CN108788496A - 一种正反两面激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正反两面激光打孔装置及方法，涉及到激光打孔领域，包括移动平台，锁紧螺栓，夹紧块，工件，第一喷嘴、第一可移动加工头，第一反射平面镜，CCD相机，第二反射平面镜，第一可移动加工头控制器，第一辅助气体控制器，电机，第三反射平面镜，第二辅助气体控制器，电机控制器，第二可移动加工头控制器，第四反射平面镜，第五反射平面镜，第二可移动加工头，激光器，激光器控制器，计算机，移动平台控制器；该方法实现了在工件同一位置上下表面精准的激光打孔，采用同轴吹辅助气体的方法提高材料的去除率，通过计算机控制与移动平台移动可实现冲击式打孔、旋切打孔、螺线下切打孔等多种激光打孔方式。

Description

一种正反两面激光打孔装置及方法

技术领域

本发明涉及激光打孔领域，尤其是一种正反两面激光打孔装置及方法。

背景技术

激光打孔是基于工件材料对激光能量的吸收和光能转变为热能的原理，通过对激光束聚焦，在焦点处形成很高的温度，在脉冲激光作用下，使材料不断熔化汽化的过程。另外，气体和打孔形成的等离子体会产生高压，将加工形成的杂质吹出孔洞，最后在材料上形成一个盲孔或通孔。

激光打孔具有效率高、精度高、通用性强和经济效益好等优点。并且随着激光技术的不断发展，激光器也得到了长足的发展，输出功率逐渐提高，脉冲宽度也越来越窄、重复频率范围更是越来越宽。各种新技术和新激光器被运用到激光打孔中，这使得激光打孔技术得到了长足的发展。但激光打孔依然存在微孔锥度大、出口质量较差、重铸层较厚等问题，尤其是在深孔的加工过程中，问题更加严重；且激光打孔存在打孔极限深度，这制约了激光打孔深度的增加。这些问题的存在，严重制约了激光打孔技术在工业上的进一步推广与应用。专利号为CNIO3521936A的中国专利《一种激光诱导冲击波辅助激光打孔装置》提出了一种激光诱导冲击波辅助激光打孔装置，可提高激光打孔的深度极限,减少重铸层的厚度,降低微裂纹萌生率,并提高激光打孔效率,可应用于中、厚板激光打孔加工。但其加工条件较为复杂，且需要两台激光器，设备成本太高。专利申请号为CNIO4275554A的中国专利《铝合金激光打孔方法及装置》提出了一种铝合金激光打孔方法，利用化学溶液与铝合金发生化学反应以消除通孔锥度,从而获得无锥度的通孔，该方法加工效率高,且铝合金不发生形变。但是该专利提出的方法仅适用于铝合金激光打孔，需要配置腐蚀液，过程较繁琐，影响加工效率。

发明内容

本发明为了解决目前激光打孔存在的微孔锥度大、出口质量较差、重铸层较厚等问题，突破激光打孔深度极限，进一步提高激光打孔深度与打孔质量，提供一种正反两面激光打孔方法及装置。

本发明为解决技术问题所提供的技术方案如下：

一种正反两面激光打孔装置，包括移动平台第一可移动加工头控制器、第二可移动加工头控制器、CCD相机、激光器控制器、移动平台控制器和计算机；

所述计算机通过第一可移动加工头控制器、第二可移动加工头控制器、激光器控制器、移动平台控制器与第一可移动加工头、第二可移动加工头、激光器、移动平台相连接；

所述CCD相机位于最上方，CCD相机正下方依次设置有第一反射平面镜、第一可移动加工头、第二可移动加工头和第五反射平面镜；且第一反射平面镜与第五反射平面镜、第一反射平面镜与第五反射平面镜沿X轴对称；沿X轴延伸方向设置有电机；所述电机的输出轴上设置有第三反射平面镜；所述激光器发出的激光束照射到第三平面镜上；经第三反射平面镜反射到第二反射平面镜与第四反射平面镜上后再经第一反射平面镜与第五反射平面镜反射到第一可移动加工头、第二可移动加工头，经第一可移动加工头、第二可移动加工头上的第一喷头与第二喷头喷射到工件上；所述工件设置在移动平台上。

进一步的，所述第一可移动加工头、第二可移动加工头结构相同；移动部分均采用滚珠丝杠副和滚动直线导轨。

进一步的，第一可移动加工头为中空结构，且通过控制电机带动；所述第一可移动加工头包括第一喷头、第一保护镜片和第一扩束器；所述第一喷头、第一保护镜片和第一扩束器从下到上固定设置在一起，且第一扩束器安装在滑动块上，滑动块可沿带动丝杠通过伸缩装置的带动而做上下移动。

进一步的，所述工件通过锁紧螺栓、夹紧块夹紧固定在移动平台上。

进一步的，辅助气体通过第一喷头与第二喷头喷射到工件上，且第一辅助气体控制器与第二辅助气体控制器控制气体的喷射。

基于一种正反两面激光打孔装置的方法，在工件上下表面同一位置进行激光微孔加工；通过电机轴向旋转180°改变输出激光路径；通过计算机控制与移动平台移动可实现冲击式打孔、旋切打孔或者螺线下切打孔；包括以下步骤：

步骤一：将设备初始化

步骤二：将工件安装在移动平台上；

步骤三：在CCD相机监测下，通过移动移动平台、第一可移动加工头、第二可移动加工头对工件进行对刀，对刀结束，将第一喷嘴、第二喷嘴移动到安全位置；

步骤四：吹辅助气体，输出激光，喷嘴移动到加工位置，进行一面微孔加工；

步骤五：一面微孔加工结束，关闭激光器、辅助气体，喷嘴回到安全位置；电机旋转180°，切换激光输出路径。

步骤六：吹辅助气体，输出激光，喷嘴移动到加工位置，进行另一面微孔加工；

步骤七：另一面微孔加工结束，关闭激光器/辅助气体，喷嘴回到安全位置；电机旋转180°，切换激光输出路径；

步骤八：移动工件到下一加工中位置。

步骤九：重复以上四至八步骤，对工件下一个位置进行加工，全部加工结束后，喷嘴回到安全位置，设备恢复初始设置。

进一步的，所述步骤一中设备初始情况可以更改，若设备设置的初始情况，第三反射平面镜的反射面朝上，同时将激光传向第二反射平面镜，激光从第一喷嘴输出，则先对工件上表面进行微孔加工；若设备设置的初始情况，第三反射平面镜的反射面朝下，同时将激光传向第四反射平面镜，激光从第二喷嘴输出，则先对工件下表面进行微孔加工；具体初始条件的设定根据具体加工工件和加工要求确定。

进一步的，所述步骤三、七中喷嘴安全位置为远离工件，加工过程中不会对喷嘴、工件及设备其他组件造成损坏的位置。在进行工件一面微孔加工时，另一面喷嘴始终处于安全位置。

进一步的，所述步骤四与步骤六的激光参数与辅助气体压力种类等可以不相同，可根据具体加工工件和加工要求设定。

本发明的有益效果是：

1.实现了在工件同一位置上下表面进行激光打孔，避免了采用旋转激光头等方法对工件上下表面进行加工存在的工件二次定位误差等问题并可以采用CCD相机对加工位置进行精准定位，提高了激光打孔精度。

2.采用正反面激光打孔的方法，有效的缓解了目前激光打孔存在微孔锥度大、重铸层较厚等问题，解决了微孔出口质量较差的问题。突破激光打孔存在的打孔极限深度，明显增加激光打孔深度，提高微孔深径比。采用同轴吹辅助气体的方法提高材料的去除率，提高加工效率并减小重铸层厚度。

3.采用光路转换分别对工件上下表面进行激光打孔，只需一台激光器即可，节约了设备成本。

4.通过计算机控制与移动平台移动可实现冲击式打孔、旋切打孔、螺线下切打孔等多种激光打孔方式，可加工微孔范围广泛。本发明自动化程度较高，只需将工件定位好，通过计算机编程便可以实现一次装夹自动化加工。

附图说明

图1为本发明涉及到的一种正反两面激光打孔装置的示意图；

图2为本发明图1中涉及到的第一可移动加工头的结构示意图；

图3为本发明涉及到的一种正反两面激光打孔方法的流程图。

附图标记如下：

1.移动平台，2.锁紧螺栓，3.夹紧块，4.工件，5.第一喷嘴，6.第一保护镜片，7.第一扩束器，8.第一可移动加工头，9.第一反射平面镜，10.CCD相机，11.第二反射平面镜，12.第一可移动加工头控制器，13.第一辅助气体控制器，14.电机，15.第三反射平面镜，16.第二辅助气体控制器，17.电机控制器，18.第二可移动加工头控制器，19.第四反射平面镜，20.第五反射平面镜，21.滑动块，22.伸缩装置，23.基座，24.丝杠25.激光器，26.激光器控制器，27.计算机，28.移动平台控制器，29.第二可移动加工头，30.控制电机

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图做进一步的说明：

实施例一：

结合附图1和2，一种正反两面激光打孔装置，包括移动平台1、锁紧螺栓2、夹紧块3、工件4、第一喷嘴5、第一保护镜片6、第一扩束器7、第一可移动加工头8、第一反射平面镜9、CCD相机10、第二反射平面镜11、第二可移动加工头控制器12、第一辅助气体控制器13、电机14、第三反射平面镜15、第二辅助气体控制器16、电机控制器17、第二可移动加工头控制器18、第四反射平面镜19、第五反射平面镜20、滑动块21、伸缩装置22、基座23、丝杠24、激光器25、激光器控制器26、计算机27、移动平台控制器28；所述CCD相机10位于最上方，其正下方依次为第一反射平面镜9、第一可移动加工头8、第一扩束器7，第一保护镜片6，第一喷嘴5，工件4，第五反射平面镜20；第二反射平面镜11与第一反射平面镜9水平；第四反射平面镜19与第五反射平面镜20水平；第三反射平面镜15在第二反射平面镜11与第四反射平面镜19之间，且三者在一条垂直线上；第一可移动加工头控制器12与第一可移动加工头8相连；第一辅助气体控制器13与第一喷嘴5相连；第三反射平面镜15与电机14相连；电机14与电机控制器17相连；第二辅助气体控制器16与第二喷嘴相连；激光控制器26与激光器25相连；移动平台控制器28与移动平台1相连；工件4置于移动平台1上，通过锁紧块3和锁紧螺栓2固定在移动平台1上；移动组件1控制器12，辅助气体控制器113，第二辅助气体控制器16，第二可移动加工头控制器18，电机控制器17，激光器控制器26，移动平台控制器28与计算机27相连。

第一喷嘴5、第二喷嘴、第一保护镜片6、第二保护镜片为可更换零件。第一喷嘴5、第二喷嘴可根据激光器种类、具体加工要求选择不同的尺寸，主要在于喷嘴出口直径的不同，出口直径一般不超过2mm。第一保护镜片6、第二保护镜片起到保护设备内部光学部件的作用，主要为了防止工件激光打孔产生的飞溅等对设备内部光学组件造成损坏。正常使用情况下第一保护镜片6、第二保护镜片对输出激光不会造成损耗，但当激光打孔产生的飞溅等对第一保护镜片6、第二保护镜片造成损伤时，第一保护镜片6、第二保护镜片可能会对输出激光造成一定的损耗，此时需要及时更换第一保护镜片6、第二保护镜片，以免影响工件激光打孔质量。

一种正反两面激光打孔装置，所述第三反射平面镜15在电机14的驱动下可以自由旋转，与电机转轴成45°角；电机主轴与激光器25发出的激光在同一直线上。所述第一反射平面镜9、第二反射平面镜11、第四反射平面镜19、第五反射平面镜20用于反射传输激光，与垂直方向成45°角。所述第一辅助气体控制器13控制第一喷嘴5喷出的辅助气体压力大小；所述第二辅助气体控制器16控制第二喷嘴24喷出的辅助气体压力大小。所述激光控制器26用于控制激光器25输出激光参数，控制第一扩束器7与第二扩束器的扩束比，改变激光焦长与焦点处光斑大小。所述激光器25没有种类限制。所述第一保护镜片6、第一扩束器7、第一可移动加工头8、第三平面镜15、第四反射平面镜19、第五反射平面镜20等光学部件都置于密闭安全的保护装置中，加工过程中不会受到损坏。

一种正反两面激光打孔方法，可在工件4上下表面同一位置进行激光微孔加工；通过电机14轴向旋转180°改变输出激光路径；通过计算机27控制与移动平台1移动可实现冲击式打孔、旋切打孔、螺线下切打孔等多种激光打孔方式。

一种正反两面激光打孔方法的流程图如图3所示，主要包括以下步骤：

步骤一：将设备初始化。

步骤二：将工件4安装在移动平台1上。

步骤三：在CCD相机10监测下，通过移动移动平台1、第一可移动加工头控制器12、第二可移动加工头控制器18对工件4进行对刀。对刀结束，将第一喷嘴15、第二喷嘴移动到安全位置。

步骤四：吹辅助气体，输出激光，喷嘴移动到加工位置，进行一面微孔加工；

步骤五：一面微孔加工结束，关闭激光器25、辅助气体，第一喷嘴15或者第二喷嘴回到安全位置；电机14旋转180°，切换激光输出路径。

步骤六：吹辅助气体，输出激光，第一喷嘴15或者第二喷嘴移动到加工位置，进行另一面微孔加工；

步骤七：另一面微孔加工结束，关闭激光器25、辅助气体，第二喷嘴或者第一喷嘴15回到安全位置；电机14旋转180°，切换激光输出路径。

步骤八：移动工件4到下一加工中位置。

步骤九：重复以上四至七步骤，对工件4下一个位置进行加工。全部加工结束后，喷嘴回到安全位置，设备恢复初始设置。

所述步骤一中设备初始情况可以更改，若设备设置的初始情况，第三反射平面镜15的反射面朝上及将激光传向第二反射平面镜11，激光从第一喷嘴5输出，则先对工件4上表面进行微孔加工；若设备设置的初始情况，第三反射平面镜15的反射面朝下及将激光传向第四反射平面镜19，激光从第二喷嘴输出，则先对工件4下表面进行微孔加工。即一种正反两面激光打孔方法可实现工件4上下两面先上后下或先下后上的加工顺序，具体初始条件的设定根据具体加工工件和加工要求确定。

所述步骤三、七中喷嘴安全位置为远离工件，加工过程中不会对喷嘴、工件4及设备其他组件造成损坏的位置。在进行工件4一面微孔加工时，另一面喷嘴始终处于安全位置，进一步保护喷嘴等其他部件。

所述步骤四与步骤六的激光参数与辅助气体压力种类等可以不相同，可根据具体加工工件和加工要求设定。例如，在工件上表面激光打孔时，为了提高打孔效率，选择氧气作为辅助气体，但此时微孔出口质量较差，重铸层较厚。在工件下表面进行激光打孔时，不选择氧气作为辅助气体，而是选择氩气等保护性气体作为辅助气体，提高辅助气体压力，就可以明显提高微孔出口质量，减小微孔重铸层厚度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种正反两面激光打孔装置，其特征在于，包括移动平台(1)、第一可移动加工头控制器(12)、第二可移动加工头控制器(18)、CCD相机(10)、激光器控制器(26)、移动平台控制器(28)和计算机(27)；

所述计算机(27)通过第一可移动加工头控制器(12)、第二可移动加工头控制器(18)、激光器控制器(26)、移动平台控制器(28)控制第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)、激光器(25)、移动平台(1)的工作；

所述CCD相机(10)位于最上方，CCD相机(10)正下方依次设置有第一反射平面镜(9)、第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)和第五反射平面镜(20)，且第一反射平面镜(9)与第五反射平面镜(20)沿X轴对称；沿X轴延伸方向设置有电机(14)；所述电机(14)的输出轴上设置有第三反射平面镜(15)；所述激光器(25)发出的激光束照射到第三平面镜(15)上；经第三反射平面镜(15)反射到第二反射平面镜(11)与第四反射平面镜(19)上后再经第一反射平面镜(9)与第五反射平面镜(20)反射到第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)，穿过第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)上的第一喷头(5)与第二喷头打到工件(4)上；所述工件(4)设置在移动平台(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种正反两面激光打孔装置，其特征在于，所述第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)结构相同；移动部分均采用滚珠丝杠副和滚动直线导轨。

3.根据权利要求2所述的一种正反两面激光打孔装置，其特征在于，所述第一可移动加工头(8)为中空结构，且第一可移动加工头(8)内的滑动块(21)通过控制电机(30)带动；所述第一可移动加工头(8)包括第一喷头(5)、第一保护镜片(6)和第一扩束器(7)；所述第一喷头(5)、第一保护镜片(6)和第一扩束器(7)从下到上固定设置在一起，且第一扩束器(7)安装在滑动块(21)上，滑动块(21)可沿丝杠(24)通过控制电机(30)压缩伸缩装置(22)做上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种正反两面激光打孔装置，其特征在于，所述工件(4)通过锁紧螺栓(2)、夹紧块(3)夹紧固定在移动平台(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种正反两面激光打孔装置，其特征在于，辅助气体通过第一喷头(5)与第二喷头喷射到工件(4)上，且第一辅助气体控制器(13)与第二辅助气体控制器(16)控制气体压力的大小与喷射。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于一种正反两面激光打孔装置的方法，其特征在于，在工件(4)上下表面同一位置进行激光微孔加工；通过电机(14)轴向旋转180°改变输出激光路径；通过计算机(27)控制与移动平台(1)移动可实现冲击式打孔、旋切打孔或者螺线下切打孔；包括以下步骤：

步骤一：将正反两面激光打孔装置初始化；

步骤二：将工件(4)安装在移动平台(1)上；

步骤三：在CCD相机(10)监测下，通过移动移动平台(1)、第一可移动加工头(8)、第二可移动加工头(29)对工件(4)进行对刀，对刀结束，将第一喷嘴(5)、第二喷嘴移动到安全位置；

步骤四：吹辅助气体，输出激光，第一喷嘴(5)或者第二喷嘴移动到加工位置，进行一面微孔加工；

步骤五：一面微孔加工结束，关闭激光器(25)与辅助气体，第一喷嘴(5)或者第二喷嘴回到安全位置；电机(14)旋转180°，切换激光输出路径；

步骤六：吹辅助气体，输出激光，第二喷嘴或者第一喷嘴(5)移动到加工位置，进行另一面微孔加工；

步骤七：另一面微孔加工结束，关闭激光器(25)和辅助气体，第二喷嘴或者第一喷嘴(5)回到安全位置；电机(14)旋转180°，切换激光输出路径；

步骤八：移动工件(4)到下一加工中位置；

步骤九：重复以上四至八步骤，对工件(4)下一个位置进行加工，全部加工结束后，第二喷嘴或者第一喷嘴(5)回到安全位置，设备恢复初始设置。

7.根据权利要求6所述的一种正反两面激光打孔装置的方法，其特征在于，所述步骤一中正反两面激光打孔装置初始情况可以更改，若正反两面激光打孔装置设置的初始情况，第三反射平面镜(15)的反射面朝上，同时将激光传向第二反射平面镜(11)，激光从第一喷嘴(5)输出，则先对工件(4)上表面进行微孔加工；若正反两面激光打孔装置设置的初始情况，第三反射平面镜(15)的反射面朝下，同时将激光传向第四反射平面镜(19)，激光从第二喷嘴输出，则先对工件(4)下表面进行微孔加工；具体初始条件的设定根据具体加工工件和加工要求确定。

8.根据权利要求6所述的一种正反两面激光打孔装置的方法，其特征在于，所述步骤三、七中第一喷嘴(5)或者第二喷嘴安全位置为远离工件，加工过程中不会对喷嘴、工件(4)及设备其他组件造成损坏的位置。在进行工件一面微孔加工时，另一面第一喷嘴(5)或者第二喷嘴始终处于安全位置。

9.根据权利要求6所述的一种正反两面激光打孔装置的方法，其特征在于，所述步骤四与步骤六的激光参数与辅助气体压力种类可以不相同，即工件正反两面激光打孔的激光参数和辅助气体压力种类可不相同，可根据具体加工工件和加工要求设定。