一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法

摘要

本发明公开了一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法，包括步骤：采集激光加工过程中的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光电信号，使用光谱仪采集紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光谱信号；对其中采集到的光电进行时域分析，找出光电信号中的突变以及变化趋势；对采集到的光谱信号进行时域分析；结合光电信号的时域光电特征和光谱信号的时域特征光谱进行激光加工过程状态识别。与现有技术相比，本发明采用光谱离子态下的激光加工过程状态识别，可以判断出加工过程中的细微缺陷以及在加工过程中的多重焊接状态，如凹陷、爆裂、凸起等缺陷同时存在的焊接状态，提高了焊接状态的识别率与准确率。

权利要求

1.一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法，其特征在于，包括

步骤一：使用紫外光光电传感器、可见光光电传感器、红外光光电传感器和激光反射光电传感器采集激光加工过程中的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光电信号，使用光谱仪采集紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光谱信号；

步骤二：对步骤一中采集到的紫外光光电信号、可见光光电信号、红外光光电信号以及激光反射光光电信号进行时域分析，找出光电信号中的突变以及变化趋势，将紫外光光电信号、可见光光电信号、红外光光电信号以及激光反射光光电信号根据其各自的时域变化特征分为状态1光电信号、状态2光电信号…状态n光电信号，并得出每个状态下的光电特征

1、光电特征2…光电特征n；

步骤三：对步骤一中采集到的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光谱信号进行时域分析，找出与光电信号突变相对应位置或者变化趋势相对应的光谱信号强度特征，结合光电信号以及光谱信号的变化特征，将光谱信号分为状态1连续光谱、状态2连续光谱…状态n连续光谱，该状态1连续光谱、状态2连续光谱…状态n连续光谱的时域范围跟状态1光电信号、状态2光电信号…状态n光电信号一一对应，然后对每个状态下的光谱信号做均值处理以及归一化处理，得到特征光谱1、特征光谱2…特征光谱n；

步骤四：结合光电信号的时域光电特征和光谱信号的时域特征光谱进行激光加工过程状态识别。

2.如权利要求1所述的光谱离子态下的激光加工状态识别方法，其特征在于，步骤一中光电信号的采集还包括步骤：将光电信号输入到信号调整电路进行调整，所述调整包括但不限于信号放大和信号滤波。

3.如权利要求1所述的光谱离子态下的激光加工状态识别方法，其特征在于，步骤一中所述激光反射光为激光发生器产生的1030nm波段的激光束反射光。

4.如权利要求1所述的光谱离子态下的激光加工状态识别方法，其特征在于，步骤一中光谱仪的采集频率为500MHZ。

说明书

一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工过程检测技术领域，尤其涉及一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法。

背景技术

[0002] 激光加工过程是光与材料相互作用的过程，其主要是利用激光器激发的激光束通过光纤和透镜传输的，加工过程中会伴随着多种光学现象如：金属蒸汽、等离子体、熔池、匙孔以及激光反射等光辐射现象。国内外的学者在开展激光加工状态识别和状态监测研究时，大多从加工过程的光信号角度出发，利用光学传感器采集加工过程中的光信号。光电传感器是一种典型的光学传感器，其具有体积小、成本低、结构简单等优势，因此被广泛使用在激光加工过程光学信号采集上，光电传感器与相应的滤波系统搭配来实现光信号的有选择性的采集，主要包括等离子体光辐射信号、金属蒸汽光辐射信号、熔池和匙孔的红外热辐射信号以及激光反射的光辐射信号。但光电传感器所采集的信号维度低，每种光电传感器采集到的都是一维信号，很难实现加工状态的准确识别，并会伴随着不可见的错判断可能。其次光电传感器在复杂的激光加工环境和多变的加工条件下，采集的信号波动大，某些细小而又难以分辨的缺陷如：咬边、塌陷、凸起、爆裂或飞溅等特征光信号被信号的剧烈波动所干扰甚至掩盖。同时光电传感器采集到的信号的波动可能是多种焊接状态的体现，因此信号的变化不能准确地判断出加工的具体状态。

发明内容

[0003] 为克服传统的光电传感检测激光加工状态的缺陷，本发明从光信号分析的角度出发，采集激光加工过程中体现熔池和匙孔变化的光学信号，并对以上的光学信号做时域的分析，为了克服传统的单一种类光电传感器状态识别的限制性，以光谱分析作为辅助，结合光电传感器信号以及光谱等离子态的信号，提出了光谱离子态下的激光加工状态识别方法。

[0004] 本发明一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法，包括

[0005] 步骤一：使用紫外光光电传感器、可见光光电传感器、红外光光电传感器和激光反射光电传感器采集激光加工过程中的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光电信号，使用光谱仪采集紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光谱信号；

[0006] 步骤二：对步骤一中采集到的紫外光光电信号、可见光光电信号、红外光光电信号以及激光反射光光电信号进行时域分析，找出光电信号中的突变以及变化趋势，将紫外光光电信号、可见光光电信号、红外光光电信号以及激光反射光光电信号根据其各自的时域变化特征分为状态1光电信号、状态2光电信号…状态n光电信号，并得出每个状态下的光电特征1、光电特征2…光电特征n；

[0007] 步骤三：对步骤一中采集到的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光的光谱信号进行时域分析，找出与光电信号突变相对应位置或者变化趋势相对应的光谱信号强度特征，结合光电信号以及光谱信号的变化特征，将光谱信号分为状态1连续光谱、状态2连续光谱…状态n连续光谱，该状态1、状态2…状态n光谱的时域范围跟状态1、状态2…状态n下的光电信号一一对应，然后对每个状态下的光谱信号做均值处理以及归一化处理，得到特征光谱1、特征光谱2…特征光谱n；

[0008] 步骤四：结合光电信号的时域光电特征和光谱信号的时域特征光谱进行激光加工过程状态识别。

[0009] 进一步地，步骤一中光电信号的采集还包括步骤：将光电信号输入到信号调整电路进行调整，所述调整包括但不限于信号放大和信号滤波。

[0010] 进一步地，步骤一中所述激光反射光为激光发生器产生的1030nm波段的激光束的反射光，如果激光发生器不同，则其波长值也不同。

[0011] 进一步地，步骤一中光谱仪的采集频率为500MHZ。

[0012] 本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明采用光谱离子态下的激光加工过程状态识别，可以判断出加工过程中的细微缺陷以及在加工过程中的多重焊接状态，如凹陷、爆裂、凸起等缺陷同时存在的焊接状态，提高了焊接状态的识别率与准确率。

附图说明

[0013] 图1是本发明一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法流程图；

[0014] 图2是发明一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法中采用的设备装置示意图；

[0015] 图3是本发明一种光谱离子态下的激光加工状态识别方法中光电信号以及光谱信号的处理原理图。

具体实施方式

[0016] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0017] 激光加工过程中的光学辐射现象包括：紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射波段的光学辐射，其中紫外波段光学辐射信号主要体现在等离子体的变化上，可见光波段的光学辐射主要反映了金属蒸汽的变化以及部分等离子体的电离程度，红外波段的光学辐射受匙孔、熔池的几何形态变化的影响，激光反射波段的光谱强度大小也与匙孔深度有着较大的关联度。

[0018] 请参见图1，本发明的步骤一中利用多个光电传感器并且分别将单个光电传感器与相应的不同波段的滤光系统结合，组合成光电传感模块，最后在加工的过程中采集紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射光强辐射信号，将信号输入到信号调整电路进行调整，包括：放大，滤波等，输入到计算机。同时，利用能够采集从紫外波段-可见光波段-红外波段(200-1100nm)光谱的光谱仪采集加工过程中的光谱信号，并且采集到的光谱信号还包含激光器的激光束(1030nm)波段的激光反射信号，光谱仪的采集频率设置为500MHZ。最后将光谱仪采集到的光谱信号输入到计算机。

[0019] 在步骤二中，对输入到计算机的紫外波段、可见光波段、红外波段以及激光反射波段光电信号作时域分析，但是不同的光电信号的特征变化对应了不同的焊接状态，在这种情况下单一的光电传感器是无法识别激光加工的状态。然而光谱仪可以提供在加工过程中的离子态光谱信息，因此在步骤三中再对光谱信号作时域分析。在步骤四中，光电信号的时域分析加上光谱信号的时域分析可以识别出激光加工过程的状态。

[0020] 在步骤一中，应用如图2所示为激光加工状态识别的设备装置，设备包括激光器1，激光器激发出的激光束4通过外部光纤传输到激光头3中，激光束1经过激光头3内的准直以及聚焦镜片聚焦到工件5的表面，实现激光加工。在激光加工的过程中会产生各种与加工状态相关的光学信号，如紫外光辐射信号、可见光辐射信号、红外光辐射信号、激光反射信号等。这些光学信号通过同轴的单向反射镜6反射到分光模块7中，在分光模块7中光学信号被分光镜分为两路，一路通过光纤8传输到分光模块15，再经过分光模块15连接分光模块16、17、18将分光模块7中的光束分为四路分别连接四个光电传感器并分别匹配紫外光滤光片、可见光滤光片、红外光滤光片和激光反射波段滤光片；另一路通过光纤9直接传输到光谱仪
14中。被紫外光光电传感器、可见光光电传感器、红外光光电传感器和激光反射光电传感器接受到的光信号传输给信号调理电路19，实现光信号的放大和滤波，然后传输到计算机20中作计算和处理；光谱仪14接受到的光谱信号直接传输到计算机20中作计算和处理。

[0021] 在步骤二中，对光电信号计算处理指对光信号的时域处理，找出光电信号中的突变以及变化趋势。

[0022] 如图3所示为加工过程中的光电信号及光谱信号的处理原理图，对由光电传感器采集到的光电信号对其做时域分析，将紫外光光电信号、可见光光电信号、红外光光电信号以及激光反射光光电信号根据其变化特征分为状态1光电信号、状态2光电信号…状态n光电信号，并且每个状态下的光电信号都包括紫外、可见光、红外以及激光反射光光电信号。同时分析每个状态下的这四种光电信号，得出每个状态下的光电特征：光电特征1、光电特征2…光电特征n。

[0023] 在步骤三中，对步骤1中涉及的光谱信号处理和计算即对光谱信号的时域处理，找出与光电信号突变相对应位置或者变化趋势相对应的光谱信号强度特征。

[0024] 如图3所示的光谱信号的处理原理图，对于光谱信号，结合光电信号以及光谱信号的变化特征，将光谱信号分为状态1连续光谱、状态2连续光谱…状态n连续光谱，该状态1、状态2…状态n光谱的时域范围跟状态1、状态2…状态n下的光电信号一一对应。接着对每个状态下的光谱信号做均值处理以及归一化处理。

[0025] 这里的均值处理指：计算光谱对应的时间段内每个波长下的光强平均值。归一化处理指：对每个均值处理后的光谱按如下公式作归一化处理：

[0026]

[0027] 其中X(t)代表归一化后的光强值，x(t)代表每个波段的原始光强值，xmin代表整个波段(186-1100nm)的光强最小值，xmax代表整个波段(186-1100nm)的光强最大值，其中t＝1-2048。归一化后的X(t)在0-1之间。

[0028] 经过均值处理和归一化处理之后得到了特征光谱1、特征光谱2…特征光谱n。

[0029] 在步骤四中结合光电传感信号的时域状态特征和光谱信号的时域特征光谱实现激光加工过程状态识别。离子态下的光谱辅助光电信号，可以有效的识别激光加工过程的状态，提高状态的识别率，为激光加工过程的自动化控制提供基础。

[0030] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。