CN113634925A - 一种激光旋切加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，为一种激光旋切加工系统及方法，包括沿激光束的光路依次设置的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元及聚焦单元；偏转双振镜单元包括两个相互补偿、且同步同向控制调整激光束的角度方向的第一高速振镜及第二高速振镜，道威棱镜用于偏移激光束实现光束轨迹旋转以形成环状加工范围，聚焦单元用于对激光束进行聚焦至工件上实现待加工孔的加工。螺旋环状扫描加工过程使得工件表面温度分布均匀，激光聚焦后的焦点随着材料的去除而下降到工件地面时，小孔中心的圆柱形残渣不会对激光造成遮挡，提高了加工效率和质量。此外，通过道威棱镜绕机械轴旋转来带动激光光束的旋转，在保证加工质量的条件下，进一步的提高加工效率。

Description

一种激光旋切加工系统及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光旋切加工系统及方法。

背景技术

旋切法是利用激光打孔的一种重要的方式，通过光学系统使激光束呈现圆周轨迹，避免由于激光光强呈高斯分布而造成的打孔时中心温度比四周高的现象，从而降低了小孔的热反应，同时，旋切加工的方式更利于激光加工后产生的熔融物质以及等离子体等废屑排出。

当激光重复频率过高、旋切电机转速较小时，激光脉冲的重叠率就会过高，也会产生加工后的废屑无法排除的问题，同时由于等离子体效应，会大大降低打孔的效率；另外，在加工小孔的过程中，由于是圆周切缝式加工，在加工途中会有中心废屑产生对激光的遮挡作用，导致激光束无法到达工件底部，从而造成小孔加工失败，也会产生由于切缝过小，而导致中心残渣无法掉落而随着熔融物质冷切之后重新附着的问题；因此设计一款能解决上述问题的加工装置及加工方式尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种激光旋切加工系统及方法，解决了以上所述的传统旋切法激光打孔加工成品率低的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种激光旋切加工系统，包括沿激光束的光路依次设置的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元及聚焦单元；

所述偏转双振镜单元包括两个相互补偿、且同步同向控制调整激光束的角度方向的第一高速振镜及第二高速振镜，所述道威棱镜用于偏移激光束实现光束轨迹旋转以形成环状加工范围，所述聚焦单元用于对激光束进行聚焦至工件上实现待加工孔的加工。

可选地，所述第一高速振镜与系统机械轴心之间具有第一偏转角度θ₁，所述激光束入射到所述第一高速振镜上，激光束按照反射到达第二高速振镜，经过所述第二高速振镜反射后的激光束偏离系统机械轴心以达到激光束平移的效果，偏移距离为L＝l*sin(θ₁)，其中l为第一高速振镜到第二高速振镜的中心距离。

可选地，所述第二高速振镜与系统机械轴心之间具有用于补偿第一偏转角度θ₁的第二偏转角度θ₂，则经过所述第二高速振镜反射后的激光束偏离系统机械轴心的角度为θ₂-θ₁。

可选地，第一偏转角度

其中C为激光光束半径，γ为锥度系数，θ₂₁为待加工孔外环角度，θ₂₂为待加工孔内环角度。

可选地，所述聚焦单元包含用于调节聚焦位置的机械转置，在激光加工去除掉一层材料之后，机械转置调节聚焦位置下降预设深度，对下一层材料继续进行加工。

可选地，所述道威棱镜旋转单元包括道威棱镜、用于固定道威棱镜的机械套筒以及带动机械套筒旋转的电机，所述机械套筒用于实现对道威棱镜的动平衡补偿。

可选地，所述系统还包括控制单元，所述控制单元包含数据预设模块、振镜运动控制模块、道威棱镜旋转控制模块、调焦控制模块及位置模块；

所述数据预设模块用于根据待加工孔大小、锥度及位置生成加工中需要的焦点调节速度、加工模式、激光器重复频率及电机转速；

所述振镜控制模块用于接收数据预设模块的信息，计算出偏转双振镜单元的偏转阈值及运动速度；

所述道威棱镜旋转控制模块用于控制道威棱镜旋转单元的旋转速度，并将速度信息实时传送到数据预设模块；

所述调焦控制模块用于根据数据预设模块的信息，实时调整聚焦单元的焦点位置，并将焦点位置反馈到数据预设模块；

所述位置模块用于实时获取待加工孔位置，并在加工过程中控制工件的加工位置。

本发明还提供了一种用于激光旋切加工系统的方法，包括以下步骤：

道威棱镜高速旋转，激光束在道威棱镜的偏转作用下，激光束轨迹以道威棱镜的双倍角速度旋转，偏转双振镜单元根据光束轨迹的角速度在设定的范围内规律性高速振动，使得聚焦在焦平面的光斑与系统机械轴心的距离快速变化，形成之字形的扫描效果，同时在道威棱镜的旋转作用下，整体的之字形扫描呈现圆周变化，最终形成一个环状的加工范围，从而实现待加工孔的加工。

可选地，当聚焦光斑扫描至待加工孔外环时，激光束靠近外环的一侧呈垂直入射状态；当聚焦光斑扫描至加工区域内环时，激光束整体呈垂直照射工件状态。

有益效果：本申请提供了一种激光旋切加工系统及方法，包括沿激光束的光路依次设置的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元及聚焦单元；所述偏转双振镜单元包括两个相互补偿、且同步同向控制调整激光束的角度方向的第一高速振镜及第二高速振镜，所述道威棱镜用于偏移激光束实现光束轨迹旋转以形成环状加工范围，所述聚焦单元用于对激光束进行聚焦至工件上实现待加工孔的加工。螺旋环状扫描加工过程使得工件表面温度分布均匀，激光聚焦后的焦点随着材料的去除而下降到工件地面时，小孔中心的圆柱形残渣不会对激光造成遮挡，提高了加工效率和质量。此外，通过道威棱镜绕机械轴旋转来带动激光光束的旋转，在保证加工质量的条件下，进一步的提高加工效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明激光旋切加工系统及方法的原理框图；

图2为本发明激光旋切加工系统及方法的偏转双振镜单元构成示意图；

图3为本发明激光旋切加工系统及方法的小孔不同位置时的光束调节示意图；

图4为本发明激光旋切加工系统及方法的打孔方式示意。

附图标记说明：

第一高速振镜1，第二高速振镜2，机械套筒3，道威棱镜旋转单元4，反射镜5，聚焦单元6，加工工件7。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图4所示，本发明提供了一种激光旋切加工系统，包括沿激光束的光路依次设置的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元及聚焦单元6；所述偏转双振镜单元包括两个相互补偿、且同步同向控制调整激光束的角度方向的第一高速振镜1及第二高速振镜2，所述道威棱镜4用于偏移激光束实现光束轨迹旋转以形成环状加工范围，所述聚焦单元6用于对激光束进行聚焦至工件上实现待加工孔的加工。

道威棱镜4高速旋转，激光束在道威棱镜4的偏转作用下，光束轨迹以道威棱镜4的双倍角速度旋转，偏转双振镜单元根据光束轨迹的角速度在设定的范围内规律性高速振动，使得聚焦在焦平面的光斑与机械轴心的距离快速变化，形成之字形的扫描效果，同时在道威棱镜4的旋转作用下，整体的之字形扫描呈现圆周变化，最终形成一个环状的加工范围，从而实现待加工孔的加工。与此同时，偏转双振镜单元控制激光束在聚焦前的激光束姿态，聚焦光斑扫描至加工区域即待加工孔外环时，激光束靠近外环的一侧呈垂直入射状态，聚焦光斑扫描至加工区域内环时，激光束姿态呈垂直照射材料状态，实现最大加工效率。

其中，偏转双振镜单元由两个高速高精度振镜组成，两个振镜控制的方向相同，相互之间间隔的距离根据光束的直径及加工的要求进行调节，第一高速振镜1通过角度偏转将激光束偏移系统机械轴心，第二高速振镜2将第一高速振镜1赋予激光束的角度偏转完全补偿，并根据激光束聚焦后与机械轴心的距离要求给激光束一个相应的角度偏转。

可选的方案，所述第一高速振镜1与系统机械轴心之间具有第一偏转角度θ₁，所述激光束入射到所述第一高速振镜1上，激光束按照反射到达第二高速振镜2，经过所述第二高速振镜2反射后的激光束偏离系统机械轴心以达到激光束平移的效果，偏移距离为L＝l*sin(θ₁)，其中l为第一高速振镜1到第二高速振镜2的中心距离。第二高速振镜2与系统机械轴心之间具有用于补偿第一偏转角度θ₁的第二偏转角度θ₂，则经过所述第二高速振镜2反射后的激光束偏离系统机械轴心的角度为θ₂-θ₁。第一偏转角度

其中C为激光光束半径，γ为锥度系数，θ₂₁为待加工孔外环角度，θ₂₂为待加工孔内环角度。

具体地，偏转双振镜单元，用于实现对激光束轨迹的调整，通过其快速的运动，快速对光束的偏移和偏转量进行调节，从而达到环形加工的目的；偏转双振镜单元主要由两个相互补偿配合的振镜组成，第一高速振镜1将入射光束偏转一定的角度射入第二高速振镜2，激光束达到第二高速振镜2时，激光束的中心轴线与系统的机械轴心具有一定夹角θ₁和平移距离L，第二高速振镜2给予激光束一个偏转角度θ₂对激光束的中心轴线与系统机械轴心的偏转角度进行补偿并给激光束一个微小的角度θ₂-θ₁从而确定激光束在焦平面的加工位置，通过加工位置的变化，从而控制激光束进行环形加工。

第一高速振镜1和第二高速振镜2可以随箭头方向来回摆动，激光束入射到偏转双振镜单元的第一高速振镜1之上，第一高速振镜1给激光束反射一个角度θ₁使激光束到达第二高速振镜2时偏离轴心，从而达到激光束平移的效果，偏移距离为L*sin(θ₁)(其中L为第一高速振镜1到第二高速振镜2的距离)；第二高速振镜2对激光束的角度θ₁进行补偿，再给与一个与激光束偏移方向相反的偏移角度θ₂，θ₂与聚焦镜的焦距共同构成小孔大小关系；确定待加工小孔外环所需的角度θ₂₁，再由待加工内环大小确定所需加工的内环角度θ₂₂，偏转双振镜单元的激光出射角度在θ₂₁和θ₂₂之间快速变化，从而实现激光聚焦后在小孔预加工圆环内快速扫描，同时第一高速振镜1所成角度有

其中C为激光光束半径，γ为锥度系数。

以加工一个无锥度的小孔为例，如图3所示，图示1为激光聚焦在小孔外环时的焦点处激光束，图示4为激光聚焦在小孔加工内环时焦点处的激光束，图示2为加工工件7，图示3为加工后的小孔，在小孔外环时，使用倾斜激光束加工，对小孔孔壁的锥度进行严格控制，在加工小孔内环时，由于不需要考虑小孔锥度问题，可以使用激光垂直打到材料表面，达到最佳材料去除效果。

可选的方案，道威棱镜旋转单元包括道威棱镜4、用于固定道威棱镜4的机械套筒3以及带动机械套筒3旋转的电机，所述机械套筒3用于实现对道威棱镜4的动平衡补偿。道威棱镜旋转单元快速旋转，使振镜偏转单元造成的扫描效果呈现一个圆周形状，从而完成环形加工。

道威棱镜4高速旋转，激光束在道威棱镜4的偏转作用下，光束轨迹以道威棱镜4的双倍角速度旋转，偏转双振镜单元根据光束轨迹的角速度在设定的范围内规律性高速振动，使得聚焦在焦平面的光斑与机械轴心的距离快速变化，形成之字形的扫描效果，同时在道威棱镜4的旋转作用下，整体的之字形扫描呈现圆周变化，最终形成一个环状的加工范围，从而实现对小孔的加工。与此同时，偏转双振镜单元控制激光束在聚焦前的光束姿态，聚焦光斑扫描至加工区域外环时，光束靠近外环的一侧呈垂直入射状态，聚焦光斑扫描至加工区域内环时，光束姿态呈垂直照射材料状态，实现最大加工效率。

可选的方案，聚焦单元6包含用于调节聚焦位置的机械转置，在激光加工去除掉一层材料之后，机械转置调节聚焦位置下降预设深度，对下一层材料继续进行加工。从道威棱镜旋转单元出射的激光束经过反射镜5反射后进入到聚焦单元6内，聚焦单元6具有调节位置的机械转置，在激光去除掉一层材料之后，聚焦单元6将下降一定的深度，对下一层材料继续进行加工，确保加工效率最大、小孔锥度达到要求。

如图4所示，该图为小孔加工时的效果图，1为激光光斑中心进行加工时环形加工的路径，2为每一个光斑打在小孔范围内的位置，其实际光斑大小远大于图示大小；在双振镜偏转单元的快速运动作用下，激光光束的轨迹以之字形快速扫描，与此同时，道威棱镜旋转单元高速旋转，使扫描总体上呈现一个圆环，从而使得加工后得到一个圆环，这种打孔方式实现了进一步对激光光斑的稀疏化，大大的降低了光斑的重叠率。

可选的方案，系统还包括控制单元，所述控制单元包含数据预设模块、振镜运动控制模块、道威棱镜4旋转控制模块、调焦控制模块及位置模块；所述数据预设模块用于根据待加工孔大小、锥度及位置生成加工中需要的焦点调节速度、加工模式、激光器重复频率及电机转速；所述振镜控制模块用于接收数据预设模块的信息，计算出偏转双振镜单元的偏转阈值及运动速度；所述道威棱镜4旋转控制模块用于控制道威棱镜旋转单元的旋转速度，并将速度信息实时传送到数据预设模块；所述调焦控制模块用于根据数据预设模块的信息，实时调整聚焦单元6的焦点位置，并将焦点位置反馈到数据预设模块；所述位置模块用于实时获取待加工孔位置，并在加工过程中控制工件的加工位置。

本发明还提供了一种用于激光旋切加工系统的方法，包括以下步骤：道威棱镜4高速旋转，激光束在道威棱镜4的偏转作用下，激光束轨迹以道威棱镜4的双倍角速度旋转，偏转双振镜单元根据光束轨迹的角速度在设定的范围内规律性高速振动，使得聚焦在焦平面的光斑与系统机械轴心的距离快速变化，形成之字形的扫描效果，同时在道威棱镜4的旋转作用下，整体的之字形扫描呈现圆周变化，最终形成一个环状的加工范围，从而实现待加工孔的加工。

加工方式与前述加工系统的原理一样，在此不再赘述。

有益效果：

1、本发明提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，装置使用的是激光旋转扫描的打孔方式，避免了由于激光光强的高斯分布造成的冲击打孔中心比四周温度高的现象，相对均匀的温度分布和旋转扫描的方式可以很好的改善小孔入口锥度变化缓慢的问题。

2、本发明提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，通过道威棱镜绕机械轴旋转来带动激光光束的旋转，并且道威棱镜绕光学系统的机械轴心旋转360°，激光束从道威棱镜出射的光束会旋转720°，相当于光学系统的旋转速度是机械系统的旋转速度的两倍，通过增加激光脉冲的重复频率，我们可以在保证加工质量的条件下，进一步的提高加工效率。

3、对小孔加工的总体路径为一个环形，形成的切缝更加宽，在进行螺旋形加工的时，激光聚焦后的焦点随着材料的去除而下降到工件地面时，小孔中心的圆柱形残渣不会对激光造成遮挡，且当激光加工完毕之后，由于切缝更加宽，中间圆柱体的残渣不会应用熔融物质冷却后的附着作用而导致无法掉落。

4、由于振镜的高速扫描作用，对激光的脉冲进行了进一步的稀化，避免了由于激光脉冲重叠率过高而导致的废屑无法排出的问题及等离子体效应的产生。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光旋切加工系统，其特征在于，包括沿激光束的光路依次设置的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元及聚焦单元；

所述偏转双振镜单元包括两个相互补偿、且同步同向控制调整激光束的角度方向的第一高速振镜及第二高速振镜，所述道威棱镜用于偏移激光束实现光束轨迹旋转以形成环状加工范围，所述聚焦单元用于对激光束进行聚焦至工件上实现待加工孔的加工。

2.根据权利要求1所述的激光旋切加工系统，其特征在于，所述第一高速振镜与系统机械轴心之间具有第一偏转角度θ₁，所述激光束入射到所述第一高速振镜上，激光束按照反射到达第二高速振镜，经过所述第二高速振镜反射后的激光束偏离系统机械轴心以达到激光束平移的效果，偏移距离为L＝l*sin(θ₁)，其中l为第一高速振镜到第二高速振镜的中心距离。

3.根据权利要求2所述的激光旋切加工系统，其特征在于，所述第二高速振镜与系统机械轴心之间具有用于补偿第一偏转角度θ₁的第二偏转角度θ₂，则经过所述第二高速振镜反射后的激光束偏离系统机械轴心的角度为θ₂-θ₁。

4.根据权利要求2所述的激光旋切加工系统，其特征在于，第一偏转角度

其中C为激光光束半径，γ为锥度系数，θ₂₁为待加工孔外环角度，θ₂₂为待加工孔内环角度。

5.根据权利要求1所述的激光旋切加工系统，其特征在于，所述聚焦单元包含用于调节聚焦位置的机械转置，在激光加工去除掉一层材料之后，机械转置调节聚焦位置下降预设深度，对下一层材料继续进行加工。

6.根据权利要求1所述的激光旋切加工系统，其特征在于，所述道威棱镜旋转单元包括道威棱镜、用于固定道威棱镜的机械套筒以及带动机械套筒旋转的电机，所述机械套筒用于实现对道威棱镜的动平衡补偿。

7.根据权利要求1所述的激光旋切加工系统，其特征在于，所述系统还包括控制单元，所述控制单元包含数据预设模块、振镜运动控制模块、道威棱镜旋转控制模块、调焦控制模块及位置模块；

所述数据预设模块用于根据待加工孔大小、锥度及位置生成加工中需要的焦点调节速度、加工模式、激光器重复频率及电机转速；

所述振镜控制模块用于接收数据预设模块的信息，计算出偏转双振镜单元的偏转阈值及运动速度；

所述道威棱镜旋转控制模块用于控制道威棱镜旋转单元的旋转速度，并将速度信息实时传送到数据预设模块；

所述调焦控制模块用于根据数据预设模块的信息，实时调整聚焦单元的焦点位置，并将焦点位置反馈到数据预设模块；

所述位置模块用于实时获取待加工孔位置，并在加工过程中控制工件的加工位置。

8.一种用于如权利要求1至7任一项所述的激光旋切加工系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

道威棱镜高速旋转，激光束在道威棱镜的偏转作用下，激光束轨迹以道威棱镜的双倍角速度旋转，偏转双振镜单元根据光束轨迹的角速度在设定的范围内规律性高速振动，使得聚焦在焦平面的光斑与系统机械轴心的距离快速变化，形成之字形的扫描效果，同时在道威棱镜的旋转作用下，整体的之字形扫描呈现圆周变化，最终形成一个环状的加工范围，从而实现待加工孔的加工。

9.根据权利要求8所述的激光旋切加工方法，其特征在于，当聚焦光斑扫描至待加工孔外环时，激光束靠近外环的一侧呈垂直入射状态；当聚焦光斑扫描至加工区域内环时，激光束整体呈垂直照射工件状态。

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