在三维空间域中开发一种统一的激光输出控制模式

《Optics & Laser Technology》：Development of a uniform laser output control mode in three-dimensional spatial-domain

三维空间域激光均匀能量输出控制方法研究，提出基于CNC系统粗插补周期的激光能量动态调控策略，通过实际移动距离实时计算优化能量分布，减少五轴联动加工中的速度波动影响，实验表明可降低94.556%的加工宽度标准差。

　　五轴激光加工技术的发展为加工具有复杂曲面的难加工材料提供了新的可能性。这类材料广泛应用于航空航天、光学仪器和微电子等行业，其加工需求日益增长，促使相关技术的深入研究。五轴机床在加工过程中能够实时调整工具或工件的姿态，使得所有特征加工可以在一次装夹中完成，提高了加工效率和精度。然而，由于加工过程中激光束与工件之间的相对姿态不断变化，导致激光能量的输出呈现出复杂的波动，进而影响加工的一致性和质量。

在激光加工中，激光束的能量传递依赖于多光子吸收机制，能够实现材料的加热、熔化、汽化以及光剥离等过程。激光加工具有速度快、无接触、无废液和残渣等优点，使其在精密制造领域具有广泛的应用前景。然而，为了确保加工质量，需要避免激光束斑点形状的畸变和激光功率在工件表面的变化。为此，通常采用旋转运动来保持激光束始终垂直于加工表面，但这种旋转运动会导致加工点的位置偏移，进而需要通过线性轴的补偿运动来校正，从而增加了五轴机床运动的复杂性。

随着加工条件的复杂化，传统的激光能量输出控制方法面临诸多挑战。目前的研究主要从视觉反馈控制、激光扫描路径规划以及位置同步输出三个方面展开。视觉反馈控制方法通过红外测温等手段获取加工区域的实时温度数据，进而调整激光输出功率，以减少热波动并提高加工质量。这种方法在某些复杂部件的加工中取得了良好的效果。此外，一些研究结合了迭代学习控制和视觉测量技术，实现了模型无关的激光功率控制。还有研究利用相机和卷积神经网络系统判断焊接状态，并将结果反馈至PID控制器，以调整激光功率。这些方法在特定速度范围内表现良好，但在三维复杂曲面的加工中，由于视觉测量的难度和精度问题，应用受到一定限制。

激光扫描路径优化和激光功率曲线调整也是提升加工质量的重要手段。例如，一些研究提出通过深度强化学习（DRL）框架生成控制策略，从而减少熔池深度的变化。还有研究采用空间和时间控制的激光加热方法，通过优化激光扫描路径和激光束在切割区域前方的纵向振动，解决了激光辅助加工中加热区域小和热分布不均的问题。此外，有研究提出基于S型功率曲线的激光振动焊接方法，该方法在铝合金焊接中表现出良好的效果。这些方法虽然在一定程度上提高了加工质量，但面对自由曲面工件复杂的加工条件，扫描路径和功率曲线的优化仍然存在较大难度，且需要大量时间和精力。

因此，为了更好地满足自由曲面零件的加工需求，本文提出了一种基于CNC系统粗插补周期的三维空间域激光均匀能量输出控制方法。该方法通过建立激光束空间运动与实际移动距离之间的关系，实现对激光能量输出的实时控制，从而解决三维激光加工中能量分布不均的问题。具体而言，该方法的核心在于将激光束的实际移动距离作为控制依据，而不是依赖于时间周期，这样可以在不同速度变化的情况下保持激光能量的均匀分布。

本文的研究内容主要包括以下几个方面：首先，分析了时间域和空间域激光均匀能量加工模式之间的差异，探讨了各自的特点和局限性。接着，提出了一个空间域激光均匀能量控制框架，并推导了双转台五轴机床空间运动与激光实际路径之间的映射关系。然后，基于CNC系统的粗插补周期，建立了空间域激光均匀能量控制系统的模型。最后，搭建了一个空间域激光均匀能量实验平台，对复杂工况下的激光加工效果进行了对比实验，验证了该方法在提高加工一致性方面的有效性。

实验结果表明，空间域激光均匀能量输出模式能够显著降低速度变化对加工一致性的影响，从而提升自由曲面激光加工的质量。在实验过程中，对激光能量输出的均匀性进行了评估，结果显示，标准差降低了94.556%，说明该方法在控制激光能量输出方面具有较高的精度和稳定性。此外，实验还验证了该方法在不同加工条件下的适用性，表明其在处理三维复杂曲面时具备良好的适应性和控制能力。

在实验平台的设计和搭建过程中，采用了五轴运动平台、激光加工系统和反馈控制系统三个主要部分。五轴运动平台是实验的基础，包括X、Y和Z三个线性轴以及B和C两个旋转轴。该平台能够实现高精度的三维空间运动，为激光加工提供了必要的机械支持。激光加工系统由JPT公司生产的YDFLP脉冲光纤激光器和相关配套设备组成，能够提供稳定的激光输出和精确的能量控制。反馈控制系统则负责实时监测和调整激光能量输出，确保加工过程的均匀性和一致性。

为了进一步验证空间域激光均匀能量输出方法的有效性，本文设计了一系列实验，包括不同速度变化情况下的加工测试和快速速度变化条件下的实验。实验结果显示，该方法在速度变化较大的情况下仍能保持激光能量的均匀分布，从而显著提高了加工质量。此外，实验还比较了不同控制方法在加工效果上的差异，进一步突显了空间域激光均匀能量输出模式的优势。

本文的研究成果为自由曲面激光加工提供了一种新的控制策略，具有重要的理论和实际意义。通过将激光能量输出与实际空间运动距离相结合，有效解决了传统方法在三维加工中面临的能量分布不均问题。未来的研究可以进一步探索该方法在不同材料和加工条件下的适用性，以及如何优化系统参数以提高控制精度和加工效率。此外，还可以结合人工智能和机器学习技术，实现更加智能化和自动化的激光能量控制，为精密制造领域的发展提供新的思路和方法。