激光切割機(jī)精度保持性評(píng)估方法研究

梁瀾之，張華偉，司衛(wèi)征，敖薈蘭，PLATZ Roland

(1.廣東省科學(xué)院智能制造研究所可靠性與裝備技術(shù)中心，廣東廣州 510070；2.廣東正業(yè)科技股份有限公司，廣東東莞 523808；3.弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)可靠性研究所，達(dá)姆施塔特 64289，德國(guó))

0 前言

激光具有方向性好、亮度高、單色性好及能量密度高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工。激光切割是將激光束照射到工件表面時(shí)釋放的能量使工件融化并蒸發(fā)，以達(dá)到切割和雕刻的目的。激光切割機(jī)具有精度高、切割效率高、切縫窄等顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于不受切割圖案限制，激光切割機(jī)可進(jìn)行自動(dòng)排版，從而降低加工成本。

激光切割機(jī)通常在校準(zhǔn)后可以保證較高的加工精度，但是使用一段時(shí)間后，其加工精度會(huì)下降，無(wú)法滿(mǎn)足工件精度要求，因此需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大大降低了激光切割加工的效率以及成本。因此，激光切割機(jī)的精度影響因素、誤差產(chǎn)生原理以及精度提升的技術(shù)方法是眾多學(xué)者研究的方向。許怡如介紹了數(shù)控機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)精度測(cè)試對(duì)象和方法。劉玉霞分析了數(shù)控機(jī)床加工精度的故障診斷原則，并提出了3種精度異常的情況及其處理方法。李亞聰提出了影響國(guó)產(chǎn)機(jī)床熱誤差的因素與減小熱誤差的常用方法。張偉介紹了數(shù)控編程和數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)誤差對(duì)加工精度的影響，并提出應(yīng)給誤差處理預(yù)留必要的編程空間，以及結(jié)合參考點(diǎn)、反向間隙補(bǔ)償?shù)纫蛩貋?lái)保證機(jī)床加工精度。何峰介紹了數(shù)控機(jī)床加工精度的主要故障模式，分別是進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)故障、系統(tǒng)或伺服參數(shù)誤差故障、電氣控制和輔助控制裝置故障等。賈平平運(yùn)用激光干涉儀測(cè)量原理，通過(guò)分析和測(cè)量，確定機(jī)床測(cè)量精度不穩(wěn)定的原因。劉杰運(yùn)用有限元分析對(duì)激光切割機(jī)不同切割工位進(jìn)行了靜力學(xué)研究。吳鵬等人提出的數(shù)控機(jī)床精度劣化模型可解決小樣本性能退化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析問(wèn)題。劉慶杰等驗(yàn)證了基于振動(dòng)、電流信號(hào)信息融合的精度動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)可用于評(píng)估機(jī)床精度。彭代波介紹了5種精度評(píng)估技術(shù)，包括采用信號(hào)處理分析的智能評(píng)估技術(shù)、采用運(yùn)動(dòng)模型分析的誤差源分析技術(shù)、熱誤差分析技術(shù)、位置精度檢測(cè)技術(shù)和幾何精度檢測(cè)技術(shù)等。秦華生介紹了運(yùn)用原始信號(hào)處理和特征提取法進(jìn)行信息融合，從而評(píng)估數(shù)控機(jī)床精度。

目前還沒(méi)有學(xué)者針對(duì)激光切割機(jī)的校準(zhǔn)工序進(jìn)行研究，因此，本文作者對(duì)激光切割機(jī)的校準(zhǔn)工序開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)一套校準(zhǔn)工序并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)還對(duì)激光切割機(jī)的歷史校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與加工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究可能導(dǎo)致加工設(shè)備精度下降的部件運(yùn)動(dòng)、環(huán)境設(shè)置以及參數(shù)設(shè)置等。傳統(tǒng)的激光切割機(jī)使用適配的標(biāo)定板或者校準(zhǔn)板，結(jié)合操作系統(tǒng)中軟件的補(bǔ)償設(shè)置進(jìn)行設(shè)備的校準(zhǔn)，但是這只能保證在校準(zhǔn)后設(shè)備的精度達(dá)到要求，卻不能檢驗(yàn)激光切割機(jī)正常加工時(shí)的精度保持性狀態(tài)，也不能幫助確定激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝、人員操作、環(huán)境參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)是否有不當(dāng)情況。本文作者提出的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)工序，可以避免人員操作的影響，以穩(wěn)定環(huán)境參數(shù)。

用于FPCB板加工的激光切割機(jī)在完成裝配后，在每次開(kāi)展加工工序前都需要進(jìn)行一次校準(zhǔn)，從開(kāi)機(jī)預(yù)熱到固定位置鉆孔，再進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn)。本文作者提出一種評(píng)估方法，能在激光切割機(jī)精度校準(zhǔn)后進(jìn)行精度保持性評(píng)估，同時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝、人員操作、環(huán)境參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)是否有不當(dāng)情況出現(xiàn)，避免激光切割機(jī)加工精度出現(xiàn)非預(yù)期下降的情況。

首先，設(shè)計(jì)FPCB評(píng)估板，F(xiàn)PCB評(píng)估板應(yīng)能夠覆蓋多個(gè)振鏡加工區(qū)域，每個(gè)方形的振鏡加工區(qū)域上設(shè)有相同的加工圖案；其次，校正激光切割機(jī)的加工精度；然后使用激光切割機(jī)對(duì)多張F(tuán)PCB評(píng)估板進(jìn)行加工，并采集每張F(tuán)PCB評(píng)估板加工時(shí)的曲線(xiàn)及圓心坐標(biāo)；最后，收集并整理所獲取的圓心坐標(biāo)，計(jì)算加工曲線(xiàn)的圓心坐標(biāo)與預(yù)設(shè)圓心坐標(biāo)的偏差并繪圖，從而評(píng)估出激光切割機(jī)隨時(shí)間變化的精度保持性。

1 校準(zhǔn)方法

原有方法是使用機(jī)器校準(zhǔn)功能，在整個(gè)加工區(qū)域中取一個(gè)50 mm×50 mm的加工區(qū)域，進(jìn)行激光打點(diǎn)(11×11個(gè)點(diǎn))，通過(guò)高清攝像頭取打點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行運(yùn)算得出校準(zhǔn)參數(shù)，然后應(yīng)用到實(shí)際加工過(guò)程中。這種方法雖然可以在短期達(dá)到目標(biāo)精度，但是由于數(shù)據(jù)采集的局限性，無(wú)法考慮到加工平面中的所有加工區(qū)域的精度，因此設(shè)計(jì)新的校準(zhǔn)打點(diǎn)方法。

新的校準(zhǔn)方法中，取整個(gè)加工平面四角位置的振鏡加工區(qū)域、每個(gè)邊緣中心位置的振鏡加工區(qū)域以及整個(gè)加工平面的中心振鏡加工區(qū)域，共9個(gè)工作區(qū)域，按照正常加工順序依次進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)區(qū)域的校準(zhǔn)采用原方法中的11×11激光打點(diǎn)的方式進(jìn)行打點(diǎn)、取點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行運(yùn)算。同時(shí)設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)和生產(chǎn)的操作流程，目的在于盡可能減少外界對(duì)精度的影響。為此，可將激光切割機(jī)的設(shè)計(jì)分成機(jī)械整體、機(jī)器操作等，分別如圖1、圖2所示。

圖1 激光切割機(jī)機(jī)械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 激光切割機(jī)機(jī)器操作細(xì)分示意

本文作者首先研究了一個(gè)工作區(qū)域內(nèi)加工孔的中心位置處的最大負(fù)向偏差與相對(duì)、方向上的設(shè)定值之間的關(guān)系。圖3和圖4分別為采用非標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)時(shí)，執(zhí)行補(bǔ)償程序后、軸的偏差。在方向上，最大正誤差為0～0.08 mm，最大負(fù)誤差為-0.1～0 mm。在方向上，最大正誤差為0.02～0.06 mm，最大負(fù)誤差為-0.07～0 mm。

圖3 非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試X軸誤差

圖4 非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試Y軸誤差

隨機(jī)選擇兩組來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同工作區(qū)域的非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖5和圖6分別為兩組數(shù)據(jù)相對(duì)和方向上的11×11=121個(gè)位置的偏差示意?？梢园l(fā)現(xiàn)：在每個(gè)工作區(qū)域的角落和邊界的誤差均比工作區(qū)域中部的誤差更大；平均誤差約為0.03 mm；每個(gè)工作區(qū)域的誤差特征各不相同，圖5中邊界的誤差比圖6中的小。

圖5 第一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差示意

圖6 第二組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差示意

為了使激光切割機(jī)更好地校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了新的校準(zhǔn)流程。采用相同的FPCB校準(zhǔn)板，進(jìn)行一個(gè)工作區(qū)域121個(gè)點(diǎn)的激光打點(diǎn)，一共進(jìn)行9個(gè)工作區(qū)域的打點(diǎn)，9個(gè)校準(zhǔn)板平均放置在整個(gè)加工平臺(tái)上，通過(guò)覆蓋加工平臺(tái)的角落區(qū)域增加校準(zhǔn)的精度。

采用新設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)流程進(jìn)行測(cè)試，即測(cè)試當(dāng)天上午進(jìn)行一次校準(zhǔn)，之后在一張F(tuán)PCB板上進(jìn)行多次重復(fù)加工，持續(xù)4 h之后再次進(jìn)行校準(zhǔn)，兩次校準(zhǔn)獲得的數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示?？芍?、方向的最大偏差值都在±0.01 mm以?xún)?nèi)，對(duì)比圖3、圖4可知，該校準(zhǔn)方法可有效改善校準(zhǔn)后的漂移現(xiàn)象和偏差。

圖7 采用新校準(zhǔn)流程兩次校準(zhǔn)的X軸誤差數(shù)據(jù) 圖8 采用新校準(zhǔn)流程兩次校準(zhǔn)的Y軸誤差數(shù)據(jù)

圖9所示為采用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流程后，隨機(jī)選取9張F(tuán)PCB校準(zhǔn)板中的1張的校準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)偏差值矩陣。可見(jiàn)：盡管使用了新的校準(zhǔn)流程，工作區(qū)域邊緣的偏差值仍然比中心大，但是所有的偏差值都在0.01 mm以?xún)?nèi)。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流程后的121個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差

在實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)流程標(biāo)準(zhǔn)化后，需要繼續(xù)評(píng)估激光切割機(jī)的精度保持性。因此，設(shè)計(jì)了評(píng)估方法，實(shí)施步驟如下：

步驟1，設(shè)計(jì)FPCB評(píng)估板，使尺寸能夠覆蓋多個(gè)振鏡加工區(qū)域，每個(gè)方形的振鏡加工區(qū)域上設(shè)有相同的加工圖形，如圖10所示；

圖10 FPCB評(píng)估板

步驟2，進(jìn)行校準(zhǔn)工序環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化，操作包括：開(kāi)機(jī)預(yù)熱、避免人為干預(yù)、關(guān)閉屏蔽護(hù)罩、穩(wěn)定車(chē)間溫度等，并按照新設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)流程操作完成激光切割機(jī)的精度校準(zhǔn)；

步驟3，在精度校準(zhǔn)完成后，在加工平面內(nèi)放上第1張步驟1所述的FPCB評(píng)估板，使用激光切割機(jī)對(duì)FPCB評(píng)估板上的全部加工圖形進(jìn)行1次加工。結(jié)束后換下第1張F(tuán)PCB評(píng)估板，運(yùn)用光學(xué)方法，使用影像測(cè)量，通過(guò)選取曲線(xiàn)上3個(gè)點(diǎn)作垂線(xiàn)，記錄相交點(diǎn)作為曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)，記錄圓心坐標(biāo)；

步驟4，換上第2張F(tuán)PCB評(píng)估板，對(duì)FPCB評(píng)估板上的加工圖形進(jìn)行多次重復(fù)加工，結(jié)束后換下第2張F(tuán)PCB評(píng)估板；

步驟5，換上第3張F(tuán)PCB評(píng)估板，使用步驟1所述的圖形進(jìn)行一次加工，結(jié)束后換下第3張F(tuán)PCB評(píng)估板，運(yùn)用光學(xué)方法找取加工曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)并作記錄；

步驟6，將步驟3、步驟5中所獲取的圓心坐標(biāo)進(jìn)行收集整理，計(jì)算兩者與預(yù)設(shè)圓心坐標(biāo)的偏差并作圖，預(yù)設(shè)圓心坐標(biāo)是指步驟1中設(shè)計(jì)的FPCB評(píng)估板中所有圓的圓心坐標(biāo)，從而評(píng)估出激光切割機(jī)隨時(shí)間變化的精度保持性，當(dāng)?shù)?、第2張F(tuán)PCB評(píng)估板中的曲線(xiàn)坐標(biāo)與預(yù)設(shè)圓心坐標(biāo)的偏差值增大時(shí)，說(shuō)明精度保持性隨時(shí)間增加而變差；如果偏差值無(wú)明顯增大，則說(shuō)明在長(zhǎng)時(shí)間加工情況下可以保證精度。

2 數(shù)據(jù)分析

將第1、第2張F(tuán)PCB評(píng)估板上記錄下的圓心坐標(biāo)歸納整理，并分別對(duì)加工區(qū)域角落處和加工區(qū)域邊線(xiàn)中間處的圓心坐標(biāo)作圖，如圖11—圖14所示。

圖11 第1張加工FPCB板曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)差值(加工區(qū)域角落處)

圖12 第1張加工FPCB板曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)差值(加工區(qū)域邊線(xiàn)中間處)

圖13 第3張加工FPCB板曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)差值(加工區(qū)域角落處)

圖14 第3張加工FPCB板曲線(xiàn)圓心坐標(biāo)差值(加工區(qū)域邊線(xiàn)中間處)

從圖11—圖14可以看出：在重復(fù)加工之前，加工區(qū)域角落處的圓心位置偏差最大為0.05 mm，在正象限上有較高的離散；每個(gè)工作區(qū)域的平均偏差保持在0.03 mm內(nèi)(見(jiàn)圖11)；在重復(fù)加工后，偏差最大值在所有方向上都是0.10 mm且處于相對(duì)較高的離散，然而在正象限中的偏差值卻沒(méi)有變大(見(jiàn)圖13)；在重復(fù)加工后，每個(gè)工作區(qū)域的平均偏差在0.5 mm以?xún)?nèi)，整體的偏差離散比重復(fù)加工之前更大。

在重復(fù)加工之前，加工區(qū)域邊緣中心偏差最大約為0.03～0.04 mm，各象限上有著相對(duì)較低的離散(見(jiàn)圖12)，同時(shí)每個(gè)工作區(qū)域的平均偏差在0.02 mm之內(nèi)。在重復(fù)加工后，偏差增加到0.07 mm(見(jiàn)圖14)，每個(gè)工作區(qū)域的平均偏差在0.02 mm之內(nèi)，在重復(fù)加工之后，整體的離散比重復(fù)加工之前更大。

分析結(jié)果表明：在所有工作區(qū)域的中心位置上的鉆孔的偏差比所有邊界的低得多；在所有角落上都有最高的偏差，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在重復(fù)加工FPCB板前后所有位置偏差的系統(tǒng)性改變；在負(fù)方向上的位置漂移最明顯。

3 結(jié)論

從結(jié)果上看，此次研究的激光切割機(jī)在經(jīng)過(guò)新的標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)流程后，精度有所提升，然而在重復(fù)加工后仍然出現(xiàn)了精度下降的趨勢(shì)，而且其精度不穩(wěn)定性呈現(xiàn)不規(guī)則性。因此，考慮為裝配精度的缺陷導(dǎo)致加工時(shí)精度不穩(wěn)定。為進(jìn)一步開(kāi)展精度不穩(wěn)定研究，應(yīng)利用激光干涉儀開(kāi)展定位精度檢測(cè)、幾何精度檢測(cè)以及加工精度追蹤，從而更全面地掌握激光切割機(jī)的精度不穩(wěn)定性特征，以改善其加工精度保持性。