Разработка адаптивной лазерной головки для компенсации погрешности положения перетяжки пучка во время лазерной обработки с использованием метода обнаружения пятна лазерного излучения

Введение. Представлены результаты разработки устройства, предназначенного для компенсации погрешности положения лазерного пучка при обработке заготовок. Погрешности, которые возникают при обработке заготовок лазерным пучком, приводят к снижению уровня точности. Погрешности вызваны двумя факторами: наличием вибраций и нестабильным положением перетяжки лазерного пучка. Одной из основных причин нестабильного положения точки фокусировки лазерного пучка является неровная поверхность заготовки, которая приводит к изменению положения перетяжки пучка относительно плоскости обработки. Погрешность положения перетяжки пучка по углу относительно плоскости обработки влияет на точность обработки заготовки. Для уменьшения погрешности в позиционировании перетяжки пучка относительно плоскости обработки, необходимо устройство (система или механизм), способное ее скомпенсировать. Устройство должно обладать способностью адаптироваться к поверхности заготовки. Метод. Таким образом, разработка устройства служит решением проблемы, возникающей при лазерной обработке. Разработанное устройство адаптивной головки лазерного пучка адаптируется к поверхности заготовки для компенсации погрешности положения, стабилизирует положение перетяжки пучка относительно плоскости обработки и уменьшает внутренние вибрации во время обработки заготовки. Головка с фокусирующей оптической системой может перемещаться в трех степенях свободы. Благодаря этому головка может отслеживать форму поверхности и корректировать положение точки фокусировки в соответствии с формой заготовок. Во время работы, чтобы иметь возможность отслеживать положение лазерного пучка на заготовке, устройство оснащено камерой. Выполнен эксперимент с макетом полученного устройства для определения уровня его возможностей. Основные результаты. В результате эксперимента определено, что устройство успешно выполняет свои задачи. Оно обеспечивает удержание лазерного пятна в требуемой точке и постоянное положение лазерного пятна на заготовке так, чтобы искажения его формы были минимальны. Обсуждение. Представленное устройство может быть использовано и применено в качестве системы компенсации погрешности позиционирования лазерного луча при обработке заготовки, а также для совершенствования технологии обработки заготовок с высоким уровнем точности.

1. Happonen A., Stepanov A., Piili H. Feasible application area study for linear laser cutting in paper making processes // Physics Procedia. 2015. V. 78. P. 174–181. https://doi.org/10.1016/J.PHPRO.2015.11.030

2. Naresh, Khatak P. Laser cutting technique: A literature review // Materials Today: Proceedings. 2022. V. 56. P. 2484–2489. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2021.08.250

3. Sobih M. Laser-based machining - An advanced manufacturing technique for precision cutting // Advanced Machining and Finishing. 2021. P. 417–450. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817452-4.00012-9

4. Metelkova J., Kinds Y., Kempen K., de Formanoir C., Witvrouw A., van Hooreweder B. On the influence of laser defocusing in Selective Laser Melting of 316L // Additive Manufacturing. 2018. V. 23. P. 161–169. https://doi.org/10.1016/J.ADDMA.2018.08.006

5. Rodrigues G.C., Vorkov V., Duflou J.R. Optimal laser beam configurations for laser cutting of metal sheets // Procedia CIRP. 2018. V. 74. P. 714–718. https://doi.org/10.1016/J.PROCIR.2018.08.026

6. Cao B.X., Hoang P.L., Ahn S., Kim J., Noh J. High-precision detection of focal position on a curved surface for laser processing // Precision Engineering. 2017. V. 50. P. 204–210. https://doi.org/10.1016/J.PRECISIONENG.2017.05.008

7. Rana R.S., Chouksey R., Dhakad K.K., Paliwal D. Optimization of process parameter of Laser beam machining of high strength steels: a review // Materials Today: Proceedings. 2018. V. 5. N 9. P. 19191– 19199. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2018.06.274

8. Düsing J.F., Eichele T., Koch J., Suttmann O., Overmeyer L. Laser surface processing of integrated thin film systems on arbitrarily shaped components // Procedia Technology. 2014. V. 15. P. 122–128. https://doi.org/10.1016/J.PROTCY.2014.09.063

9. Ding C., Zhu D., Wei Z., Tang M., Kuang C., Liu X. A compact and high-precision method for active beam stabilization system // Optics Communications. 2021. V. 500. P. 127328. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2021.127328

10. Chang Y.H., Hao G., Liu C.S. Design and characterisation of a compact 4-degree-of-freedom fast steering mirror system based on double Porro prisms for laser beam stabilization // Sensors and Actuators A: Physical. 2021. V. 322. P. 112639. https://doi.org/10.1016/J.SNA.2021.112639

11. Wang X., Liu B., Mei X., Wang W., Duan W., Wang X. An adaptive laser focus auto-positioning method for non-datum complex components based on 3D vision // Optics and Lasers in Engineering. 2022. V. 149. P. 106834. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2021.106834

12. Karkantonis T., Penchev P., Nasrollahi V., Le H., See T.L., Bruneel D., Ramos-de-Campos J.A., Dimov S. Laser micro-machining of freeform surfaces: Accuracy, repeatability and reproducibility achievable with multi-axis processing strategies // Precision Engineering. 2022. V. 78. P. 233–247. https://doi.org/10.1016/J.PRECISIONENG.2022.08.009

13. Duan Y., Vo Q., Zhang X., Wang Y., Huang S., Fang F. Novel method of measuring optical freeform surface based on laser focusing probe without calibrating focus error signal // Measurement. 2019. V. 148. P. 106961. https://doi.org/10.1016/J.MEASUREMENT.2019.106961

14. Rizki M.A., Fedosov Yu.V. Evaluation and development of a method for compensating the positioning error of computer numeric control equipment // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 6. С. 1063–1071. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1063-1071

15. Russo M., Dong X. A calibration procedure for reconfigurable GoughStewart manipulators // Mechanism and Machine Theory. 2020. V.152. P. 103920. https://doi.org/10.1016/J.MECHMACHTHEORY.2020.103920

16. Song Y., Tian W., Tian Y., Liu X. Calibration of a Stewart platform by designing a robust joint compensator with artificial neural networks // Precision Engineering. 2022. V. 77. P. 375–384. https://doi.org/10.1016/J.PRECISIONENG.2022.07.001

17. Yang X.L., Wu H.T., Chen B., Kang S.Z., Cheng S.L. Dynamic modeling and decoupled control of a flexible Stewart platform for vibration isolation // Journal of Sound and Vibration. 2019. V. 439. P. 398–412. https://doi.org/10.1016/J.JSV.2018.10.007

18. Navvabi H., Markazi A.H.D. Hybrid position/force control of Stewart Manipulator using Extended Adaptive Fuzzy Sliding Mode Controller (E-AFSMC) // ISA Transactions. 2019. V. 88. P. 280–295. https://doi.org/10.1016/J.ISATRA.2018.11.037

19. Cao B.X., Hoang P., Ahn S., Kim J.O., Sohn H., Noh J. Real-time detection of focal position of workpiece surface during laser processing using diffractive beam samplers // Optics and Lasers in Engineering. 2016. V. 86. P. 92–97. https://doi.org/10.1016/J.OPTLASENG.2016.05.008

20. Zhang Y., Li Y., Gu X., Liu H., Zhang Y., Hu W. Laser spot image acquisition and processing based on LabVIEW // Optik. 2019. V. 185. P. 505–509. https://doi.org/10.1016/J.IJLEO.2018.12.051

21. Alexeev I., Wu J., Karg M., Zalevsky Z., Schmidt M. Determination of laser beam focus position based on secondary speckles pattern analysis // Applied Optics. 2017. V. 56. N 26. P. 7413. https://doi.org/10.1364/AO.56.007413

22. Voisey K.T. Laser drilling of metallic and nonmetallic materials and quality assessment // Comprehensive Materials Processing. 2014. V. 9. P. 177–194. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00919-5