CN110695521A - 激光微孔加工的光束扫描系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光微孔加工的光束扫描系统，包括光楔组、平板组及聚焦镜；光楔组包括第一光楔及第二光楔，第一光楔的入光面与第二光楔的出光面平行设置，第一光楔的出光面与第二光楔的入光面间隔相对；第一光楔的出光面相对于入光面倾斜设置，第二光楔的出光面相对于入光面倾斜设置；第一光楔及第二光楔能够分别绕第一轴向转动；平板组包括第一平板及第二平板，第一平板的入光面与出光面平行设置，第一平板的出光面与第二平板的入光面间隔相对，第二平板的入光面与出光面平行设置；第一平板及第二平板能够分别绕第二轴向转动。本发明能实现大深径比及不同锥度孔加工。

Description

激光微孔加工的光束扫描系统
技术领域
本发明属于激光精细微孔加工技术领域，特别是涉及一种激光微孔加工的光束扫描系统。
背景技术
激光加工与传统机械加工相比，主要有以下几个方面的优点：1、无接触加工，无机械变形；2、激光束能量密度高，加工速度快，工件热变形小；3、可加工高硬度、高脆性、高熔点材料；4、生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益好。激光加工为加工行业提供了全新的加工途径，有着传统加工无法比拟的优势。随着加工要求的不断提升，激光加工的扫描结构及方式也在不断改进升级。
目前激光微孔加工的扫描方式有很多种类，按照原理可以分为：透射式和反射式；按照组成结构可以分为：振镜扫描、光楔扫描、PZT扫描等。其中，光楔扫描是通过控制两个光楔之间的相互转角配合来实现微孔的加工。现有“光楔扫描”方法的主要缺陷如下：1、微孔加工时，不能实现任意倒锥孔的加工，如汽车喷油嘴上微孔加工；2、微孔加工时，由于受光束偏移量不能实时变化，不能满足大深径比微孔的加工。
发明内容
针对上述技术问题，本发明给出了一种能够实现大深径比及不同锥度孔加工的激光微孔加工的光束扫描系统。
本发明提供一种激光微孔加工的光束扫描系统，包括光楔组、平板组及聚焦镜；所述光楔组包括第一光楔及第二光楔，所述第一光楔的入光面与第二光楔的出光面平行设置，所述第一光楔的出光面与第二光楔的入光面间隔相对；所述第一光楔的出光面相对于入光面倾斜设置，所述第二光楔的入光面相对于出光面倾斜设置；所述第一光楔及所述第二光楔能够分别绕第一轴向转动；所述平板组间隔设置于所述光楔组与所述聚焦镜之间且包括第一平板及第二平板，所述第一平板的入光面与出光面平行设置，所述第一平板的出光面与第二平板的入光面间隔相对，所述第一平板的入光面与出光面平行设置；所述第一平板及所述第二平板能够分别绕第二轴向转动。
本发明的有益效果在于，光能量进入所述光楔组，所述第一光楔及所述第二光楔能够分别绕第一轴向转动，以此来改变光束的合成偏折方向，进而控制加工孔的大小；经过光楔组的光束进入所述平板组中，所述第一平板及所述第二平板能够分别绕第二轴向转动，以此来改变光束的横向平移量，进而控制加工孔的锥度；所述光楔组和平板组同步转动，最终实现大深径比及不同锥度孔加工。
附图说明
图1为本发明提供的激光微孔加工的光束扫描系统的结构原理图。
图2为图1所示的激光微孔加工的光束扫描系统的光楔组的工作原理示意图。
图3为图1所示的激光微孔加工的光束扫描系统的平板组的工作原理示意图。
图4为图1所示的激光微孔加工的光束扫描系统的工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，为本发明提供的一种激光微孔加工的光束扫描系统100，包括光楔组20、平板组30及聚焦镜10；所述光楔组20包括第一光楔2及第二光楔3，所述第一光楔2的入光面21与第二光楔的出光面32平行设置，所述第一光楔2的出光面22与第二光楔3的入光面31间隔相对；所述第一光楔2的出光面22相对于第一光楔2的入光面21倾斜设置，所述第二光楔3的入光面31相对于第二光楔3的出光面32倾斜设置；所述第一光楔2及所述第二光楔3能够分别绕第一轴向转动；所述平板组30间隔设置于所述光楔组20与所述聚焦镜10之间且包括第一平板5及第二平板7，所述第一平板5的入光面51与第一平板5的出光面52平行设置(即：第一平板的入光面与出光面是平行的)，所述第一平板5的出光面52与第二平板7的入光面71间隔相对，所述第二平板7的入光面71与第二平板7的出光面72平行设置(即：第二平板的入光面与出光面是平行的)；所述第一平板5及所述第二平板7能够分别绕第二轴向转动。
请同时参阅图4，光能量进入所述光楔组20，所述第一光楔2及所述第二光楔3能够分别绕第一轴向转动，以此来改变光束的合成位置，进而控制加工孔的大小；经过光楔组20的光束进入所述平板组30中，所述第一平板5及所述第二平板7能够分别绕第二轴向转动，以此来改变光束的横向偏移量，进而控制加工孔的锥度；所述光楔组和平板组同步转动，最终实现大深径比及不同锥度孔加工。
本实施方式中，所述第一轴向为X轴，所述第二轴向为Z轴，所述第一轴向与所述第二轴向相垂直。在其他实施方式中，第一轴向与第二轴向也可以相重合，例如第一轴向及第二轴向同为X轴或Z轴。
请再次参阅图1，本实施方式中，激光微孔加工的光束扫描系统100还包括第一分光平板1及第一位置敏感探测器12(position sensitive detector,PSD)，所述第一分光平板1包括第一反光面101及与第一反光面101平行相背的第一折射面102；所述第一反光面101与所述第一光楔2的入光面21间隔相对，所述第一折射面102与所述第一位置敏感探测器12间隔相对。如此，使激光光束首先进入第一个分光平板中，约0.1％的光能量经第一分光平板进入第一位置敏感探测器中，主要的光能量经第一分光平板反射进入光楔组中，光楔组通过相互转动来改变光束的合成偏折方向，进而影响加工孔的大小；通过第一位置敏感探测器12监测激光光束的指向性、轨迹状态等特性，时时反馈激光器光束的稳定性，提升加工的可靠性。
本实施方式中，激光微孔加工的光束扫描系统100还包括第二分光平板4及第二位置敏感探测器6，所述第二分光平板4包括第二反光面41及与第二反光面41平行相背的第二折射面42；所述第二反光面41与所述第二光楔3的出光面32间隔相对，所述第二折射面42与所述第二位置敏感探测器6间隔相对。如此，经过光楔组的光束进入第二个分光平板中，其中约0.1％的光能量透射进入第二位置敏感探测器中，主要的光能量反射进入平板组中，平板组通过相互转动来改变光束的横向平移量，进而影响加工孔的锥度；第二位置敏感探测器有两个用途，第一个用途为线上调整光楔组的初始相位，第二个用途为实时监测初始相位的变化情况，能够及时形成反馈，当初始相位有变化时，能够及时做出调整。
本实施方式中，激光微孔加工的光束扫描系统100还包括第三分光平板8及第三位置敏感探测器9，所述第三分光平板8包括第三反光面81及与第三反光面81平行相背的第三折射面82；所述第三反光面81与所述第二平板7的出光面72及第三位置敏感探测器9间隔相对，所述第三折射面82与所述聚焦镜10间隔相对。经过平板组的光束进入第三分光平板中，约0.1％的光能量经第三分光平板的第三反射面81反射进入第三位置敏感探测器9中，主要的光能量透射经第三折射面82后进入聚焦镜中，通过光楔组和平板组的初始相位调制及转角匹配来进行加工，最终在工件上加工出不同锥度、不同深径比、不同孔径的微孔。第三位置敏感探测器9有三个用途，第一个用途为线上调整平板组的初始相位，第二个用途为线上调整光楔组和平板组整体模块的初始相位，第三个用途为时时监测整体初始相位的变化情况，及时形成反馈，当初始相位有变化时，能够及时做出调整。
请参阅图1及图4，所述第一分光平板1与所述第二分光平板4平行设置且与所述第一轴向成45度角设置；所述第一光楔2的入光面21及与所述第二光楔3的出光面32与所述第一轴向垂直。请参阅图1、图2图4，本实施方式中，所述第一光楔2及所述第二光楔3结构相同，均为横截面呈直角梯形的四棱柱(在其它实施方式中，光楔的横截面也可为其它形状，只需要保证光楔的入光面与出光面有夹角即可)；所述第一光楔2的入光面21及所述第二光楔3的出光面32为直角梯形的直角腰所在的面，所述第一光楔2的出光面22及所述第二光楔3的入光面31为直角梯形的斜腰所在的面。本实施方式中，第一光楔2的出光面22及所述第二光楔3的入光面31能够平行相对，即光楔组初始位置为互补状态，即光束经过光楔组后不改变光束方向，在XY(其中Y轴为与第第一轴向X垂直的第三轴向)平面不产生位移量。光楔组20从初始互补位置(光楔组偏转角为0°)开始转动，其中第一光楔2及第二光楔3之间存在相对运动，第一光楔2及第二光楔3同向运动，但两者转速不同，一个光楔转速快，一个光楔转速慢。第一光楔2与第二光楔3之间的夹角为偏转转角。如图2所示，当偏转转角为2δ时，此时第一光楔2与其互补位置的夹角为δ，第二光楔3与其互补位置的夹角为δ。光束经过聚焦后将会在XY平面上的X(或者Y)方向上偏离原点的位置聚焦，聚焦点与中心点的距离为加工孔的半径。
本实施方式中，所述第一平板5的两个板面(入光面和出光面)是平行的，所述第二平板7的两个板面(入光面和出光面)是平行的。所述第一平板5及第二平板7的截面可以是矩形，平行四边形、圆形、也可为其他形状，例如直角梯形、等腰梯形或者不规则形状，只需要保证第一平板5及第二平板7的入光面及出光面平行即可，本发明中的第一平板5及第二平板7的对平板的定义是指入光面与出光面相平行的板体。
如图3所示，平板组初始位置为平行状态，即光束经过平板组后不改变光束方向，光束偏转量为0，在聚焦镜平面不产生光束偏移量。本实施方式中，所述第三分光平板与所述第二轴向的夹角为45度，这样便于结构设计。
平板组30从初始互补位置(平板组平移转角为0°)开始转动，第一平板5旋转速度大于第二平板7，两者之间存在相对运动，第一平板5及第二平板7之间的夹角为平移转角。如图3所示，当平移转角为2θ时，此时第一平板5与其互补位置的夹角为θ，第二平板7与其互补位置的夹角为θ。光束在聚焦镜上的入射位置将发生偏移，经过聚焦镜后聚焦位置不变，即依然在原点，但光束的入射角发生变化。优选地，所述第一平板与所述第二平板厚度相同，所述第二平板的长度及宽度大于所述第一平板的长度及宽度，如此，当光束入射至平板组时，从互补位置开始，随着两平板之间夹角的增大，经过第二平板的光束会逐渐偏离光轴中心，故此设计不会出现光束入射至第二平板之外的情况。在其他的实施例中，第一平板和第二平板可以选择规格相同的平板，只是这样会出现光束入射至第二平板之外的情况。
如图4所示，本发明将光楔组20与平板组30集成在一起，光楔组和平板组初始位置均为互补状态。加工孔径的大小通过调整光楔的相互转角来实现，加工孔11的锥度通过调整平板组的相互转角来实现，同时两者需要保持互补状态，当光楔组旋转到一定转角，加工孔达到最大直径时，平板组也旋转到一定的转角，使得光束外侧偏移到加工孔外沿处，即可实现一次完整的扫描过程，扫描轨迹可通过所述光楔组相互转角的变化进行控制，典型轨迹如螺旋线。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，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，还可以做出多个变形和改进，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)

1.一种激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，包括光楔组、平板组及聚焦镜；所述光楔组包括第一光楔及第二光楔，所述第一光楔的入光面与第二光楔的出光面平行设置，所述第一光楔的出光面与第二光楔的入光面间隔相对；所述第一光楔的出光面相对于所述第一光楔的入光面倾斜设置，所述第二光楔的入光面相对于所述第二光楔的出光面倾斜设置；所述第一光楔及所述第二光楔能够分别绕第一轴向转动；所述平板组间隔设置于所述光楔组与所述聚焦镜之间且包括第一平板及第二平板，所述第一平板的入光面与第一平板的出光面平行设置，所述第一平板的出光面与第二平板的入光面间隔相对，所述第二平板的入光面与所述第二平板的出光面平行设置；所述第一平板及所述第二平板能够分别绕第二轴向转动。
2.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一轴向与所述第二轴向相重合。
3.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一轴向与所述第二轴向相垂直。
4.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，还包括第一分光平板及第一位置敏感探测器，所述第一分光平板包括第一反光面及与第一反光面平行相背的第一折射面；所述第一反光面与所述第一光楔的入光面间隔相对，所述第一折射面与所述第一位置敏感探测器间隔相对。
5.根据权利要求4所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，还包括第二分光平板及第二位置敏感探测器，所述第二分光平板包括第二反光面及与第二反光面平行相背的第二折射面；所述第二反光面与所述第二光楔的出光面间隔相对，所述第二折射面与所述第二位置敏感探测器间隔相对。
6.根据权利要求5所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，还包括第三分光平板及第三位置敏感探测器，所述第三分光平板包括第三反光面及与第三反光面平行相背的第三折射面；所述第三反光面与所述第二平板的出光面及第三位置敏感探测器间隔相对，所述第三折射面与所述聚焦镜间隔相对。
7.根据权利要求5所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一分光平板与所述第二分光平板平行设置且与所述第一轴向成45度角设置；所述第一光楔的入光面及与所述第二光楔的出光面与所述第一轴向垂直。
8.根据权利要求6所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第三分光平板与所述第二轴向的夹角为45度。
9.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一光楔及所述第二光楔结构相同，均为横截面呈直角梯形的四棱柱；所述第一光楔的入光面及所述第二光楔的出光面为直角梯形的直角腰所在的面，所述第一光楔的出光面及所述第二光楔的入光面为直角梯形的斜腰所在的面。
10.根据权利要求1所述的激光微孔加工的光束扫描系统，其特征在于，所述第一平板与所述第二平板厚度相同，所述第二平板的长度及宽度大于所述第一平板的长度及宽度。
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Address before: 710119 Room 201, Building 11, 60 West Avenue, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province

Applicant before: XI'AN MICROMACH TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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