CN110977153A - 一种螺旋扫描激光加工头的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，解决了现有螺旋扫描激光加工装置的加工精度低、加工效率低的问题。该方法包括以下步骤：步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度；步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；步骤三、多轴控制系统根据所选择的协同控制模式，驱动多个电机带动光学元件旋转；步骤四、多轴控制系统实时读取各电机当前的位置，并以任一光楔的电机位置为基准位置，其它电机根据该基准位置实时进行调整，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

Description

一种螺旋扫描激光加工头的控制方法

技术领域

本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种螺旋扫描激光加工头的控制方法。

背景技术

在激光加工领域，微孔的加工方式主要分为三类：冲击钻孔、旋切钻孔和螺旋扫描钻孔。从效率和加工质量方面而言，激光螺旋扫描加工方式对于加工大深径比、高质量的微孔具有显著的优势。目前常见的激光螺旋扫描加工装置通常由多个光学元件组合而成,通过协同运动实现激光的螺旋扫描轨迹，具体的结构形式包括四光楔、双光楔加平板玻璃以及双光楔等几种模式。其中，四光楔和双光楔加平板玻璃的方式均包含了光束偏移及光束偏转模块，因此能够实现微孔加工的锥度控制；双光楔只具备光束偏转模块，不具备微孔锥度控制功能。因此，前者的螺旋扫描激光加工装置具有孔型加工精度高、应用灵活等特点，能够满足多种微孔的加工要求。

根据螺旋扫描激光加工装置在光学原理以及结构上的特点，为了实现激光螺旋扫描功能，需要对多组光学元件进行协同控制。目前主要采用“主-从”控制方式，分别将光束偏移模块以及光束偏转模块设置为“主动元件”和“从动元件”，使光束偏转模块在高速旋转运动中跟随光束偏移模块的相位，以此实现各个光学组件之间的协同运动，达到控制光束螺旋扫描的目的。该控制方式的缺点为：由于光束偏转模块通常由两个光楔组成，分别由两个电机进行驱动，因此在螺旋扫描激光加工装置高速旋转过程中，为了实现图1所示的XY平面内，激光束垂直于微孔孔壁的要求(经实验证实，光束与微孔孔壁如不垂直会影响微孔孔型精度且加工效率低)，光束偏转模块的两个光楔必须以光束偏移模块为基准，根据其当前相位做到精确“跟随”。

如图2a所示，△θ为光束偏转模块中光楔1与光楔2相对于光束偏移模块的相位夹角，在加工过程中，两个光楔必须跟随光束偏移模块运动并保持特定的相对位置关系，但是目前技术水平下由于整个加工装置的动态响应性、结构的制造及装调精度等问题，作为基准的光学元件在高速旋转下指令位置与实际位置必然会出现偏差，因此该控制方式在螺旋扫描激光加工装置高速旋转过程中光学元件之间的“跟随”精度不易保证，从而限制了微孔的孔型精度及加工效率。具体如图3a所示,现有控制方法以平板玻璃为跟随基准，当其相位角度出现θ偏差时两个光楔相对于平板玻璃的相位角度分别为-α/2-θ以及α/2-θ，此时理想的平板玻璃位置应为-α/2+α/2＝0，与当前平板玻璃位置偏差为θ。

发明内容

为解决现有螺旋扫描激光加工装置的加工精度低、加工效率低的问题，本发明提出了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，通过该方法提升了现有螺旋扫描激光加工头的多光学组件的协同控制精度，为高精度及高效率的微孔孔型激光制造提供了保障。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度V旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度，直至各电机的速度值达到稳定状态，即速度值稳定不变；

步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；

判断光学元件之间的相位夹角△θ是否随时间t变化，如变化，则激光加工轨迹为螺旋线，即变孔径扫描；如无变化，则激光加工轨迹为一定直径的圆环，即定孔径扫描；

步骤三、多轴控制系统根据所选择的协同控制模式，驱动多个电机带动光学元件旋转；

a)如选择的控制模式为变孔径扫描，则多轴控制系统通过解算扫描孔径大小以及变孔径周期数据，生成电机控制指令，再将解算后的控制指令分发至各电机；

a1)发送恒速指令至驱动单元，驱动单元驱动光束偏转模块中任一光楔的电机恒速旋转；

a2)发送随时间变化且具有固定周期的位置指令至驱动单元的其它电机，驱动单元驱动其它电机分别带动光学元件进行旋转；

b)如选择的控制模式为定孔径扫描，则多轴控制系统根据孔径参数计算出各电机所需的相位夹角，然后驱动单元分别驱动各电机旋转至该角度，再以给定速度恒速旋转；

步骤四、多轴控制系统实时读取各电机当前的位置，并以步骤a1)中选取的光楔电机的位置为基准位置，其它电机根据该基准位置实时进行调整，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，通过该方法可减小现有螺旋扫描激光加工头的光束控制偏差，从而提高了该种加工头微孔的激光制造精度及效率。

2.本发明方法中多轴控制系统发送指令至驱动单元以驱动多个电机带动各光学元件旋转，在旋转过程中多轴控制系统接收电机的位置反馈信号并读取光学元件的当前相位，以此确保多个光学元件之间保持一定的相位关系，从而在激光加工过程为微孔孔型的成形精度及加工效率提供了保障。

附图说明

图1为现有激光束加工微孔孔壁的示意图；

图2a为现有方法以平板玻璃为跟随基准的相位角示意图；

图2b为本发明方法以光楔为跟随基准的相位角示意图；

图3a为现有方法以平板玻璃为跟随基准的相位角存在偏差示意图；

图3b为本发明方法以光楔为跟随基准的相位角存在偏差示意图；

图4为本发明螺旋扫描激光加工装置的结构示意图。

附图标记：1-多轴控制系统，2-驱动单元，3-电机组，4-平板玻璃，5-上偏转光楔，6-下偏转光楔，7-激光器，8-反射镜，9-聚焦镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图4所示，本发明方法的控制装置包括多轴控制系统1、驱动单元2以及电机组3。其中，电机组3包含第一电机、第二电机以及第三电机，被控对象为双光楔加平板玻璃形式的螺旋扫描激光加工头，其内部主要部件包含平板玻璃4(由第一电机带动)、上偏转光楔5(由第二电机带动)以及下偏转光楔6(由第三电机带动)。在加工过程中，激光器7发出激光束通过反射镜8反射进入螺旋扫描激光加工装置中，之后首先通过平板玻璃4实现光束的横向偏移，然后再通过上偏转光楔5及下偏转光楔6之间的相位夹角变化实现不同直径圆环的激光扫描轨迹，最终经聚焦镜9将光束聚焦于工件表面上进行微孔加工。

多轴控制系统发送指令至驱动单元，以驱动多个电机带动各光学元件旋转，在旋转过程中多轴控制系统接收各电机的位置反馈信号，并读取光学元件的当前相位，以此确保多个光学元件之间保持一定的相位关系，从而在激光加工过程为微孔孔型的成形精度及加工效率提供了保障。

本发明提供的螺旋扫描激光加工头的控制方法包含如下步骤：

步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度V旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度，直至各电机的速度值达到稳定状态，即速度值稳定不变；

步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；

判断光学元件之间的相位夹角△θ是否随时间t变化，如需变化，则激光加工轨迹为螺旋线，即变孔径扫描；如无变化，则激光加工轨迹为一定直径的圆环，也就是定孔径扫描；

步骤三、多轴控制系统根据所选择的协同控制模式，驱动多个电机带动光学元件旋转；

a)如选择的控制模式为变孔径扫描，则多轴控制系统通过解算扫描孔径大小以及变孔径周期数据，生成电机控制指令，再将解算后的控制指令分发至各电机；

a1)发送恒速指令至驱动单元，驱动单元驱动光束偏转模块中任一光楔的电机恒速旋转；

a2)发送随时间变化且具有固定周期的位置指令至驱动单元的其它电机，驱动单元驱动其它电机分别带动光学元件进行旋转；

b)如选择的控制模式为定孔径扫描，则多轴控制系统根据孔径参数计算出各电机所需的相位夹角，然后驱动单元分别驱动各电机旋转至该角度，再以给定速度恒速旋转；

步骤四、多轴控制系统实时读取各电机当前的位置，并以步骤a1)中光楔电机的位置为基准位置，其它电机根据该基准位置实时进行调整，即跟随控制，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

如图2b所示，在加工过程中，本发明控制方法以光束偏转模块中的任一光楔为基准，使平板玻璃与另一光楔根据基准光楔相位角度进行动态跟随，虽然该控制方法中作为基准的光楔元件在高速旋转下其速度也会出现波动，但是其动态跟随误差是现有控制方法的一半。

图3b中描述了在本发明控制方法中当基准光楔出现θ角度偏差时，此时光束偏转模块中的两个光楔相对于平板玻璃的角度分别为θ-α/2以及α/2,此时理想平板玻璃的相位角度应为(θ+α)/2，与当前平板玻璃位置偏差为(θ+α)/2-α/2＝θ/2，因此采用该控制方法可提高微孔的制造精度及加工效率。

实施例一

本发明提供的螺旋扫描激光加工头的控制方法具体包含如下步骤：

1)多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元驱动电机组中的各电机分别带动光学元件开始以同一速度V进行旋转，多轴控制系统读取第一电机、第二电机、第三电机的运转速度直至三个电机的速度值达到稳定状态；

2)选择协同控制模式为变孔径扫描，即光学元件之间的相位夹角△θ随时间t变化；

3)多轴控制系统解算设置的扫描孔径大小以及变孔径周期数据以生成电机控制指令，然后发送恒速指令至第二电机的驱动单元，使该电机带动光束偏转模块的上偏转光楔恒速旋转，之后再发送随时间变化且具有固定周期的位置指令至第一电机及第三电机的驱动单元，驱动单元驱动第一电机及第三电机分别带动平板玻璃以及下偏转光楔进行旋转。位置指令曲线如图2b所示，第一及第三电机均围绕第二电机作位置曲线为三角波形式的变速运动，其中第三电机的波峰为α，第一电机波峰为α/2(α为相对于第二电机的相对角度)；

4)多轴控制系统实时读取电机第一电机、第二及电机、第三电机当前的位置，并以第二电机为基准位置，使第一电机及第三电机根据该基准位置实时进行位置跟随，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

实施例二

本发明提供的螺旋扫描激光加工头的控制方法具体包含如下步骤：

1)多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元驱动电机组中的各电机分别带动光学元件开始以同一速度V进行旋转，多轴控制系统读取第一电机、第二电机、第三电机的运转速度直至各电机的速度值达到稳定状态；

2)选择协同控制方式为变孔径扫描，即光学元件之间的相位夹角△θ随时间t变化；

3)多轴控制系统解算设置的扫描孔径大小以及变孔径周期数据，生成电机控制指令，然后发送恒速指令至第三电机的驱动单元，使该电机带动光束偏转模块的下偏转光楔恒速旋转，之后再发送随时间变化且具有固定周期的位置指令至第一电机及第二电机的驱动单元，驱动第一电机及第二电机分别带动平板玻璃以及上偏转光楔进行旋转。位置指令曲线如图2b所示，第一电机及第二电机均围绕第三电机作位置曲线为三角波形式的变速运动，其中第二电机的波峰为α，第一电机波峰为α/2(α为相对于第三电机的相对角度)；

4)多轴控制系统实时读取电机第一电机、第二及电机、第三电机当前的位置，并以第三电机为基准位置，使第一电机及第二电机根据该基准位置实时进行位置跟随，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

实施例三

本发明提供的螺旋扫描激光加工头的控制方法具体包含如下步骤：

1)多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元驱动电机组中的各电机分别带动光学元件开始以同一速度V进行旋转，多轴控制系统读取第一电机、第二电机、第三电机的运转速度直至三个电机的速度值达到稳定状态；

2)选择协同控制方式为定孔径扫描，即光学元件之间的相位夹角△θ不随时间t发生变化；

3)多轴控制系统根据孔径参数计算出第一电机、第二电机及第三电机所需相位夹角，然后驱动单元分别驱动第一电机、第二电机及第三电机旋转至该角度，然后以给定速度恒速旋转；

4)多轴控制系统实时读取电机第一电机、第二电机及第三电机当前的位置，并以第二电机或第三电机为基准位置，使另外两个电机根据该基准位置实时进行位置跟随，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

Claims (1)

1.一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度V旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度，直至各电机的速度值达到稳定状态；

步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；

判断光学元件之间的相位夹角△θ是否随时间t变化，如变化，则激光加工轨迹为螺旋线，即变孔径扫描；如无变化，则激光加工轨迹为一定直径的圆环，即定孔径扫描；

步骤三、多轴控制系统根据所选择的协同控制模式，驱动多个电机带动光学元件旋转；

a)如选择的控制模式为变孔径扫描，则多轴控制系统通过解算扫描孔径大小以及变孔径周期数据，生成电机控制指令，再将控制指令分发至各电机；

a1)发送恒速指令至驱动单元，驱动单元驱动光束偏转模块中任一光楔的电机恒速旋转；

a2)发送随时间变化且具有固定周期的位置指令至驱动单元的其它电机，驱动单元驱动其它电机分别带动光学元件旋转；

b)如选择的控制模式为定孔径扫描，则多轴控制系统根据孔径参数计算出各电机所需的相位夹角，然后驱动单元分别驱动各电机旋转至该角度，再以给定速度恒速旋转；

步骤四、多轴控制系统实时读取各电机当前的位置，并以步骤a1)中选取的光楔电机的位置为基准位置，其它电机根据该基准位置实时进行调整，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

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