CN105750728A - 一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描方法及装置，包括工控机、激光器、手动变倍扩束镜、移动凹透镜、前聚焦镜、振镜、后聚焦镜；移动凹透镜设置在一移动机构上，当驱动其向前聚焦镜方向直线移动时，激光束的光斑直径缩小，反之光斑直径变大；扫描方法采用了待加工零件的外壳部分扫描和内核部分扫描；本扫描方法及装置技术手段简便易行，不仅可使激光束在加工区域内扫描时，激光光斑都精确聚焦在加工平面上，保证了激光光斑有较高能量密度，且通过动态聚焦的方式，使激光光束在扫描零件外部轮廓和内部实体时，能采用不同的聚焦光斑大小和激光功率，不仅大大提高了成型零件的性能、精度，而且大大提高了零件成型的速度。

Description

一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描方法及装置
技术领域
本发明涉及零件成型制造领域，尤其涉及一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描方法及装置。
背景技术
目前激光选区熔化技术均选用激光器作为能量源，激光器在成型过程中发射激光束，激光束穿过光路系统后到达加工平面，选择性熔化加工平面上预置的金属粉末，然后加工平台下降一定深度再预置一层金属粉末，激光束继续选择性熔化金属粉末，以此循环直至整个成型过程完成，从而达到制造零件的目的。但是目前的激光选区熔化设备中，采用固定的光路系统，即激光束只能穿过预先设置好的光路系统，包括光束的扩束与准直等，因此到达加工平台的激光束为固定的，即焦点不变的，这将导致整个成型过程需要采用相同的加工参数，如激光功率、扫描速度等，这种固定式的加工参数设置不仅不利于成型精度的提高，而且会大大降低成型效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、安装方便、成本低廉的激光选区零件加工过程变光斑光学扫描方法及装置。不仅解决了现有激光设备无法实现激光光斑变化的技术问题，而且解决了现有加工方法效率低、耗时长的缺点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，包括工控机1、激光器2、手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7；
所述激光器2依次光路连接手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7；即激光束8由激光器2发出并依次经过手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7并到达加工平面9；
所述移动凹透镜4设置在一移动机构上，由移动机构驱动其沿着手动变倍扩束镜3与前聚焦镜5之间的光轴作直线位移，或者作连续往复直线移动；当移动机构驱动其向前聚焦镜5方向直线移动时，激光束8的光斑直径变大；当移动机构驱动其向手动变倍扩束镜3方向直线移动时，激光束8的光斑直径变小；
所述工控机1电讯连接激光器2和移动机构。
所述移动机构包括导轨12、安装在导轨12上的滑块11、安装在滑块11上的驱动杆14，以及驱动该滑块11在导轨12上移动的位置的伺服电机13；
所述移动凹透镜4安装在驱动杆14上，当工控机1控制伺服电机13动作时，伺服电机13根据工控机1的指令，驱动滑块11在导轨12上移动，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线方向同步移动。
所述导轨12为外螺纹丝杆，滑块11为带有与外螺纹丝杆配合的内螺纹滑块。
所述导轨12的两端分别设有用于限制滑块11在导轨上移动行程的导轨限位器10。
所述导轨12的上方还设有一用于标示移动凹透镜4所在位置的刻度尺。
一种激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法，具体包括：待加工零件的外壳部分扫描步骤和内核部分扫描步骤；
步骤(1)：待加工零件的外壳部分扫描步骤
加工之前，首先调整激光束8，使其在加工平面上的光斑最细；
当加工零件外壳部分16时，工控机1控制伺服电机13带动滑块11在导轨12上移动，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线上的位置，已获得所需直径的光斑，此时激光束8的焦点正好处于加工平面9的表面，与此同时，工控机1降低振镜6的扫描速度和激光器2的输出功率，以获得表面精度符合要求的零件外壳；
步骤(2)：待加工零件的内核部分扫描步骤
完成步骤(1)的扫描后，进行零件内核部分17的扫描，此时，工控机1重新控制伺服电机13并带动滑块11在导轨12上的移动位置，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线上的位置，已获得加工零件的内核部分所需直径的光斑，此时激光束8的焦点正好处于加工平面9的表面，与此同时，工控机1调高振镜6的扫描速度和激光器2的输出功率，以获得内部致密度符合要求的零件内核。
重复循环步骤(1)和(2)过程，即可快速获得符合精度要求的零件外壳及符合致密度要求的零件内核，进而完成整体零件的快速加工。
上述步骤(1)所述工控机1控制伺服电机13带动滑块11在导轨12上移动，该移动的方向是往前聚焦镜5方向直线移动，从而改变移动凹透镜4与前聚焦镜5之间的距离；
移动凹透镜4与前聚焦镜5之间的距离越小，激光束8的光斑直径越大。
上述步骤(2)所述工控机1重新控制伺服电机13并带动滑块11在导轨12上的移动位置，该移动位置的方向是往手动变倍扩束镜3方向直线移动，从而改变移动凹透镜4与手动变倍扩束镜3之间的距离；
移动凹透镜4与手动变倍扩束镜3之间的距离越大，激光束8的光斑直径越大，此时光斑处于正离焦状态。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明移动凹透镜设置在一移动机构上，由移动机构驱动其沿着手动变倍扩束镜与前聚焦镜之间的光轴作直线位移，或者作连续往复直线移动；当移动机构驱动其向前聚焦镜方向直线移动时，激光束的聚焦光斑直径缩大；当移动机构驱动其向手动变倍扩束镜方向直线移动时，激光束的聚焦光斑直径变小。本发明引入上述结构，通过移动机构改变移动凹透镜在光路的不同位置，从而改变激光束进入聚焦透镜的直径，最终改变加工平面上激光光束直径，该过程由工控机控制伺服电机自动完成，无需手动调节，简单方便，易于实现。
本发明采用上述结构，在零件的加工过程中实现动态聚焦的方式，根据待加工零件的具体要求控制相应动作，动态的改变待加工零件不同加工区域激光束的光斑直径，从而达到不同区域相同的加工性能的快速精密制造。
本发明通过对加工零件的分区快速熔化成型，即分为外壳部分扫描和内核部分扫描。在零件内部加工时，无需考虑表面粗糙度问题，采用大光斑、高功率和高速度的加工方式；在加工零件表面时，以表面粗糙度为目标，采用小光斑、较小功率和较小速度的加工方式；该加工方式既可以提高加工速度，又可以获得内部致密度高、表面精度高的零件，有效解决了目前的激光增材制造设备及其制备工艺所存在的问题和缺点。
综上所述，本发明技术手段简便易行，构思巧妙，不仅可以使激光束在加工区域内扫描时，激光光斑都精确聚焦在加工平面上，保证了激光光斑有较高的能量密度，而且通过动态聚焦的方式，使激光光束在扫描零件外部轮廓和内部实体时，能采用不同的聚焦光斑大小和激光功率，不仅大大提高了成型零件的性能、精度，而且大大提高了零件成型的速度。
附图说明
图1为本发明激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置结构示意图。
图2为待加工金属零件加工面的示意图；图中所示零件结构的形状，仅为一举例。
图3为激光光斑示意图，其中虚线部分为小光斑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至3所示。本发明公开了一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，主要包括工控机1、激光器2、手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7；所述激光器2依次光路连接手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7；即激光束8由激光器2发出并依次经过手动变倍扩束镜3、移动凹透镜4、前聚焦镜5、振镜6、后聚焦镜7并到达加工平面9(加工平台)；
所述移动凹透镜4设置在一移动机构上，由移动机构驱动其沿着手动变倍扩束镜3与前聚焦镜5之间的光轴作直线位移，或者作连续往复直线移动；当移动机构驱动其向前聚焦镜5方向直线移动时，激光束8的光斑直径变大；当移动机构驱动其向手动变倍扩束镜3方向直线移动时，激光束8的光斑直径变小；
所述工控机1电讯连接激光器2和移动机构。
所述移动机构包括导轨12、安装在导轨12上的滑块11、安装在滑块11上的驱动杆14，以及驱动该滑块11在导轨12上移动的位置的伺服电机13；
所述移动凹透镜4安装在驱动杆14上，当工控机1控制伺服电机13动作时，伺服电机13根据工控机1的指令，驱动滑块11在导轨12上移动，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线方向同步移动。因此通过移动凹透镜4在光轴上不断的移动来变换位置，以满足零件的加工要求。
激光束经过前聚焦镜5聚焦后，由发散光转化为平行光，并通过振镜6的入光口进入振镜6内部。加工过程中，工控机1控制振镜6内部X轴和Y轴两组镜片的偏转，从而实现激光束用于在X方向和Y方向进行扫描运动。
加工平面9(即加工平台)为加工成型区域。加工进行时，加工平台上预置一层金属粉末，然后激光束8在对该层粉末进行选区扫描熔化，以此循环进行，最终成型出完整的零件。
所述导轨12为外螺纹丝杆，滑块11为带有与外螺纹丝杆配合的内螺纹滑块。
所述导轨12的两端分别设有用于限制滑块11在导轨上移动行程的导轨限位器10。
所述导轨12的上方还设有一用于标示移动凹透镜4所在位置的刻度尺。
工控机1为中心控制单元，对导入的零件数据进行处理后，按照要求控制激光器2进行激光束8的发送和关闭，同时控制移动机构带动移动凹透镜4的移动位置，对激光束8进行光斑大小调整，并在振镜6和加工平台以及其他机构的协同配合下完成加工成型过程。同时工控机1会实时接收和分析设备各部位采集的信号，经处理后发出指令控制设备中的驱动机构做出反应，以保证成型过程的稳定。
成型过程开始后，激光器2在工控机1的控制下发射激光束8为零件成型过程中熔化金属粉提供末能量；在零件的不同区域加工时，工控机1会根据加工数据信息控制激光器2调整激光功率，如在加工零件的中心区域(即内核)时提供高功率激光束8，而在加工边缘区域(外壳)时则适当降低激光束8的功率，从而实现分区变能量密度的加工，既能充分利用激光器的能力，又能快速完成整个成型过程，提供成型效率。
手动变倍扩束镜3的放大倍数为2-6倍，其决定了聚焦激光束聚焦在焦平面位置光斑直径，当需要非常精细的光斑加工零件时，手动变倍扩束镜的放大倍数为4-6倍；当需要较大的激光光斑时，手动变倍扩束镜的放大倍数为2-3倍。
移动凹透镜4在光轴上不同的位置决定聚焦后光斑的离焦量大小，光斑的大小与离焦量成正比，所以通过控制移动凹透镜4在光轴上的位置，可以达到控制加工平面光斑大小的目的(如图3中的虚线部分所示)。前聚焦镜5将通过移动凹透镜4发散的激光光束转化为平行光，此时平行光光束的直径不大于30mm。
本发明激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法如下：
主要包括了待加工零件的外壳部分扫描步骤和内核部分扫描步骤。
步骤(1)：待加工零件的外壳部分扫描步骤
加工之前，首先调整激光束8，使其在加工平面上的光斑最细；
当加工零件外壳部分16时，工控机1控制伺服电机13带动滑块11在导轨12上移动，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线上的位置，已获得所需直径的光斑，此时激光束8的焦点正好处于加工平面9的表面，与此同时，工控机1降低振镜6的扫描速度和激光器2的输出功率，以获得表面精度符合要求的零件外壳；
步骤(2)：待加工零件的内核部分扫描步骤
完成步骤(1)的扫描后，进行零件内核部分17的扫描，此时，工控机1重新控制伺服电机13并带动滑块11在导轨12上的移动位置，使移动凹透镜4同步跟随驱动杆14在导轨12的轴线上的位置，已获得加工零件的内核部分所需直径的光斑，此时激光束8的焦点正好处于加工平面9的表面，与此同时，工控机1调高振镜6的扫描速度和激光器2的输出功率，以获得内部致密度符合要求的零件内核。
重复循环步骤(1)和(2)过程，即可快速获得符合精度要求的零件外壳及符合致密度要求的零件内核，进而完成整体零件的快速加工。
步骤(1)所述工控机1重新控制伺服电机13并带动滑块11在导轨12上的移动位置，该移动位置的方向是往手动变倍扩束镜3方向直线移动，从而改变移动凹透镜4与手动变倍扩束镜3之间的距离；移动凹透镜4与手动变倍扩束镜3之间的距离越小，激光束8的光斑直径越小，此时光斑处于正离焦状态(如图3中的虚线部分所示)。
步骤(2)所述工控机1控制伺服电机13带动滑块11在导轨12上移动，该移动的方向是往前聚焦镜5方向直线移动，从而改变移动凹透镜4与前聚焦镜5之间的距离；移动凹透镜4与前聚焦镜5之间的距离越小，激光束8的光斑直径越大。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，其特征在于：包括工控机(1)、激光器(2)、手动变倍扩束镜(3)、移动凹透镜(4)、前聚焦镜(5)、振镜(6)、后聚焦镜(7)；
所述激光器(2)依次光路连接手动变倍扩束镜(3)、移动凹透镜(4)、前聚焦镜(5)、振镜(6)、后聚焦镜(7)；即激光束(8)由激光器(2)发出并依次经过手动变倍扩束镜(3)、移动凹透镜(4)、前聚焦镜(5)、振镜(6)、后聚焦镜(7)并到达加工平面(9)；
所述移动凹透镜(4)设置在一移动机构上，由移动机构驱动其沿着手动变倍扩束镜(3)与前聚焦镜(5)之间的光轴作直线位移，或者作连续往复直线移动；当移动机构驱动其向前聚焦镜(5)方向直线移动时，激光束(8)的光斑直径变大；当移动机构驱动其向手动变倍扩束镜(3)方向直线移动时，激光束(8)的光斑直径变小；
所述工控机(1)电讯连接激光器(2)和移动机构。
2.根据权利要求1所述激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，其特征在于：所述移动机构包括导轨(12)、安装在导轨(12)上的滑块(11)、安装在滑块(11)上的驱动杆(14)，以及驱动该滑块(11)在导轨(12)上移动的位置的伺服电机(13)；
所述移动凹透镜(4)安装在驱动杆(14)上，当工控机(1)控制伺服电机(13)动作时，伺服电机(13)根据工控机(1)的指令，驱动滑块(11)在导轨(12)上移动，使移动凹透镜(4)同步跟随驱动杆(14)在导轨(12)的轴线方向同步移动。
3.根据权利要求2所述激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，其特征在于：所述导轨(12)为外螺纹丝杆，滑块(11)为带有与外螺纹丝杆配合的内螺纹滑块。
4.根据权利要求2所述激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，其特征在于：所述导轨(12)的两端分别设有用于限制滑块(11)在导轨上移动行程的导轨限位器(10)。
5.根据权利要求4所述激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置，其特征在于：所述导轨(12)的上方还设有一用于标示移动凹透镜(4)所在位置的刻度尺。
6.一种激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法，其特征在于采用权利要求1至5中任一项所述激光选区零件加工过程变光斑光学扫描装置实现，具体包括：待加工零件的外壳部分扫描步骤和内核部分扫描步骤；
步骤(1)：待加工零件的外壳部分扫描步骤
加工之前，首先调整激光束(8)，使其在加工平面上的光斑最细；
当加工零件外壳部分(16)时，工控机(1)控制伺服电机(13)带动滑块(11)在导轨(12)上移动，使移动凹透镜(4)同步跟随驱动杆(14)在导轨(12)的轴线上的位置，已获得所需直径的光斑，此时激光束(8)的焦点正好处于加工平面(9)的表面，与此同时，工控机(1)降低振镜(6)的扫描速度和激光器(2)的输出功率，以获得表面精度符合要求的零件外壳；
步骤(2)：待加工零件的内核部分扫描步骤
完成步骤(1)的扫描后，进行零件内核部分(17)的扫描，此时，工控机(1)重新控制伺服电机(13)并带动滑块(11)在导轨(12)上的移动位置，使移动凹透镜(4)同步跟随驱动杆(14)在导轨(12)的轴线上的位置，已获得加工零件的内核部分所需直径的光斑，此时激光束(8)的焦点正好处于加工平面(9)的表面，与此同时，工控机(1)调高振镜(6)的扫描速度和激光器(2)的输出功率，以获得内部致密度符合要求的零件内核。
7.根据权利要求6所述激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法，其特征在于：重复循环步骤(1)和(2)过程，即可快速获得符合精度要求的零件外壳及符合致密度要求的零件内核，进而完成整体零件的快速加工。
8.根据权利要求6所述激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法，其特征在于：步骤(1)所述工控机(1)重新控制伺服电机(13)并带动滑块(11)在导轨(12)上的移动位置，该移动位置的方向是往手动变倍扩束镜(3)方向直线移动，从而改变移动凹透镜(4)与手动变倍扩束镜(3)之间的距离；
移动凹透镜(4)与手动变倍扩束镜(3)之间的距离越小，激光束(8)的光斑直径越小，此时光斑处于正离焦状态。
9.根据权利要求6所述激光选区熔化制造金属零件加工过程变光斑光学扫描方法，其特征在于：步骤(2)所述工控机(1)控制伺服电机(13)带动滑块(11)在导轨(12)上移动，该移动的方向是往前聚焦镜(5)方向直线移动，从而改变移动凹透镜(4)与前聚焦镜(5)之间的距离；
移动凹透镜(4)与前聚焦镜(5)之间的距离越小，激光束(8)的光斑直径越大。
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