CN110899961A - 一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，包括机架组件、工控机、双激光加工组件和十字滑台。双激光加工组件包括第一激光加工组件和第二激光加工组件，对称设置在机架组件的上方，第一激光加工组件、第二激光加工组件均包括激光器、动态聚焦模组、振镜和场镜。激光器产生激光，动态聚焦模组设置在激光的光路上，用于调整激光加工Z轴方向。振镜与动态聚焦模组连接，场镜设置在振镜的出光口，激光器、振镜与工控机电连接；并且调整两个振镜，两束激光可在工件表面聚焦。十字滑台设置在机架组件上且位于双激光加工组件的下方移动加工工件。该平台有多个振镜协同合作，可完成多种材料，多个工位的高效率三维激光加工。

Description

一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台
技术领域
本发明涉及超快激光加工领域，具体涉及一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台。
背景技术
近几年来，我国的激光加工技术得到了飞速的发展，尤其是由于超快激光具有脉冲时间短，峰值能量高的特点，在材料加工中热影响区小，能够实现更好效果的"冷"加工而备受关注，并广泛应用于精密加工行业。为达到加工的精度，常常需要搭建可靠且自由度高的激光工艺平台，在中国发明专利说明书CN110026679A中公开了一种大幅面多振镜激光设备，该设备将多个振镜并列安装在X与Y轴运行平台上，通过Z轴调整激光焦点的位置，实现多激光同时加工，以此提高加工效率；在中国发明专利CN207971570U中也公开了一种双平台FPC紫外激切割机，该设备设有两个Y方向加工位平台，用以加工多个不同位置的工件。然而目前并未有多振镜协同合作的激光加工平台。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，该平台有多个振镜协同合作，可完成多种材料，多个工位的高效率三维激光加工。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：提供一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，包括机架组件、工控机、双激光加工组件和十字滑台。双激光加工组件包括第一激光加工组件和第二激光加工组件，对称设置在所述机架组件的上方，第一激光加工组件、第二激光加工组件均包括激光器、动态聚焦模组、振镜和场镜。激光器产生激光，动态聚焦模组设置在激光的光路上，用于调整激光加工Z轴方向。振镜与动态聚焦模组连接，场镜设置在振镜的出光口，激光器、振镜与工控机电连接；并且调整两个振镜，两束激光可在工件表面聚焦。十字滑台设置在机架组件上且位于双激光加工组件的下方，十字滑台在一移动控制器的控制下移动加工工件。
进一步地，机架组件包括上下设置的下支架和上支架，上支架包括上平板、立柱和下平板，立柱连接上平板和下平板，双激光加工组件设置在上平板上，十字滑台设置在下平板上。为提高加工精度，上支架可通过气浮装置与下支架相连，气浮装置内置精密空气弹簧隔振系统。下支架与地面可以通过4个周向均匀分布的重型支撑脚水平固定，使加工平台更加平稳。
进一步地，双激光加工组件的激光器为倍频激光器。
进一步地，双激光加工组件还包括反射镜模组，反射镜模组包括第一Z轴反射镜和第二Z轴反射镜，第一Z轴反射镜设置于激光器的出光口，并与激光器的光路呈45度角；第二Z轴反射镜位于第一Z轴反光镜的对侧，且与第一Z轴反射镜垂直设置。为了防尘，提高激光的质量，双激光加工组件还包括防尘罩和光路防尘连结管，防尘罩覆盖于所述反射镜模组的上方，且防尘罩上设有检修门；光路防尘连结管通过密封圈与反射镜模组的出光口以及动态聚焦模组的进光口连接。
进一步地，十字滑台包括X轴丝杆线性模组、Y轴丝杆线性模组和工件加工平台，工件加工平台设置于最上层的丝杆线性模组上。
本发明还提供一种利用上述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台实现激光三维精密柔性化加工的方法：当待加工材料的烧蚀阈值小于两个激光器出射光束的光功率密度时，第一激光加工组件和第二激光加工组件分别对工件的不同位置进行激光加工；当待加工材料的烧蚀阈值大于两个激光器出射光束的光功率密度，而小于两个激光器出射光束的光功率密度之和时，调节第一激光加工组件和第二激光加工组件的振镜使两束激光在工件表面聚焦，对同一个位置进行加工。
本发明的有益效果是，本发明通过双激光加工组件的双激光器，可以同时完成两个工位的激光加工；通过两个振镜使两个激光器出射的光束在工件表面交叉重叠，可以完成多种材料的激光加工；通过用于调整激光加工Z轴方向的动态聚焦模组和十字滑台的相互配合可以完成激光三维加工。
进一步地，上支架通过气浮装置与下支架相连，气浮装置内置精密空气弹簧隔振系统，该装置具备优秀的固有频率，对多个方向的振动特别是垂直方向有着良好衰减效果，避免外界振动干扰激光加工的精度，提高激光加工的效率。同时随着放置负载，即加工工件的位置发生变化，平台可以迅速通过高精度阀门自动调整空气弹簧内部的气压，自动保持平台水平。
进一步地，激光器为倍频激光器，具有倍频变频功能，由于不同材料对于不同波长的光的吸收是不一样的，通过改变光的频率，从而改变光的波长，由此可提高平台可加工材料的范围。
进一步地，通过反射镜模组改变激光的传输路径，可以减少占用的空间，即动态聚焦模组与激光器位于同一直线时，所占用的长度比较长，会占用大量空间，间接使机架组件比较庞大。通过防尘罩和光路防尘连结管，可以确保光路不受污染的传输到加工件表面，提高加工质量与效率。通过防尘罩上的检修门，可以方便地检查激光的光路以及质量是否正常。
附图说明
图1是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台总体结构的等轴测示意图；
图2是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的气浮隔振装置示意图；
图3是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的双激光加工组件示意图；
图4是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的反射镜模组示意图；
图5是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的十字滑台示意图；
图6是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的多光束耦合示意图。
图中，1-重型支撑脚，2-下支架，3-气浮装置，4-可旋转悬臂架，5-十字滑台，6-双激光加工组件，7-单片机，8-上支架，9-工控机，10-场镜，11-振镜，12-动态聚焦模组，13-激光器，14-反射镜模组，15-光路防尘连结管，16-L型支撑角码，17-T型柱脚连接件，18-Y轴滑台，19-X轴滑台，20-伺服电机，21-反射镜安装支架，22-第二Z轴反射镜，23-第一Z轴反射镜，24-垫块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案及原理作进一步的说明，
本实施例公开了一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台。如图1、图3和图5所示，包括机架组件、工控机9、用于加工工件的双激光加工组件6和控制加工工件移动的十字滑台5。双激光加工组件6包括第一激光加工组件和第二激光加工组件，第一加工组件第二激光加工组件对称设置在机架组件的上方，第一加工组件第二激光加工组件均包括激光器13、动态聚焦模组12、振镜11和场镜10。激光器13可以通过4个T型柱脚连接件17固定，用于产生激光。激光器13也可以采用超快激光器，产生的超快激光脉冲时间短，峰值能量高的特点，在材料加工中热影响区小。动态聚焦模组12可以通过4个L型支撑角码16固定，设置在激光的光路上，用于调整激光加工Z轴方向。振镜11与动态聚焦模组12连接，场镜10可以通过转接环设置在振镜11的出光口，激光器13以及振镜11与工控机9电连接；并且第一加工组件第二激光加工组件的振镜可使两束激光在工件表面聚焦。十字滑台5设置在机架组件上且位于双激光加工组件的下方，十字滑台在一移动控制器的控制下移动加工工件。具体的，十字滑台5可以与单片机7电连接，单片机7通过数据线与工控机9电连接；或者十字滑台5直接与工控机9电连接，工控机9可以插一张控制十字滑台5移动的移动控制卡，从而控制十字滑台5的运动。实现激光加工二维平面方向上移动的十字滑台5与用于调整激光加工Z轴方向的动态聚焦模组12相配合，可完成激光三维加工。
进一步的，机架组件包括下支架2和上支架8，上支架8设置在下支架2上。为了节省空间，工控机9与激光器电源可以固定于下支架2上，下支架2前端两侧分别安装有放置显示屏、鼠标和键盘的可旋转悬臂架4。上支架8包括上平板、立柱和下平板，立柱连接上平板和下平板，均采用稳定性好、强度大、硬度高，能在重负荷下保持高精度的大理石材料制备。双激光加工组件6可以设置在上平板上，并使用水平仪校准；十字滑台5设置在下平板2上，电柜面板垂直固定在下平板2上，单片机可以固定于电柜面板后方，这样安装可以节省空间。
为了保持加工平台的水平以及平稳，从而保证加工的精度，上支架8可以通过气浮装置3与下支架2相连，气浮装置8内置精密空气弹簧隔振系统。图2是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的气浮隔振平台示意图。下支架2与地面可以通过4个周向均布重型支撑脚1水平固定，四个支撑腿中可以分别采用固体阻尼和气垫隔振，支撑腿充入额定的压缩空气时，支撑内的橡胶空气弹簧开始工作，支撑处于气垫工作状态，同时通过控制阀可以自动调节上支架的水平度，保证在激光加工过程中的精度水平。
进一步的，双激光加工组件6的激光器13可以具有二倍频变频功能，由于不同材料对于不同波长的光的吸收程度是不一样的，通过改变光的频率，从而改变光的波长，由此可提高平台可加工材料的范围。
进一步的，如果激光器和动态聚焦模组设置在一条直线上，则会占据大量的空间。为了节省空间，减小加工平台占据的空间。如图3和图4所示，双激光加工组件6还包括反射镜模组14，反射镜模组14包括第一Z轴反射镜23和第二Z轴反射镜22，第一Z轴反射镜23设置于激光器13出光口处，并通过反射镜安装支架21固定于上支架8上，第一Z轴反射镜23与激光器13的光路呈45度角，使光路发生90偏转；第二Z轴反射镜22位于第一Z轴反光镜23的对侧，且与第一Z轴反射镜23垂直设置，从而实现光路的180度偏转。两反射镜可以通过垫块24使反射镜22、23中心与激光器13出光口高度平齐。为了防尘，保证激光的质量，双激光加工组件6还可以设置防尘罩14和光路连接管15，防尘罩14覆盖于所述反射镜模组上方，防尘罩14进出光口面向振镜11方向，防尘罩14进光口与激光器13出光口通过密封圈紧密相连，防尘罩14上还可以设有检查光路的检修门。光路防尘连结管15可以通过密封圈与反射镜模组14的出光口以及动态聚焦模组12的进光口连接。通过上述设计，可以确保光路不受污染的传输到加工件表面，提高加工质量与效率。
进一步的，十字滑台5包括X轴丝杆线性模组19、Y轴丝杆线性模组18和加工平台，如图5所示，加工平台设置于最上层的丝杆线性模组上。例如，十字滑台由两组直线滑台按照X轴方向和Y轴方向组合而成的，X轴19固定在Y轴18滑台上，由安装在电柜面板上的单片机7通过两个伺服电机20分别对X、Y轴滑台进行运动控制，实现激光加工二维平面上的轨迹平移。
图6是本发明配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台的多光束耦合示意图，可以用来加工烧蚀阈值较高的材料。如图6所示，A为某一波长为λ1的激光器，B为另一波长为λ2的激光器，A激光器出射的光束与B激光器出射的光束在工件表面交叉重叠，进而在交叉重叠区域形成加工能量域，A、B激光器出光光束的功率密度I1、I2均小于待加工材料的烧蚀阈值I3，耦合后能量域内的功率密度I1+I2大于待加工材料的烧蚀阈值I3。通过多光束激光耦合，提高了本平台的加工多样性。
本发明还公开了一种利用上述加工平台进行激光三维精密柔性化加工的方法，即当待加工材料的烧蚀阈值小于两个激光器出射光束的光功率密度时，第一加工组件第二激光加工组件分别对工件的不同的位置进行激光加工，提高加工的效率；当待加工材料的烧蚀阈值大于两个激光器出射光束的光功率密度，而小于两个激光器出射光束的光功率密度之和时，第一加工组件第二激光加工组件的振镜使两束激光在工件表面聚焦，从而使能量叠加，对同一个位置进行加工，提高可加工材料的范围。
综上，该平台可完成多种材料，多个工位的高效率三维激光加工。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，包括机架组件、工控机、双激光加工组件和十字滑台；
所述双激光加工组件包括第一激光加工组件和第二激光加工组件，对称设置在所述机架组件的上方，所述第一激光加工组件、所述第二激光加工组件均包括激光器、动态聚焦模组、振镜和场镜；所述激光器产生激光，所述动态聚焦模组设置在所述激光的光路上，用于调整激光加工Z轴方向；所述振镜与所述动态聚焦模组连接，所述场镜设置在所述振镜的出光口，所述激光器、所述振镜与所述工控机电连接；并且调整两个振镜，两束激光可在工件表面聚焦；
所述十字滑台设置在所述机架组件上且位于所述双激光加工组件的下方，所述十字滑台在一移动控制器的控制下移动加工工件。
2.根据权利要求1所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述机架组件包括上下设置的下支架和上支架，所述上支架包括上平板、立柱和下平板，所述立柱连接上平板和下平板，所述双激光加工组件设置在所述上平板上，所述十字滑台设置在所述下平板上。
3.根据权利要求2所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述上支架通过气浮装置与下支架相连，所述气浮装置内置精密空气弹簧隔振系统。
4.根据权利要求2或3所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述下支架与地面通过4个周向均匀分布的重型支撑脚水平固定。
5.根据权利要求1所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述双激光加工组件的激光器为倍频激光器。
6.根据权利要求1所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述双激光加工组件还包括反射镜模组，所述反射镜模组包括第一Z轴反射镜和第二Z轴反射镜，所述第一Z轴反射镜设置于激光器的出光口，并与所述激光器的光路呈45度角；所述第二Z轴反射镜位于所述第一Z轴反光镜的对侧，且与所述第一Z轴反射镜垂直设置。
7.根据权利要求6所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述双激光加工组件还包括防尘罩，所述防尘罩覆盖于所述反射镜模组的上方，且所述防尘罩上设有检修门。
8.根据权利要求6所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述双激光加工组件还包括光路防尘连结管，所述光路防尘连结管通过密封圈与所述反射镜模组的出光口以及所述动态聚焦模组的进光口连接。
9.根据权利要求1所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台，其特征在于，所述十字滑台包括X轴丝杆线性模组、Y轴丝杆线性模组和工件加工平台，所述工件加工平台设置于最上层的丝杆线性模组上。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的配置双激光器的激光三维精密柔性化加工平台实现激光三维精密柔性化加工的方法，其特征在于，
当待加工材料的烧蚀阈值小于两个激光器出射光束的光功率密度时，所述第一激光加工组件和第二激光加工组件分别对工件的不同位置进行激光加工；
当待加工材料的烧蚀阈值大于两个激光器出射光束的光功率密度，而小于两个激光器出射光束的光功率密度之和时，调节第一激光加工组件和第二激光加工组件的振镜使两束激光在工件表面聚焦，对同一个位置进行加工。
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