喬曉旭,羅怡,2,王曉東,2

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116024;2.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116024)

0 引言

1916年,愛(ài)因斯坦提出了“受激輻射”的概念,為激光的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。1958年,美國(guó)科學(xué)家Schawlow和Towens發(fā)現(xiàn)了激光現(xiàn)象,并提出激光原理,獲得了1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1960年,世界上第一臺(tái)紅寶石激光器正式誕生。1964年,錢(qián)學(xué)森建議將LASER的中文名稱定為“激光”,完美解釋了激光的產(chǎn)生原理“將通過(guò)輻射受激發(fā)射的光放大”。此后,激光技術(shù)和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展,與原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)并成為“二十世紀(jì)的四大發(fā)明”。

激光技術(shù)的應(yīng)用與激光的特性密不可分。激光具有方向性好的優(yōu)點(diǎn),可精確測(cè)量直線度、同軸度等物理量;具有高相干性、高單色性的優(yōu)點(diǎn),可精確測(cè)量長(zhǎng)度、角度、速度、振動(dòng)以及表面粗糙度等物理量;還具有普通光源達(dá)不到的高能量密度的優(yōu)點(diǎn),可利用其對(duì)金屬及非金屬等材料進(jìn)行精密加工。通常來(lái)說(shuō),激光的應(yīng)用不是這些性質(zhì)的單獨(dú)應(yīng)用,而是綜合利用。本文對(duì)激光技術(shù)在精密測(cè)量和精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,重點(diǎn)分析以激光干涉測(cè)量技術(shù)為主的激光精密測(cè)量技術(shù),在此基礎(chǔ)上總結(jié)并討論激光技術(shù)在精密測(cè)量和加工領(lǐng)域仍面臨的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),為促進(jìn)激光技術(shù)在精密測(cè)量和精密加工領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用提供參考。

1 激光技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光測(cè)量技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、非破壞、高準(zhǔn)確度、非接觸的測(cè)量。激光測(cè)量技術(shù)可對(duì)長(zhǎng)度、距離、位移、速度、角度、形變、振動(dòng)、表面質(zhì)量等參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的測(cè)量。目前在精密測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的激光測(cè)量技術(shù)主要有激光干涉測(cè)量技術(shù)、激光衍射測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)、激光三角法測(cè)量技術(shù)、激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)、激光多普勒測(cè)量技術(shù)等。

1.1 激光干涉測(cè)量技術(shù)

激光干涉測(cè)量技術(shù)是以激光光波干涉原理為基礎(chǔ)的一種測(cè)量技術(shù)。激光干涉測(cè)量技術(shù)主要包括雙光束干涉測(cè)量、雙頻激光干涉測(cè)量、激光移相干涉測(cè)量、激光全息干涉測(cè)量、激光散斑干涉測(cè)量等多種干涉測(cè)量技術(shù)。

激光干涉測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)幾何量等參數(shù)高水準(zhǔn)精密測(cè)量的典型代表[2],其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到納米量級(jí),具有較高的靈敏度,可實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度、位移、角度、介質(zhì)折射率以及振動(dòng)等參數(shù)的精密測(cè)量,應(yīng)用范圍十分廣泛。

楊曄等[3]采用基于長(zhǎng)度可變真空腔的激光干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)空氣折射率進(jìn)行了測(cè)量,并提出了測(cè)量過(guò)程中的誤差檢測(cè)和補(bǔ)償方法。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Edlén公式進(jìn)行對(duì)比表明,系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性和準(zhǔn)確度。陳宇[4]基于條紋傅里葉變換法,對(duì)激光干涉測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了研究。采用條紋傅里葉方法對(duì)激光干涉測(cè)量圖片進(jìn)行處理和計(jì)算,獲取溫度分布情況。將激光干涉測(cè)溫的結(jié)果與其他測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其相對(duì)誤差在7%以內(nèi)。Sun等[5]提出了一種基于調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)的新型接觸式激光干涉測(cè)量技術(shù),將非接觸式測(cè)量轉(zhuǎn)換為接觸式測(cè)量,具有準(zhǔn)確度高、量程大、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),可以在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜表面條件工件的直接測(cè)量,突破了光學(xué)測(cè)量的局限性,拓展了激光干涉測(cè)量的應(yīng)用范圍。Dang等[6]設(shè)計(jì)了一種基于激光干涉法測(cè)量重力加速度的方案,并分析計(jì)算了測(cè)量過(guò)程中誤差的主要來(lái)源和大小。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)測(cè)量重力加速度的方法相比,激光干涉方法測(cè)量準(zhǔn)確度更高,可達(dá)到6×10-4g。He等[7]針對(duì)長(zhǎng)距離高速激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng),提出了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與閉環(huán)控制相結(jié)合的方法,以減少環(huán)境參數(shù)引起的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的溫度控制誤差小于0.01℃,壓力控制誤差小于1 Pa,可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程超精密測(cè)量的微環(huán)境參數(shù)控制。Li等[8]研制了一種基于激光散斑干涉測(cè)量技術(shù)的表面形貌檢測(cè)系統(tǒng),如圖1所示,通過(guò)改進(jìn)的基于最小二乘迭代的相位分布提取方法來(lái)處理振動(dòng)效應(yīng)。將該系統(tǒng)測(cè)量的形貌結(jié)果與共聚焦顯微鏡測(cè)量的結(jié)果對(duì)比,相對(duì)誤差在20%以內(nèi),表明該方法具有良好的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)前景。

圖1 環(huán)境存在振動(dòng)時(shí)激光干涉測(cè)量系統(tǒng)原理圖[8]Fig.1 Schematic of laser interferometry system in vibration environment[8]

傳統(tǒng)激光干涉測(cè)量技術(shù)需要被測(cè)量表面具有高反射特性,或者需要通過(guò)安裝測(cè)量靶鏡來(lái)獲得高信噪比干涉信號(hào),然而,在目前的許多超精密加工中無(wú)法安裝測(cè)量靶鏡,并且被測(cè)對(duì)象表面也不是高反射材料,限制了激光干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。為解決此類問(wèn)題,Xu[9]等提出了一種基于微芯片激光反饋干涉法同時(shí)測(cè)量物體折射率和厚度的新方法。該方法將移頻激光反饋與共光路結(jié)構(gòu)相結(jié)合,消除了環(huán)境擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,實(shí)現(xiàn)了相位測(cè)量中的環(huán)境魯棒性。對(duì)不同玻璃的測(cè)量結(jié)果表明,該方法折射率的測(cè)量不確定度優(yōu)于0.00002,厚度的測(cè)量不確定度優(yōu)于0.6 μm,具有較小的不確定度。

激光干涉測(cè)量技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域始終發(fā)揮著不可替代的作用。未來(lái)針對(duì)光刻機(jī)、超精密機(jī)床等領(lǐng)域的科學(xué)研究中,對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的需求將從微納米量級(jí)提升至更高級(jí)別,如何實(shí)現(xiàn)更高的分辨力、更小的測(cè)量誤差,是激光干涉測(cè)量技術(shù)中亟需解決的問(wèn)題。

1.2 激光衍射測(cè)量技術(shù)

衍射現(xiàn)象是指波在傳播過(guò)程中遇到障礙物而發(fā)生的偏離直線傳播方向的現(xiàn)象。由于激光的高單色性、高相干性等優(yōu)點(diǎn),使得激光衍射測(cè)量技術(shù)可以利用激光衍射條紋的變化來(lái)精確測(cè)量長(zhǎng)度、振動(dòng)、角度以及輪廓。激光衍射測(cè)量技術(shù)具有非接觸、高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)分析及醫(yī)藥檢測(cè)等精密測(cè)量領(lǐng)域。激光衍射測(cè)量方法主要有間隙測(cè)量法、反射衍射法、分離間隙法、互補(bǔ)測(cè)量法以及艾里斑測(cè)量法等。

潘林超[10]在激光衍射法測(cè)量粒度分布方面進(jìn)行了深入的研究,總結(jié)了球形顆粒散射光斑(艾里斑)的產(chǎn)生機(jī)理,提出了一種基于環(huán)形樣品池的激光衍射測(cè)量方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)亞微米級(jí)別顆粒的準(zhǔn)確測(cè)量。田園等[11]設(shè)計(jì)了一種基于激光衍射測(cè)量法的細(xì)圓柱直徑測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于Fraunhofer衍射理論和Babinet互補(bǔ)測(cè)量法,具有非接觸、測(cè)量速度快、測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn),可用于在線檢測(cè),其測(cè)量細(xì)圓柱衍射花樣圖如圖2所示。Song等[12]研究了溫度和濕度對(duì)激光衍射法測(cè)量霧化器粒徑分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度和濕度對(duì)激光衍射測(cè)量法的性能和一致性有著顯著的影響,在溫度為5℃,相對(duì)濕度為90%的情況下,激光衍射法可以檢測(cè)粒徑小于1 μm的粒子分布情況。

圖2 細(xì)圓柱衍射花樣[9]Fig.2 Thin cylinder diffraction pattern[9]

1.3 激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)

激光具有良好的方向性,經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的激光其能量分布中心可以看作是一條直線。激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)利用激光的高方向性,將激光光束作為直線基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量被測(cè)物體與激光光束之間的偏差,得到被測(cè)物理量的誤差。通常利用激光測(cè)量技術(shù)對(duì)物體的直線度、同軸度等物理量進(jìn)行精密測(cè)量。按照工作原理的不同,激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)可分為干涉測(cè)量法、振幅測(cè)量法和偏振測(cè)量法。

樓志斌等[13]提出了一種結(jié)合激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)的二維轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)測(cè)量方法,克服了傳統(tǒng)方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺點(diǎn),如圖3所示。該方法采用準(zhǔn)直激光作為直線基準(zhǔn),用位置探測(cè)器作為檢測(cè)器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可動(dòng)態(tài)測(cè)量二維轉(zhuǎn)角,測(cè)量重復(fù)性誤差為1 μrad,滿足測(cè)量所需的高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性要求。

圖3 結(jié)合激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)的二維動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)[13]Fig.3 Two dimensional dynamic angle measurement system combined with laser collimation measurement technology[13]

張劉港等[14]提出了一種將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)與激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的激光跟蹤姿態(tài)角測(cè)量方法,建立了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系與激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在測(cè)量距離為2.5 m,姿態(tài)角測(cè)量范圍在±20°之間時(shí),該系統(tǒng)姿態(tài)角測(cè)量誤差可控制在±2°以內(nèi)。Sun等[15]提出了一種用于同時(shí)測(cè)量五自由度運(yùn)動(dòng)誤差的激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)和光路補(bǔ)償方法,并對(duì)直線度和角度誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和有效性,該系統(tǒng)可應(yīng)用于精密測(cè)量和標(biāo)定領(lǐng)域,包括實(shí)時(shí)檢測(cè)光的漂移等。Liu等[16]針對(duì)在較長(zhǎng)的工作距離下,激光準(zhǔn)直測(cè)量直線度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性會(huì)受到大氣湍流的嚴(yán)重影響這一問(wèn)題,提出了一種基于激光準(zhǔn)直測(cè)量直線度的噪聲衰減方法。該方法采用湍流屏蔽設(shè)計(jì)以減小大氣湍流對(duì)光束路徑的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在測(cè)量距離為5 m處安裝湍流屏蔽后,水平直線度噪聲和垂直直線度噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了95.6%和84.7%,有效提高了激光準(zhǔn)直直線度測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

1.4 激光三角法測(cè)量技術(shù)

激光三角法測(cè)量技術(shù)以激光作為光源,利用其入射與反射光線、物體與成像之間的三角關(guān)系對(duì)幾何量進(jìn)行測(cè)量。激光技術(shù)、PSD位置敏感探測(cè)器以及CCD/CMOS等光電、位置傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,有效促進(jìn)了激光三角測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展。激光三角測(cè)量技術(shù)具有無(wú)接觸、測(cè)量速度快、測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于幾何量測(cè)量領(lǐng)域。

王成武等[17]針對(duì)激光三角法測(cè)量位移量過(guò)程中,被測(cè)面位移量與成像光斑在光敏面上的位移量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析,確定了擬合過(guò)程中的誤差來(lái)源,并采用了多項(xiàng)式擬合法,確定了可保證測(cè)量誤差的擬合參數(shù)。Víctor等[18]采用激光三角測(cè)量技術(shù)對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,利用沿光束Z軸等距位移的幾何對(duì)稱性來(lái)獲得振幅數(shù)據(jù),測(cè)量葉片一階自振頻率的相對(duì)誤差小于1%。Bian等[19]采用激光三角測(cè)量技術(shù)對(duì)鍛造環(huán)境中的高溫鍛件的缺陷、溫度、位置、尺寸等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè),根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整鍛壓設(shè)備和改進(jìn)生產(chǎn)工藝路線,有效提高了鍛壓準(zhǔn)確度和效率。Nan等[20]基于激光三角測(cè)距原理,根據(jù)不同物體上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)際激光成像波形的特點(diǎn),提出了一種快速激光調(diào)整算法,可應(yīng)用于點(diǎn)膠機(jī)器人的位移測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法測(cè)量重復(fù)性誤差為2.7 μm,動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)延遲為0.5 ms。

在提高激光三角法測(cè)量準(zhǔn)確度方面,Nan等[21]對(duì)小型激光三角位移傳感器的溫度適應(yīng)性進(jìn)行了研究,通過(guò)極端溫度實(shí)驗(yàn)建立了激光三角位移傳感器的溫度漂移誤差數(shù)據(jù)庫(kù),并通過(guò)廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和溫度的線性度均達(dá)到了較高的水平。Ye等[22]提出了一種通過(guò)集成衍射光柵提高測(cè)量準(zhǔn)確度的激光三角測(cè)量方法,與只有一個(gè)光斑信息的傳統(tǒng)方法相比,衍射光能夠在CMOS圖像傳感器上產(chǎn)生多個(gè)衍射光斑,在一個(gè)采樣周期中同時(shí)獲得多個(gè)采樣結(jié)果,并通過(guò)平均運(yùn)算獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在0~20 mm的測(cè)量范圍內(nèi),采用衍射光柵的激光三角測(cè)量技術(shù)測(cè)量非線性和重復(fù)性分別為0.113% FS和0.89 μm,與未采用衍射光柵的激光三角測(cè)量技術(shù)相比有顯著提高。

隨著CCD,CMOS等光電檢測(cè)器件的高速發(fā)展,以激光三角法測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)是以激光作為光源,通過(guò)結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物體上的精確點(diǎn)位數(shù)據(jù)來(lái)獲取視覺(jué)測(cè)量信息的主動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)。激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)通常使用三種結(jié)構(gòu)的激光光源:點(diǎn)結(jié)構(gòu)光[23]、線結(jié)構(gòu)光[24]和面結(jié)構(gòu)光[25]。激光視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)具有非接觸、快速測(cè)量、可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)產(chǎn)品的精密測(cè)量領(lǐng)域中。

洪梓銘等[26]提出了一種基于光纖激光的超精密視覺(jué)測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微型物體幾何尺寸的多尺寸快速精密測(cè)量。該方法基于線結(jié)構(gòu)光方法對(duì)被測(cè)物體連續(xù)發(fā)射激光線,再通過(guò)相機(jī)獲取物體的被測(cè)信息,經(jīng)過(guò)圖像處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得被測(cè)物體的測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可達(dá)到微米級(jí)的測(cè)量誤差,可準(zhǔn)確、快速地測(cè)量微型物體的幾何信息。Hou等[27]針對(duì)基于激光視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的機(jī)器人免教焊接系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出了一種快速統(tǒng)一的激光視覺(jué)檢測(cè)標(biāo)定方法,能夠?qū)崟r(shí)獲得亞像素準(zhǔn)確度的特征點(diǎn),提高了激光視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。Zheng等[28]針對(duì)單傳感器SLAM系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下存在的局限性問(wèn)題,將激光視覺(jué)三維檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)相融合,提高了激光-視覺(jué)融合SLAM系統(tǒng)的定位和映射的準(zhǔn)確度,產(chǎn)生了良好的魯棒性。

1.5 激光多普勒測(cè)量技術(shù)

激光多普勒測(cè)量技術(shù)的基本原理是基于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體散射光線的多普勒效應(yīng),具有非接觸、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快、不擾亂測(cè)量物體等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等精密測(cè)量領(lǐng)域。

激光多普勒測(cè)量技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用方面,宋耀東等[29]基于激光多普勒測(cè)量技術(shù),提出了一種三維掃描振動(dòng)測(cè)量方法。該方法將三套激光多普勒測(cè)振儀的光束集成于一點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)該點(diǎn)三維振動(dòng)的精密測(cè)量,通過(guò)控制該點(diǎn)的移動(dòng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)面的三維振動(dòng)信息的測(cè)量。徐大川等[30]利用激光多普勒技術(shù)搭建了一套極低風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度、安裝角度等影響測(cè)量結(jié)果的因素進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定可靠的信號(hào),其測(cè)量誤差可以控制在0.01 m/s以內(nèi)。Kozlov等[31]提出了一種數(shù)字激光多普勒血流測(cè)量的方法和裝置,并提出了一種基于多普勒展寬頻率下功率幅值分布分析的信號(hào)處理方法。

在提高激光多普勒測(cè)量準(zhǔn)確度方面,席崇賓等[32]為了提高多普勒信號(hào)的有效性,增加激光多普勒測(cè)量的范圍和距離,提出了一種基于液體透鏡的品質(zhì)因子增強(qiáng)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)液體透鏡的電流大小,多普勒信號(hào)的品質(zhì)因子顯著增加,大幅度提高了激光多普勒測(cè)量的范圍和距離。Ma等[33]為了去除激光多普勒對(duì)速度的測(cè)量結(jié)果中包含的噪聲,采用改進(jìn)的小波去噪閾值算法和卡爾曼濾波算法對(duì)測(cè)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后的均方根值更接近額定轉(zhuǎn)速值,去噪效果較好。

除了上述幾種在精密測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣,發(fā)展程度較為成熟的激光測(cè)量技術(shù)以外,還有多種有重要應(yīng)用價(jià)值的激光測(cè)量技術(shù),例如:激光掃描測(cè)徑技術(shù)[34]、激光相位測(cè)距技術(shù)[35]、飛秒激光頻率梳測(cè)距技術(shù)[36]等,它們具有測(cè)量速度快、測(cè)量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于圓柱體直徑、長(zhǎng)距離測(cè)量等領(lǐng)域。

2 激光技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)60年代第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái),激光加工技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用就受到科研人員的高度重視。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,激光加工技術(shù)已成為精密制造技術(shù)的重要組成部分,被譽(yù)為“萬(wàn)能的加工工具”。激光加工技術(shù)具有柔性化、高效率、高質(zhì)量等綜合優(yōu)勢(shì),可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片、微電子、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等精密加工領(lǐng)域,并且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前在精密加工領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的激光加工技術(shù)有:激光焊接技術(shù)、激光增材制造技術(shù)、激光微納技術(shù)等。

2.1 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接速度較快、焊接接頭的熱影響區(qū)小、焊縫成型好、幾乎沒(méi)有焊接變形等優(yōu)點(diǎn),可極大提高焊接的質(zhì)量。通常來(lái)說(shuō),根據(jù)激光焊接功率密度的大小,可將激光焊接技術(shù)分為激光熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊接。由于金屬對(duì)激光的反射率較高,當(dāng)激光功率密度較小時(shí),到達(dá)金屬表面的激光一部分被反射出去,另一部分被金屬表面吸收,完成光能向熱能的轉(zhuǎn)化,金屬表面的熱量以熱傳導(dǎo)的方式向金屬內(nèi)部傳遞。隨著溫度的升高,形成金屬焊接熔池,實(shí)現(xiàn)各個(gè)零件的連接。當(dāng)激光功率密度較高時(shí),金屬表面瞬間產(chǎn)生的高溫會(huì)使表面金屬發(fā)生氣化,形成細(xì)長(zhǎng)的孔洞,在激光的照射下,孔洞的深度逐漸加大,當(dāng)照射結(jié)束后,孔洞周邊的液體回流,冷卻后形成良好的焊接效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光焊接技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究,其中陳勇等[37]針對(duì)304不銹鋼TIG焊與激光焊接工藝進(jìn)行了對(duì)比研究,如圖4所示。

圖4 TIG焊和激光焊焊縫中心微觀組織[37]Fig.4 Center microstructure of TIG welding and laser welding seams[37]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較TIG焊,激光焊接焊縫面積以及正反面焊縫寬度更小;通過(guò)掃描電鏡對(duì)焊縫組織進(jìn)行觀察,激光焊接焊縫組織奧氏體和δ鐵素體形成的樹(shù)枝狀晶體更多,且尺寸更加細(xì)小;拉伸破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,激光焊接試樣抗拉強(qiáng)度更大,塑性更好,且激光焊接接頭顯微硬度更高。

在激光焊接輔助技術(shù)方面,雷正龍等[38]針對(duì)鋁合金激光焊接接頭性能下降的問(wèn)題,開(kāi)展了超聲振動(dòng)輔助激光焊接的研究,如圖5所示。超聲波的引入增加了焊接熔池成分的均勻性,起到了細(xì)化晶粒的作用,提高了焊接接頭的塑性和抗拉強(qiáng)度。與未引入超聲輔助焊接的結(jié)果相比,焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高了40 MPa,接頭延伸率提高了1.9%?？渍彽萚39]針對(duì)0.5 mm厚純鈦TA2薄板的激光焊接問(wèn)題,開(kāi)展了電弧輔助激光焊接實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,相較激光焊接,電弧輔助激光焊接焊縫正面熔寬減小了13.5%,正面余高減小了7.5%。

圖5 5A06鋁合金激光焊接焊縫成型[38]Fig.5 Weld formation of 5A06 aluminum alloy laser welding[38]

在激光焊接數(shù)值模擬方面,王偉等[40]采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)鈦/鋁異種合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,如圖6所示。仿真結(jié)果表明,焊縫中心處應(yīng)力值最大,焊縫兩側(cè)等效殘余應(yīng)力非對(duì)稱分布,表現(xiàn)出“兩端受壓,中間受拉”的分布特征,且焊縫正反面余高處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。周勇等[41]建立了12 mm厚HG785D高強(qiáng)度鋼激

圖6 鈦/鋁異種合金激光-電弧復(fù)合焊實(shí)際熔合線形狀與仿真結(jié)果對(duì)比[40]Fig.6 Comparison between actual fusion line shape and simulation results of laser arc welding of titanium/aluminum dissimilar alloy[40]

光-MIG復(fù)合焊接的熱源模型,并開(kāi)展了焊接實(shí)驗(yàn)。采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)復(fù)合焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)獲得的焊接接頭溫度場(chǎng)循環(huán)曲線規(guī)律吻合,獲得了12 mm厚HG785D高強(qiáng)度鋼激光-MIG復(fù)合焊接最佳工藝參數(shù)。

2.2 激光增材制造技術(shù)

激光增材制造技術(shù)(Laser Additive Manufacturing,LAM)以高能激光為能量源,以CAD等數(shù)字模型為基礎(chǔ),通過(guò)逐層堆疊的方式,將粉末狀、絲狀等原材快速制造成三維零件。與其他增材制造技術(shù)相比,激光的功率密度更高,不受零件材料和結(jié)構(gòu)的限制,可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)(例如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、大型薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)等)以及難加工材料(例如陶瓷材料、復(fù)合材料、鎳基材料等)的加工制造。通常來(lái)說(shuō),按照成形原理,激光增材制造技術(shù)可以分為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(Selecting Laser Melting,SLM)和激光熔化沉積技術(shù)(Laser Melting Depositon,LMD)。

SLM技術(shù)在激光增材制造技術(shù)中得到了最為廣泛的應(yīng)用。王文權(quán)等[42]采用SLM技術(shù)制備了TiN/Inconel復(fù)合材料,并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比IN718合金,SLM成型復(fù)合材料的顯微硬度提高了39 HV0.2,抗拉強(qiáng)度提升了74 MPa。此外,經(jīng)過(guò)均勻化+固溶時(shí)效熱處理后,復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度提升了410 MPa。Van等[43]以及Chen等[44]都通過(guò)SLM技術(shù)制備了多孔Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu),用于代替人的骨骼,如圖7所示。Chen等通過(guò)CAD設(shè)計(jì)了孔隙度為40%~80%,孔徑為600~1000 μm的多孔結(jié)構(gòu),并通過(guò)進(jìn)一步減小粉末尺寸和激光束直徑獲得了更精確的SLM多孔形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,孔隙度為67%的試樣與人體骨骼最為匹配,其楊氏模量為15 GPa,屈服應(yīng)力為129 MPa。PARRY等[45]為了探究激光掃描策略對(duì)SLM制備的成型結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的影響,采用熱力學(xué)模型進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生殘余應(yīng)力的溫度梯度機(jī)制。結(jié)果表明,零件中殘余應(yīng)力的分布呈各向異性,殘余應(yīng)力最大分量與激光掃描矢量平行。

圖7 采用SLM技術(shù)制備的Ti-6Al-4V多孔試樣[44]Fig.7 Ti-6Al-4V porous sample prepared by SLM technology[44]

目前各國(guó)學(xué)者針對(duì)LMD技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。張榮偉等[46]針對(duì)封閉式薄壁空心球體等零部件的制造,提出了連續(xù)多姿態(tài)LMD成形方法,將原始3D模型分段規(guī)劃,并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,重熔處理后各沉積角球面粗糙度Ra=1.1 μm,提高了LMD成形方法對(duì)封閉構(gòu)件的制造能力。陳研等[47]為了提高沉積層的致密度,開(kāi)展了超聲波輔助LMD成形技術(shù)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用該技術(shù)能夠獲得Al-12Si沉積層致密度達(dá)到99.1%的試樣,并且相較無(wú)超聲波輔助LMD,試樣抗拉強(qiáng)度提高了17%,延伸率提高了53%。Shi等[48]采用光內(nèi)送粉技術(shù),對(duì)扭曲薄壁狀零件的LMD技術(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)利用六軸機(jī)器人進(jìn)行空間變換,保持噴頭與零件的生長(zhǎng)方向相切,成功地沉積了花瓶狀金屬零件,如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,成型件壁厚均勻,顯微組織細(xì)小,顯微硬度較高。

圖8 空心球體LMD成形[46]Fig.8 Hollow sphere LMD forming[46]

除了上述幾種在精密加工領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣,發(fā)展程度較為成熟的激光加工技術(shù)以外,隨著科研人員對(duì)激光加工技術(shù)的不斷研究,還開(kāi)發(fā)出了其他具有重要應(yīng)用價(jià)值的激光加工技術(shù),包括:激光打標(biāo)技術(shù)[49]、激光雕刻技術(shù)[50]、激光微納技術(shù)[51]等。

3 結(jié)論與展望

綜述了激光技術(shù)在精密測(cè)量和加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,并分別討論了激光測(cè)量技術(shù)和激光加工技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)以及目前存在的問(wèn)題。作為一種高分辨力、高準(zhǔn)確度、非接觸的測(cè)量方式,激光測(cè)量技術(shù)在目前的精密測(cè)量領(lǐng)域中仍然不可替代。但是,激光測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較高,當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí),會(huì)掩蓋真實(shí)信號(hào),引起整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)失調(diào),這已成為制約激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于精密測(cè)量領(lǐng)域的因素之一。激光加工技術(shù)具有能量密度高、加工速度快、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn),但仍存在被加工物體激光反射率高導(dǎo)致激光能量利用率低、激光加工系統(tǒng)的柔性較差、各環(huán)節(jié)之間的合作融合不夠等問(wèn)題,亟需科研人員開(kāi)展相關(guān)研究解決。

在精密測(cè)量領(lǐng)域,后續(xù)的研究將圍繞以下內(nèi)容展開(kāi):1)測(cè)量信號(hào)噪聲的分析與抑制技術(shù)研究:在激光測(cè)量系統(tǒng)中存在大量的由于激光反射、散射及環(huán)境光所造成的噪聲信號(hào),會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。因此需要開(kāi)展針對(duì)此類噪聲的理論分析及抑制技術(shù)研究,以減小噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾;2)提高激光精密測(cè)量系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的精密測(cè)量能力:激光精密測(cè)量技術(shù)已逐漸應(yīng)用于產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、裝配、測(cè)試等各個(gè)環(huán)節(jié),針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的復(fù)雜性和場(chǎng)地條件的局限性問(wèn)題,需要對(duì)激光測(cè)量系統(tǒng)的小型化、測(cè)量誤差的快速標(biāo)定、測(cè)量方案的自主化決定以及保證在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量準(zhǔn)確性等進(jìn)行深入研究;3)激光測(cè)量技術(shù)與先進(jìn)光電技術(shù)相結(jié)合:激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與光電技術(shù)的發(fā)展密不可分,未來(lái)CCD/CMOS等圖像傳感器、PSD位置敏感傳感器、光電二極管等光電技術(shù)的不斷發(fā)展,將不斷提高激光與圖像檢測(cè)的靈敏度和速度。將激光測(cè)量技術(shù)與先進(jìn)光電技術(shù)相結(jié)合,將大幅提高激光精密測(cè)量的準(zhǔn)確度和效率。

在精密加工領(lǐng)域中,后續(xù)的研究也將圍繞以下內(nèi)容展開(kāi):針對(duì)被加工物體的材料對(duì)激光的反射率較高問(wèn)題,可將高反射率的激光光源改為低反射率的激光光源,提高激光的輸入能力,有效提高加工效率,節(jié)約生產(chǎn)資源;將激光焊接、激光增材制造等多種激光精密加工技術(shù)相結(jié)合,集成于一臺(tái)激光加工中心上,以提高激光加工系統(tǒng)的柔性;將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)等結(jié)合起來(lái),構(gòu)建智能化的加工中心,對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行全程感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策,不僅可以大幅提高激光精密加工的生產(chǎn)效率,還能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。可以預(yù)見(jiàn)的是,激光技術(shù)將在精密測(cè)量和加工領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。