。

激光打孔一般应用于在金属板材上加工微小孔，且一般情况下，一块板材上需要加工的微小孔的个数较多，这种板材的厚度不大，当加工时间长且无法实现有效散热时，会导致板材发生变形，从而导致孔位定位不准的问题。为此，我们提供脉冲激光打孔定位校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了脉冲激光打孔定位校准方法。

本发明所解决的技术问题为：

(1)通过将板材进行预加热后再进行加工，减小激光打孔过程中板材的温度变化，从而减小温差带来的板材形变，提高了孔位的位置精度和孔的圆度；

(2)通过建立板材三维模型，并通过板材三维模型和行程距离函数获取零点位置，减少零点位置到孔位的行程距离，提高精度和效率；

(3)通过设置关联孔位且进行多组排序，在加工时对每一组关联孔位进行分别加工，选取标准孔位作为该组关联孔位的定位中心，且在两侧交替加工，一方面避免了累计误差，另一方面避免热量集中区域过度变形造成的精度丢失。

本发明可以通过以下技术方案实现：脉冲激光打孔定位校准方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：准备阶段：装夹板材并进行预加热和温度保持，测量板材表面的平面度并进行调平操作；

步骤二：建模阶段：对板材的顶面和底面进行扫描，并同步在智能终端中建立空间直角坐标系，在空间直角坐标系中对板材进行三维建模，得到板材三维模型，在板材三维模型对打孔位置标记出孔位点和孔位半径；

步骤三：确定零点位置和关联孔位：设定零点位置坐标，建立行程距离函数，根据行程距离函数求出最小值所对应的零点位置的横纵坐标，同时将有相对位置精度要求的孔位进行关联，并对多组关联孔位进行排序；

步骤四：定位加工阶段：首先加工关联孔位，且激光加工过程中选取标准孔位作为校准点，在校准点两侧交替进行打孔加工，在加工其余孔位时，每一次加工均在零点位置进行定位校准。

本发明的进一步技术改进在于：步骤一中的预加热过程的温升为线性的，且利用水平仪从互相垂直的两个方向进行水平测量，并通过装夹工装底部设置的升降机构进行调平。

本发明的进一步技术改进在于：行程距离函数通过计算零点投影位置与每个孔位点之间的距离和，随后对行程距离函数进行求导操作，并比较极值大小得出最小值，此最小值对应的横纵坐标满足零点位置到每个孔位点之间的距离最短。

本发明的进一步技术改进在于：步骤三中的多组孔位的加工顺序按照位置精度为第一优先级、孔位数量为第二优先级进行排列，减小热量对孔位位置精度的影响。

本发明的进一步技术改进在于：在定位加工阶段，从板材三维模型中获取此处的实际厚度以及孔位半径，根据孔位半径和激光头的高度调节焦点大小，根据实际厚度和板材的材质确定激光器释能时的脉冲功率。

本发明的进一步技术改进在于：当关联孔位中需要打孔的孔位个数为奇数个时，选取最中间一个点位作为标准点位，当标准孔位加工完成后，该组关联孔位中的其他孔位以标准孔位为对称中心，在标准孔位两侧交替进行孔位加工，且每加工一个孔位前均需要在标准孔位处进行对心校准。

本发明的进一步技术改进在于：当关联孔位中需要打孔的孔位个数为偶数个时，选取中间两个孔位作为标准孔位，并在其两侧交替进行孔位加工，每加工一个孔位都需要在靠近该孔位的标准孔位处进行对心校准。

本发明的进一步技术改进在于：在对所有孔位进行激光加工的过程中，温度传感器采集到的温度数据若超过预设限值，则启动风冷设施对其进行散热处理，同时在打孔过程中产生的烟雾通过真空吸管抽离加工区域。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、通过将板材进行预加热后再进行水平校准和打孔加工，减小激光打孔过程中板材的温度变化，从而减小温差带来的板材形变，提高了孔位的位置精度和孔的圆度，同时通过建立板材三维模型，并通过板材三维模型和行程距离函数获取零点位置，减少零点位置到孔位的行程距离，行程距离缩短，则在行程配合中的精度损失也会变小，板材的打孔时间相应缩短，提高了效率，也避免的板材在激光头运动过程中的温度发生过大的波动。

2、通过设置关联孔位且进行多组排序，在加工时对每一组关联孔位进行分别加工，选取标准孔位作为该组关联孔位的定位中心，且在两侧交替加工，一方面避免了累计误差，另一方面避免在标准孔位的一侧进行连续加工，导致短时间内在某一集中区域内产生大量热量，难以及时使热量散发出去，大量集中的热量会使板材发生变形，对孔位的位置精度以及孔位的圆度造成影响。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

脉冲激光打孔定位校准方法，具体包括以下操作步骤：

步骤一：将待加工板材固定安装在装夹工装上，装夹工装上设置有加热电极，通过加热电极对整个板材进行预加热，整个预加热过程保持温度缓慢线性升高；

步骤二：当预加热过程结束后，对当前温度进行保持，利用温度传感器对板材的温度进行实时采集，并保证温度的波动率小于预设值；

步骤三：通过水平仪从两个相互垂直的方向测量板材上表面的平面度，装夹工装的底部四角对称位置设置有升降机构，升降机构的升降动作通过带有内螺纹的套筒与螺纹杆啮合实现，当检测出板材向某一侧发生倾斜时，则转动该侧套筒将板材向上顶起一段距离，使板材保持水平状态；

步骤四：同时对板材的顶面和底面进行红外线平面扫描，并在智能终端中建立空间直角坐标系，在空间直角坐标系中对板材进行三维建模，进而得到板材三维模型；

步骤五：生产人员操作智能终端在板材三维模型上对打孔位置进行坐标点标记，并将标记的坐标点定义为孔位点，同时为每一个孔位点设定孔位半径，进而将孔位点坐标以及孔位半径导入到激光控制器中；

步骤六：激光器进行开机调焦，在这个过程中，激光器不进行充能和释能操作，只对零点位置进行设定校准，将零点位置在板材上的投影点的坐标标记为零点投影坐标(x，y，0)，计算零点投影位置与每个孔位点之间的距离，并对其进行求和，得到行程距离函数F(x，y)，其中，x 和y的取值范围为板材三维模型中边界位置对应的横坐标与纵坐标的取值范围，对行程距离函数进行求导后并得出极值，并经过比较后得出行程距离的最小值，将此时对应的横坐标与纵坐标作为零点位置的横纵坐标；

步骤七：板材中有相对位置精度要求的孔位进行关联，将相互关联的孔位标记为一组关联孔位，多组关联孔位以位置精度为第一优先级、孔位数量为第二优先级进行加工顺序排列，其他没有位置精度要求的孔位按照与零点位置由远及近的方式进行打孔加工，这种排列方式可以最大限度地防止热量引发的板材变形导致孔位的位置精度达不到需求的问题；

步骤八：激光器进行充能，激光头在零点位置进行校零，激光头的高度保持一定，激光头移动至加工顺序中第一组关联孔位的起始点位处，当关联孔位中需要打孔的孔位个数为奇数个时：

选取最中间一个点位作为标准点位，从板材三维模型中获取此处的实际厚度以及孔位半径，根据孔位半径和激光头的高度调节焦点大小，根据实际厚度和板材的材质确定激光器释能时的脉冲功率，当标准孔位加工完成后，该组关联孔位中的其他孔位以标准孔位为对称中心，在标准孔位两侧交替进行孔位加工，且每加工一个孔位前均需要在标准孔位处进行对心校准，这样做的好处是不仅仅能够保证关联孔位间的位置精度，同时避免在标准孔位的一侧进行连续加工，导致短时间内在某一集中区域内产生大量热量，难以及时使热量散发出去，大量集中的热量会使板材发生变形，对孔位的位置精度以及孔位的圆度造成影响；

同理，当关联孔位中需要打孔的孔位个数为偶数个时，选取中间两个孔位作为标准孔位，并在其两侧交替进行孔位加工，每加工一个孔位都需要在靠近该孔位的标准孔位处进行对心校准；

步骤九：当若干组关联孔位加工完成之后，对其余孔位进行加工，每一次加工后均需要在零点位置进行定位校准，再进行下一次孔位加工；

在步骤六中零点位置的选择遵循最短路径优先原则，而不是选择板材的边缘位置上的一点作为零点，这样的选取方式能够极大的减少激光器的行程距离，提高了打孔速度，减小板材发生变形的概率，进而能够提高打孔精度；

在对所有孔位进行激光加工的过程中，温度传感器采集到的温度数据若超过预设限值，则启动风冷设施对其进行散热处理，同时在打孔过程中产生的烟雾通过真空吸管抽离加工区域，避免对激光路径进行遮挡，上文中提及的智能终端为一种平板电脑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。