CN104625421A - 一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，包括水平激光束、一个聚焦模块、一个旋转光束模块；该光学旋转光束模块机构光学元件包括两个偏转角为60°的三菱镜、一个平面反射镜和转筒；两个三菱镜对称地固定在转筒的中心轴两端；平面反射镜固定在转筒内壁的中间位置；水平光线从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜偏转后到达平面反射镜；光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜之后射出；在单位时间的作用过程中，光斑的旋转使得作用在固定单位面积上的光斑分布更加均匀，使得激光铣削去除率得到提高，得到更好的表面加工质量。同时可以在旋转光束上加上一定形状的掩膜，模拟刀具的形状，随光束一起旋转，达到铣削的目的。

Description

一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统
技术领域：
本发明设计激光加工领域，具体为激光铣削加工等领域。
背景技术：
激光加工作为一种现代精密加工方法激光铣削的实质是通过激光束与工件之间的热作用来去除材料的。国外学者利用短脉宽、高峰值功率的激光束进行铣削成形,去除效率比较低，不能够满足大批量生产的需求。国内学者采用长脉宽、低重复频率的激光对陶瓷、硬质合金、单晶硅等脆性材料都尝试了高效铣削成形的试验研究，来满足大批量零件生产需求，但铣削面表面粗糙度过大和表面重铸层对表面质量的破坏等问题制约了研究工作的进一步发展但是铣削面表面粗糙度过大和表面重铸层对表面质量的破坏等问题制约了研究工作的进一步发展。若将激光旋转，则能将光束有效均匀分布在以该聚焦光束为圆心的旋转圆面上。
在现有的激光加工装置中，往往会将激光的光束旋转来达到切割加工大于激光光束直径的孔洞等。现有的技术中能够将光束旋转运动，但仅限于光束以某一非自身光束的固定轴为旋转轴旋转，无法实现光束以自身为旋转轴自转。从而无法实现通过光束的旋转达到铣削去除的目的。
发明内容：
激光加工作为一种现代精密加工方法激光铣削的实质是通过激光束与工件之间的热作用来去除材料的。但是铣削面表面粗糙度过大和表面重铸层对表面质量的破坏等问题制约了研究工作的进一步发展。
一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，其特征在于：包括水平激光束、一个聚焦模块、一个旋转光束模块以及配置其后面的平台运动系统；
该光学旋转光束模块机构光学元件包括两个偏转角为60°的三菱镜、一个平面反射镜和转筒；两个三菱镜对称地固定在转筒的中心轴两端；平面反射镜固定在转筒内壁的中间位置；
水平光线从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜偏转后到达平面反射镜；光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜之后射出；
转筒放置于两个固定轴承座中，电机通过转轴带动皮带使转筒转动，射出的激光束以转筒中轴线为旋转轴进行自旋转，从而对放置在平台运动系统上的物件进行铣削加工。
一种实施方法：水平激光束从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜后较水平方向偏转45°之后到达平面反射镜；光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜之后水平射出。
将激光束聚焦之后通过光学旋转机构。该光学机构主要由两个偏转角为60°的三菱镜和平面反射镜组成。两个偏转角为60°的三菱镜对称地固定在转筒的中心轴两端。平面反射镜固定在转筒内壁的中间位置。水平光线从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜后水平方向偏转45°之后到达平面反射镜。由于两个三菱镜的位置对称，根据光路的可逆性，光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜后水平射出。该光学转筒机构在电机的带动下通过皮带轮转动，因此光束能够以转筒中轴线为旋转轴进行自旋转。
另一种实施方法：对称地调整两个三菱镜与水平面的角度，从而使光束与水平面成一定的角度，通过马达带动转筒旋转实现在加工工件上加工锥形孔，或者用于激光的大面积的材料的去除。
在射出的激光束上加上一定形状的掩膜，模拟刀具的形状，随光束一起旋转，从而达到铣削的目的。
附图说明：
图1为旋转光束光路工作示意图；
图2为光束在单个三菱镜的光路偏转示意图；
图3为旋转光束装置转筒安装俯视图；
图4为旋转光束装置转筒安装立体图。
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，在次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。
图1为旋转光束光路工作示意图。由图可知该光学系统主要由聚焦透镜2，两个偏转角为60°的三菱镜4、9和平面反射镜7组成。
选取两个偏转角为α＝60°的三菱镜。三菱镜为紫外光学石英玻璃(JGS1)，其对波长为248纳米的紫外光的折射率n＝1.503。图2为光束在单个三菱镜的光路折射示意图。根据光束在三菱镜中的折射过程，sin′1＝n sinI′1、sin′2＝n sinI2(I1、I′1、I2、I′2分别为光束在三菱镜入射面的入射角、折射角，出射面的入射角、折射角)。水平光束入射角I1＝30°，由此可以计算出I′1≈19.84°，I2＝α-I′1≈89.74°，I′1≈74.85°。折射角δ＝I1+I′1-α≈46°。
所述旋转光束装置5转筒总长为50毫米，转筒半径为25毫米。转筒两端对称装有边长为13毫米的偏转角为60°的三菱镜。
所述代加工工件11为1毫米厚度的PMMA材料。
准分子水平激光束1经过聚焦透镜2之后被聚焦成聚焦水平光束3，所述聚焦光束3为直径为3毫米的入射聚焦水平准直光束。所述水平光束3通过安装在转筒5左部的三菱镜4之后发生偏转，偏转角为45°。偏转光束6随后经过转筒5壁中部的平面反射镜7的反射，由于光路的可逆性，反射光束8再经过转筒5右部的三菱镜9，水平光束10射出。垂直于所述加工工件11表面。
与此同时，如图3、图4旋转光束装置转筒安装图所示，转筒5水平放置于固定轴承座15、16中，马达通过转轴12带动皮带13、14而使转筒5转动。由于三菱镜以及平面镜随着转筒转动，因此水平光束以转筒中轴线为轴自转。
所述入射光线为准分子激光器发射波长为248纳米的紫外光。设定转筒的转速为1000转/分钟。
光束经过该旋转机构后，在单位时间内作用在所述工价相同的单位面积内，由于光斑的快速旋转，使得90％的能量不仅仅只能作用聚焦之后的光斑上，而是均匀分布在以该聚焦光束为圆心的旋转圆面上。经过能量分布测试，聚焦之后的光束90％的能量均匀分布。在单位时间的作用过程中，光斑的旋转使得作用在固定单位面积上的光斑分布更加均匀，使得激光铣削去除率得到提高，得到更好的表面加工质量。
上述实例只是本发明的一个典型应用。实际上其应用不限于上述情形，例如可以对称地调整两个三菱镜与水平面的角度，从而使光束与水平面成一定的角度，通过马达带动转筒旋转可以实现在加工工件上加工锥形孔，也适用于激光的大面积的材料的去除。
基于本发明中的实施方案的具体展示和介绍，本领域技术人员在没有做出创新性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，其特征在于：包括水平激光束、一个聚焦模块、一个旋转光束模块以及配置其后面的平台运动系统；
该光学旋转光束模块机构光学元件包括两个偏转角为60°的三菱镜、一个平面反射镜和转筒；两个三菱镜对称地固定在转筒的中心轴两端；平面反射镜固定在转筒内壁的中间位置；
水平光线从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜偏转后到达平面反射镜；光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜之后射出；
转筒放置于两个固定轴承座中，电机通过转轴带动皮带使转筒转动，射出的激光束以转筒中轴线为旋转轴进行自旋转，从而对放置在平台运动系统上的物件进行铣削加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，其特征在于：水平激光束从转筒中心轴方向入射，通过第一个三菱镜后较水平方向偏转45°之后到达平面反射镜；光线经过平面镜反射之后经过第二个三菱镜之后水平射出。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，其特征在于：对称地调整两个三菱镜与水平面的角度，从而使光束与水平面成一定的角度，通过马达带动转筒旋转实现在加工工件上加工锥形孔，或者用于激光的大面积的材料的去除。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转激光束机构的微铣削加工控制系统，其特征在于：在射出的激光束上加上一定形状的掩膜，模拟刀具的形状，随光束一起旋转，从而达到铣削的目的。
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