CN105855699A - 一种参数可变式激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种参数可变式激光加工装置，属于激光加工和精密运动平台领域。由三维试件运动系统和二维挡片运动系统构成，二维挡片运动系统安装在三维试件运动系统上，三维试件运动系统的三个压电叠堆可驱动试件实现XYZ三向运动，二维挡片运动系统由微型步进电机驱动，可实现两个挡片的XY两向运动以改变激光加工焦点的位置，两个挡片在一个微型步进电机的带动下可相对运动，从而改变开口的大小以调节激光加工焦点大小，其中，大焦点可实现快速大范围低精度加工，而小焦点可实现慢速局部高精度加工，优点是运动精度高、响应频率高、可调节激光加工焦点大小及位置、试件运动系统实现了三向运动解耦等优点。

Description

一种参数可变式激光加工装置
技术领域
本发明属于激光加工技术及精密运动平台领域，特别涉及一种可变焦点大小及位置的激光加工装置。
背景技术
复杂光学自由曲面的制造是精密制造领域的重要研究内容，具有光学自由曲面的零件在航空航天、军事等领域具有广泛的应用。但是，传统加工技术不能满足相对复杂的光学自由曲面表面的加工制备要求，加工出的表面微结构深度相对较小，且存在设备成本较高，制备长周期长等问题。
激光加工是一种清洁、高效的技术手段，在加工过程中，将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，具有精度高，加工快速，加工成本低等特点，是一种加工复杂光学自由曲面的理想技术。目前激光加工蓝宝石等难加工材料有两种方法，一种是采用纳秒激光，尤其是紫外纳秒激光对蓝宝石进行加工。另一种是采用超快激光比如皮秒、飞秒激光，直接加工，即逐层烧蚀或切割加工的方式，高脉冲能量的激光束聚焦在试件表面，通过材料的融化、气化等方式得以去除，从而获得孔、槽、切割边等精细结构。
但是目前用于蓝宝石等难加工材料的激光加工系统存在以下几个方面的问题：第一，试件运动平台大多不具备多轴运动功能且运动精度较低；第二，激光焦点的大小和能量无法调节，无法在快速低精度加工或慢速局部高精度加工之间切换；第三，焦点位置无法大范围移动，导致难以加工较大面积的工件，所以，目前的技术难以适用于加工不同精度要求的难加工材料的复杂自由曲面。
发明内容
本发明提供一种参数可变式激光加工装置，以解决目前存在的精度较低、激光焦点的大小和能量无法调节、焦点位置无法大范围移动的问题。
本发明采取的技术方案是：包括：二维挡片运动系统和三维试件运动系统，二维挡片运动系统安装在三维试件运动系统上；
所述二维挡片运动系统的结构是：Y向大导轨支架一通过紧定螺钉一安装在三维试件运动系统的基体上，Y向大导轨支架二通过紧定螺钉二安装在三维试件运动系统的基体上，Y向大导轨一安装在Y向大导轨支架一上，Y向大导轨二安装在Y向大导轨支架二上，Y向滑板安装在Y向大导轨一和Y向大导轨二上，Y向滑板沿Y向大导轨一和Y向大导轨二移动，Y向滑板的位置由紧定螺钉三和紧定螺钉四固定，X向步进电机安装在Y向滑板上，X向步进电机的电机轴上安装有齿轮一，X向小导轨一和X向小导轨二安装在Y向滑板上，X向齿条板与X向小导轨一和X向小导轨二上方滑动连接，X向步进电机的电机轴上的齿轮一与X向齿条板的齿条啮合，Y向步进电机安装在X向齿条板上，Y向步进电机的电机轴上安装有齿轮二，Y向小导轨一和Y向小导轨二安装在X向齿条板上，Y向齿条板与Y向小导轨一和Y向小导轨二上方滑动连接，Y向步进电机的电机轴上的齿轮二与Y向齿条板的齿条啮合，Y向滑板、Y向齿条板、X向齿条板均留有较大的激光通过孔，X向挡片小导轨一和X向挡片小导轨二安装在Y向齿条板上，主动挡片与X向挡片小导轨一滑动连接，从动挡片与X向挡片小导轨二滑动连接，主动挡片和从动挡片可相对运动，主动挡片的安装位置比从动挡片的低，以便于两个挡片相对移动，齿轮箱安装在Y向齿条板上，挡片相对运动电机安装在齿轮箱上，主动双联齿轮固定安装在挡片相对运动电机的电机轴上，主动双联齿轮中的大主动齿轮在小主动齿轮的下方，小主动齿轮与主动挡片的齿条啮合，从动双联齿轮空套在齿轮箱中的从动轴上，其中大从动齿轮在小从动齿轮的下方，小从动齿轮与从动挡片的齿条啮合。
本发明所述三维试件运动系统的结构是：基体安装在底板上，X向楔形块限位体由紧定螺钉五安装在基体的X向凸台上，X向楔形预紧块通过X向直板型柔性铰链一与基体连为一体；X向楔形块置于X向楔形预紧块和X向楔形块限位体之间，X向压电叠堆被压紧在基体的X向直板型柔性铰链二与X向楔形预紧块之间，通过X向拧紧预紧螺钉使X向楔形块推动X向楔形预紧块沿X向移动，从而预紧X向压电叠堆，X向电容位移传感器沿X向由紧定螺钉六安装在基体上，X向电容位移传感器用于测量试件运动平台的X向位移，Y向楔形块限位体由紧定螺钉七安装在基体的Y向凸台上，Y向楔形预紧块通过Y向直板型柔性铰链一与基体连为一体，Y向楔形块置于Y向楔形预紧块和Y向楔形块限位体之间，Y向压电叠堆被压紧在基体的Y向直板型柔性铰链二与Y向楔形预紧块之间，通过拧紧预紧螺钉二可使Y向楔形块推动Y向楔形预紧块沿Y向移动，从而预紧Y向压电叠堆，Y向电容位移传感器由紧定螺钉八沿Y向安装在基体上，Y向电容位移传感器用于测量试件运动平台的Y向位移。
试件运动平台通过Z向直板型柔性铰链与运动框连为一体，运动框通过X向直圆型柔性铰链一、Y向直圆型柔性铰链一、X向直圆型柔性铰链二、Y向直圆型柔性铰链二分别和Y向直板型柔性铰链三、X向直板型柔性铰链、Y向直板型柔性铰链二、X向直板型柔性铰链二与基体连为一体；Z向预紧机构基体通过紧定螺钉九安装在试件运动平台的下方，Z向楔形块限位体通过紧定螺钉十安装在Z向预紧机构基体的下方，该Z向预紧机构基体包括Z向楔形预紧功能部位和Z向直板型柔性铰链，Z向楔形块置于Z向楔形预紧功能部位和Z向楔形块限位体之间，Z向压电叠堆被压紧在试件运动平台与Z向楔形预紧功能部位之间，通过拧紧预紧螺钉三可使Z向楔形块推动Z向楔形预紧功能部位沿Z向移动，从而预紧Z向压电叠堆，Z向电容位移传感器沿Z向安装在Z向预紧机构基体上，Z向电容位移传感器用于测量试件运动平台的Z向位移，四个压紧片通过螺钉安装在试件运动平台上。
本发明的优点及有益效果：可以实现复杂自由曲面快速大范围低精度加工和慢速局部高精度加工两种工况。所述的三维试件运动系统由于采用了压电叠堆作为驱动元件，具有高达纳米级的运动精度和很高的响应频率；可实现激光焦点位置在X-Y平面内的大范围调节；可实现复杂蓝宝石等难加工材料的自由曲面的快速低精度加工和慢速高精度加工；可实现试件位置的XYZ三向高精度调节，以满足局部高精度加工的需要；三维试件运动系统XYZ三向的运动实现了完全解耦，三向运动互不干扰。
本发明适用于：蓝宝石等难加工材料的复杂自由曲面的快速低精度加工或慢速高精度加工以及被加工工件的三维运动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的后视轴测图；
图3是本发明二维挡片运动系统的结构示意图；
图4是图3的仰视轴测图；
图5是本发明二维挡片运动系统的正视图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明二维挡片运动系统的驱动挡片相对运动的电机组件结构示意图；
图8是本发明三维试件运动系统的结构示意图；
图9是本发明三维试件运动系统的内部结构示意图；
图10是本发明三维试件运动系统的Z向预紧机构的结构示意图；
图11是本发明三维试件运动系统的Z向预紧机构的剖视图；
图12是本发明三维试件运动系统的Z向预紧机构基体的结构示意图；
图13是本发明三维试件运动系统的基体结构示意图；
图14是图13的仰视轴测图；
图15是本发明二维挡片运动系统的Y向滑板结构示意图。
具体实施方式
包括：二维挡片运动系统1和三维试件运动系统2。二维挡片运动系统1安装在三维试件运动系统2上。
二维挡片运动系统1的结构是：Y向大导轨支架一102通过紧定螺钉一118安装在三维试件运动系统2的基体201上，Y向大导轨支架二107通过紧定螺钉二115安装在三维试件运动系统2的基体201上，Y向大导轨一103安装在Y向大导轨支架一102上，Y向大导轨二108安装在Y向大导轨支架二107上，Y向滑板104安装在Y向大导轨一103和Y向大导轨二108上，Y向滑板104沿Y向大导轨一103和Y向大导轨二108移动，以便于安装圆片型试件3，Y向滑板104的位置由紧定螺钉三101和紧定螺钉四128固定，X向步进电机116安装在Y向滑板104上，X向步进电机116的电机轴上安装有齿轮一114，X向小导轨一119和X向小导轨二120安装在Y向滑板104上，X向齿条板113与X向小导轨一119和X向小导轨二120上方滑动连接，X向步进电机116的电机轴上的齿轮一114与X向齿条板113的齿条啮合，Y向步进电机105安装在X向齿条板113上，Y向步进电机105的电机轴上安装有齿轮二117，Y向小导轨一122和Y向小导轨二123安装在X向齿条板113上，Y向齿条板112与Y向小导轨一122和Y向小导轨二123上方滑动连接，Y向步进电机105的电机轴上的齿轮二117与Y向齿条板112的齿条啮合，Y向滑板104、Y向齿条板112、X向齿条板113均留有较大的激光通过孔，X向挡片小导轨一124和X向挡片小导轨二125安装在Y向齿条板112上，主动挡片110与X向挡片小导轨一124滑动连接，从动挡片111与X向挡片小导轨二125滑动连接，主动挡片110和从动挡片111可相对运动，主动挡片110的安装位置比从动挡片111的低，以便于两个挡片相对移动，改变方形开口的大小；齿轮箱106安装在Y向齿条板112上，挡片相对运动电机109安装在齿轮箱106上，主动双联齿轮127固定安装在挡片相对运动电机109的电机轴上，主动双联齿轮127中的大主动齿轮在小主动齿轮的下方，小主动齿轮与主动挡片110的齿条啮合，从动双联齿轮121空套在齿轮箱106中的从动轴126上，其中大从动齿轮在小从动齿轮的下方，小从动齿轮与从动挡片111的齿条啮合。
三维试件运动系统2的结构是：基体201安装在底板217上，X向楔形块限位体215由紧定螺钉五216安装在基体201的X向凸台20110上，X向楔形预紧块20109通过X向直板型柔性铰链一20111与基体201连为一体；X向楔形块226置于X向楔形预紧块20109和X向楔形块限位体215之间，X向压电叠堆214被压紧在基体201的X向直板型柔性铰链二20113与X向楔形预紧块20109之间，通过X向拧紧预紧螺钉202使X向楔形块226推动X向楔形预紧块20109沿X向移动，从而预紧X向压电叠堆214，X向电容位移传感器205沿X向由紧定螺钉六206安装在基体201上，X向电容位移传感器205用于测量试件运动平台20102的X向位移，Y向楔形块限位体210由紧定螺钉七211安装在基体201的Y向凸台20106上，Y向楔形预紧块20105通过Y向直板型柔性铰链一20107与基体201连为一体，Y向楔形块209置于Y向楔形预紧块20105和Y向楔形块限位体210之间，Y向压电叠堆213被压紧在基体201的Y向直板型柔性铰链二20114与Y向楔形预紧块20105之间，通过拧紧预紧螺钉二212可使Y向楔形块209推动Y向楔形预紧块20105沿Y向移动，从而预紧Y向压电叠堆213，Y向电容位移传感器203由紧定螺钉八204沿Y向安装在基体201上，Y向电容位移传感器203用于测量试件运动平台20102的Y向位移。
试件运动平台20102通过Z向直板型柔性铰链20112与运动框20115连为一体，运动框20115通过X向直圆型柔性铰链一20101、Y向直圆型柔性铰链一20103、X向直圆型柔性铰链二20104、Y向直圆型柔性铰链二20108分别和Y向直板型柔性铰链三20114、X向直板型柔性铰链20115、Y向直板型柔性铰链二20114、X向直板型柔性铰链二20113与基体201连为一体；Z向预紧机构基体220通过紧定螺钉九218安装在试件运动平台20102的下方，Z向楔形块限位体221通过紧定螺钉十223安装在Z向预紧机构基体220的下方，该Z向预紧机构基体220包括Z向楔形预紧功能部位2202和Z向直板型柔性铰链2201，Z向楔形块225置于Z向楔形预紧功能部位2202和Z向楔形块限位体221之间，Z向压电叠堆224被压紧在试件运动平台2012与Z向楔形预紧功能部位2202之间，通过拧紧预紧螺钉三222可使Z向楔形块225推动Z向楔形预紧功能部位2202沿Z向移动，从而预紧Z向压电叠堆224，Z向电容位移传感器219沿Z向安装在Z向预紧机构基体220上，Z向电容位移传感器219用于测量试件运动平台2102的Z向位移，四个压紧片208通过螺钉207安装在试件运动平台20102上。
工作原理：
先用激光器产生一束高能入射激光，再用凹透镜将入射激光转换为平行的大直径激光，再用小型凸透镜阵列将平行的大直径激光聚焦为几个相互邻接的小焦点，这些小焦点组成一个大焦点，最后用挡片将大焦点其中的一些小焦点遮挡住，从而实现变焦点大小的目的，而遮挡不同位置的小焦点可改变加工焦点的位置；
主动挡片110和从动挡片111可相对运动，主动挡片110的安装位置比从动挡片111的低，以便于两个挡片相对移动，改变方形开口的大小，可改变焦点大小；
通过二维挡片运动系统1可实现激光焦点位置在X-Y平面内的大范围调节；
通过三维试件运动系统2中X向压电叠堆214驱动试件运动平台20102沿X向运动时，X向直圆型柔性铰链一20101和X向直圆型柔性铰链二20104将产生变形，所以Y向压电叠堆213不受X向切向力；Y向压电叠堆213驱动试件运动平台20102沿Y向运动时，Y向直圆型柔性铰链一20103和Y向直圆型柔性铰链二20108将产生变形，所以X向压电叠堆214不受Y向切向力；四个压紧片208通过螺钉207安装在试件运动平台20102上，圆片型试件3置于试件运动平台20102中间的圆柱形凸台上，并由四个试件压紧片208压紧。

Claims (2)

1.一种参数可变式激光加工装置，其特征在于：包括二维挡片运动系统和三维试件运动系统，二维挡片运动系统安装在三维试件运动系统上；
所述三维试件运动系统的结构是：基体安装在底板上，X向楔形块限位体由紧定螺钉五安装在基体的X向凸台上，X向楔形预紧块通过X向直板型柔性铰链一与基体连为一体；X向楔形块置于X向楔形预紧块和X向楔形块限位体之间，X向压电叠堆被压紧在基体的X向直板型柔性铰链二与X向楔形预紧块之间，通过X向拧紧预紧螺钉使X向楔形块推动X向楔形预紧块沿X向移动，从而预紧X向压电叠堆，X向电容位移传感器沿X向由紧定螺钉六安装在基体上，X向电容位移传感器用于测量试件运动平台的X向位移，Y向楔形块限位体由紧定螺钉七安装在基体的Y向凸台上，Y向楔形预紧块通过Y向直板型柔性铰链一与基体连为一体，Y向楔形块置于Y向楔形预紧块和Y向楔形块限位体之间，Y向压电叠堆被压紧在基体的Y向直板型柔性铰链二与Y向楔形预紧块之间，通过拧紧预紧螺钉二可使Y向楔形块推动Y向楔形预紧块沿Y向移动，从而预紧Y向压电叠堆，Y向电容位移传感器由紧定螺钉八沿Y向安装在基体上，Y向电容位移传感器用于测量试件运动平台的Y向位移；
试件运动平台通过Z向直板型柔性铰链与运动框连为一体，运动框通过X向直圆型柔性铰链一、Y向直圆型柔性铰链一、X向直圆型柔性铰链二、Y向直圆型柔性铰链二分别和Y向直板型柔性铰链三、X向直板型柔性铰链、Y向直板型柔性铰链二、X向直板型柔性铰链二与基体连为一体；Z向预紧机构基体通过紧定螺钉九安装在试件运动平台的下方，Z向楔形块限位体通过紧定螺钉十安装在Z向预紧机构基体的下方，该Z向预紧机构基体包括Z向楔形预紧功能部位和Z向直板型柔性铰链，Z向楔形块置于Z向楔形预紧功能部位和Z向楔形块限位体之间，Z向压电叠堆被压紧在试件运动平台与Z向楔形预紧功能部位之间，通过拧紧预紧螺钉三可使Z向楔形块推动Z向楔形预紧功能部位沿Z向移动，从而预紧Z向压电叠堆，Z向电容位移传感器沿Z向安装在Z向预紧机构基体上，Z向电容位移传感器用于测量试件运动平台的Z向位移，四个压紧片通过螺钉安装在试件运动平台上。
2.根据权利要求1所述的一种参数可变式激光加工装置，其特征在于：所述二维挡片运动系统的结构是：Y向大导轨支架一通过紧定螺钉一安装在三维试件运动系统的基体上，Y向大导轨支架二通过紧定螺钉二安装在三维试件运动系统的基体上，Y向大导轨一安装在Y向大导轨支架一上，Y向大导轨二安装在Y向大导轨支架二上，Y向滑板安装在Y向大导轨一和Y向大导轨二上，Y向滑板沿Y向大导轨一和Y向大导轨二移动，Y向滑板的位置由紧定螺钉三和紧定螺钉四固定，X向步进电机安装在Y向滑板上，X向步进电机的电机轴上安装有齿轮一，X向小导轨一和X向小导轨二安装在Y向滑板上，X向齿条板与X向小导轨一和X向小导轨二上方滑动连接，X向步进电机的电机轴上的齿轮一与X向齿条板的齿条啮合，Y向步进电机安装在X向齿条板上，Y向步进电机的电机轴上安装有齿轮二，Y向小导轨一和Y向小导轨二安装在X向齿条板上，Y向齿条板与Y向小导轨一和Y向小导轨二上方滑动连接，Y向步进电机的电机轴上的齿轮二与Y向齿条板的齿条啮合，Y向滑板、Y向齿条板、X向齿条板均留有较大的激光通过孔，X向挡片小导轨一和X向挡片小导轨二安装在Y向齿条板上，主动挡片与X向挡片小导轨一滑动连接，从动挡片与X向挡片小导轨二滑动连接，主动挡片和从动挡片可相对运动，主动挡片的安装位置比从动挡片的低，以便于两个挡片相对移动，齿轮箱安装在Y向齿条板上，挡片相对运动电机安装在齿轮箱上，主动双联齿轮固定安装在挡片相对运动电机的电机轴上，主动双联齿轮中的大主动齿轮在小主动齿轮的下方，小主动齿轮与主动挡片的齿条啮合，从动双联齿轮空套在齿轮箱中的从动轴上，其中大从动齿轮在小从动齿轮的下方，小从动齿轮与从动挡片的齿条啮合。
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