CN108515280A - 激光打孔装置及打孔方法 - Google Patents

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曹洪涛
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廖文
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Abstract

本发明涉及一种激光打孔装置及激光打孔方法，该激光打孔装置包括激光系统、转镜系统和控制系统；其中，转镜系统包括多面棱镜和旋转驱动件，多面棱镜呈棱柱状，具有多个用于反射由激光系统出射的激光束的反射面，多面棱镜在旋转驱动件的驱动下旋转运动，以改变由激光系统出射的激光束入射反射面的入射角度；控制系统根据多面棱镜的旋转角度控制激光系统出射激光束，以利用多面棱镜的反射面将激光束以不同角度反射到待打孔物体进行打孔，由于多面棱镜旋转运动时，始终具有对应的反射面对激光束进行反射，从而在多面棱镜高速旋转时，仍然能够精准的将激光束出射到待打孔物体需要打孔的位置进行打孔作业，有效提高了打孔效率。

Description

激光打孔装置及打孔方法
技术领域
本发明涉及激光打孔技术领域，特别是涉及一种激光打孔装置及打孔方法。
背景技术
工作效率是各项生产活动中的一个重要参数，在一些流水线生产系统中，某个生产环节的运转速度需要达到最低要求，以避免影响其他生产环节的正常运行，从而保障整个流水线生产系统的效率。
例如在新能源电池的流水线生产系统中，行业标准要求电池阳极打孔切割需在30m/s以上速度运行，以免该流水线生产系统的其他工序处于等待状态。
目前采用传统振镜电机摆动方式进行激光打孔，常用的10mm镜片式振镜的最快运行速度为7m/s，不能满足新能源电池的生产需求。业内有采用减小镜片尺寸的方式使电机负载变的更轻些，以提高振镜速度。但是提升后的速度仍然难以满足上述新能源电池的生产需求。而且减小镜片尺寸会缩小打孔范围，当打孔范围较大时需要多次对位和校准，限制了打孔作业效率。此外，振镜电机的启停工段存在加减速问题，导致它不适合高速运行的应用，也极大的限制了打孔作业效率。
发明内容
基于此，有必要针对目前激光打孔受振镜速度限制而打孔效率低的问题，提供一种能实提高打孔效率的激光打孔装置及激光打孔方法。
一种激光打孔装置，包括：
激光系统，所述激光系统用于出射激光束；
转镜系统，所述转镜系统包括多面棱镜和旋转驱动件，所述多面棱镜呈棱柱状，具有多个用于反射由所述激光系统出射的激光束的反射面；多个所述反射面首尾相连地绕所述多面棱镜的纵向轴线排布；所述旋转驱动件用于驱动所述多面棱镜绕所述多面棱镜的纵向轴线旋转运动，以改变由所述激光系统出射的激光束入射所述反射面的入射角度；
控制系统，所述控制系统用于控制所述旋转驱动件工作，以使旋转驱动件驱动所述多面棱镜旋转运动；所述控制系统还用于根据所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束，以利用所述多面棱镜的反射面将所述激光束以不同角度反射到待打孔物体进行打孔。
在其中一个实施例中，旋转驱动件包括电机和驱动器，所述电机通过所述驱动器与所述控制系统电性相连。
在其中一个实施例中，所述激光系统所出射的激光束入射所述反射面的方向与所述多面棱镜的纵向轴线相垂直。
在其中一个实施例中，所述多面棱镜的横截面呈正多边形。
在其中一个实施例中，所述反射面为偶数个，且所述反射面两两对称设置。
在其中一个实施例中，还包括移动机构，所述移动机构用于移动待打孔物体，且所述待打孔物体的移动方向与所述多面棱镜旋转时所反射的激光束的移动方向相交。
在其中一个实施例中，所述转镜系统还包括与所述控制系统电性相连的检测元件，所述检测元件设于所述多面棱镜的一侧，且当所述检测元件检测到相邻所述反射面的连接处位于所述激光束入射所述多面棱镜的光路上时，所述检测元件产生脉冲控制信号并将该脉冲控制信号传输到所述控制系统，所述控制系统根据所述脉冲控制信号以及所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束。
相应地，本发明还提供了一种利用上述激光打孔装置进行激光打孔的方法，该方法包括以下步骤：
驱动所述多面棱镜旋转运动；
根据所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束；
所述激光束入射到所述多面棱镜的反射面后，经所述反射面反射至待打孔物体进行打孔。
在其中一个实施例中，当所述多面棱镜旋转至相邻所述反射面的连接处位于所述激光束入射所述多面棱镜的光路上时，所述激光系统处于非工作状态而不出射激光束。
在其中一个实施例中，所述激光打孔方法还包括步骤：移动所述待打孔物体，且所述待打孔物体的移动方向与所述多面棱镜旋转时激光束经反射面反射后的出射光的移动方向相互垂直。
上述激光打孔装置及打孔方法，该激光打孔装置中，通过具有多个反射面的多面棱镜的旋转运动，可将激光束以不同角度反射到待打孔物体进行打孔，由于多面棱镜旋转运动时，始终具有对应的反射面对激光束进行反射，从而在多面棱镜高速旋转时，仍然能够精准的将激光束出射到待打孔物体需要打孔的位置进行打孔作业，有效提高了打孔效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为一实施方式中激光打孔装置的结构示意图；
图2为一实施方式中激光打孔方法的步骤流程图。
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。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1，一实施方式中的激光打孔装置包括激光系统100、转镜系统200和控制系统(图未示)。其中，激光系统100用于出射激光束，转镜系统200用于改变激光系统100所出射的激光束的方向，使得激光束连续的或间断的在待打孔物体上进行打孔作业。
需要说明的是，在该激光打孔装置中，激光系统100和转镜系统200均受控制系统的调配。例如，在转镜系统200处于某一工作状态下，激光系统100出射的激光束可经转镜系统200在待打孔物体的其中一位置打孔作业；相应的，在转镜系统200处于另一工作状态下，激光系统100出射的激光束经过转镜系统200改变光路后入射到待打孔物体的另一位置打孔作业。该实施方式中，转镜系统200的工作状态可以是转镜系统200对激光束出射方向改变状态，即以不同角度对激光系统100出射的激光束进行反射。可以理解的，控制系统在转镜系统200的工作状态就位后，便可以控制激光系统100出射激光，以在转镜系统200对激光束光路方向的改变下对待打孔物体的不同位置进行打孔。
在一些实施方式中，转镜系统200包括多面棱镜210和旋转驱动件。其中，多面棱镜210呈棱柱状，具有多个用于反射由激光系统100出射的激光束的反射面211。多个反射面首尾相连地绕多面棱镜210的纵向轴线W排布。旋转驱动件用于驱动多面棱镜210绕多面棱镜210的纵向轴线W旋转运动，从而多面棱镜210上的反射面211也绕该纵向轴线W转动，改变了由激光系统100出射的激光束入射反射面211的入射角度，最终将激光束以不同的出射方向入射至待打孔物体的不同位置进行打孔作业。
具体的，旋转驱动件驱动多面棱镜210旋转运动时，多个反射面211会依次绕纵向轴线W转动经过激光束入射多面棱镜210的光路，也就是说，在需要将激光系统100出射的激光束入射到待打孔物体进行打孔的位置时，转镜系统200中的多面棱镜210始终具有对应的反射面211对激光束进行反射，从而在提高多面棱镜210转速的情况下也能够将激光束出射到待打孔物体需要打孔的位置，进而在不影响打孔精度的情况下提高了打孔效率。
需要说明的是，上述实施方式中，激光系统100和旋转驱动件均与控制系统相连，控制系统用于控制旋转驱动件工作，以使旋转驱动件驱动多面棱镜210旋转运动；控制系统还用于根据多面棱镜210的旋转角度控制激光系统100出射激光束，以利用多面棱镜210的反射面211将激光束以不同角度反射到待打孔物体进行打孔。
具体的，激光系统100是在控制系统调配下，当转镜系统200对激光束光路改变的工作状态就绪时，控制出射激光束的时机。由于多面棱镜210在旋转驱动件的驱动下旋转运动时，反射面211也相应地绕多面棱镜210的纵向轴线W转动，从而可以根据多面棱镜210的旋转角度得到反射面211的倾斜角度，进而可以获得反射面211对激光束的反射角度。因此，控制系统可以根据多面棱镜210的旋转角度来控制激光系统100出射激光束，使得激光束经过处于该旋转角度下的多面棱镜210的反射最终入射到待打孔物体的相应位置进行打孔。由于激光系统100是在控制系统根据多面棱镜210的旋转角度进行出射激光束，也就是说，多面棱镜210旋转至可将激光束反射至待打孔物体需要打孔的位置时，激光系统100才出射激光束，从而无论转镜系统200中的多面棱镜210加速运动、减速运动和匀速运动，均不会影响激光束入射待打孔物体需要打孔位置的准确性，从而使得多面棱镜210在旋转驱动件的驱使下高速旋转时，该激光打孔装置依然具有良好的打孔精度。可见，利用该激光打孔装置进行打孔作业时，在获得较好打孔精度的同时，也有效的加快了打孔效率。
旋转驱动件包括电机220和驱动器，电机220通过驱动器与控制系统电性相连。电机220的输出轴与多面棱镜210相连接，可以理解的，多面棱镜210的纵向轴线W与电机220的输出轴的旋转轴线重合，从而电机220工作时，电机220的输出轴驱动多面棱镜210绕自身的纵向轴线W旋转运动，改变反射面211相对激光系统100出射的激光束的角度，即，改变了由激光系统100出射的激光束入射反射面211的入射角度。
多面棱镜210的横截面呈正多边形，即多面棱镜210的多个反射面211规格相同，使得入射到各反射面211的激光束具有相同的角度偏转范围，从而在以行、列的矩阵方式进行打孔作业时，可以采用相同的数据指令，降低打孔作业编程的复杂度，提高作业效率。
反射面211为偶数个，且反射面211两两对称设置。例如8边形、10边形、12边形、14边形、16边形。
激光系统100所出射的激光束入射反射面211的方向与多面棱镜210的纵向轴线W相垂直，从而在反射面211绕多面棱镜210的纵向轴线W旋转时，激光束经反射面211反射后沿同一个方向偏转，使得反射后的激光束在待打孔物体上呈线形移动，打出的孔呈线形排列。这种打孔方式，对于激光系统100出光的控制简便，无需复杂的程序，以便参照待打孔物体需打孔位置对控制系统进行设定。
在一些实施方式中，激光系统100包括激光器110、扩束组件120和聚焦镜头130。
激光系统100所出射的激光束作为打孔作业的能量来源，其所采用的激光器110可以是脉冲激光器，以在需要出光进行打孔时才出射激光束；当然激光器110也可以是连续光纤激光器，通过信号控制的方式也能实现间断的出射激光束，在此不作限定。
扩束组件120设置在激光束入射多面棱镜210的入射光路P1上，当然，在经扩束组件120后的激光束可以通过反射镜100a等反射的形式入射多面棱镜210的反射面211，一样也能实现多面棱镜210对激光束的出射方向进行调节。需要说明的是，扩束组件120可以是扩束镜，以对由激光器110出射的激光束进行扩束处理。
聚焦镜头130设置在激光束经反射面211反射后的出射光路P2上，以将激光束聚焦到待打孔物体进行打孔。
上述激光打孔装置中，由于多面棱镜210旋转运动时，反射面211以不同角度反射激光束，将激光束在待打孔物体上呈线形移动，以使打出孔呈线形排列。可以理解的，移动待打孔物体时，便可以在待打孔物体的不同位置进行打孔使孔呈一定图案分布。
需要说明的是，上述对待打孔物体的移动操作可以采用移动机构完成，即，激光打孔装置还包括移动机构，移动机构用于移动待打孔物体。如果待打孔物体的移动方向与激光束在待打孔物体上的移动方向一致，最终的孔会保持线形。当待打孔物体的移动方向与多面棱镜210旋转时所反射的激光束的移动方向相交时，即待打孔物体的移动方向与激光束在待打孔物体上的线形打孔方向不一致时，由于待打孔物体具有偏移激光束打孔线形的位移，从而使激光束可以对待打孔物体的整个面以一定图案或阵列进行打孔。
移动机构可以是工作台，也可以是传输流水线300。
具体的，采用传输流水线300时，该传输流水线包括主动辊310、传输带320、从动辊330，传输带320设于主动辊310和从动辊330上，待打孔物体放置于传输带320上，从而主动辊310转动时，可以带动传输带320移动待打孔物体，以便对待打孔物体的整个面进行打孔作业。
在一些实施方式中，转镜系统200还包括与控制系统电性相连的检测元件，检测元件设于多面棱镜210的一侧，且当检测元件检测到相邻反射面211的连接处211a位于激光束入射多面棱镜210的光路P1上时，检测元件产生脉冲控制信号并将该脉冲控制信号传输到控制系统，控制系统根据脉冲控制信号以及多面棱镜210的旋转角度控制激光系统100出射激光束。
具体的，在相邻反射面211的连接处211a转动经过激光束入射光路P1时，此时的检测元件产生的脉冲控制信号反馈到控制系统，进而反射面211随多面棱镜210继续旋转时，控制系统可通过接收到脉冲控制信号的时间，以及多面棱镜210的旋转速度来计算反射面211的转角，并在反射面211转动到第一位置时，控制激光系统100出射激光束，使得此时的激光束经反射面211反射后入射到待打孔物体需要打孔的位置，同样的，控制系统也可在反射面211转动到第二位置时控制激光系统100停止出射激光束；这样便可以在待打孔物体上打出连续的长条形孔。可以理解的，当需要在待打孔物体上间断的打出圆孔时，将多面棱镜210旋转到相应的角度，使得经过该多面棱镜210反射后的激光束入射到待打孔物体需要打孔的位置。
上述实施方式中，利用检测元件产生脉冲控制信号的方式，可以使控制系统获取到相应的反射面211在进入入射激光束的光路P1的状态，从而避免多个反射面211在随多面棱镜210旋转运动时，相邻反射面211的连接处211a对反射面211的旋转角度的精度影响，使得每个反射面211在反射激光束时均具有较高的精度，将激光束精准的反射到待打孔物体需打孔位置进行打孔作业。
结合图2所示，本发明还提供一种利用上述激光打孔装置进行激光打孔的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S110，驱动多面棱镜210旋转运动；
步骤S120，根据多面棱镜210的旋转角度控制激光系统100出射激光束；
步骤S130，激光束入射到多面棱镜210的反射面211后，经反射面211反射至待打孔物体进行打孔。
上述激光打孔方法中，利用旋转运动的多面棱镜210改变入射到相应反射面211的入射角，使反射后的激光束以不同的方向出射，进而对待打孔物体进行打孔。由于在多面棱镜210的旋转过程中，控制系统始终根据多面棱镜210的旋转角度是否处于可将激光束反射到待打孔物体需打孔的位置，来确定激光系统100是否出射激光束，因此该激光打孔装置中的多面棱镜210的转速不受限制，即使在高速运转的情况下，始终可以利用相应的反射面211将光束反射至待打孔物体的相应位置进行打孔，从而利用该激光打孔方法可以有效的提高打孔效率。
需要说明的是，在步骤S120中，多面棱镜210的旋转角度可以是一个旋转角度范围，如多面棱镜210的旋转角度在30度至35度，该旋转角度下，激光系统100出射的激光束在多面棱镜210的反射下将对待打孔物体进行连续打孔，使得最终打出的孔形状呈长条形。可以理解的，多面棱镜210的旋转角度也可以是某一角度值，例如，当需要在待打孔物体上间断的打出圆孔时，这些圆孔对应的多面棱镜210的旋转角度分别为25度、30度、45度，激光系统100则会在多面棱镜210旋转到25度、30度、45度时出射激光束，从而使得多面棱镜210在对应的旋转角度下将激光束准确的入射到待打孔物体需要打孔的位置间断的打出圆孔。
上述实施方式中，由于多面棱镜210在绕自身的纵向轴线W旋转运动时，只有反射面211处于激光束的入射光路P1时才能改变激光束的光路，而当多面棱镜210旋转至相邻反射面211的连接处211a位于激光束入射多面棱镜210的光路P1上时，激光系统100处于非工作状态而不出射激光束。
在一些实施方式中，在该激光打孔方法中，可以通过移动待打孔物体的方式使激光束对待打孔物体的整个面进行打孔，以适应实际生产的需要，以一定的图案或阵列进行打孔作业。该实施方式中，待打孔物体的移动方向与多面棱镜210旋转时激光束经反射面211反射后的出射光的移动方向相互垂直时，可以对待打孔物体以行、列的矩阵方式进行打孔。如图1中所示，多面棱镜210旋转时激光束经反射面211反射后的出射光沿O-X方向呈线形移动，待打孔物体朝与该线形方向垂直的O-Y方向移动。
需要说明的是，在对待打孔物体进行打孔作业时，可以通过对控制系统进行预先设定，根据实际生产需要进行配置激光束的出光频率以及激光强度，使得激光打孔装置可以针对待打孔物体的不同位置进行相应的打孔操作，以满足实际生产需要。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上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 (10)

1.一种激光打孔装置，其特征在于，包括：
激光系统，所述激光系统用于出射激光束；
转镜系统，所述转镜系统包括多面棱镜和旋转驱动件，所述多面棱镜呈棱柱状，具有多个用于反射由所述激光系统出射的激光束的反射面；多个所述反射面首尾相连地绕所述多面棱镜的纵向轴线排布；所述旋转驱动件用于驱动所述多面棱镜绕所述多面棱镜的纵向轴线旋转运动，以改变由所述激光系统出射的激光束入射所述反射面的入射角度；
控制系统，所述控制系统用于控制所述旋转驱动件工作，以使旋转驱动件驱动所述多面棱镜旋转运动；所述控制系统还用于根据所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束，以利用所述多面棱镜的反射面将所述激光束以不同角度反射到待打孔物体进行打孔。
2.根据权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，旋转驱动件包括电机和驱动器，所述电机通过所述驱动器与所述控制系统电性相连。
3.根据权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述激光系统所出射的激光束入射所述反射面的方向与所述多面棱镜的纵向轴线相垂直。
4.根据权利要求1所述的激光打孔装置，其特征在于，所述多面棱镜的横截面呈正多边形。
5.根据权利要求4所述的激光打孔装置，其特征在于，所述反射面为偶数个，且所述反射面两两对称设置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的激光打孔装置，其特征在于，还包括移动机构，所述移动机构用于移动待打孔物体，且所述待打孔物体的移动方向与所述多面棱镜旋转时所反射的激光束的移动方向相交。
7.根据权利要求6所述的激光打孔装置，其特征在于，所述转镜系统还包括与所述控制系统电性相连的检测元件，所述检测元件设于所述多面棱镜的一侧，且当所述检测元件检测到相邻所述反射面的连接处位于所述激光束入射所述多面棱镜的光路上时，所述检测元件产生脉冲控制信号并将该脉冲控制信号传输到所述控制系统，所述控制系统根据所述脉冲控制信号以及所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述激光打孔装置进行激光打孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
驱动所述多面棱镜旋转运动；
根据所述多面棱镜的旋转角度控制所述激光系统出射激光束；
所述激光束入射到所述多面棱镜的反射面后，经所述反射面反射至待打孔物体进行打孔。
9.根据权利要求8所述的激光打孔方法，其特征在于，当所述多面棱镜旋转至相邻所述反射面的连接处位于所述激光束入射所述多面棱镜的光路上时，所述激光系统处于非工作状态而不出射激光束。
10.根据权利要求8所述的激光打孔方法，其特征在于，所述激光打孔方法还包括步骤：移动所述待打孔物体，且所述待打孔物体的移动方向与所述多面棱镜旋转时激光束经反射面反射后的出射光的移动方向相互垂直。
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