[发明专利]一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法

权利要求书

1.一种基于扫描振镜的激光原位加工方法，其特征在于，该方法基于扫描振镜的激光原位加工装备，包括五轴运动平台(2)、工业相机(4)、激光器(9)、工业控制计算机(12)以及由二维振镜(5)和动态聚焦镜(6)组成的三维振镜(7)；其中，

激光器(9)用于发出相应波长的激光或指示光(8)，依次经过动态聚焦镜(6)和二维振镜(5)，聚焦在五轴运动平台(2)上；五轴运动平台(2)用于调整其上工件(3)的位姿；工业相机(4)用于获得五轴运动平台(2)上激光或指示光(8)的光斑位置；工业控制计算机(12)用于控制三维振镜(7)的运动、激光器(9)的通断、工业相机(4)采集图像、五轴运动平台(2)的运动以及完成工件(3)三维形貌测量及激光加工联动控制，联动控制是指五轴运动平台与三维振镜的三个轴同时协同运动，共同完成加工；

激光器(9)发出的激光或指示光(8)通过三维振镜(7)实现五轴运动平台(2)上工件(3)的三维加工，五轴运动平台(2)用于调整工件(3)的位姿，通过联动控制实现不同位姿处的激光三维加工；

该方法包括以下步骤：

步骤1，相机内参外参的标定：在振镜坐标系O_振-X_振Y_振平面内进行标定得到相机内参、外参以及振镜坐标系与相机坐标系的转换矩阵；高度方向的补偿标定：通过测量已知高度的标定件在振镜坐标系Z_振方向上进行标定；在振镜坐标系O_振-X_振Y_振平面内进行相机标定时将五轴运动平台(2)的平面移动至三维振镜(7)的O_振-X_振Y_振平面处，并将振镜坐标系作为世界坐标系进行相机标定，各坐标系关系如下：

式中，O_像-X_像Y_像Z_像为像素平面坐标系，O_相-X_相Y_相Z_相为相机坐标系，O_振-X_振Y_振Z_振为振镜坐标系，[u,v]^T为像素坐标，f为相机焦距，α、β、u₀、v₀分别为u轴和v轴的缩放和平移系数，R、t为相机外参，即相机坐标系相对振镜坐标系的旋转平移矩阵；

在高度方向的补偿标定即振镜坐标系Z_振方向上标定时，将五轴运动平台(2)沿振镜坐标系Z_振方向运动至不同高度，得到同一条激光线(1)在工业相机(4)中的像素差，并将像素差与实际高度差进行拟合，通过拟合结果补偿基于相机内参外参的高度方向测量结果；

步骤2，工件(3)三维形貌位姿测量：激光器(9)发射低能量的激光或指示光(8)，经过三维振镜(7)后在工件(3)上扫描出激光线(1)，使得激光线(1)遍历工件(3)，工业相机(4)获取一系列激光线(1)图像，利用三维结构光原理得到工件(3)的三维形貌模型(11)及位姿信息；

步骤3，原位加工路径(10)生成：根据不同的应用，在步骤2中生成的三维形貌模型(11)上提取、设计、生成三维振镜(7)的原位加工路径(10)；

步骤4，三维激光原位加工：激光通过三维振镜(7)在工件(3)上按照步骤3生成的原位加工路径(10)进行原位加工；

步骤5，加工结果检测：再次通过步骤2中的方法进行三维建模或者通过二维图像检测技术对加工效果进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光原位加工方法，其特征在于，步骤2中，激光线(1)的遍历速度人为设定。

3.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光原位加工方法，其特征在于，步骤3中，通过工业控制计算机(12)生成的三维振镜(7)的原位加工路径(10)，并直接作用于实际工件(3)的相应位置，实现原位三维激光加工。

4.根据权利要求1所述的基于扫描振镜的激光原位加工方法，其特征在于，五轴运动平台(2)能够反馈平台 的当前位姿，因此，步骤1中相机标定只需在设备安装完成后进行一次标定工作，后续直接进行三维测量及加工。