CN113634926B - 一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，为一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统，包括以下步骤：S1，根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置；S2，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；S3，定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度控制激光旋切装置加工方孔。解决了激光旋切法不能对微小方孔进行加工的问题，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

一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统。

背景技术

激光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；同时旋切打孔一般只适用于圆孔的加工，无法对方孔以及异形孔进行加工，因此设计一款能对方孔以及相应的异形孔的加工方式尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统，解决了以上所述的激光旋切加工无法加工方孔的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种基于激光旋切的方孔加工方法，包括以下步骤：

S1，根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置；

S2，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；

S3，定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。

可选地，所述激光旋切装置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振镜及第二振镜，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方孔加工。

可选地，所述第一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振镜上，激光束按照反射到达第二振镜，经过所述第二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为第一振镜到第二振镜的中心距离。

可选地，所述第二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，所述道威棱镜旋的转角度为δ，则所述分散点与方孔中心的距离R，且R＝f sin(θ₂-θ₁),其中f为聚焦单元的焦距，调节转角度δ及焦距f以控制激光旋切装置加工方孔。

可选地，将道威棱镜定位分为两个阶段：0°-179°阶段以及180°-359°阶段，每一个阶段中，光线的加工轨迹旋转一圈，通过定位单元控制道威棱镜的旋转角度，同时调节偏转双振镜单元进行相应的激光束作用位置变化。

可选地，所述道威棱镜装载在旋转单元内，旋转单元内设有用于激光定位仪进行识别和标记的刻度盘。

本发明还提供了一种用于实施基于激光旋切的方孔加工方法的系统，包括数据处理模块、控制器及激光旋切装置；

所述数据处理模块用于根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；

所述控制器用于定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。

有益效果：本发明提供了一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统，包括以下步骤：S1，根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置；S2，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；S3，定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。解决了激光旋切法不能对微小方孔进行加工的问题，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为本发明基于激光旋切的方孔加工方法及系统的加工原理图；

图2为本发明基于激光旋切的方孔加工方法及系统的偏转双振镜单元构成示意图；

图3为本发明基于激光旋切的方孔加工方法及系统的方孔加工示意图。

附图标记说明：第一振镜1，第二振镜2，旋转单元3，道威棱镜4，刻度盘5，定位单元6，反射镜7，聚焦单元8，加工工件9。

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3所示，本发明提供了一种基于激光旋切的方孔加工方法及系统，包括以下步骤：S1，根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置；S2，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；S3，定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。解决了激光旋切法不能对微小方孔进行加工的问题，此外，通过道威棱镜4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。

其中，向激光旋切装置的控制系统输入预加工的方孔大小、激光光斑的大小等数据信息，激光旋切控制系统会根据方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设激光重叠率计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置，从而将方孔的方形的边分为一个个激光作用的分散点，将这些分散点与方孔的中心相连，再定义一个初始的作用点，将会得到其他点与方孔中心所连的线，与初始点与方孔中心所连直线之间的角度角度/>与道威棱镜4的旋转角度相对应，道威棱镜4旋转角度为δ，则/>同时边缘点即分散点与方孔中心的距离R，且R＝fsin(θ₂-θ₁),其中f为聚焦单元8的焦距；通过精准对这个角度/>以及距离R进行控制就可以实现方孔的加工。

具体地，旋转单元3高速稳定进行旋转，激光束经过旋转的道威棱镜4之后形成绕机械轴心快速旋转的光束轨迹，旋转单元3的机械套筒上的用于定位的信号带会随着旋转单元3的旋转同步旋转，定位单元6的激光定位仪通过对信号带的识别次数进行技术，准确的确定道威棱镜4旋转的速度及角度，并将通过高速通道传输到控制单元；

控制单元通过定位单元6侦测的道威棱镜4旋转速度波动来稳定道威棱镜4的转速变化，通过道威棱镜4的角度数据，计算出激光束打在聚焦面的角度信息，并根据预加工的方孔大小计算出该角度时聚焦光斑与机械轴心的距离，并将其传输到偏转双振镜单元；

偏转双振镜单元通过将激光聚焦光斑与机械轴心的距离转换为两个振镜所需要成的角度，并控制两个振镜进行相应的角度调节，精准控制激光束聚焦在方孔的边缘，实现对方孔轮廓的加工。

图2为方孔加工材料表面激光光斑加工示意图，圆环为激光聚焦需要聚焦在的位置，R为激光聚焦光斑距离方形孔中央的距离，为激光光斑与方形中心所连直线与参考初始位置与方形孔中心所连直线之间所成的角度，通过偏转双振镜单元的精确调节使R根据的变化而相应的变化。

可选的方案，激光旋切装置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4旋转单元3及聚焦单元8；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振镜1及第二振镜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，出射激光经过反射镜7反射后进入到聚焦单元8内进行聚焦，所述聚焦单元8用于对激光束进行聚焦至加工工件9上实现方孔加工。

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，第一振镜1将入射光束偏转一定的角度射入第二振镜2，激光束达到第二振镜2时，激光束的中心轴线与系统的机械轴线具有一定夹角θ₁和平移距离L，第二振镜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线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，通过偏转双振镜单元对激光束位置的控制与道威棱镜4旋转的角度的配合，实现对方孔的加工。

如图2所示，第一振镜1和第二振镜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1振镜之上，第一振镜1给激光束反射一个角度θ₁使激光束到达第二振镜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为第一振镜1到第二振镜2的距离)；第二振镜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即第二偏转角度θ₂，θ₂与聚焦镜的焦距共同构成激光作用位置距离方形小孔中心距离的大小关系。

旋转单元3，用于实现对激光束的偏转作用，在道威棱镜4绕系统机械轴线旋转之时，由于光学关系，出射激光束的轨迹也会随之旋转，且道威棱镜4绕机械轴线旋转360°，激光束光学轨迹会旋转720°，同时，旋转单元3需要保持转速的稳定。

道威棱镜4高速稳定的旋转，定位单元6通过激光定位仪准确的跟踪道威棱镜4的旋转角度，经过差补算法计算之后将道威棱镜4的角度信息传输到偏转双振镜单元，偏转双振镜单元根据道威棱镜4的角度，在每一个角度上调节光束进行偏移和偏转，道威棱镜4旋转将光束偏移到预定角度时，激光束恰好作用在方孔相对应位置的边上，从而实现对方孔的加工。

刻度盘5用于激光定位仪进行识别和标记，每20°分布一个识别单元，共18个识别单元；激光识别仪即定位单元6，用于识别旋转单元3上的标记，并进行记数，计数到18个之后清零重新从零开始计数，根据计数大小算出道威棱镜4此时的旋转角度，并将其角度信息给到偏转双振镜单元的控制部分，通过两次计数的时间记录道威棱镜4的旋转速度是否稳定，给出相应的调节信号输送至旋转单元3的控制部分；激光识别仪出射用于识别道威棱镜4上的特定标志的激光束。

可选的方案，偏转双振镜单元的两个振镜之间具有一定的距离l，两个振镜之间的距离决定了光束的偏移距离为L＝l*sin(θ₁)，偏移距离涉及到激光束的直径大小，用于控制加工的小孔锥度。

可选的方案，偏转双振镜单元的两个振镜所造成的最后角度-θ₁，用于控制激光束焦点的作用位置距离焦平面中心位置的距离，通过对其的精准快速的控制以及与道威棱镜4的旋转角度进行配合，实现对方孔的加工。

可选的方案，将道威棱镜4定位分为两个阶段：0°-179°阶段以及180°-359°阶段，每一个阶段中，光线的加工轨迹旋转一圈，通过定位单元6控制道威棱镜4的旋转角度，同时调节偏转双振镜单元进行相应的激光束作用位置变化。

可选的方案，聚焦单元8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8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。

本发明实施例还提供了一种用于实施基于激光旋切的方孔加工方法的系统，包括数据处理模块、控制器及激光旋切装置；

所述数据处理模块用于根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；

所述控制器用于定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。

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，通过将振镜和道威棱镜为主的旋切装置进行结合，从而实现了使用旋切装置进行方孔加工的功能，于此同时，保留了激光旋切打孔具有的小孔锥度控制精准，小孔孔壁质量较好，小孔边缘热反应较低的优点，解决了激光旋切法不能对微小方孔进行加工的问题。

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线旋转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、本发明提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，在基于激光旋切打孔的基础上进行改进，和激光旋切打圆孔一样，也可也以对方形小微深孔进行加工，方孔的拐角处弧形半径可以达到光斑半径的大小。

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 (4)

1.一种基于激光旋切的方孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置；

S2，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；

S3，定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔；

其中，所述激光旋切装置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振镜及第二振镜，所述道威棱镜用于偏移激光束并通过自身旋转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方孔加工；

所述第一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振镜上，激光束按照反射到达第二振镜，经过所述第二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为第一振镜到第二振镜的中心距离；

所述第二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，则经过所述第二振镜反射后的激光束偏离系统机械轴心的角度为θ₂-θ₁；

所述道威棱镜的旋转角度为δ，则所述分散点与方孔中心的距离R，且R＝fsin(θ₂-θ₁),其中f为聚焦单元的焦距，调节旋转角度δ及焦距f以控制激光旋切装置加工方孔。

2.根据权利要求1所述的基于激光旋切的方孔加工方法，其特征在于，将道威棱镜定位分为两个阶段：0°-179°阶段以及180°-359°阶段，每一个阶段中，光线的加工轨迹旋转一圈，通过定位单元控制道威棱镜的旋转角度，同时调节偏转双振镜单元进行相应的激光束作用位置变化。

3.根据权利要求1所述的基于激光旋切的方孔加工方法，其特征在于，所述道威棱镜装载在旋转单元内，旋转单元内设有用于激光定位仪进行识别和标记的刻度盘。

4.一种用于实施如权利要求1至3任一项所述的基于激光旋切的方孔加工方法的系统，其特征在于，包括数据处理模块、控制器及激光旋切装置；其中，所述激光旋切装置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振镜及第二振镜，所述道威棱镜用于偏移激光束并通过自身旋转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方孔加工；所述道威棱镜的旋转角度为δ，则所述分散点与方孔中心的距离R，且R＝fsin(θ₂-θ₁),其中f为聚焦单元的焦距，调节转角度δ及焦距f以控制激光旋切装置加工方孔；

所述数据处理模块用于根据待加工件的方孔大小、聚焦光斑大小以及打孔时预设的激光重叠率，计算出激光每一个脉冲需要打在方孔的位置，将方孔的边缘划分为多个激光作用的分散点，将各分散点与方孔的中心连接分别得到对应的轨迹线，分散点与方孔的中心的距离为R；

所述控制器用于定义初始作用点，将初始作用点与方孔的中心连接得到参考线，各轨迹线与参考线的夹角为根据距离R和角度/>控制激光旋切装置加工方孔。