大型工件激光噴丸三維掃描光路系統(tǒng)光斑畸變分析與校正方法研究

余雄超，胡永祥，姚振強(qiáng)

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

激光噴丸工藝通過將高能短脈沖激光射向工件表面形成瞬態(tài)沖擊壓力，使工件表層發(fā)生局部的塑形應(yīng)變，形成沿深度方向的不均勻的殘余壓應(yīng)力場，從而實(shí)現(xiàn)工件的強(qiáng)化或成形[1]。常用的激光噴丸光路系統(tǒng)一般采用固定光路的形式，由機(jī)械臂等夾持工件運(yùn)動(dòng)實(shí)施激光噴丸[2]。但該形式對工件的重量和尺寸有限制，難以應(yīng)用于大型工件的加工。采用動(dòng)態(tài)掃描光路是實(shí)現(xiàn)大型工件激光噴丸應(yīng)用的重要途徑，該形式可固定工件，通過調(diào)整光路使激光掃描工件來實(shí)施激光噴丸。動(dòng)態(tài)掃描光路的導(dǎo)光形式有多種，其中，光纖式系統(tǒng)傳輸?shù)募す饽芰渴芟轠3]；飛行光路式系統(tǒng)的設(shè)備體積大、靈活性低[4]；反射鏡旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)具有體積小、靈敏度高、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在三種類型中最具工程上的優(yōu)勢。美國某公司于2010年利用萬向鏡設(shè)計(jì)出一套反射鏡旋轉(zhuǎn)式的動(dòng)態(tài)掃描激光噴丸系統(tǒng)[5]，并投入生產(chǎn)應(yīng)用。但在國內(nèi)還未見到能實(shí)現(xiàn)大型工件激光噴丸應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)研究報(bào)道。

光學(xué)掃描設(shè)備是動(dòng)態(tài)掃描光路的關(guān)鍵部分，其中振鏡在激光打標(biāo)等激光加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究在國內(nèi)最為成熟[6-7]。但激光噴丸工藝?yán)秒x焦的光斑工作，會(huì)對光斑的形狀與尺寸有一定要求，因此振鏡使激光傾斜入射工件表面產(chǎn)生光斑形狀畸變的問題不可忽視。畸變校正對工藝精度的提高有著重要意義，這方面的研究目前也未見報(bào)道。本文以振鏡為基礎(chǔ)，構(gòu)建大型工件激光噴丸掃描光路系統(tǒng)，通過建立數(shù)學(xué)模型分析光路引入光斑畸變的原理并提出校正方法，再以仿真計(jì)算驗(yàn)證該方法，結(jié)果表明光斑的畸變得到了有效校正。

1 激光噴丸掃描光路系統(tǒng)原理

激光噴丸工藝的基本原理是：利用高能短脈沖激光按照一定的光斑直徑輻照到工件表面，對工件產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊壓力，使工件的表層發(fā)生局部的塑形應(yīng)變，形成沿深度方向的不均勻的殘余壓應(yīng)力場，最終實(shí)現(xiàn)工件的強(qiáng)化或成形。該工藝要求準(zhǔn)確控制發(fā)射激光的能量、光斑的形狀與尺寸、激光噴丸的路徑等參數(shù)，以達(dá)到特定的成形目標(biāo)。

大型工件的激光噴丸處理需采用動(dòng)態(tài)掃描光路系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括激光器、兩軸振鏡模塊、動(dòng)態(tài)聚焦模塊及工件夾具（圖1）。

圖1 基于振鏡的激光噴丸掃描光路結(jié)構(gòu)示意圖

兩軸振鏡模塊主要執(zhí)行激光掃描功能，由兩面繞相互正交的軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡組成。兩面反射鏡分別實(shí)現(xiàn)方位角的偏轉(zhuǎn)和高度角的俯仰運(yùn)動(dòng)，使入射的激光指向工作范圍內(nèi)的各個(gè)方向，通過控制其旋轉(zhuǎn)角度，即可精確控制激光對工件的輻照位置。

動(dòng)態(tài)聚焦模塊主要執(zhí)行激光聚焦功能。由于激光噴丸需在工件表面形成一定尺寸的光斑，聚焦時(shí)需要特定的焦距。而激光輻照工件的不同位置時(shí)，其光程不同，所需的焦距也不相同，因此需不斷地動(dòng)態(tài)調(diào)整。動(dòng)態(tài)聚焦模塊是由一面固定的凸透鏡和一面可沿光軸平移的凹透鏡組成的高靈敏度調(diào)焦系統(tǒng)，通過前后移動(dòng)凹透鏡可改變組合透鏡的焦距，從而滿足不同位置的工作需求。

通過兩軸振鏡模塊和動(dòng)態(tài)聚焦模塊的組合應(yīng)用，不但可實(shí)現(xiàn)大幅面的平面激光噴丸，且同樣適用于表面有復(fù)雜三維形狀的工件，其對激光噴丸加工工件的表面形狀具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，該激光噴丸掃描光路應(yīng)具有1.0 m×1.0 m的加工范圍，并在工件表面上按照工作路徑形成一系列直徑為4 mm的圓形光斑來進(jìn)行激光噴丸，且各個(gè)光斑的形狀誤差應(yīng)控制在5%以內(nèi)。

2 光斑畸變分析

激光噴丸采用圓形橫截面的激光，但激光在工件表面形成的光斑并不一定為圓形。當(dāng)激光傾斜于工件的法線輻照工件時(shí)，工件表面的光斑形狀會(huì)偏離激光本身的橫截面形狀，所需的圓形目標(biāo)光斑將畸變成橢圓，其尺寸和面積也會(huì)發(fā)生變化（圖2）。

圖2 工件表面光斑橢圓畸變原理圖

光斑的形狀畸變可通過光路系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬。激光噴丸掃描光路系統(tǒng)的導(dǎo)光部分包括兩軸振鏡模塊和動(dòng)態(tài)聚焦模塊，通過建立二者的數(shù)學(xué)模型可計(jì)算分析激光通過系統(tǒng)后到達(dá)工件表面的一系列變換情況，推導(dǎo)出光斑形狀。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于入射激光共焦參數(shù)極大，其在系統(tǒng)中的變換可采用幾何光學(xué)近似計(jì)算，產(chǎn)生的誤差小且計(jì)算簡化，因此，以幾何光學(xué)的方法來建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。首先，根據(jù)工作位置和目標(biāo)光斑尺寸求取導(dǎo)光光路兩部分的調(diào)整參數(shù)；然后，利用上述參數(shù)推導(dǎo)激光通過系統(tǒng)后指向工件的會(huì)聚光的表面輪廓；最后，求取該輪廓和工件平面的交線，即得到工件表面的光斑輪廓。

以焦距-250 mm的凹透鏡和焦距400 mm的凸透鏡構(gòu)建動(dòng)態(tài)聚焦模塊，設(shè)工件與掃描光路系統(tǒng)相距1050 mm，采用橫截面直徑為30 mm的工作激光，取工件上的目標(biāo)光斑直徑為4 mm，以上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別繪制出工件上的（0，500）、（500，500）、（0，0）、（500，0）四個(gè)坐標(biāo)位置的實(shí)際光斑輪廓（圖 3）。 其中，（0，0）點(diǎn)是工件的中心位置。由圖3可見，當(dāng)激光噴丸的位置位于工件中心、激光垂直輻照于工件時(shí)，實(shí)際光斑的形狀大致為圓，其尺寸也大致符合目標(biāo)值。但當(dāng)激光噴丸的位置遠(yuǎn)離工件中心、激光傾斜于工件的表面法線輻照工件時(shí)，實(shí)際光斑的形狀會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的畸變，其某一方向被拉長，近似變?yōu)闄E圓形。

圖3 工件表面實(shí)際光斑輪廓圖

對工件表面對角線上各光斑的面積誤差進(jìn)行計(jì)算和擬合，結(jié)果見圖4?？梢?，隨著激光噴丸的工作位置遠(yuǎn)離中心，實(shí)際光斑的面積誤差不斷增大，在工作區(qū)域的邊緣誤差將達(dá)到約20%，已超過設(shè)定的面積誤差5%的控制要求。此時(shí)，工件上激光光斑的平均功率密度下降了15%以上，對加工精度產(chǎn)生了不良影響，因此需對畸變的光斑進(jìn)行校正。

圖4 工件表面對角線光斑面積誤差擬合

3 校正方法

由于實(shí)際光斑的畸變形狀大致為橢圓，其某一方向相對于目標(biāo)形狀被拉長，只需在拉長的方向上對入射激光的橫截面進(jìn)行適當(dāng)壓縮，即可抵消由于激光傾斜于工件表面法線輻照工件造成的光斑拉長，從而校正光斑的形狀。此時(shí)，入射激光所需的橫截面形狀同樣為橢圓，通過光路系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，求取工件表面的圓形目標(biāo)光斑在入射激光橫截面上的投影，即可近似確定該橢圓的形狀，而橢圓的特征參數(shù)可通過橢圓方程擬合求取。

由于入射光的橫截面形狀需從圓形調(diào)整成橢圓，需利用導(dǎo)光系統(tǒng)在激光橫截面上的不同方向進(jìn)行不同倍率的縮放。但球面透鏡無法實(shí)現(xiàn)該調(diào)整，故需利用包含一組柱面透鏡的特殊動(dòng)態(tài)聚焦模塊來實(shí)現(xiàn)調(diào)整。柱面透鏡是具有圓柱狀表面的透鏡，通過柱面透鏡的光束，在圓柱面母線方向上不發(fā)生變化，只在垂直于圓柱面母線方向上會(huì)聚或發(fā)散，因此可將原動(dòng)態(tài)聚焦模塊中的可調(diào)球面凹透鏡替換成一對母線保持正交的、可獨(dú)立沿光軸移動(dòng)及同步繞光軸旋轉(zhuǎn)的凹柱面透鏡，從而構(gòu)成兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊（圖5）。該模塊相當(dāng)于兩個(gè)相互正交的、只控制單一方向縮放的、互不干涉的動(dòng)態(tài)聚焦模塊，可針對激光的橫截面在兩個(gè)相互正交的方向上進(jìn)行不同倍率的縮放，從而形成所需的橢圓橫截面，進(jìn)而在工件表面獲得與目標(biāo)光斑形狀近似相同的光斑。

圖5 兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊原理圖

4 校正效果檢驗(yàn)

在激光噴丸掃描系統(tǒng)中，以兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊替代原動(dòng)態(tài)聚焦模塊，即可使激光噴丸掃描系統(tǒng)具有校正光斑畸變的功能。該系統(tǒng)對光斑畸變的校正效果同樣可通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，其流程基本和前述相同。但是，首先要根據(jù)工作位置和目標(biāo)光斑尺寸確定入射光橫截面需要調(diào)整的橢圓形狀，并據(jù)此求取兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊的調(diào)整參數(shù)，然后進(jìn)行導(dǎo)光系統(tǒng)的相關(guān)推導(dǎo)。

以焦距分別為-250、-300 mm的兩面凹柱面透鏡和焦距400 mm的凸球面透鏡構(gòu)建兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊，保持系統(tǒng)的其他參數(shù)不變，仍通過計(jì)算的結(jié)果繪制出工件上 （0，500）、（500，500）、（0，0）、（500，0）四個(gè)位置的實(shí)際光斑輪廓（圖 6）。 可見，實(shí)際光斑的形狀基本為圓形，畸變得到校正。

圖6 校正后工件表面實(shí)際光斑輪廓圖

對工件表面對角線上各光斑的面積誤差進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果見圖7?？梢?，各處誤差大致在0.3%以內(nèi)，很好地滿足了5%的誤差控制要求。

圖7 校正后工件表面對角線光斑面積誤差

5 結(jié)束語

針對大型工件的激光噴丸工藝需求，本文設(shè)計(jì)了基于振鏡的激光噴丸系統(tǒng)，并以幾何光學(xué)的原理對導(dǎo)光光路建立了近似的數(shù)學(xué)模型，分析了激光傾斜于工件表面法線輻照工件時(shí)造成的光斑形狀畸變，提出了校正思路，設(shè)計(jì)了兩向異焦動(dòng)態(tài)聚焦模塊進(jìn)行校正。通過數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算證明了校正方法的有效性，結(jié)果表明光斑的形狀畸變基本被消除，形狀誤差得到控制。