CN113618232B - 一种双光束耦合水导加工头装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光束耦合水导加工头装置及加工方法，属于水导激光加工技术领域，能够解决现有耦合激光功率低、输出光斑能量不均匀及不能可视化加工的问题。加工头装置包括光束调制模块、视觉模块及控制模块；加工方法包括合束穿孔：控制模块控制两台离散的激光器发射激光A及激光B，通过合束室将激光A及激光B调制成合束激光，通过耦合室将合束激光聚焦耦合入射到水柱中，对工件进行合束穿孔；耦合切割：控制模块接收用户输入的平移量，并发送控制指令给运动模组，控制第一平移台及第二平移台根据平移量完成平移，经合束室及耦合室后将耦合后的光束聚焦耦合进水柱中。本发明用于对厚板工件进行穿孔加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种双光束耦合水导加工头装置及加工方法，属于水导激光加工技术领域。
背景技术
水导激光加工是利用水柱形成光波导，使得激光在水柱中发生全反射，可用于激光切割、打孔。然而，对于低锥度的快速切割，现有水导激光加工技术仍不具备此能力。原因主要有以下两点：其一，耦合激光功率不高，切割起始穿孔时难以将厚板直接穿透，必须长时间或者多次激光祛除才能穿透工件，大大影响切割速度的提升，由于目前本领域均采用单光束耦合进水柱的方式，从源头上导致激光功率受限；其二，能量均匀性问题，单束激光的能量在水柱光波导的横向截面内呈高斯曲线分布，水柱光波导中心处能量密度远高于周边，既增加了中心处水分子被击穿的风险，又导致加工锥度的产生，不利于对厚板的深度加工。
发明内容
本发明提供了一种双光束耦合水导加工头装置及加工方法，能够解决现有耦合激光功率低、输出光斑能量不均匀及不能可视化加工的问题。
本发明提供了一种双光束耦合水导加工头装置，包括光束调制模块、视觉模块、控制模块；
所述光束调制模块包括合束室及耦合室，所述耦合室固定设置于所述合束室下方，工件位于所述耦合室下方，所述合束室用于将激光A及激光B调制成一束在空间上能量重合或对称的合束激光，所述耦合室用于将从所述合束室射出的合束激光聚焦为耦合光束，所述耦合光束用于加工所述工件；
所述视觉模块位于所述合束室内，用于实时在线监测工件表面；
所述控制模块与所述光束调制模块、所述视觉模块及所述激光器电连接，用于控制所述光束调制模块、所述激光器及所述视觉模块工作；
优选的，所述视觉模块包括CCD模组及光源，所述光源发射波长与所述激光A及所述激光B波长不同；
可选的，所述合束室包括壳体、第一进光口、第二进光口、反射镜组、合束镜及运动模组；
所述第一进光口及所述第二进光口连通设置在所述壳体的左、右、前及后任意一侧壁上或任意相对的两侧壁上，所述反射镜组、所述合束镜及所述运动模组均设置在所述壳体内；
所述第一进光口及所述第二进光口分别用于供所述激光A及所述激光B进入所述壳体内，所述反射镜组用于对进入所述壳体内的所述激光A及所述激光B进行全反射，所述合束镜用于将所述激光A及所述激光B成为一束合束激光；
所述运动模组用于控制所述反射镜组调制所述合束激光的能量分布，所述运动模组与所述控制模块电连接，通过所述控制模块控制所述运动模组工作。
可选的，所述耦合室内设聚焦镜，所述聚焦镜用于将从所述合束室射出的所述合束激光聚焦成耦合光束，所述聚焦镜、所述视觉模块及所述耦合室的中心轴重合。
可选的，所述第一进光口及所述第二进光口同时设置于所述合束室的左、右、前及后任意一侧壁上；
所述反射镜组包括第一反射镜及第二反射镜，所述合束镜包括S1面及S2面，所述第一反射镜中心与所述第一进光口同轴，所述第二反射镜、所述合束镜与所述第二进光口同轴，且所述合束镜位于所述第二进光口与所述第二反射镜之间，所述合束镜的S1面用于将经过所述第一反射镜反射的激光A反射给所述第二反射镜，所述合束镜的S2面用于将激光B透射到所述第二反射镜；
所述运动模组包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台及所述第二平移台水平移动，所述第一反射镜及所述第二反射镜分别设置于所述第一平移台及所述第二平移台上，所述视觉模块位于所述第二平移台上方。
可选的，所述第一平移台及第二平移台相向移动。
可选的，所述第一进光口及所述第二进光口分别设置在所述合束室的左右两侧壁上或前后两侧壁上；
所述反射镜组包括第三反射镜、第四反射镜及第五反射镜，所述第三反射镜与所述第一进光口的中心同轴，所述第四反射镜位于所述第三反射镜下方，所述第五反射镜与所述第二进光口的中心同轴，所述合束镜位于所述第五反射镜的下方，所述合束镜包括用于反射激光A的S2面及用于透射激光B的S1面，所述合束镜的S2面的中心与所述聚焦镜同轴；
所述运动模组包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台及第二平移台水平移动，所述第四反射镜及所述第五反射镜分别置于所述第一平移台及所述第二平移台上，所述视觉模块位于所述第二平移台上方。
可选的，所述第一平移台及第二平移台同向移动。
可选的，所述第一进光口及所述第二进光口内均设置有光闸；
优选的，所述光闸与所述控制模块电连接，通过所述控制模块控制所述第一进光口或所述第二进光口的打开和关闭。
可选的，所述耦合室下方设置有水单元，所述水单元用于形成所述水柱，所述耦合光束聚焦耦合在所述水柱靠近所述耦合室的表面，所述水柱用于将所述耦合光束传输作用到工件上。
本发明还提供了一种双光束耦合水导加工方法，包括S1：合束穿孔；S2：耦合切割；
所述合束穿孔包括：
S11：所述控制模块控制所述水单元形成水柱，控制所述视觉模块工作，控制所述合束室内的所述运动模组将所述第一平移台及所述第二平移台位置归为零点；
S12：所述控制模块控制两台离散的激光器发射激光A及激光B，通过所述合束室将所述激光A及所述激光B调制成合束激光，通过所述耦合室将所述合束激光聚焦耦合入射到所述水柱中，对工件进行合束穿孔；
S13：所述视觉模块识别所述穿孔进展，直至形成孔被穿透，发送反馈信号给所述控制模块，所述控制模块接收到所述反馈信号后发送指令控制所述光闸关闭，阻挡所述激光A及所述激光B进入所述合束室；
所述耦合切割包括：
S21：所述控制模块接收用户输入的平移量，并发送控制指令给所述运动模组，控制所述第一平移台及所述第二平移台根据所述平移量完成平移；
S22：所述控制模块发送指令控制所述光闸开启，所述激光A及激光B经所述合束室及所述耦合室后将得到的耦合光束耦合进所述水柱中；
S23：移动工件位置，对工件进行切割。
本发明能产生的有益效果包括：
本发明的双光束耦合水导加工头装置，通过合束室和耦合室，在水导加工技术中把耦合进水柱中的激光能量提升1倍，有效提高了耦合激光功率，有利于提高对厚板工件穿孔加工的能力；
本发明的双光束耦合水导加工头装置，通过运动模组结合双光路耦合技术，改善了单光束水柱能量分布均匀性差的现象，提高了水柱中能量分布均匀性，减小切割断面的锥度，提高切割质量，通过视觉模块实现可视化加工；
本发明的双光束耦合水导加工方法，结合视觉模块，通过同轴检测穿孔过程，减小误差，提高检测的准确率和智能化控制水平。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的双光束耦合水导加工头装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的双光束耦合水导加工头装置内光路示意图；
图3为本发明实施例2提供的双光束耦合水导加工头装置的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的双光束耦合水导加工头装置内光路示意图；
图5为本发明实施例1、实施例2聚焦耦合光斑在双光束系统与单光束系统中的能量分布对比图；
图6为本发明实施例3提供的双光束耦合水导加工方法流程图。
部件和附图标记列表：
1、壳体；2、第一进光口；3、激光A；4、光闸；5、第二进光口；6、激光B；7.1、第一反射镜；7.2、第二反射镜；8.1、第一平移台；8.2、第二平移台；9、CCD模组；10、光源；11、合束室；12、合束激光；12.1、第一合束激光；12.2、第二合束激光；13、耦合光束；13.1、第一耦合光束；13.2、第二耦合光束；14、聚焦镜；15、水单元；16.1、第一合束镜；16.2、第二合束镜；17、耦合室；18、水柱；19.1、第三反射镜；19.2、第四反射镜；19.3、第五反射镜。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
本发明实施例1提供了一种双光束耦合水导加工头装置，包括光束调制模块、视觉模块及控制模块。
如图1所示，光束调制模块包括合束室11及耦合室17，耦合室17螺纹连接于合束室11下方，工件放置于耦合室17下方，合束室11用于将由两台离散的激光器发出的激光A3及激光B6调制成一束在空间上能量重合或对称的合束激光12。
合束室11包括壳体1、第一进光口2、第二进光口5、反射镜组、合束镜及运动模组；合束镜包括第一合束镜16.1及第二合束镜16.2；第一进光口2及第二进光口5连通设置在壳体1的左、右、前及后任意一侧壁上或任意相对的两侧壁上，反射镜组、合束镜及运动模组均设置在壳体1内。
第一进光口2及第二进光口5分别用于供激光A3及激光B6进入壳体1内，反射镜组用于对进入壳体1内的激光A3及激光B6进行全反射，合束镜用于将激光A3及激光B6成为一束合束激光12。
第一进光口2及第二进光口5内均设置有光闸4，光闸4与控制模块电连接，通过控制模块控制第一进光口2或第二进光口5的打开和关闭。
运动模组用于控制反射镜组调制合束激光12的能量分布，运动模组与控制模块电连接，通过控制模块控制运动模组工作。
耦合室17用于将从合束室11射出的合束激光12聚焦为耦合光束13，耦合光束13用于加工工件。
耦合室17内设聚焦镜14，聚焦镜14用于将从合束室11射出的合束激光12聚焦成耦合光束13，聚焦镜14、视觉模块及耦合室17的中心轴重合。
耦合室17下方设置有水单元15，水单元15用于形成水柱18，耦合光束13聚焦耦合在水柱18靠近耦合室17的表面即水柱18上表面，水柱18用于将耦合光束13传输作用到工件上。
视觉模块位于合束室11内，且视觉模块与聚焦镜14及耦合室17的中心轴重合，用于同轴的实时在线监测工件表面。
视觉模块包括CCD模组9及光源10，光源10发射波长与激光A3及激光B6波长不同。
控制模块与光束调制模块、视觉模块、激光器及光闸4电连接，用于控制光束调制模块、激光器、视觉模块及光闸4工作。
如图1所示，激光A3及激光B6同向射入合束室11内。第一进光口2及第二进光口5同时设置于合束室11的左、右、前及后任意一侧壁上，本实施例中第一进光口2及第二进光口5同时设置在合束室11的左侧壁上，且第一进光口2位于第二进光口5正上方。
反射镜组包括第一反射镜7.1及第二反射镜7.2，第一合束镜16.1包括S1面及S2面，第一反射镜7.1中心与第一进光口2同轴，第二反射镜7.2、第一合束镜16.1与第二进光口5同轴，且第一合束镜16.1位于第二进光口5与第二反射镜7.2之间，第一合束镜16.1的S1面用于将经过第一反射镜7.1反射的激光A3反射给第二反射镜7.2，第一合束镜16.1的S2面用于将激光B6透射到第二反射镜7.2。
运动模组包括第一平移台8.1及第二平移台8.2，第一平移台8.1及第二平移台8.2水平移动，第一反射镜7.1及第二反射镜7.2分别设置于第一平移台8.1及第二平移台8.2上，视觉模块位于第二平移台8.2上方。
如图2(a)所示，两台离散的激光器分别发射激光A3及激光B6，激光A3从第一进光口2的中心处入射至第一反射镜7.1的中心处，经第一反射镜7.1反射竖直向下传输，入射至第一合束镜16.1的S1面，并在该表面发生全反射，入射至第二反射镜7.2的中心处，再由第二反射镜7.2反射竖直向下传输进耦合室17内，入射至聚焦镜14的中心处；激光B6从第二进光口5的中心处入射至第一合束镜16.1的S2面，并由第一合束镜16.1的S1面出射到第二反射镜7.2上，再经第二反射镜7.2反射后竖直向下，与激光A3完全重合，形成第一合束激光12.1。第一合束激光12.1进入耦合室17内，入射至聚焦镜14的中心处，聚焦形成第一耦合光束13.1，此时第一平移台8.1及第二平移台8.2所处的位置记为零点。
如图5(a)所示，第一耦合光束13.1较单光束系统将中心能量密度提高1倍，提升了穿孔加工能力。
控制模块通过控制运动模组实现对第一平移台8.1及第二平移台8.2的水平位移，移动方式为相向移动。包括两种相向移动模式，第一平移台8.1向右移动、第二平移台8.2向左移动及第一平移台8.1向左移动、第二平移台8.2向右移动。
如图1、图2(b)所示，第一反射镜7.1及第二反射镜7.2分别设置于第一平移台8.1及第二平移台8.2上，控制模块通过控制运动模组实现对第一平移台8.1及第二平移台8.2相向的水平位移。本实施例中第一平移台8.1带动第一反射镜7.1向右平移，第二平移台8.2带动第二反射镜7.2向左平移，平移后从合束室11出射的第一合束激光12.1变成一束在空间上对称的第二合束激光12.2。第二合束激光12.2经耦合室17后出射的第二耦合光束13.2在水柱18上表面聚焦耦合。第一平移台8.1的平移量为第二平移台8.2平移量的2倍。视觉模块位于第二反射镜7.2上方，与聚焦镜14同轴。第二反射镜7.2及聚焦镜14上均镀有对光源10的减反膜。
如图5(b)所示，第二耦合光束13.2的聚焦耦合光斑的中心处能量趋于平顶分布，光斑宽度为单光束的1.64倍，因此较单光束系统具有更好的能量均匀性分布，有利于减小加工锥度，进行高质量切割。
实施例2
如图3所示，本申请实施例2提供了一种双光束耦合水导加工头装置，与实施例1的不同之处在于：激光A3及激光B6相向射入合束室11内。
如图3所示，第一进光口2及第二进光口5分别设置在合束室11的左右两侧壁上或前后两侧壁上；本实施例中，第一进光口2设置在合束室11的左侧壁上，第二进光口5相对设置在合束室11的右侧壁上。
反射镜组包括第三反射镜19.1、第四反射镜19.2及第五反射镜19.3，第三反射镜19.1与第一进光口2的中心同轴，第四反射镜19.2位于第三反射镜19.1下方，第五反射镜19.3与第二进光口5的中心同轴，第二合束镜16.2位于第五反射镜19.3的下方，第二合束镜16.2包括用于反射激光A3的S2面及用于透射激光B6的S1面，第二合束镜16.2的S2面的中心与聚焦镜14同轴；
运动模组包括第一平移台8.1及第二平移台8.2，第一平移台8.1及第二平移台8.2水平移动，第四反射镜19.2及第五反射镜19.3分别置于第一平移台8.1及第二平移台8.2上，视觉模块位于第二平移台8.2上方。
如图4(a)所示，两台离散的激光器分别发射激光A3及激光B6，激光A3从第一进光口2的中心处入射至第三反射镜19.1的中心处，经第三反射镜19.1反射竖直向下传输，入射到第四反射镜19.2上，经第四反射镜19.2反射后水平传输入射至第二合束镜16.2的S2面的中心，在S2面发生反射竖直向下传输至耦合室17中，入射至聚焦镜14的中心处；激光B6从第二进光口5的中心处入射至第五反射镜19.3的中心处，经第五反射镜19.3反射竖直向下传输至第二合束镜16.2的S1面，发生透射后由第二合束镜16.2的S2面出射，出射点为S2面中心，竖直向下传输进耦合室17中，与激光A3完全重合，形成第一合束激光12.1，第一合束激光12.1进入耦合室17内，入射至聚焦镜14的中心处，聚焦后形成第一耦合光束13.1，此时第一平移台8.1及第二平移台8.2的位置记为零点。
如图5(a)所示，第一耦合光束13.1较单束光系统将中心能量密度提高1倍，提升了穿孔加工能力。
控制模块通过控制运动模组实现对第一平移台8.1及第二平移台8.2的水平位移，移动方式为同向运动。包括两种同向移动模式：第一平移台8.1及第二平移台8.2均向右运动及第一平移台8.1及第二平移台8.2均向左运动。
如图3、图4(b)所示，第四反射镜19.2及第五反射镜19.3分别置于第一平移台8.1及第二平移台8.2上，控制模块通过控制运动模组实现第一平移台8.1及第二平移台8.2的同向水平位移。本实施例中，第一平移台8.1带动第四反射镜19.2向右平移，第二平移台8.2带动第五反射镜19.3向右平移，平移后从合束室11出射的第一合束激光12.1变成一束在空间上对称的第二合束激光12.2，第二合束激光12.2经耦合室17后出射的第二耦合光束13.2在水柱18的上表面聚焦耦合。第一平移台8.1与第二平移台8.2的平移量相等。视觉模块位于第五反射镜19.3上方，且与聚焦镜14同轴放置。第五反射镜19.3、第二合束镜16.2及聚焦镜14上镀有对光源10的减反膜。
如图5(b)所示，第二耦合光束13.2的聚焦耦合光斑的中心处能量趋于平顶分布，光斑宽度为单光束的1.64倍，因此较单光束系统具有更好的能量均匀性分布，有利于减小加工锥度，进行高质量切割。
实施例3
如图6所示，本申请实施例3提供了一种双光束耦合水导加工方法，包括S1：合束穿孔；S2：耦合切割。
合束穿孔包括：
S11：控制模块控制水单元15形成水柱18，控制视觉模块工作，控制合束室11内的运动模组将第一平移台8.1及第二平移台8.2位置归为零点；
S12：控制模块控制两台离散的激光器发射激光A3及激光B6，通过合束室11将激光A3及激光B6调制成合束激光，通过耦合室17将合束激光聚焦耦合入射到水柱18中，对工件进行合束穿孔；
S13：视觉模块识别穿孔进展，直至形成孔被穿透，发送反馈信号给控制模块，控制模块接收到反馈信号后发送指令控制光闸4关闭，阻挡激光A3与激光B6进入合束室11；
耦合切割包括：
S21：控制模块接收用户输入的平移量，并发送控制指令给运动模组，控制第一平移台8.1及第二平移台8.2根据平移量完成平移，
S22：控制模块发送指令控制光闸4开启，激光A及激光B经合束室11及耦合室17后将得到的耦合光束耦合进水柱18中；
S23：移动工件位置，对工件进行接近零锥度的高质量切割。
以上，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种双光束耦合水导加工方法，其特征在于，包括：
S1：合束穿孔；S2：耦合切割；
所述合束穿孔包括：
S11：控制模块控制水单元形成水柱，控制视觉模块工作，控制合束室内的运动模组将第一平移台及第二平移台位置归为零点；
S12：所述控制模块控制两台离散的激光器发射激光A及激光B，通过所述合束室将所述激光A及所述激光B调制成合束激光，通过耦合室将所述合束激光聚焦耦合入射到水柱中，对工件进行合束穿孔；
S13：所述视觉模块识别穿孔进展，直至形成孔被穿透，发送反馈信号给所述控制模块，所述控制模块接收到反馈信号后发送指令控制光闸关闭，阻挡所述激光A及所述激光B进入所述合束室；
所述耦合切割包括：
S21：所述控制模块接收用户输入的平移量，并发送控制指令给运动模组，控制所述第一平移台及所述第二平移台根据平移量完成平移；
S22：所述控制模块发送指令控制光闸开启，所述激光A及激光B经所述合束室及耦合室后将得到的耦合光束耦合进所述水柱中；
S23：移动工件位置，对工件进行切割；
用于所述加工方法的双光束耦合水导加工头装置包括光束调制模块、视觉模块及控制模块；
所述光束调制模块包括合束室及耦合室，所述耦合室固定设置于所述合束室下方，工件位于所述耦合室下方，所述合束室用于将激光A及激光B调制成一束在空间上能量重合或对称的合束激光，所述耦合室用于将从所述合束室射出的合束激光聚焦为耦合光束，所述耦合光束用于加工所述工件；
所述合束室包括壳体、第一进光口、第二进光口、反射镜组、合束镜及运动模组；所述运动模组用于控制所述反射镜组调制所述合束激光的能量分布；
所述运动模组包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台及所述第二平移台水平移动，第一反射镜及第二反射镜分别设置于所述第一平移台及所述第二平移台上；
所述视觉模块位于所述合束室内，用于实时在线监测工件表面；
所述视觉模块识别所述穿孔进展，直至形成孔被穿透，发送反馈信号给所述控制模块；
所述控制模块与所述光束调制模块、所述视觉模块及激光器电连接，用于控制所述光束调制模块、所述激光器及所述视觉模块工作；所述控制模块接收用户输入的平移量，并发送控制指令给运动模组，控制第一平移台及第二平移台根据平移量完成平移；
第一进光口及第二进光口同时设置于所述合束室的左、右、前及后任意一侧壁上；
所述第一平移台及第二平移台相向移动；第一平移台的平移量为第二平移台平移量的2倍。
2.根据权利要求1所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于，所述视觉模块包括CCD模组及光源，所述光源发射波长与所述激光A及所述激光B波长不同。
3.根据权利要求1所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于，
所述第一进光口及所述第二进光口连通设置在所述壳体的左、右、前及后任意一侧壁上或任意相对的两侧壁上，所述反射镜组、所述合束镜及所述运动模组均设置在所述壳体内；
所述第一进光口及所述第二进光口分别用于供所述激光A及所述激光B进入所述壳体内，所述反射镜组用于对进入所述壳体内的所述激光A及所述激光B进行全反射，所述合束镜用于将所述激光A及所述激光B成为一束合束激光；
所述运动模组与所述控制模块电连接，通过所述控制模块控制所述运动模组工作。
4.根据权利要求1所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于， 所述耦合室内设聚焦镜，所述聚焦镜用于将从所述合束室射出的所述合束激光聚焦成耦合光束，所述聚焦镜、所述视觉模块及所述耦合室的中心轴重合。
5.根据权利要求1所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于，所述第一进光口及所述第二进光口分别设置在所述合束室的左右两侧壁上或前后两侧壁上；
所述反射镜组包括第三反射镜、第四反射镜及第五反射镜，所述第三反射镜与所述第一进光口的中心同轴，所述第四反射镜位于所述第三反射镜下方，所述第五反射镜与所述第二进光口的中心同轴，所述合束镜位于所述第五反射镜的下方，所述合束镜包括用于反射激光A的S2面及用于透射激光B的S1面，所述合束镜的S2面的中心与聚焦镜同轴；
所述运动模组包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台及第二平移台水平移动，所述第四反射镜及所述第五反射镜分别置于所述第一平移台及所述第二平移台上，所述视觉模块位于所述第二平移台上方。
6.根据权利要求5所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于，所述第一平移台及第二平移台同向移动，第一平移台与第一平移台的平移量相等。
7.根据权利要求1所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于， 所述第一进光口及所述第二进光口内均设置有光闸。
8.根据权利要求7所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于，所述光闸与所述控制模块电连接，通过所述控制模块控制所述第一进光口或所述第二进光口的打开和关闭。
9.根据权利要求4所述的双光束耦合水导加工方法，其特征在于， 所述耦合室下方设置有水单元，所述水单元用于形成所述水柱，所述耦合光束聚焦耦合在所述水柱靠近所述耦合室的表面，所述水柱用于将所述耦合光束传输作用到工件上。
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