CN103878495A - 一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，包括：装夹焦距不同的多个聚焦透镜和工件；若为深槽加工，则使激光束连续输出；完成一遍激光刻蚀加工；若为深孔加工，则输出N个激光脉冲；之后关闭激光，使工作台运动回到初始位置；检测加工是否满足要求；若满足，则加工结束；若不满足，则旋转聚焦透镜座，使下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，重新进行激光加工，直至满足要求。本发明通过聚焦透镜座的旋转，使得脉冲激光束依次穿透不同焦距的聚焦镜片，焦距实现渐进变化，从而使得激光始终聚焦在激光刻蚀或打孔过程中露出来的新表面，能量更集中，打孔深度更大，效率更高。本发明同时提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置。

Description

一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法及装置
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法及装置。
背景技术
激光刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，实现刻槽或打孔的加工效果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。
激光刻槽或打孔原理是利用脉冲激光106～109W/cm2的高功率密度及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料熔化、蒸发，并辅助以高速气流进行各种材料的去除来实现深槽或深孔的加工。加工过程的热物理-化学机理已有著作和文献阐述，可以简要描述如下：激光束初始经过聚焦透镜后照射在处于焦平面的工件上，使被加工材料表面的温度迅速上升。当温度上升到接近于材料的蒸发温度时，激光对材料的去除加工开始进行。此时固态金属发生强烈的相变，最先金属开始熔化。随着温度不断上升，一部分熔融金属及固态金属开始产生蒸发效应，气化后的金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而将底部新的表面暴露在激光束照射之下，从而持续产生熔化、蒸发与喷溅。在激光加工头辅助吹气气流作用下，随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来并被气流带走，露出新的底部表面以接受激光照射。通过这种不断的照射、熔化-蒸发、喷溅、照射，直至达到要求的激光刻蚀深度或穿透整个工件材料。与此同时，激光束按照设定的速度和路径移动，以获得要求的激光刻蚀加工沟槽。
显然，在激光刻槽或打孔过程中，随着激光照射、熔化-蒸发、喷溅的不断进行，新生成的被照射表面越来越矮，亦即距离激光束的初始焦平面越来越远，从而产生越来越大的离焦量，这种离焦量的产生会导致激光光斑变大、能量分散，进一步使得加工的沟槽变宽、加工效率降低。
激光精密打孔技术一般都要求孔径小、入口和出口的孔径偏差小、孔圆度好，但是采用传统的激光打孔技术很难达到，由于激光焦距固定，激光束的发射特性使得加工深孔的出入孔径偏差很大、孔圆度不好，一旦孔深度大大超出激光束的聚焦焦深，会由于激光能量密度不够而无法加工，深孔的深径比难以提高。
并且，由上述激光刻槽或打孔的热物理-化学机理可知，激光加工过程中同时发生熔化和蒸发两种效应，激光作用区域温度较低时主要是熔化，温度足够高时才发生蒸发，温度越高，蒸发越剧烈。在激光加工过程中，材料受到熔化或蒸发的质量比例是由温度决定，亦即由所照射的激光功率密度决定。对于加工质量而言，随着刻槽深度或孔深度的提高，亦即激光束离焦量的增大，光斑尺寸同步增大，使得加工区域受到的激光功率密度下降，上述激光加工过程中的蒸发效应下降，熔化比例增加，喷溅力度不够，从而会导致在深槽或深孔的边缘或出口处会存在更多粘附熔渣，亦即所谓“毛刺”现象，无法消除。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，该变焦距激光精密加工深槽深孔的方法在加工时焦距动态调整，能量更集中、材料蒸发更充分、从而使得刻槽更精细、效率更高、深孔圆度和深径比提高、大大减少了毛刺现象，并且加工装置光路结构简单，易拆装，惯性小、运动精度高，散热效果好，较传统方法更加适合长时间、高效率、高精度的深槽或深孔激光精密加工应用需求。本发明还同时提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，包括如下步骤：
(1)将多个焦距不同的聚焦透镜安装在同一个聚焦透镜座上，其安装方位是：多个聚焦透镜在与聚焦透镜座中心轴线距离为R的圆周方向上均匀排布，多个聚焦透镜按焦距长短排序，以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装，所有聚焦透镜的中心轴线均与聚焦透镜座的中心轴线平行；其中，R小于聚焦透镜座的半径；
(2)将工件安装在工作台上，所述工件可由工作台带动做X-Y两个方向的平移运动，激光束由聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；其中，XYZ构成直角坐标系；
(3)进行单次激光加工操作，若激光加工类型为深槽加工，则执行步骤(4)，若激光加工类型为深孔加工，则执行步骤(5)；
(4)开启激光器，保持激光束输出；同时启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑由初始位置开始，在工件表面发生移动，其移动轨迹与工件表面待刻蚀加工图形一致，直至工件表面待刻蚀加工图形的位置全部经历过一遍激光刻蚀加工；转入步骤(6)；
(5)启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑位于工件表面的待打孔位置；然后开启激光器，输出N个激光脉冲，其中N为大于0的整数；之后进入步骤(6)；
(6)关闭激光，使工作台运动回到初始位置，亦即激光束在工件表面的聚焦光斑回到初始位置；
(7)检测判断第(4)步或者第(5)步加工后的深槽或深孔的深度是否满足要求；若满足，则加工结束，转入步骤(9)；若不满足，进入步骤(8)；
(8)旋转聚焦透镜座，使得当前聚焦透镜移开，退出加工过程；下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，加入加工工程；且满足条件：加入加工工程的聚焦透镜的焦距大于退出加工过程的聚焦透镜的焦距，二者的焦距差delta_f在0.005mm～0.5mm范围内；
返回步骤(3)；
(9)结束。
本发明还同时提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置，包括工作台、激光器和聚焦光路系统，所述聚焦光路系统包括コ字形支撑架、导光机构、多片聚焦透镜、聚焦透镜座、聚焦透镜座旋转机构、旋转筒和固定套筒；
所述工作台为一两轴运动平台，可带动工件做X-Y两个方向的平移运动；激光器发射的激光束入射到聚焦光路系统中，通过聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面，其中，XYZ构成直角坐标系；
所述コ字形支撑架包括顶板、底板和连接顶板与底板的竖直支撑板，所述竖直支撑板上开设有激光入射孔和用于将コ字形支撑架固定到加工机床上的多个螺钉孔；
所述聚焦透镜座呈圆盘形，聚焦透镜座的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔，多个圆形安装孔的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔的中心轴线应该与聚焦透镜座的中心轴线平行；
所述多片聚焦透镜的焦距互不相同；多个聚焦透镜分别固定安装在多个圆形安装孔上，其安装方位使得所述多个聚焦透镜的中心轴线，以及聚焦透镜座的中心轴线均相互平行；
所述多个聚焦透镜在多个圆形安装孔的安装顺序是：以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装在多个圆形安装孔上；
所述固定套筒的上端紧固连接在顶板的内侧，固定套筒的下端通过推力滚子轴承与旋转筒连接；
所述导光机构包括至少一个45度反射镜，所述45度反射镜安装在固定套筒内，所述固定套筒的侧面上设置有导光孔；
所述45度反射镜的安装方位应该使得从激光入射孔和导光孔入射的激光束经45度反射镜的反射后，其光路行进方向转折到竖直向下，即与聚焦透镜座的中心轴线平行；
所述聚焦透镜座旋转机构包括驱动电机、主动轮和从动轮，所述主动轮由驱动电机带动旋转，所述从动轮与主动轮啮合实现运动和动力的传递；所述聚焦透镜座旋转机构用于驱动聚焦透镜座沿其自身中心轴线旋转；
所述从动轮中心设置有圆孔，其上端面边沿与旋转筒下端的法兰固定连接在一起，圆孔的内壁上设置有有用于安装聚焦透镜座的第一环形台阶；旋转筒为空心环形，环形内腔的底部设置有第二环形台阶，所述聚焦透镜座的直径恰好与第一环形台阶和第二环形台阶匹配，使得聚焦透镜座可以水平搁置在第一环形台阶上，由第二环形台阶压紧，并且使得聚焦透镜座的中心轴线与从动轮的旋转轴线重合；
所述导光机构与聚焦透镜座的安装方位应使得外部入射的激光束经过45度反射镜的转折之后，垂直入射进入任意一个聚焦透镜，之后聚焦在工件表面。
优选的，聚焦透镜座的中心位置还设置有一吹气孔，吹气孔的中心轴线与聚焦透镜座的中心轴线平行。
优选的，所述主动轮和从动轮均为齿轮。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所述的变焦距激光精密加工深槽深孔方法，通过聚焦透镜座的旋转，使得脉冲激光束依次穿透不同焦距的聚焦镜片，焦距可以实现渐进变化，从而使得激光始终聚焦在激光刻蚀或打孔过程中露出来的新表面，能量更集中，打孔深度更大，效率更高。
2、众所周知，激光加工头中的光学镜片是易耗品，主要原因是热损伤。本发明中多个聚焦透镜镜片轮流使用，同时镜片的旋转也可以使得镜片附近空气流动加快，聚焦透镜座中心设置的吹气孔也可以有效带走周围安装的聚焦透镜镜片热量，因此比传统没有中心吹气孔、始终使用的单个镜片形式的散热效果更好，激光加工头的光学镜片寿命大大延长，可以有效减轻因透镜受热膨胀产生的热透镜效应，可以防止镜片表面镀膜因温度过高而损坏剥落，对于低功率激光加工场合甚至可以省去传统加工头必不可少的镜头液体冷却组件。
3、传统激光刻槽或打孔技术，在加工金属材料时，深槽或深孔的边缘和出口处会存在液体熔渣的挂璧粘附，最后凝固而导致熔渣毛刺，事后也很难去除，因此这种毛刺是衡量激光加工深槽或深孔质量的重要指标。本发明利用了多次变焦距加工，加工区域的激光束离焦量较传统定焦距加工方法更小，光斑尺寸更小，功率密度更高，材料蒸发比例更大，从而去除材料中液体熔融物数量更少，加上更强烈蒸发-喷溅效应，使得深槽或深孔的边缘和出口处的液体熔渣挂璧粘附数量显著减少，毛刺现象大大减少，加工质量得到有效提高。
4、采用本发明的方法加工出的深孔圆度更好、深径比更大，这是因为发明利用了多次多脉冲的渐进焦距加工，离焦量小，通过可以选择较少的单次加工去除材料数量，类似激光研磨效果，使得加工出的深孔圆度更好、深径比更大，解决了传统激光加工深孔时离焦量过大导致功率密度不够无法提高深径比的不足，改善了传统打孔方法由于离焦量导致的喇叭口现象，孔的入口和出口孔径偏差也更小。
5、传统激光加工方法和设备，基本都是通过调节聚焦透镜和工件表面的距离来调节加工焦距，由工件或激光加工头沿Z方向相对运动实现。本发明中，激光加工头整体固定不动，只是加工头内的一部分组件(聚焦透镜座)旋转运动，由聚焦透镜的轮换实现加工焦距的调节，因此加工设备无须设置Z轴运动机构。相比激光加工头整体而言，本发明的聚焦透镜座运动部件重量轻、惯性小，从而保持加速度大、速度快的同时，还能保证运动很高的运动精度，并且这种轻负载使得加工耗能更小，成本更低。
6、本发明中由于激光作用区域离焦量的大大减小，激光能量十分集中，使得刻槽或打孔时熔化、蒸发和飞溅更加迅速和剧烈，热传导耗散降低，因此这种加工过程具有更少的激光能量消耗，更高的刻槽或打孔效率，实际应用时可以选择比传统方法更低的激光能量，对加工设备中的激光器功率要求更低，或者说同等的激光器能量水平下加工能力更高，综合而言设备成本和加工成本更低。
附图说明
图1为变焦距激光精密加工深槽深孔装置的结构图；
图2为聚焦光路系统的结构图；
图3为聚焦透镜座和旋转筒部分的结构图；
图4为聚焦透镜座和聚焦透镜的结构图；
图5为旋转筒的结构图；
图中各标号的含义为：
コ字形支撑架1、聚焦透镜座2、45度反射镜3、固定套筒4、旋转筒5、推力滚子轴承6、导光孔7、激光入射孔8、螺钉孔9、驱动电机10、主动轮11、从动轮12、圆形安装孔21、吹气孔22、工作台13、激光器14、聚焦光路系统15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1-5所示，本发明提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置，包括工作台13、激光器14和聚焦光路系统15，所述聚焦光路系统15包括コ字形支撑架1、导光机构、多片聚焦透镜、聚焦透镜座2、聚焦透镜座旋转机构、旋转筒5和固定套筒4；
所述工作台13为一两轴运动平台，可带动工件做X-Y两个方向的平移运动。激光器14发射的激光束入射到聚焦光路系统15中，通过聚焦透镜座2上的某个聚焦透镜中心轴线，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面。其中，XYZ构成直角坐标系。
所述コ字形支撑架1包括顶板、底板和连接顶板与底板的竖直支撑板，所述竖直支撑板上开设有激光入射孔8和用于将コ字形支撑架1固定到加工机床上的多个螺钉孔9。
所述聚焦透镜座2呈圆盘形，聚焦透镜座2的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔21，多个圆形安装孔21的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔21的中心轴线应该与聚焦透镜座2的中心轴线平行；
所述多片聚焦透镜的焦距互不相同；多个聚焦透镜分别固定安装在多个圆形安装孔21上，其安装方位使得所述多个聚焦透镜的中心轴线，以及聚焦透镜座21的中心轴线均相互平行；
所述多个聚焦透镜在多个圆形安装孔21的安装顺序是：将多个聚焦透镜按焦距长短排序，即以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装在多个圆形安装孔21上。
所述固定套筒4的上端通过螺钉紧固连接在顶板的内侧，固定套筒4的下端通过推力滚子轴承6与旋转筒5连接，这样使得旋转筒5可以自由旋转。
所述导光机构包括至少一个45度反射镜3，所述45度反射镜3安装在固定套筒4内，所述固定套筒4的侧面上设置有导光孔7。
所述45度反射镜3的安装方位应该使得激光器14发射的激光束，从激光入射孔8和导光孔7入射的激光束经45度反射镜3的反射后，其光路行进方向转折到竖直向下，即与聚焦透镜座2的中心轴线平行。
所述聚焦透镜座旋转机构包括驱动电机10、主动轮11和从动轮12，所述主动轮11由驱动电机10带动旋转，所述从动轮12与主动轮11啮合实现运动和动力的传递；
所述聚焦透镜座旋转机构5用于驱动聚焦透镜座2沿其自身中心轴线旋转，从而使得多个聚焦透镜也绕聚焦透镜座2的中心轴线公转。
所述从动轮12中心设置有圆孔，其上端面边沿通过螺钉与旋转筒5下端的法兰固定连接在一起，圆孔的内壁上设置有有用于安装聚焦透镜座2的第一环形台阶；旋转筒5为空心环形，环形内腔的底部设置有第二环形台阶，所述聚焦透镜座2的直径恰好与第一环形台阶和第二环形台阶匹配，使得聚焦透镜座2可以水平搁置在第一环形台阶上，由第二环形台阶压紧，并且使得聚焦透镜座2的中心轴线与从动轮12的旋转轴线重合；
所述导光机构与聚焦透镜座2的安装方位应使得外部入射的激光束经过45度反射镜3的转折之后，垂直入射进入任意一个聚焦透镜，之后聚焦在工件表面。
聚焦透镜座2的中心位置设置有一吹气孔22，吹气孔22的中心轴线与聚焦透镜座2的中心轴线平行；コ字形支撑架1的顶板上设置有一进气孔，保护气体经进气孔进入固定套筒4和旋转筒5内，通过吹气孔22吹出，用于激光加工的过程中的辅助吹气。
本发明还提供了一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，包括如下步骤：
(1)将多个焦距不同的聚焦透镜安装在同一个聚焦透镜座2上，其安装方位是：多个聚焦透镜在与聚焦透镜座2中心轴线距离为R的圆周方向上均匀排布，多个聚焦透镜按焦距长短排序，以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装，所有聚焦透镜的中心轴线均与聚焦透镜座的中心轴线平行；其中，R小于聚焦透镜座的半径；
(2)将工件安装在工作台13上，所述工件可由工作台13带动做X-Y两个方向的平移运动，激光束由聚焦透镜座2上的某个聚焦透镜中心轴线入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；其中，XYZ构成直角坐标系；
(3)进行单次激光加工操作，若激光加工类型为深槽加工，则执行步骤(4)，若激光加工类型为深孔加工，则执行步骤(5)；
(4)开启激光器14，使激光束连续输出；同时启动工作台13运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑由初始位置开始，在工件表面发生移动，其移动轨迹与工件表面待刻蚀加工图形一致，直至工件表面待刻蚀加工图形的位置全部经历过一遍激光刻蚀加工；转入步骤(6)；
(5)启动工作台13运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑位于工件表面的待打孔位置；然后开启激光器14，根据预先设置的激光输出参数中的出光延时和关光延时，控制输出N(N>0)个激光脉冲；之后进入步骤(6)；
(6)关闭激光，使工作台13运动回到初始位置，亦即激光束在工件表面的聚焦光斑回到初始位置；
(7)检测判断第(4)步或者第(5)步加工后的深槽或深孔的深度是否满足要求；若满足，则加工结束，转入步骤(9)；若不满足，进入步骤(8)；
(8)旋转聚焦透镜座2，使得当前聚焦透镜移开，退出加工过程；下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，加入加工工程；且满足条件：加入加工工程的聚焦透镜的焦距大于退出加工过程的聚焦透镜的焦距，二者的焦距差delta_f在0.005mm～0.5mm范围内；
返回步骤(3)；
(9)结束。
在进行激光加工之前，需要根据激光精密加工深槽或深孔的技术要求，设置激光输出参数、工作台运动参数、聚焦透镜座旋转运动参数，具体是：
脉冲激光器的激光输出参数，包括激光功率、重复频率、脉冲宽度、出光延时、关光延时等；工作台运动参数，包括速度、加速度、运动轨迹等；聚焦透镜座旋转运动参数，包括速度、加速度、延迟间隔等。
其中，激光输出参数、工作台运动参数、聚焦透镜座旋转运动参数三者必须协调，其协调规则应该满足以后步骤的序列加工动作的时序要求。上述各参数如何设置为本领域的现有技术，本发明在此不进行赘述。
实施例一：
利用上述装置进行变焦距激光精密加工深槽的方法，具体包括如下步骤：
(1)在变焦距激光精密加工深槽深孔装置上装夹工件，以及聚焦透镜座上均匀布置安装6个聚焦透镜，使得其满足如下条件：
1)激光束由聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；
2)工件可由工作台带动做X-Y两个方向的平移运动，即使得激光束聚焦光斑在工件表面发生相对移动；
3)XYZ构成直角坐标系；
4)聚焦透镜座直径为180mm，上面安装的6个聚焦透镜的直径均为25mm，焦距分别为120.0mm、120.1mm、120.2mm、120.3mm、120.4mm、120.5mm，其安装方位是：聚焦透镜圆心在与聚焦透镜座中心轴线的距离为70mm的圆周方向上均匀排布，聚焦透镜按焦距长短排序，以顺时针方向按照焦距从长到短依次安装，所有聚焦透镜的中心轴线均与聚焦透镜座的中心轴线平行，其中相邻两个聚焦透镜的焦距差delta_f为0.1mm。
(2)开启激光器，使激光束连续输出；其中，激光器的参数为：输出功率可调范围1W～1000W、重复频率可调范围10Hz～300KHZ、脉冲宽度可调范围200fs～500ns、出光延时小于500us、关光延时小于500us。
同时启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑由初始位置开始，在工件表面发生移动，其移动轨迹与工件表面待刻蚀加工图形一致，直至工件表面待刻蚀加工图形的位置全部经历过一遍激光刻蚀加工；其中，工作台的移动速度设定为0.1mm/s～100mm/s范围内调节、加速度可调范围10mm/s2～10000mm/s2。
(3)关闭激光，使工作台运动回到初始位置，亦即激光束在工件表面的聚焦光斑回到初始位置；
(4)检测加工出的深槽是否满足要求；若满足，则加工结束；若不满足，则通过聚焦透镜座旋转机构驱动聚焦透镜座旋转，使得当前聚焦透镜移开，退出加工过程；下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，加入加工工程；且满足条件：加入加工工程的聚焦透镜的焦距大于退出加工过程的聚焦透镜的焦距，返回步骤(3)继续进行加工，直至满足加工要求。其中，聚焦透镜座旋转运动参数可以设为，旋转角速度0.1rad/s～100rad/s、角加速度可调范围0.1rad/s2～1000rad/s2、延迟间隔大于10ms。
实施例二：
利用上述装置进行变焦距激光精密加工深孔的方法，具体包括如下步骤：
(1)在变焦距激光精密加工深槽深孔装置上装夹工件和8个聚焦透镜，使得其满足如下条件：
1)激光束由聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；
2)工件可由工作台带动做X-Y两个方向的平移运动，即使得激光束聚焦光斑在工件表面发生相对移动；
3)XYZ构成直角坐标系；
4)聚焦透镜座直径为250mm，上面安装的8个聚焦透镜的直径均为30mm，焦距分别为100.0mm、120.2mm、120.4mm、120.6mm、120.8mm、121.0mm、121.2mm、121.4mm，其安装方位是：聚焦透镜圆心在与聚焦透镜座中心轴线的距离为100mm的圆周方向上均匀排布，聚焦透镜按焦距长短排序，以顺时针方向按照焦距从长到短依次安装，所有聚焦透镜的中心轴线均与聚焦透镜座的中心轴线平行，其中相邻两个聚焦透镜的焦距差delta_f为0.2mm。
(2)启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑位于工件表面的待打孔位置；其中，工作台的移动速度设定为0.1mm/s～100mm/s范围内调节、加速度可调范围10mm/s2～10000mm/s2。
然后开启激光器，根据预先设置的激光输出参数，控制输出N(N>0)个激光脉冲；其中，激光器的参数为：输出功率可调范围1W～2000W、重复频率可调范围10Hz～1000KHz、脉冲宽度可调范围200fs～1ms、出光延时小于500us、关光延时小于500us。
(3)关闭激光，使工作台运动回到初始位置，亦即激光束在工件表面的聚焦光斑回到初始位置；
(4)检测判断加工后的深孔的深度是否满足要求；若满足，则加工结束；若不满足，则通过聚焦透镜座旋转机构驱动聚焦透镜座旋转，使得当前聚焦透镜移开，退出加工过程；下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，加入加工工程；且满足条件：加入加工工程的聚焦透镜的焦距大于退出加工过程的聚焦透镜的焦距，返回步骤(3)继续加工，直至满足加工要求。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (4)

1.一种变焦距激光精密加工深槽深孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将多个焦距不同的聚焦透镜安装在同一个聚焦透镜座上，其安装方位是：多个聚焦透镜在与聚焦透镜座中心轴线距离为R的圆周方向上均匀排布，多个聚焦透镜按焦距长短排序，以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装，所有聚焦透镜的中心轴线均与聚焦透镜座的中心轴线平行；其中，R小于聚焦透镜座的半径；
(2)将工件安装在工作台上，所述工件可由工作台带动做X-Y两个方向的平移运动，激光束由聚焦透镜座上的某个聚焦透镜中心轴线入射，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面；其中，XYZ构成直角坐标系；
(3)进行单次激光加工操作，若激光加工类型为深槽加工，则执行步骤(4)，若激光加工类型为深孔加工，则执行步骤(5)；
(4)开启激光器，保持激光束输出；同时启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑由初始位置开始，在工件表面发生移动，其移动轨迹与工件表面待刻蚀加工图形一致，直至工件表面待刻蚀加工图形的位置全部经历过一遍激光刻蚀加工；转入步骤(6)；
(5)启动工作台运动，使得激光束在工件表面的聚焦光斑位于工件表面的待打孔位置；然后开启激光器，输出N个激光脉冲，其中N为大于0的整数；之后进入步骤(6)；
(6)关闭激光，使工作台运动回到初始位置，亦即激光束在工件表面的聚焦光斑回到初始位置；
(7)检测判断第(4)步或者第(5)步加工后的深槽或深孔的深度是否满足要求；若满足，则加工结束，转入步骤(9)；若不满足，进入步骤(8)；
(8)旋转聚焦透镜座，使得当前聚焦透镜移开，退出加工过程；下一个聚焦透镜移动到当前聚焦透镜的位置，加入加工工程；且满足条件：加入加工工程的聚焦透镜的焦距大于退出加工过程的聚焦透镜的焦距，二者的焦距差delta_f在0.005mm～0.5mm范围内；
返回步骤(3)；
(9)结束。
2.一种变焦距激光精密加工深槽深孔装置，其特征在于，包括工作台(13)、激光器(14)和聚焦光路系统(15)，所述聚焦光路系统(15)包括コ字形支撑架(1)、导光机构、多片聚焦透镜、聚焦透镜座(2)、聚焦透镜座旋转机构、旋转筒(5)和固定套筒(4)；
所述工作台(13)为一两轴运动平台，可带动工件做X-Y两个方向的平移运动；激光器14发射的激光束入射到聚焦光路系统(15)中，通过聚焦透镜座(2)上的某个聚焦透镜中心轴线，沿Z方向垂直入射并聚焦在工件表面，其中，XYZ构成直角坐标系；
所述コ字形支撑架(1)包括顶板、底板和连接顶板与底板的竖直支撑板，所述竖直支撑板上开设有激光入射孔(8)和用于将コ字形支撑架(1)固定到加工机床上的多个螺钉孔(9)；
所述聚焦透镜座(2)呈圆盘形，聚焦透镜座(2)的边沿内侧沿圆周方向均匀设置有多个尺寸相同的圆形安装孔(21)，多个圆形安装孔(21)的圆心位于同一圆周上；多个圆形安装孔(21)的中心轴线应该与聚焦透镜座(2)的中心轴线平行；
所述多片聚焦透镜的焦距互不相同；多个聚焦透镜分别固定安装在多个圆形安装孔(21)上，其安装方位使得所述多个聚焦透镜的中心轴线，以及聚焦透镜座(21)的中心轴线均相互平行；
所述多个聚焦透镜在多个圆形安装孔(21)的安装顺序是：以顺时针方向按照焦距从长到短或从短到长的次序依次安装在多个圆形安装孔(21)上；
所述固定套筒(4)的上端紧固连接在顶板的内侧，固定套筒(4)的下端通过推力滚子轴承(6)与旋转筒(5)连接；
所述导光机构包括至少一个45度反射镜(3)，所述45度反射镜(3)安装在固定套筒(4)内，所述固定套筒(4)的侧面上设置有导光孔(7)；
所述45度反射镜(3)的安装方位应该使得从激光入射孔(8)和导光孔(7)入射的激光束经45度反射镜(3)的反射后，其光路行进方向转折到竖直向下，即与聚焦透镜座(2)的中心轴线平行；
所述聚焦透镜座旋转机构包括驱动电机(10)、主动轮(11)和从动轮(12)，所述主动轮(11)由驱动电机(10)带动旋转，所述从动轮(12)与主动轮(11)啮合实现运动和动力的传递；所述聚焦透镜座旋转机构(5)用于驱动聚焦透镜座(2)沿其自身中心轴线旋转；
所述从动轮(12)中心设置有圆孔，其上端面边沿与旋转筒(5)下端的法兰固定连接在一起，圆孔的内壁上设置有有用于安装聚焦透镜座(2)的第一环形台阶；旋转筒(5)为空心环形，环形内腔的底部设置有第二环形台阶，所述聚焦透镜座(2)的直径恰好与第一环形台阶和第二环形台阶匹配，使得聚焦透镜座(2)可以水平搁置在第一环形台阶上，由第二环形台阶压紧，并且使得聚焦透镜座(2)的中心轴线与从动轮(12)的旋转轴线重合；
所述导光机构与聚焦透镜座(2)的安装方位应使得外部入射的激光束经过45度反射镜(3)的转折之后，垂直入射进入任意一个聚焦透镜，之后聚焦在工件表面。
3.根据权利要求2所述的变焦距激光精密加工深槽深孔装置，其特征在于，聚焦透镜座(2)的中心位置还设置有一吹气孔(22)，吹气孔(22)的中心轴线与聚焦透镜座(2)的中心轴线平行。
4.根据权利要求3所述的变焦距激光精密加工深槽深孔装置，其特征在于，所述主动轮(11)和从动轮(12)均为齿轮。
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