[发明专利]基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置

说明书

本发明公开了基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、光学分光系统、信号调整模块、光谱信号采集模块和信号处理模块。与现有技术相比，本发明从激光焊接过程的基本热物理规律出发，根据维恩位移定律、玻尔兹曼图法及激光反射测量法，对光谱进行选区重构，提取能够准确表征激光焊接过程汽‑液‑离子三相特征的频谱信号，在此基础上进行多传感激光加工，利用多相振荡的相关性，表征焊接状态，实现激光加工过程状态的监测。

技术领域

本发明涉及一种激光加工状态监测的装置，尤其涉及基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置。

背景技术

激光加工即利用高能束的激光聚焦在工件的表面实现加工的目的，在加工的过程中由于激光束的高功率密度特性固态金属瞬间融化后并汽化，甚至材料表面形成匙孔。匙孔内部产生剧烈波动的高压蒸汽，部分金属蒸汽吸收激光能量，电离产生等离子体，进而导致整个激光加工过程极易出现不稳定状态。因此国内外的学者试图利用先进的传感器(如：声学传感器、摄像机、电压传感器及光电二极管等)来检测激光加工过程的动态特性，寻找加工状态的监测方法，提高加工质量。由于激光加工过程是一个极其复杂的过程，同时又受多种加工参数的影响，因此加工过程中信号的变化以及波动大，一些微弱的信号常常会被大幅值的波动信号所掩盖，然而加工过程中又伴随了多种状态信号的存在(如：金属蒸汽、熔池和匙孔、等离子体)，这些状态信号的频率特征包含了与加工状态相关的特征，因此汽-液-离子三相的频率域信号被选择作为激光加工状态监测的手段，用以提高加工过程的质量。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于光谱选区重构多相特征的激光加工状态监测装置，包括加工工件、激光器、激光加工头、运动平台、光学分光系统、信号调整模块、光谱信号采集模块和信号处理模块，其中，加工工件置于所述运动平台X轴上方并被专用夹具固定，所述激光加工头设置于所述运动平台的Y轴且位于所述加工工件的上方，所述激光器通过光纤与所述激光加工头连接，激光加工过程中的光学信号通过同轴的光学分光系统实现光信号的收集与分光，光谱信号采集模块通过光纤与光学同轴的所述光学分光系统连接，所述光谱信号采集模块包括所述信号调整模块，所述信号调整模块连接所述信号处理模块连接，其中，所述信号处理模块实现光谱信号的分析，该分析包括：结合玻尔兹曼图法和谱线展宽原理计算不同元素的电离度，比较不同元素电离度随焊接状态的趋势，确定能够有效体现等离子体振荡的离散线光谱；结合维恩位移定律计算金属蒸汽的温度，选择可见光波段的连续谱线；选择体现熔池和匙孔动态变化的激光反射信号离散线光谱，最后组合成汽-液-离子三相光谱选区特征信号；然后信号分析模块对所述三相光谱选区特征信号做频域分析，得出三相的频谱特征，并将此频谱特征做相关性分析，根据计算得出的多相频谱振荡相关系数的变化趋势建立激光加工状态描述模型，实现对激光加工过程状态的监测。

进一步地，所述的信号调整模块，其包括光电信号的滤波电路以及光电放大电路。

进一步地，所述的光谱信号采集模块包括狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、光电传感器阵列、信号调整模块以及信号采集电路，所述狭缝用来接受加工过程中产生的光学信号，所述准直镜用来将狭缝接受到的光学信号变成平行光束入射到光栅中，所述光栅用来将平行光变为多束单色光照射到所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列。

更进一步地，所述光谱信号采集模块的光电传感器阵列用来接受光栅出输出的多束单色光，每一个光电传感器对应了一束单色光。

又进一步地，所述光电传感器阵列的波长范围为200-1100nm。