Проектирование и экспериментальная оценка прототипа адаптивного лазерного механизма для обработки наклонных поверхностей

Введение. Лазерная обработка материалов на наклонных или неоднородных поверхностях часто сопровождается расфокусировкой и ошибками позиционирования лазерного пучка, что приводит к снижению точности и повторяемости технологического процесса. Адаптивные лазерные механизмы представляют собой перспективный подход к снижению влияния указанных факторов; однако их практическая реализация требует верифицированных архитектур систем, обеспечивающих надежную интеграцию сенсорных, исполнительных и управляющих функций. Метод. Представлены разработка и экспериментальная оценка прототипа адаптивного лазерного механизма, предназначенного в качестве испытательной платформы для подсистем автоматической фокусировки и детектирования лазерного пучка. Для снижения механической и вычислительной сложности прототип намеренно ограничен одной вращательной степенью свободы при сохранении основных принципов адаптивного управления лазерным пучком. Экспериментальная установка включает источник непрерывного видимого лазерного излучения с длиной волны 532 нм, сенсорный модуль на основе камеры с поляризационным фильтром, исполнительную систему, подсистему измерения угла наклона на базе датчика MPU6050 и вращающуюся платформу для формирования контролируемых углов наклона поверхности. Основные результаты. Экспериментальная оценка при углах наклона поверхности до 0,262 рад показала стабильную и воспроизводимую проекцию лазерного пучка при различных угловых положениях платформы. Количественный анализ подсистем измерения и позиционирования продемонстрировал максимальную погрешность измерения угла наклона 0,001 рад, время установления от 2,52 до 5,18 с и установившуюся ошибку менее 0,001 рад. Качественный анализ также подтвердил возможность использования прототипа для систематического исследования поведения лазерного пучка при изменении ориентации поверхности, хотя различия в размере, форме и распределении интенсивности пятна лазерного пучка визуально выражены незначительно. Обсуждение. Разработанный прототип формирует практическую и масштабируемую основу для дальнейшего развития адаптивных лазерных механизмов, обеспечивает контролируемую оценку характеристик проекции лазерного пучка в упрощенной экспериментальной среде. Показано, что количественная оценка характеристик лазерного пучка не может основываться исключительно на визуальном анализе, что обусловливает необходимость разработки специализированных методов детектирования и мониторинга лазерного пучка. В дальнейших исследованиях планируется усложнение механизма до нескольких степеней свободы, а также проведение количественного анализа характеристик пятна лазерного пучка с использованием усовершенствованных алгоритмов обработки изображений.

1. Aslan N., Topuz M., Aksakal B., Dikici B. Production techniquestructure relationship in bioceramic-coated scaffold applications. Advanced Ceramic Coatings for Biomedical Applications, 2023, pp. 165–196. doi: 10.1016/B978-0-323-99626-6.00005-6

2. Sharma A., Duriagina Z., Kumar S. Engineering Steels and High Entropy-Alloys. IntechOpen, 2020, 286 p.

3. Bäuerle D. Laser Processing and Chemistry. Springer, 2011, 851 p.

4. Rizki M.A. Fedosov Y.V. Analysis of the influence of defocused laser beam on uneven material surface processing based on mathematical model and simulation approach. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2025, vol. 25, no. 2, pp. 212–221. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-2-212-221

5. 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, vol. 15, pp. 122-128. doi: 10.1016/j.protcy.2014.09.063

6. Wang X., Duan J., Jiang M., Ke S., Wu B., Zeng X. Study of laser precision ablating texture patterns on large-scale freeform surface. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, vol. 92, no. 9–12. doi: 10.1007/s00170-017-0413-z

7. Michalek A., Batal A., Qi S.J., Penchev P., Bruneel D., See T.L., et al. Modelling ultrafast laser structuring/texturing of freeform surfaces. Applied Surface Science Advances, 2020, vol. 2, pp. 100036. doi: 10.1016/j.apsadv.2020.100036

8. Kumstel J. Laser polishing of metallic freeform surfaces by using a dynamic laser beam preforming system. Journal of Laser Applications, 2021, vol. 33, no. 2, pp. 022020. doi: 10.2351/1.5128459

9. Kuang Z., Li J., Edwardson S., Perrie W., Liu D., Dearden G. Ultrafast laser beam shaping for material processing at imaging plane by geometric masks using a spatial light modulator. Optics and Lasers in Engineering, 2015, vol. 70, pp. 1–5. doi: 10.1016/j.optlaseng.2015.02.004

10. Salter P.S., Booth M.J. Adaptive optics in laser processing. Light Science and Applications, 2019, vol. 8, pp. 110. doi: 10.1038/s41377-019-0215-1

11. Li J., Tang Y., Kuang Z., Schille J., Loeschner U., Perrie W., et al. Multi imaging-based beam shaping for ultrafast laser-material processing using spatial light modulators. Optics and Lasers in Engineering, 2019, vol. 112, pp. 59–67. doi: 10.1016/j.optlaseng.2018.09.002

12. Corsaro C., Pelleriti P., Crupi V., Cosio D., Neri F., Fazio E. Adaptive aberration correction for laser processes improvement. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2025, vol. 9, no. 4, pp. 105. doi: 10.3390/jmmp9040105

13. Ohland J.B., Lebas N., Deo V., Guyon O., Mathieu F., Audebert P., et al. Apollon Real-Time Adaptive Optics: Astronomy-inspired wavefront stabilization in ultraintense lasers. High Power Laser Science and Engineering, 2025, vol. 13, pp. e29. doi: 10.1017/hpl.2025.16

14. Rizki M.A., Fedosov Y.V. Development of adaptive laser head for compensating error of beam waist position during processing materials using laser beam spot detection method. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2023, vol. 23, no. 5, pp. 859–870. doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-5-859-870

15. Rizki M.A., Fedosov Y.V. Evaluation and development of a method for compensating the positioning error of computer numeric control equipment. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 6, pp. 1063-1071. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1063-1071