CN102773605B - 一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工领域，公开了一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统，具体为：两个或者两个以上的旋转光束模块串联，最后的输出光束在沿着最后一个旋转模块入射光的光轴公转的同时还沿着公转轨迹进行自转动，再经过光学聚焦系统，得到聚焦光束，若其聚焦焦点的填充运动轨迹横截面为实心圆，可实现用高斯激光达到平顶激光加工效果，且保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工的特点；若其聚焦焦点的填充运动轨迹横截面为圆环，由于激光刻蚀的缝的宽度较宽，有利于材料熔渣的喷出，大大提高加工效率和加工质量，非常适合激光钻孔和一些脆硬材料的激光铣削加工；若将旋转光束模块锁定，激光恢复窄线宽激光微加工，增加激光设备的应用范围。

Description

一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别是激光铣削、切割和钻孔等领域。

背景技术

旋转光束激光钻孔技术为了进行螺旋式打孔，使用旋转楔形棱镜或者离轴旋转透镜等构成光束旋转器，实现激光光束的旋转，它可以被安装到一个空心轴传动高速电动机上。激光束被严格的调整，高速旋转的光束经过光学聚焦系统，激光焦点会在工件表面旋转，从而加工出所需要的结果，工件固定在二维移动平台，就可以实现大幅面的激光加工。但是这种激光旋转模块本身只能够使得激光在一个圆柱面内或者圆锥面内旋转，不能够在圆柱环内或者圆锥环体内填充旋转，实际上就在一些加工中受到很大限制，需要结合振镜的控制（专利申请号：201010183539.7）或者平台运动辅助实现，工作量很大且加工效果难以控制。

发明内容

本发明的目的在于，把两个或者两个以上的激光光束旋转模块串联起来，使得激光光束在圆柱环内或者圆锥环内进行填充运动，后面配置振镜扫描聚焦系统或者静态聚焦平台运动系统或者振镜扫描聚焦平台运动系统，实现一种全新的加工方式。具体技术方案为：一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统，包括入射光、两个或者两个以上串联起来的旋转光束模块以及配置其后面的激光聚焦系统，所述激光聚焦系统包括振镜扫描聚焦系统或者静态聚焦平台运动系统或者振镜扫描聚焦平台运动系统等；

所述旋转光束模块各自独立旋转，旋转光束模块的输出光束的光轴沿着入射光的光轴进行公转；后一旋转光束模块的输出光束的光轴沿着前一旋转光束模块的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转；

所述入射光经所述旋转光束模块后，再经所述激光聚焦系统，其聚焦焦点的填充运动累积叠加后的轨迹横截面为实心圆或者圆环，实现其聚焦的光束焦点在工件表面反复扫描形成实心圆或者圆环的扫描轨迹；

所述激光聚焦系统包括振镜扫描聚焦系统或者静态聚焦平台运动系统或者振镜扫描聚焦平台运动系统等。

优选的，所述旋转光束模块的旋转平面与其光束传输方向垂直。

优选的，所述旋转光束模块由皮带传动。

优选的，所述旋转光束模块由空心马达驱动。

优选的，所述旋转光束模块中包括倾斜设置的平板光学元件。

优选的，所述旋转光束模块中包括两块对放设置的光楔组合。

本发明的目的是这样实现的：激光光束经过第一旋转光束装置，在第一旋转光束装置旋转作用下，激光光束将扫描形成圆柱面；该旋转光束向前传播，入射第二旋转光束装置，在第二旋转光束装置旋转作用下，激光光束在圆柱环内或者圆锥环内进行填充运动，其具体旋转轨迹与第一旋转光束装置和第二旋转光束装置的具体转速和旋转半径有关，可以根据具体需要，具体选择第一旋转光束装置和第二旋转光束装置的旋转半径和旋转速度以及旋转光束装置的串联个数，就可以得到合适的激光空间填充运动轨迹。出射激光光束的运动可以分解为自转和公转，自转（转速、旋转半径）由第一旋转光束装置决定，公转（转速、旋转半径）由第二旋转光束装置决定，该运动光束经过平场聚焦镜头聚焦，或者经过静态聚焦镜，焦点的运动轨迹与出射激光光轴轨迹一致，从而实现激光加工目的。以此类推，如果需要实现更为复杂的运动轨迹，可以采用多个旋转光束装置串联实现。

旋转光束装置，可以由旋转楔形棱镜或者棱镜组合，或者离轴旋转透镜，或者倾斜旋转透镜或者倾斜平板光学模块等形式构成。

应用本发明的技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

（1）本发明提出将两个或者两个以上的旋转光束模块进行串联，可以很轻松的实现激光圆环填充加工，对于脆硬材料的钻孔非常有利，能够形成比较宽的切缝，便于切割缝隙里面的熔渣喷出来，且孔型极好，边缘质量高。

（2）本发明提出将两个或者两个以上的旋转光束模块进行串联，可以很轻松的实现实心圆填充加工，用高斯光束实现平顶光束的加工效果，同时保留了高斯分布光强的激光加工效果且高斯光束长焦深的特点，这非常适合于盲孔钻孔。

（3）本发明提出将两个或者两个以上的旋转光束模块进行串联，在将旋转光束模块锁定时候，激光设备可以恢复窄线宽激光微加工，增大了同一台激光微加工的应用范围。

附图说明

图1为实施例1不锈钢薄板钻孔的装置结构示意图；

图2为实施例2陶瓷盲孔钻孔的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

图1为不锈钢薄板钻孔的装置结构示意图，由图1可知，不锈钢薄板钻孔中旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统包括入射光线1、第一旋转光束装置筒2、第二旋转光束装置筒5、振镜的第二反射镜片9、振镜的电机12、振镜的第一反射镜片11、远心聚焦镜15以及待加工工件17。

所述待加工工件17为0.5毫米厚度不锈钢薄板。

所述入射光线1为直径为5毫米的入射扩束准直光束。

所述第一旋转光束装置筒2内设有平板蓝宝石玻璃3，所述平板蓝宝石玻璃3的厚度为0.5毫米，倾斜设置在所述第一旋转光束装置筒2内，且与所述入射光线1（激光）的传输方向倾斜角度87.14度。

所述入射光线1经过所述第一旋转光束装置筒2后，得到准直输出光束4，所述入射光线1与所述准直输出光束4平行，且两者的光轴平行间距为25微米。

所述第一旋转光束装置筒2固定在高速空心马达里面，马达可以高速旋转,也可以精确角度定位锁定，这样所述准直输出光束4实际就围绕以所述入射光线1的光轴为轴线高速旋转，所述准直输出光束4的光轴旋转直径50微米，其光轴扫描轨迹为直径50微米的圆柱面。

所述第二旋转光束装置筒5内设有平板蓝宝石玻璃6，所述平板蓝宝石玻璃6的厚度为2毫米，与所述准直输出光束4的传输方向倾斜角度84.3度，所述平板蓝宝石玻璃6的旋转平面经调整垂直于所述准直输出光束4的传输方向。

所述准直输出光束4经过所述第二旋转光束装置筒5后，得到准直输出光束7，所述准直输出光束4与所述准直输出光束7平行，其两者间的光轴平行间距为200微米。

所述第二旋转光束装置筒5固定在高速空心马达里面，马达可以高速旋转,也可以精确角度定位锁定，如果所述准直输出光束4是静止的，所述准直输出光束7实际就围绕以所述准直输出光束7的光轴为轴线高速旋转，旋转直径为400微米，其光轴扫描轨迹为直径为400微米的圆柱面。

所述第一旋转光束装置筒2的转动速度为6000转/分钟，所述第二旋转光束装置筒5的转动速度为600转/分钟，所述准直输出光束7的光轴扫描轨迹横截面将是内径为340微米、外径为460微米的圆柱环。

振镜扫描系统包括第一主轴13、第一反射镜片11、振镜的电机12、第二反射镜片9以及第二主轴8。

所述第一反射镜片11由振镜的电机12的第一主轴13夹持；所述第二反射镜片9由振镜的电机12的第二主轴8夹持。

所述准直输出光束7向前传播，经所述第一反射镜片11反射，输出光束10，所述光束10经所述第二反射镜片9反射，输出反射光束14。

所述准直输出光束7在空间运动时候，所述光束10与所述反射光束14也会在空间相应运动。

所述反射光束14经过所述远心聚焦镜15的镜头后形成汇聚的聚焦光束16，所述聚焦光束16的焦点落在所述待加工工件17上，所述远心聚焦镜15的镜头的焦距为100毫米。

所述聚焦光束16（激光）的相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.1，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模，脉冲重复频率100千赫兹。

所述第一旋转光束装置筒2的转速6000转/分钟，所述第二旋转光束装置筒5的转速是600转/分钟，所述准直输出光束7的轨迹为圆柱环面；相应的，所述光束10和所述反射光束14以与所述准直输出光束7相同的扫描轨迹运动，只是空间方位不同。

所述光束10、反射光束14以及准直输出光束7的光束旋转可以分解为自转和公转，自转转速取决于所述第一旋转光束装置筒2，公转转速取决于所述第二旋转光束装置筒5。

所述反射光束14经过所述远心聚焦镜15的镜头得到所述聚焦光束16，所述聚焦光束16的聚焦焦点位于所述待加工工件17的表面，焦点的轨迹与所述聚焦光束16的光轴轨迹一致，其旋转运动也可以分解为自转和公转，自转转速取决于所述第一旋转光束装置筒2，公转转速取决于所述第二旋转光束装置筒5。

所述聚焦光束16的焦点在所述待加工工件17的表面运动轨迹填充为内径为340微米、外径为460微米的圆环（注意聚焦光斑直径20微米），由于激光焦点以圆环填充方式运动，形成较宽的切割缝宽，非常有利于熔渣的喷出，大大加速钻孔速度，另外由于聚焦光束16（激光）的转速很高，孔的边缘质量很好，热影响区域很小。

振镜的两片反射镜片第一反射镜片11与第二反射镜片9相配合，每加工完毕一个孔，就把焦点移动到下一个位置，所述第一反射镜片11与第二反射镜片9再一次锁定不动，所述聚焦光束16会在相应位置上钻出460微米直径通孔，通过这种方法，可以在所述待加工工件17上钻出所需要的通孔阵列。

所述远心聚焦镜15的加工范围毕竟有限，如果加工幅面不够大，实际上还可以把所述待加工工件17置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工。

实施例2：

图2为陶瓷盲孔钻孔的装置结构示意图，由图2可知，陶瓷盲孔钻孔中旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统包括入射光线21、第一旋转光束装置套筒22、第二旋转光束装置套筒25、激光反射镜片28、静态聚焦镜30以及待加工工件32。

所述待加工工件32为1毫米厚度氧化铝陶瓷片。

所述入射光线21为入射扩束准直光束，光束的直径5毫米。

所述第一旋转光束装置套筒22内设置有两块对放设置的光楔组合23。

所述入射光线21经过所述第一旋转光束装置套筒22后，得到准直输出光束24，所述准直输出光束24与所述入射光线21平行，且两者的光轴平行间距为25微米。

所述第一旋转光束装置套筒22固定在高速空心马达里面，可以高速旋转，也可以高精度角度定位或者归零位置，这样所述准直输出光束24实际就围绕以所述入射光线21的光轴为轴线高速旋转，光轴旋转直径为50微米。

所述第二旋转光束装置套筒25内设置有两块对放设置的光楔组合26。

所述准直输出光束24经过所述第二旋转光束装置套筒25后，得到准直光束27，所述准直光束27与所述准直输出光束24平行，且两者的光轴平行间距为25微米。

所述第二旋转光束装置套筒25固定在高速空心马达里面，可以高速旋转，也可以高精度角度定位或者归零位置，这样所述准直光束27实际就围绕以所述准直输出光束24的光轴为轴线高速旋转，光轴旋转直径为50微米。

所述准直光束27的旋转运动也可以分解为自转和公转，自转（转速和旋转半径）取决于所述第一旋转光束装置套筒22，公转（转速和旋转半径）取决于所述第二旋转光束装置套筒25。所述第一旋转光束装置套筒22的转速6000转/分钟，所述第二旋转光束装置套筒25的转速是600转/分钟，所述准直光束27的光轴填充轨迹为直径100微米的实心圆。

所述激光反射镜片28为45度激光反射镜片。

所述准直光束27经所述激光反射镜片28后，得到反射光束29。

所述静态聚焦镜30为大口径的静态聚焦镜。

所述反射光束29经所述静态聚焦镜30聚焦后，得到聚焦光束31。

所述聚焦光束31的焦点处于所述待加工工件32的表面，所述待加工工件32固定于运动平台台面。

所述反射光束29的运动轨迹与所述准直光束27相同，只是空间位置不同。

所述聚焦光束31的焦点的运动轨迹也是实心圆。这种加工方式的好处是，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。

上述实施例1与实施例2只是本发明的两个典型的应用，实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如还可以在透明材料或者硬脆材料上加工锥形孔甚至盲孔，适合于激光大面积去除材料等。

总之，本发明提出一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统，其重要特点是：两个或者两个以上的旋转光束模块串联起来，使得输出光束光轴在沿着入射光光轴公转的同时，还沿着公转轨迹进行自转或者更复杂的运动，经过光学聚焦系统后如果其聚焦焦点的填充运动轨迹横截面为实心圆，即可实现用高斯激光达到平顶激光加工效果，且保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点；如果其聚焦焦点的填充运动轨迹横截面为圆环，则由于激光刻蚀缝宽较宽，非常利于材料熔渣的喷出，从而大大提高加工效率和加工质量，非常适合激光钻孔和一些脆硬材料的激光铣削加工。如果将旋转光束模块锁定时候，激光可以恢复窄线宽激光微加工，增大了同一台激光微加工设备的加工应用范围。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种旋转光束模块组激光运动轨迹控制系统，其特征在于：包括入射光、两个或者两个以上串联起来的旋转光束模块以及配置其后面的振镜扫描聚焦系统或者静态聚焦平台运动系统或者振镜扫描聚焦平台运动系统；所述旋转光束模块中包括两块对放设置的光楔组或倾斜设置的平板光学元件;所述旋转光束模块各自独立旋转，旋转光束模块的输出光束的光轴沿着其入射光的光轴进行公转；后一旋转光束模块的输出光束的光轴沿着前一旋转光束模块的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转；所述旋转光束模块的旋转平面与其光束传输方向垂直；所述入射光经所述串联旋转光束模块组后，再经所述振镜扫描聚焦系统或者静态聚焦平台运动系统或者振镜扫描聚焦平台运动系统，其聚焦焦点的填充运动轨迹横截面为实心圆或者圆环；所述旋转光束模块由空心马达驱动；所述旋转光束模块可以锁定，在将旋转光束模块锁定时候，激光设备可以恢复窄线宽激光微加工；所述旋转光束模块由皮带传动。