CN112008238A - 一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，解决激光螺旋扫描加工头的相位标定存在无法实现在线标定以及标定步骤繁琐的问题。该方法包括：步骤一、调整偏转光组中上偏转光楔和下偏转光楔的角度；步骤二、激光束通过激光螺旋扫描加工头后，聚焦形成一圆形轨迹；步骤三、直至找到最小直径的圆形轨迹，记录此时上偏转光楔、下偏转光楔的角度θ1以及θ2；步骤四、使激光螺旋扫描加工头相对于工件处于离焦状态，激光束在工件表面加工点A；步骤五、将平行平板旋转180°，激光束在工件表面加工点B；步骤六、在工件表面打点并用显微镜观测，直至打出点的位置与AB连线中点重合，记录此时平行平板的角度θ3。

Description

一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法
技术领域
本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法。
背景技术
激光螺旋扫描加工头是通过内部光学器件的高速运动，使光束在材料表面进行螺旋运动，从而实现高质量、大深径比的微孔加工的光学仪器。目前广泛使用的激光螺旋扫描加工头主要由平行平板玻璃、光楔等组成，如图1所示，在加工前须确定内部光学器件的初试相位角度，以此实现加工头在不同角度下光束在XY面的投影均能垂直于孔壁，因此初始相位角度的标定对于能否实现高精度微孔制造具有重要意义。
中国专利CN 102962586 A公开了一种双光楔初始相位的调整检测方法，该方法详细描述了利用经纬仪、平行光管测定双光楔的初始相位角度，但是，该方法无法实现在线标定，使得加工精度无法保证。中国专利CN 104400222 A公开了一种四光楔光束扫描装置的初始相位调整方法，该方法详细描述了通过在线测量方式标定及调整四光楔光束扫描装置的初始相位，但是，该方法标定步骤繁琐，使得加工效率大幅降低。
发明内容
本发明针对激光螺旋扫描加工头的相位标定存在无法实现在线标定以及标定步骤繁琐的问题，提供一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，包括以下步骤：
步骤一、保持平行平板不动，调整偏转光组中上偏转光楔和下偏转光楔的角度；
步骤二、使平行平板与偏转光组同步旋转，开启激光器，激光束通过激光螺旋扫描加工头后，聚焦形成一圆形轨迹，记录该圆形轨迹直径数据；
步骤三、重复步骤一及步骤二，直至找到最小直径的圆形轨迹，记录此时上偏转光楔、下偏转光楔的角度θ1以及θ2；
步骤四、将上偏转光楔或下偏转光楔旋转180°，使上偏转光楔和下偏转光楔处于最大圆形轨迹的角度值，保持平行平板以及偏转光组不动，在激光螺旋扫描加工头下方放置工件，调整移动机构，使激光螺旋扫描加工头相对于工件处于离焦状态，激光束在工件表面加工点A；
步骤五、将平行平板旋转180°，激光束在工件表面加工点B；
步骤六、以一定角度增量旋转平行平板，在工件表面打点并用显微镜观测，直至打出点的位置与AB连线中点重合，记录此时平行平板的角度θ3，至此，激光螺旋扫描加工头的初始相位角度θ1、θ2以及θ3完成标定。
进一步地，步骤一中，调整上偏转光楔和下偏转光楔的相对角度Δθ，△θ初始设定为10°，待确定出现最小圆形轨迹的角度范围后，再更改为0.5°。
进一步地，步骤六中，以一定角度增量旋转平行平板具体为，该角度增量具体0.5°。
进一步地，步骤二中，激光器发出的激光光束通过反射镜进入激光螺旋扫描加工头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，该方法无需对激光螺旋扫描加工头进行改造，也无需拆卸激光螺旋扫描加工头即可在线标定平行平板与偏转光组、上偏转光楔与下偏转光楔之间的初始相位角度，同时，该方法只需旋转平行平板与偏转光组即可实现标定，操作便捷，标定效率和标定精度较高。
附图说明
图1为现有激光束加工微孔孔壁的示意图；
图2为本发明初始相位标定方法所采用装置结构示意图；
图3为本发明方法中上偏转光楔和下偏转光楔背靠背的状态示意图；
图4为本发明方法中上偏转光楔和下偏转光楔头脚相对的状态示意图；
图5为本发明方法的原理示意图。
附图标记：1-激光器，2-反射镜，3-平行平板，4-上偏转光楔，5-下偏转光楔，6-聚焦镜，7-工件，8-移动机构，9-显微镜。
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。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图2所示，本发明激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法的实现装置包括激光器1、反射镜2、平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5、聚焦镜6、工件7、移动机构8和显微镜9。其中上偏转光楔4与下偏转光楔5组成偏转光组，平行平板3与偏转光组均安装在可上下运动的移动机构8上，显微镜9用于检测工件7上的特征。激光器1发出的光束经反射镜2进入激光螺旋扫描加工头，然后经加工头内部光学器件平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5对光束的偏折后进入聚焦镜6，实现光束的聚焦并作用于工件7上。平行平板3、上偏转光楔4以及下偏转光楔5是激光螺旋扫描加工头内部的主要器件，其中平行平板3用于实现光束的横向平移，上偏转光楔4、下偏转光楔5通过不同的相对旋转角度实现光束偏折。如图3所示，当上偏转光楔4、下偏转光楔5处于“背靠背”状态时对于光束的偏折作用最大；相反的，如图4所示，当上偏转光楔4、下偏转光楔5处于“头脚相对”时对于光束的偏折作用最小。
当平行平板3、上偏转光楔4及下偏转光楔5处于图1所示状态时，将其定义为激光螺旋扫描加工头的初始相位，在使用激光螺旋扫描加工头进行微孔加工之前，需要测定包含平行平板3与双光楔、双光楔内部上偏转光楔4与下偏转光楔5之间的初始相位角度，因此，激光螺旋扫描加工头初始相位的精确标定是实现高质量、高效率微孔加工的前提。而现有的在线标定方法主要针对四光楔结构的加工头，不适用于本发明所描述的加工头的结构形式。
基于此，本发明提供一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，该方法通过分别旋转平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5实现了激光螺旋扫描加工头初始相位的精确标定，该方法步骤简单，易于操作，适用于对激光螺旋扫描加工头进行在线装调，本发明激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法具体步骤如下：
步骤一、保持平行平板3不动，调整偏转光组中上偏转光楔4和下偏转光楔5的角度；
此时，调整上偏转光楔4和下偏转光楔5的相对角度Δθ，△θ初始设定为10°，将上(下)偏转光楔以该角度相对于下(上)偏转光楔旋转，进行初始相位的粗调，待大致确定出现最小圆形轨迹的角度范围后，再更改△θ为0.5°，以此最终确定最小圆形轨迹；
步骤二、使平行平板3与偏转光组同步旋转，开启激光器1，激光束通过激光螺旋扫描加工头后，聚焦形成一圆形轨迹，记录该圆形轨迹直径数据；
步骤三、重复步骤一和步骤二，直至找到最小直径的圆形轨迹，记录此时上偏转光楔4以及下偏转光楔5的角度信息θ1以及θ2；
步骤四、将上偏转光楔4或下偏转光楔5旋转180°，使上偏转光楔4和下偏转光楔5处于最大圆形轨迹的角度值，保持平行平板3以及偏转光组不动，在激光螺旋扫描加工头下方放置工件7，调整移动机构8，使激光螺旋扫描加工头相对于工件7处于离焦状态，在工件7表面加工点A；
步骤五、相对于步骤四的位置，将平行平板3旋转180°，在工件7表面加工点B；
步骤六、以一定角度增量旋转平行平板3(可以采用较大的增量角度初步确定初始相位范围，之后再减小该角度增量至0.5°，对初始相位角度进行精确寻找)；再开启激光，在工件7表面打点并用显微镜9观测，直至打出点的位置与AB连线中点重合，记录此时平行平板3的角度θ3，至此，激光螺旋扫描加工头的初始相位角度θ1、θ2以及θ3完成测量及标定。
如图5所示，本发明方法采用的原理为：当平行平板3与上下两偏转光楔处于初始相位角度时，光束在XY平面的投影与微孔的侧壁呈垂直状态，否则，光束与微孔的侧壁不垂直。因此，当光束处于离焦状态且不在初始相位角度时，其在零件表面的投射光斑必然偏离初始相位角度下的投射光斑，且当平行平板3分别在X角度、X+180角度、以及初始相位角度时，初始相位角度投射出的光斑必然在X角度以及X+180角度光斑投射位置的中间。

Claims (4)

1.一种激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、保持平行平板不动，调整偏转光组中上偏转光楔和下偏转光楔的角度；
步骤二、使平行平板与偏转光组同步旋转，开启激光器，激光束通过激光螺旋扫描加工头后，聚焦形成一圆形轨迹，记录该圆形轨迹直径数据；
步骤三、重复步骤一及步骤二，直至找到最小直径的圆形轨迹，记录此时上偏转光楔、下偏转光楔的角度θ1以及θ2；
步骤四、将上偏转光楔或下偏转光楔旋转180°，使上偏转光楔和下偏转光楔处于最大圆形轨迹的角度值，保持平行平板以及偏转光组不动，在激光螺旋扫描加工头下方放置工件，调整移动机构，使激光螺旋扫描加工头相对于工件处于离焦状态，激光束在工件表面加工点A；
步骤五、将平行平板旋转180°，激光束在工件表面加工点B；
步骤六、以一定角度增量旋转平行平板，在工件表面打点并用显微镜观测，直至打出点的位置与AB连线中点重合，记录此时平行平板的角度θ3，至此，激光螺旋扫描加工头的初始相位角度θ1、θ2以及θ3完成标定。
2.根据权利要求1所述的激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，其特征在于：步骤一中，调整上偏转光楔和下偏转光楔的相对角度Δθ，△θ初始设定为10°，待确定出现最小圆形轨迹的角度范围后更改为0.5°。
3.根据权利要求2所述的激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，其特征在于：步骤六中，所述角度增量具体为0.5°。
4.根据权利要求1或2或3所述的激光螺旋扫描加工头的初始相位标定方法，其特征在于：步骤二中，激光器发出的激光光束通过反射镜进入激光螺旋扫描加工头。
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