CN107030379A - 一种激光加工头、激光加工装置及其加工方法 - Google Patents

一种激光加工头、激光加工装置及其加工方法 Download PDF

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石涛
杨小君
李明
武杰杰
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Abstract

本发明提供的激光加工头，包括连接板、第一旋转轴、第二旋转轴、连接件、线性模组、反射镜组件、扫描振镜，第一旋转轴定子固定在连接板上，连接件固定在第一旋转轴转子上，第二旋转轴的定子固定在连接件上，线性模组固定在第二旋转轴转子上，扫描振镜固定于线性模组的滑块上，滑块沿导轨直线运动，激光光束通过连接板后沿第一旋转轴的轴心入射进入第一反射镜，经第一反射镜反射后沿第二旋转轴的轴心进入第二反射镜，经第二反射镜反射后入射进入扫描振镜，再通过聚焦镜聚焦，实现对待加工件的曲面加工，由于第一旋转轴、第二旋转轴可以±100°回转，再配合机床的移动可到达被加工零件的任意位置，提高了加工效率及加工质量。另外，本发明还提供了一种激光加工装置及方法。

Description

一种激光加工头、激光加工装置及其加工方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光加工头、激光加工装置及其加工方法。
背景技术
随着激光加工技术的发展越来越成熟，激光刻蚀加工系统也越来越成熟，主要有二维刻蚀系统与三维刻蚀加工系统。传统的二维刻蚀系统通常针对平面零件的加工，请参阅图1为现有二维刻蚀系统，该刻蚀系统在完成调焦之后，通过2D扫描振镜实现平面图形的刻蚀加工，随着技术的发展，2D扫描振镜最大扫描范围已经达到500*500mm，但是如果加工工件尺寸大于这个范围，并且工件模型具有复杂表面特征的则需要搭配五轴甚至多轴工件变位设备以完成复杂曲面的刻蚀加工。
专利号为CN 201110048935.3提供了“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”介绍了利用2D扫描振镜配合五轴联动数控机床来实现复杂曲面的扫描加工，通过将装载在数控机床Z轴上的2D扫描振镜并配合工件的旋转平移来实现曲面加工。该方法首先根据激光振镜的加工范围将复杂曲面划分为多个曲面片，然后再根据激光焦深原则对每个曲面片划分子块，最后将各个子块投影成平面图形交给激光振镜加工。
但是这种“复杂曲面的激光加工方法及装置”也存在如下问题：
首先，在对曲面模型划分曲面片并建立曲面片坐标系时需要满足“在该曲面片坐标系下曲面片外表面任意位置的法线正方向与Z轴正方向的夹角小于90°”，出现这种局限性的原因在于该发明的扫描振镜固定安装于Z轴上，只能靠旋转工件来对各个分块曲面加工，然而一般旋转工作台行程有限，因此在加工陡峭曲面时(夹角大于90°的情况)需要划分多个曲面片，这必然会增加设备及加工的工作时间，降低效率。
其次，加工大型三维曲面零件时需要增加旋转工作台尺寸，因此加工设备的总尺寸,重量及制造成本也会相应增加，结构形式很不灵活。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种加工效率高且加工质量好的激光加工头。
一种激光加工头，包括：
连接板；
第一旋转轴，包括第一定子及可绕所述第一定子旋转的第一转子，所述第一定子固定于所述连接板上；
连接件，其一端固定于所述第一转子上；
第二旋转轴，包括第二定子及可绕所述第二定子旋转的第二转子，所述第二定子固定于所述连接件的另一端；
线性模组，包括固定连接于所述第二转子的丝杆、套设于所述丝杆上的导轨，及可沿所述导轨滑动的滑块；
反射镜组件，包括第一反射镜及第二反射镜，所述第一反射镜固定连接于所述连接件上，所述第二反射镜固定连接于所述第二转子上；
扫描振镜，固定连接于所述滑块；及聚焦镜；
激光光束通过所述连接板后沿所述第一旋转轴的轴心入射进入所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后沿所述第二旋转轴的轴心进入所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后入射进入所述扫描振镜，再通过所述聚焦镜聚焦。
本发明一较佳实施方式中，还包括与所述线性模组固定连接的伺服电机，所述伺服电机通过驱动所述丝杆转动而使得所述滑块沿所述导轨滑动。
本发明一较佳实施方式中，所述第一反射镜及第二反射镜的镜面方向可调。
本发明一较佳实施方式中，
还包括与所述线性模组信号连接的控制器，以及信号连接于所述控制器的位置传感器，所述位置传感器用于探测待加工件的位置，所述控制器根据待加工件的位置信息控制所述线性模组的移动以改变激光焦点的位置，使所述焦点与待加工件的加工面重合。另外，本发明还提供了一种激光加工装置，包括：
激光器、激光加工头及固定所述激光加工头的机床，其中：
所述激光器用于提供激光光束；
所述激光加工头，包括：
连接板；
第一旋转轴，包括第一定子及可绕所述第一定子旋转的第一转子，所述第一定子固定于所述连接板上；
连接件，其一端固定于所述第一转子上；
第二旋转轴，包括第二定子及可绕所述第二定子旋转的第二转子，所述第二定子固定于所述连接件的另一端；
线性模组，包括固定连接于所述第二转子的丝杆、套设于所述丝杆上的导轨，，及可沿所述导轨滑动的滑块；
反射镜组件，包括第一反射镜及第二反射镜，所述第一反射镜固定连接于所述连接件上，所述第二反射镜固定连接于所述第二转子上；
扫描振镜，固定连接于所述滑块；及聚焦镜；
所述激光器出射的光束通过所述连接板后沿所述第一旋转轴的轴心入射进入所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后沿所述第二旋转轴的轴心进入所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后入射进入所述扫描振镜，再通过所述聚焦镜聚焦。
本发明一较佳实施方式中，所述机床采用龙门定柱结构，包括：X轴、Y轴、Z轴及用于放置待加工件的工作台，其中，
所述X轴用于驱动所述工作台做纵向移动，所述Y轴设置于所述机床的龙门横梁上，用于驱动所述激光器Z轴做横向运动，所述第一旋转轴和第二旋转轴安装于所述Z轴的下端，通过所述Z轴的运动带动所述第一旋转轴和第二旋转轴做垂直方向运动。
此外，本发明还提供了一种激光加工方法，其包括如下步骤：
S101、对待加工件的三维曲面模型进行分块处理；
S102、提取每个分块曲面的中心点法向矢量坐标，并把各个分块曲面按照中心点法向矢量方向投影成平面图形，生成所述扫描振镜调用的图形格式；
S103、将所述X轴、Y轴、Z轴、所述第一旋转轴和第二旋转轴所在的轴线定位于各个平面图形中心点的法向矢量方向上；
S104、所述机床根据待加工件的表面距离控制所述线性模组的移动使所述激光器出射的光束聚焦于所述待加工件表面；
S105、所述扫描振镜根据上述图形格式加工所述待加工件；
S106、重复上述步骤S103至S105，实现所述待加工的加工。
本发明一较佳实施方式中，其中，步骤S101中，分块处理的规则为：各个分块曲面的弦高不超过激光束焦深并且分块曲面大小在所述扫描振镜的加工范围内。
本发明一较佳实施方式中，所述激光束焦深为0.95mm，所述扫描振镜的扫描范围为50*50mm。
相对于现有技术，本发明提供的激光加工头，包括连接板、第一旋转轴、第二旋转轴、连接件、线性模组、反射镜组件、扫描振镜，第一旋转轴定子固定在连接板上，连接件固定在第一旋转轴转子上，第二旋转轴的定子固定在连接件上，丝杆固定在第二旋转轴转子上，扫描振镜固定于丝杆的滑块上，滑块沿导轨直线运动，激光光束通过连接板后沿第一旋转轴的轴心入射进入所述第一反射镜，经第一反射镜反射后沿第二旋转轴的轴心进入第二反射镜，经第二反射镜反射后入射进入扫描振镜，再通过聚焦镜聚焦，实现对待加工件的曲面加工，由于第一承轴、第二旋转轴可以±100°回转，再配合机床的移动可到达被加工零件的任意位置，提高了加工效率及加工质量。
本发明还提供了一种激光加工装置，包括激光器、加工头及机床，由于加工头的第一旋转轴、第二旋转轴可以旋转，从而使得其加工不依赖于现有技术的旋转工作台，这样在加工具有复杂曲面的不同尺寸工件时，装置便于改造，结构灵活；且通过加工头的线性模组调整扫描振镜的移动，当第一旋转轴和第二旋转轴旋转到不同位姿时可通过移动线性模组实现聚焦加工，聚焦方式灵活。
本发明还提供了一种激光加工方法，通过对待加工件的三维曲面模型进行分块处理，再提取每个分块曲面的中心点法向矢量坐标，并把各个分块曲面按照中心点法向矢量方向投影成平面图形，生成所述扫描振镜调用的图形格式，将所述X轴、Y轴、Z轴、所述第一旋转轴和第二旋转轴所在的轴线定位于各个平面图形中心点的法向矢量方向上，所述机床根据待加工件的表面距离控制所述线性模组的移动使所述激光器出射的光束聚焦于所述待加工件表面，所述扫描振镜根据上述图形格式加工所述待加工件，工艺简单，加工效率高。
附图说明
图1为现有技术提供的一种激光加工头的示意图；
图2为本发明一较佳实施方式提供的激光加工头的结构示意图；
图3为图2提供的激光加工头沿B-B方向的剖面图；
图4为本发明一较佳实施方式提供的激光加工装置的结构示意图；
图5为本发明一较佳实施方式提供的激光加工装置的剖面图；
图6为本发明一较佳实施方式提供的激光方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图2和图3，本发明第一实施例提供一种激光加工头100，包括：连接板110、第一旋转轴120、连接件130、第二旋转轴140、线性模组150、反射镜组件、扫描振镜180及聚焦镜190。其中：
第一旋转轴120包括第一定子121及可绕所述第一定子121旋转的第一转子122，所述第一定子121固定于所述连接板130上。
连接件130的一端固定于所述第一转子122上。
第二旋转轴140包括第二定子141及可绕所述第二定子141旋转的第二转子142，所述第二定子141固定于所述连接件130的另一端。
线性模组150包括固定连接于所述第二转子142的丝杆151，所述丝杆151上开设有导轨，及可沿所述导轨(图未示)滑动的滑块153。
优选地，所述线性模组150还信号连接的伺服电机160，所述伺服电机160通过驱动所述丝杆151转动而使得所述滑块153沿所述导轨滑动。
反射镜组件包括第一反射镜171及第二反射镜172，所述第一反射镜171固定连接于所述连接件130上，所述第二反射镜172固定连接于所述第二转子142上。
优选地，所述第一反射镜161及第二反射镜162的镜面方向可调。可以理解，通过调整第一反射镜161及第二反射镜162的镜面方向可以实现对光束传播方向的调整。
扫描振镜180固定连接于所述滑块153。可以理解，通过滑块153的滑动可以带动扫描振镜180的移动。
优选地，扫描振镜180的加工范围是50*50mm，同时，还配以焦距为201.6mm的平场透镜(图未示)组合作为激光振镜。
优选地，还包括与所述线性模组信号连接的控制器(图未示)，以及信号连接于所述控制器的位置传感器(图未示)，所述位置传感器用于探测待加工件的位置，所述控制器根据待加工件的位置信息控制所述线性模组的移动以改变激光焦点的位置，使所述焦点与待加工件的加工面重合。
可以理解，当控制器输入待加工工件的位置信号，与扫描振镜180连接的摆动电机就会按照预先设置的控制速度计算驱动电机所需要的工作电流，该输出电流与电机输出力矩成正比关系，电机可根据该电流所对应的力矩加速至指定控制速度，当到达控制器输入位置时电机停止，由此改变所述扫描振镜180的方向。
可以理解，激光光束通过所述连接板110后沿所述第一旋转轴120的轴心入射进入所述第一反射镜171，经所述第一反射镜171反射后沿所述第二旋转轴140的轴心进入所述第二反射镜172，经所述第二反射镜172反射后入射进入所述扫描振镜180，再通过所述聚焦镜190聚焦，从而实现了对工件的加工，可以理解，由于第一承轴120、第二旋转轴140可以360°回转，再配合机床的移动可到达被加工零件的任意位置，提高了加工效率及加工质量。
请参阅图4和图5，本发明第一实施例提供一种激光加工装置200，包括：激光器210、激光加工头100及固定所述激光器的机床220。其中：
所述激光器210用于提供激光光束。
优选地，选用的激光波长是1.026μm，最小脉冲宽度≤500fs,单脉冲能量＞0.2mJ,最大输出功率15w，激光光束聚焦焦深为0.95mm。
所述机床220采用龙门定柱结构，包括：X轴221、Y轴222、Z轴223及用于放置待加工件的工作台224，其中，
所述X轴221用于驱动所述工作台224做纵向移动，所述Y轴222设置于所述机床的龙门横梁(图未示)上，用于驱动所述激光器210做横向运动，所述Z轴223可沿所述Y轴222的滑板做横向运动，所述第一旋转轴120和第二旋转轴140安装于所述Z轴223的下端，通过所述Z轴223的运动带动所述第一旋转轴120和第二旋转轴140做垂直方向运动。
可以理解，通过利用第一旋转轴120和第二旋转轴140双摆轴激光振镜加工头再配合机床的X,Y,Z轴联动可以完成各种复杂曲面的扫描加工。
可以理解，由于加工头100的第一承轴120、第二旋转轴140可以旋转，从而使得其加工不依赖于现有技术的旋转工作台，这样在加工具有复杂曲面的不同尺寸工件时，装置便于改造，结构灵活；且通过加工头的线性模组调整扫描振镜的移动，当第一旋转轴120和第二旋转轴140旋转到不同位姿时可通过移动线性模组150实现聚焦加工，聚焦方式灵活。
请参阅图6，本发明第一实施例提供一种激光加工方法300，包括下述步骤：
S101、对待加工件的三维曲面模型进行分块处理；
优选地，分块处理的规则为：各个分块曲面的弦高不超过激光束焦深并且分块曲面大小在所述扫描振镜的加工范围内。
优选地，所述激光束焦深为0.95mm，所述扫描振镜的扫描范围为50*50mm。
S102、提取每个分块曲面的中心点法向矢量坐标，并把各个分块曲面按照中心点法向矢量方向投影成平面图形，生成所述扫描振镜调用的图形格式；
S103、将所述X轴、Y轴、Z轴、所述第一旋转轴和第二旋转轴所在的轴线定位于各个平面图形中心点的法向矢量方向上；
S104、所述机床根据待加工件的表面距离控制所述线性模组的移动使所述激光器出射的光束聚焦于所述待加工件表面；
可以理解，通过设置于机床中的传感器探测待加工工件的位置信号，所述控制器根据待加工件的位置信息控制所述线性模组的移动线性模组就会按照一定的角度转换比例摆动一定的角度；同时，伺服电机160根据传感器探测待加工工件的位置信号控制丝杆151的转动，从而带动滑块153及与滑块153固定连接的扫描振镜180的滑动，从而保证激光器出射的光束通过聚焦镜190聚焦于所述待加工件表面；
S105、所述扫描振镜根据上述图形格式加工所述待加工件；
S106、重复上述步骤S103至S105，实现所述待加工的加工。
可以理解，通过上述加工方法可以用来加工工件表面镀铝、铜、金的薄膜。
本发明还提供了一种激光加工方法，通过对待加工件的三维曲面模型进行分块处理，再提取每个分块曲面的中心点法向矢量坐标，并把各个分块曲面按照中心点法向矢量方向投影成平面图形，生成所述扫描振镜调用的图形格式，将所述X轴、Y轴、Z轴、所述第一旋转轴和第二旋转轴所在的轴线定位于各个平面图形中心点的法向矢量方向上，所述机床根据待加工件的表面距离控制所述线性模组的移动使所述激光器出射的光束聚焦于所述待加工件表面，所述扫描振镜根据上述图形格式加工所述待加工件，工艺简单，加工效率高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种激光加工头，其特征在于，包括：
连接板；
第一旋转轴，包括第一定子及可绕所述第一定子旋转的第一转子，所述第一定子固定于所述连接板上；
连接件，其一端固定于所述第一转子上；
第二旋转轴，包括第二定子及可绕所述第二定子旋转的第二转子，所述第二定子固定于所述连接件的另一端；
线性模组，包括固定连接于所述第二转子的丝杆、套设于所述丝杆上的导轨，可沿所述导轨滑动的滑块；
反射镜组件，包括第一反射镜及第二反射镜，所述第一反射镜固定连接于所述连接件上，所述第二反射镜固定连接于所述第二转子上；
扫描振镜，固定连接于所述滑块；及聚焦镜；
激光光束通过所述连接板后沿所述第一旋转轴的轴心入射进入所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后沿所述第二旋转轴的轴心进入所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后入射进入所述扫描振镜，再通过所述聚焦镜聚焦。
2.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，还包括与所述线性模组信号连接的伺服电机，所述伺服电机通过驱动所述丝杆转动而使得所述滑块沿所述导轨滑动。
3.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述第一反射镜及第二反射镜的镜面方向可调。
4.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，还包括与所述线性模组信号连接的控制器，以及信号连接于所述控制器的位置传感器，所述位置传感器用于探测待加工件的位置，所述控制器根据待加工件的位置信息控制所述线性模组的移动以改变激光焦点的位置，使所述焦点与待加工件的加工面重合。
5.一种激光加工装置，其特征在于，包括：激光器、激光加工头及固定所述激光加工头的机床，其中：
所述激光器用于提供激光光束；
所述激光加工头，包括：
连接板；
第一旋转轴，包括第一定子及可绕所述第一定子旋转的第一转子，所述第一定子固定于所述连接板上；
连接件，其一端固定于所述第一转子上；
第二旋转轴，包括第二定子及可绕所述第二定子旋转的第二转子，所述第二定子固定于所述连接件的另一端；
线性模组，包括固定连接于所述第二转子的丝杆，套设于所述丝杆上的导轨，及可沿所述导轨滑动的滑块；
反射镜组件，包括第一反射镜及第二反射镜，所述第一反射镜固定连接于所述连接件上，所述第二反射镜固定连接于所述第二转子上；
扫描振镜，固定连接于所述滑块；及聚焦镜；
所述激光器出射的光束通过所述连接板后沿所述第一旋转轴的轴心入射进入所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后沿所述第二旋转轴的轴心进入所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后入射进入所述扫描振镜，再通过所述聚焦镜聚焦。
6.如权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述机床采用龙门定柱结构，包括：X轴、Y轴、Z轴及用于放置待加工件的工作台，其中，
所述X轴用于驱动所述工作台做纵向移动，所述Y轴设置于所述机床的龙门横梁上，用于驱动所述激光器做横向运动，所述Z轴可沿所述Y轴的滑板做横向运动，所述第一旋转轴和第二旋转轴安装于所述Z轴的下端，通过所述Z轴的运动带动所述第一旋转轴和第二旋转轴做垂直方向运动。
7.一种根据权利要求5-6任一项所述的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、对待加工件的三维曲面模型进行分块处理；
S102、提取每个分块曲面的中心点法向矢量坐标，并把各个分块曲面按照中心点法向矢量方向投影成平面图形，生成所述扫描振镜调用的图形格式；
S103、将所述X轴、Y轴、Z轴、所述第一旋转轴和第二旋转轴所在的轴线定位于各个平面图形中心点的法向矢量方向上；
S104、所述机床根据待加工件的表面距离控制所述线性模组的移动使所述激光器出射的光束聚焦于所述待加工件表面；
S105、所述扫描振镜根据上述图形格式加工所述待加工件；
S106、重复上述步骤S103至S105，实现所述待加工的加工。
8.如权利要求7所述的激光加工方法，其特征在于，其中，步骤S101中，分块处理的规则为：各个分块曲面的弦高不超过激光束焦深并且分块曲面大小在所述扫描振镜的加工范围内。
9.如权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光束焦深为0.95mm，所述扫描振镜的扫描范围为50*50mm。
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