CN114833473A - 一种异形群孔加工系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异形群孔加工系统，包括加工平台、激光器以及在激光器和加工平台之间沿激光光路依次设置的偏移偏转调节单元和调焦运动单元，偏移偏转调节单元包括相互补偿且联动控制的二维反射镜一和二维反射镜二，以及分别控制二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内转动的第一偏转调节机构和第二偏转调节机构，调焦运动单元包括反射镜、远心聚焦镜和调焦组件。该发明通过偏移偏转调节单元对激光光束进行偏移偏转调节以及调焦运动单元对小孔加工过程中焦点位置调节的组合作用，实现对入射的动态激光光束位置调节，该方式调节速度快，调节过程中造成的误差小，可以准确将激光光束打到预加工位置，降低了打完一个小孔调节位置的时间，提高效率。

Description

一种异形群孔加工系统及加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种异形群孔加工系统及加工方法。

背景技术

微小孔在工业领域有很广泛的应用，特别是小微深孔的需求量越来越大，航空航天业、汽车发动机、芯片制造业，都有带有大量各种大小各种锥度以及各种形状的小孔，同时对小孔的精度以及小孔加工的重复度同样有很高的要求。现阶段使用较多的异形孔打孔方式主要为振镜扫描的形式，但是这种打孔方式存在锥度控制艰难，且小孔表面热反应较大，孔壁重熔层较厚的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种异形群孔加工系统，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种异形群孔加工系统，包括加工平台和用于输出激光的激光器，还包括在激光器和加工平台之间沿激光光路依次设置的偏移偏转调节单元和调焦运动单元，所述偏移偏转调节单元包括相互补偿且联动控制的二维反射镜一和二维反射镜二，以及分别控制二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内转动的第一偏转调节机构和第二偏转调节机构，所述调焦运动单元包括反射镜、远心聚焦镜以及使远心聚焦镜在激光光路上移动的调焦组件。

进一步的，所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括镜架、万象调节球和音圈电机，所述万象调节球活动部分固定于镜架中央，二维反射镜与万象调节球连接，所述音圈电机有两个，音圈电机的动子与二维反射镜的边缘连接，驱动二维反射镜围绕万象调节球进行二维角度的偏转。

进一步的，所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括固定底座以及安装于固定底座上的扩展面板、中心柱和两个音圈电机，所述扩展面板的中心固定在中心柱上，二维反射镜安装于扩展面板上，两个所述音圈电机的动子分别与扩展面板相邻的两个角连接，驱动扩展面板带动二维反射镜以中心柱为固定点进行二维角度的偏转。

进一步的，两个所述音圈电机分别控制二维反射镜在X维度和Y维度方向的偏转，且二维反射镜一与二维反射镜二的X维度相对应，二维反射镜一与二维反射镜二的Y维度相对应。

进一步的，所述调焦组件包括伺服电机、螺纹滑轨以及透镜连接构件，所述螺纹滑轨一端与伺服电机连接，所述远心聚焦镜安装于透镜连接构件上，所述透镜连接构件连接于螺纹滑轨上，且能够沿螺纹滑轨轴线移动。

另外，本发明还提供了采用上述加工系统的异形群孔加工方法，包括如下过程：

1)在激光光路上依次设置二维反射镜一、二维反射镜二、反射镜、远心聚焦镜和加工平台，加工工件放置于加工平台上；其中，二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内偏转角度分别通过第一偏转调节机构和第二偏转调节机构进行调节，远心聚焦镜与加工平台之间的间距通过调焦组件进行调节；

2)在打孔软件中导入群孔所包含的特征，通过软件内置的计算激光光束打在远心聚焦镜上的位置以及激光光束与系统机械轴线所成角度的公式，计算出激光光束所需要偏移的距离和偏转的角度，并依此计算出二维反射镜一和二维反射镜二偏转角度，再对二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内的偏转角度进行调控；二维反射镜一的偏转用于实现激光光束的偏移，二维反射镜二的偏转用于补偿二维反射镜一对激光光束造成的角度，同时给予激光光束一个新角度改变激光光束的指向角度，从而最终控制激光聚焦后的位置，再通过动态控制该位置的变化实现各种形状小孔的加工。

进一步的，在步骤2)中，以系统加工幅面的中心为坐标原点，小孔的边缘量化成为一个个分离的坐标量(x₁，y₁)，小孔中心坐标为(x₂，y₂)，则计算激光光束打在远心聚焦镜上的位置(X，Y)以及激光光束与系统机械轴线所成的角度θ的公式为：

其中，k代表锥度系数，D代表光斑直径，f代表远心聚焦镜焦距。

进一步的，在步骤2)中，所述二维反射镜一通过两个音圈电机分别控制两个方向的偏转，从而分别给予激光光束两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y，二维反射镜一和二维反射镜二之间距离为L，则在二维反射镜一中激光光束偏移角度

激光光束的偏移距离d＝Lsinθ1；

二维反射镜二通过两个音圈电机分别控制两个方向的偏转，分别形成一个对应的角度θ2_x和θ2_y，在对应补偿二维反射镜一对激光光束造成两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y的同时给予激光光束两个方向的新角度θ_x和θ_y，则θ_x＝θ2_x－θ1_x，θ_y＝θ2_y－θ1_y，且满足关系式θ_x/θ1_x＝θ_y/θ1_y；同时经二维反射镜二的激光光束与系统机械轴线之间的角度

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种异形群孔加工系统通过偏移偏转调节单元对激光光束进行偏移偏转调节以及调焦运动单元对小孔加工过程中焦点位置调节的组合作用，实现对入射的动态激光光束的位置调节，相对于使用传统的机械运动调节方式，该方式调节速度更快，调节过程中造成的误差更小，可以准确将激光光束打到预加工的位置，降低了打完一个小孔调节位置的时间，大大提高了效率。

(2)本发明提供的这种异形群孔加工系统中通过音圈电机控制二维反射镜在二维范围内的旋转角度来实现对激光光束指向的调节，音圈电机的动子具有运动速度快可以达到150mm/s以上，调节精度可达到微米级别的特点，在音圈电机的带动下，二维反射镜可以实现非常迅速且高精度的运动响应，实现对激光束指向角度的动态高精度调节，实现对小孔的高质量快速扫描加工，同时高速扫描加工可以有效的降低打孔过程中的光斑重叠度，大大的降低打孔过程中对孔边缘造成的热反应影响。

(3)本发明提供的这种异形群孔加工系统中使用由同一个控制卡控制的两个二维反射镜来实现对激光光束的偏移和偏转调节以及对小孔进行扫描的动作，降低了对控制的要求，使器件之间的配合更加紧密，降低了由于器件相互之间的误差延迟造成的小孔形状畸变、热反应扩大的影响。

(4)本发明提供的这种异形群孔加工系统中使用高速伺服电机加螺纹滑轨直接带动远心聚焦镜上下移动从而实现对焦点位置上下移动，该运动方式速度快，调节精度高，不用考虑由于设备总体过重而无法实现焦点快速上下移动的问题，在降焦打孔加工过程中，一个小孔加工完成之后，焦点位置可以快速上升到工件表面开始下一个小孔的加工。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明异形群孔加工系统的示意图；

图2是本发明异形群孔加工系统中二维反射镜安装的外观图；

图3是本发明异形群孔加工系统中第一偏转调节机构的结构示意图；

图4是本发明异形群孔加工系统中偏移偏转调节单元的原理图；

图5是本发明异形群孔加工系统中调焦运动单元结构示意图；

图6是本发明实施例中群孔阵列加工光路示意图。

附图标记说明：1、激光光束；2、二维反射镜一；2、二维反射镜二；4、反射镜；5、远心聚焦镜；6、加工工件；7、加工平台；8、伺服电机；9、螺纹滑轨；10、透镜连接构件；11、固定底座；12、扩展面板；13、音圈电机；14、中心柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种异形群孔加工系统，包括加工平台7和用于输出激光的激光器，还包括在激光器和加工平台7之间沿激光光路依次设置的偏移偏转调节单元和调焦运动单元，所述偏移偏转调节单元包括相互补偿且联动控制的二维反射镜一2和二维反射镜二3，以及分别控制二维反射镜一2和二维反射镜二3在二维范围内转动的第一偏转调节机构和第二偏转调节机构，所述调焦运动单元包括反射镜4、远心聚焦镜5以及使远心聚焦镜5在激光光路上移动的调焦组件。

在本实施例中，激光光束1先入射进入二维反射镜一2，通过第一偏转调节机构控制二维反射镜一2在二维范围内转动，从而使得激光光束1经二维反射镜一2反射后在二维平面内偏移运动，该激光光束1与系统机械轴线之间会具有一个偏移角度θ1，入射至二维反射镜二3内，二维反射镜二3通过第二偏转调节机构控制其在二维范围内转动，使得二维反射镜二3在补偿完二维反射镜一2对激光光束1造成的偏移角度θ1之后，同时会根据小孔大小和扫描路径的需要实时给予激光光束1一个新角度θ，在加工过程中，二维反射镜一2会不断的调节激光光束1偏移的大小和位置，即激光光束1中心轴线与系统机械轴线之间的距离以及在二维空间内偏移的位置，实现激光光束1的平移，与此同时，二维反射镜二3会不断补偿前一个反射造成的偏移角度之后，根据激光光束1需要打在焦平面的位置实时调节激光光束1偏转的大小和位置，即激光光束1中心轴线与系统机械轴线之间的角度大小θ以及偏转的方向，实现激光光束1的任意指向控制，由二者进行配合实现对工作幅面内加工工件6的任意位置以想要的聚焦姿态进行加工，本实施例中使用由同一个控制卡控制的两个二维反射镜来实现对激光光束1的偏移和偏转调节以及对小孔进行扫描的动作，降低了对控制的要求，使器件之间的配合更加紧密，可有效降低由于器件相互之间的误差延迟造成的小孔形状畸变、热反应扩大的影响。经二维反射镜二3反射后激光光束1由反射镜4反射后经过远心聚焦镜5聚焦汇聚加工工件6表面，激光光束1在远心光路的作用之下，可以保证聚焦后的光束路径与加工平面垂直，同时在打孔过程中，由于激光聚焦光斑对材料的加工非常迅速，焦点的位置需要随着激光焦斑对材料的去除深度进行快速的下降，本实施例中通过调焦组件实时调节远心聚焦镜5与加工工件6之间的距离，以改变在加工过程中焦点位置，保证焦点位置一直处于加工工件6表面，实现高效率的材料去除效果。

对于两个二维反射镜在二维范围内旋转驱动方式，一种可选的实施方式，所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括镜架、万象调节球和音圈电机，所述万象调节球活动部分固定于镜架中央，二维反射镜与万象调节球连接，二维反射镜可以围绕万象调节球进行二维角度的偏转，所述音圈电机有两个，音圈电机的动子与二维反射镜的边缘连接，两个音圈电机分别控制二维反射镜在X维度和Y维度方向的偏转，且二维反射镜一与二维反射镜二的X维度相对应，二维反射镜一与二维反射镜二的Y维度相对应，当音圈电机的动子前后移动时，就可以带动二维反射镜以中心点为固定点进行角度的变换，一个二维反射镜由两个音圈电机控制相互正交的方向进行角度的运动，从而达到改变二维反射镜偏转方向的目的。

另一种可选的实施方式，如图2和图3所示，所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括固定底座11以及安装于固定底座11上的扩展面板12、中心柱14和两个音圈电机13，所述扩展面板12的中心固定在中心柱14上，二维反射镜安装于扩展面板12上，两个所述音圈电机13的动子分别与扩展面板12相邻的两个角连接，驱动扩展面板12带动二维反射镜以中心柱14为固定点进行如图3所示的两个方向的偏转。具体的，两个所述音圈电机13分别控制二维反射镜在X维度和Y维度方向的偏转，且二维反射镜一2与二维反射镜二3的X维度相对应，二维反射镜一2与二维反射镜二3的Y维度相对应；每一个二维反射镜的两个音圈电机13都可以分离为X和Y两个控制方向，二维反射镜在二维范围内改变指向的角度可以分离为X及Y两个方向的角度，与之进行对应，二维反射镜一2用于控制激光光束1的偏移，控制表示为X1、Y1两个方向，二维反射镜二3用于补偿二维反射镜一2对激光光束1造成的角度，同时给予激光光束1一个微小的角度用于控制激光光束1在焦平面的聚焦位置，实现对小孔孔径的扫描，控制表示为X2、Y2两个方向。

细化上述实施方式，二维反射镜一2通过两个音圈电机13分别控制两个方向的偏转，从而分别给予激光光束1两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y，两个方向的偏转角度组合为二维反射镜一2中激光光束1偏移角度

在θ1以及二维反射镜一2和二维反射镜二3之间距离L作用下实现对激光光束1的偏移，偏移距离d＝Lsinθ1；由这个激光光束1偏移的距离可以决定小孔的锥度情况，以及实现对小孔表面热反应的控制。

二维反射镜二3同样通过两个音圈电机13分别控制两个方向的偏转，分别形成一个对应的角度θ2_x和θ2_y，在对应补偿二维反射镜一2对激光光束1造成两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y的同时给予激光光束1两个方向的新角度θ_x和θ_y，其中θ_x＝θ2_x－θ1_x，θy＝θ2_y－θ1_y，且满足关系式θ_x/θ1_x＝θ_y/θ1_y；而经二维反射镜二3的激光光束1与系统机械轴线之间的角度

在上述实施方式中，使用音圈电机13控制二维反射镜的旋转角度来实现对激光光束1指向的调节，音圈电机13的动子具有运动速度快可以达到150mm/s以上，调节精度可达到微米级别的特点，在音圈电机13的带动下，二维反射镜可以实现非常迅速且高精度的运动响应，实现对激光光束1指向角度的动态高精度调节，实现对小孔的高质量快速扫描加工，另外高速扫描加工可以有效的降低打孔过程中的光斑重叠度，大大的降低打孔过程中对孔边缘造成的热反应影响。

可选的，如图1和图5所示，所述调焦组件包括伺服电机8、螺纹滑轨9以及透镜连接构件10，所述螺纹滑轨9一端与伺服电机8连接，所述远心聚焦镜5安装于透镜连接构件10上，所述透镜连接构件10连接于螺纹滑轨9上，透镜连接构件10能够沿螺纹滑轨9轴线移动，而无法随着螺纹滑轨9一起转动，通过控制系统控制伺服电机8的正反转，带动螺纹滑轨9快速转动，从而控制远心聚焦镜5的上下移动，改变焦点位置，这种调节方式可使得焦点的位置随着激光焦斑对材料的去除深度进行快速的下降，同时可以保证下降的精度不影响激光对加工工件6进行下一步的加工，保证焦点位置一直处于待加工工件6的表面，实现最高效率的材料去除效果，而在小孔加工完毕之后，焦点位置可以以最少的时间回到待加工工件6的表面，同时开始下一个小孔的加工，实现超高速的焦点调节，焦点的下降和上升过程中完全可以跟上激光光束1的加工效率，且大大降低了焦点回位过程中的空程时间，提高加工效率。当然，也可使用音圈电机连接远心聚焦镜5，直接实现焦点的上下移动。

另外，本实施例还提供了采用上述加工系统进行异形群孔加工方法，具体包括如下过程：

首先，在激光光路上依次设置二维反射镜一2、二维反射镜二3、反射镜4、远心聚焦镜5和加工平台7，加工工件6放置于加工平台7上；其中，二维反射镜一2和二维反射镜二3在二维范围内偏转角度分别通过第一偏转调节机构和第二偏转调节机构进行调节，远心聚焦镜5与加工平台7之间的间距通过调焦组件进行调节。

然后，在打孔软件中导入群孔所包含的特征，通过软件内置的计算激光光束1打在远心聚焦镜5上的位置以及激光光束1与系统机械轴线所成角度的公式，计算出每一个激光光束1所需要偏移的距离和偏转的角度；具体的，以系统加工幅面的中心为坐标原点，建立X—Y的坐标系，表示小孔阵列各个小孔中心的位置，根据小孔信息以及预设的激光光斑大小脉冲频率参数，将小孔的边缘量化成为一个个分离的坐标量(x₁，y₁)，小孔中心坐标定义为(x₂，y₂)，用坐标(X，Y)表示激光光束1打在远心聚焦镜5上的位置，θ表示激光光束1与系统机械轴线所成的角度，则计算公式为：

其中，k代表锥度系数，D代表光斑直径，f代表远心聚焦镜焦距。

再将上述计算出的每一个激光光束1所需要偏移的距离和偏转的角度转化为偏移偏转调节单元可操作的角度信息(即二维反射镜一2和二维反射镜二3的偏转角度)；通过偏移偏转调节单元对角度信息进行处理，对二维反射镜一2和二维反射镜二3在二维范围内的偏转角度进行相应调控，其中二维反射镜一2的偏转用于实现激光光束1的偏移，二维反射镜二3的偏转用于补偿二维反射镜一2对激光光束1造成的角度θ1，同时给予激光光束1一个新角度θ改变激光光束1的指向角度，从而最终控制激光聚焦后的位置，再通过动态控制该位置的变化实现对加工幅面任意位置各种形状小孔的加工。

具体的，如图6所示的无锥度的小孔群孔阵列加工光束姿态图，在进行小孔远离原点位置方的边缘的激光加工点时，激光光束的偏移位置在相反的位置，如图中光束a2、光束b2、光束c1及光束d1所示，而当小孔加工靠近原点位置方的边缘加工时，激光光束的偏移位置在与待加工侧相同，如图示光束a1、光束b1、光束c2及光束d2，最终形成如图所示的小孔a＇、小孔b＇、小孔c＇及小孔d＇，各个小孔的大小锥度都相同，位置不同，最终实现小孔阵列的加工。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种异形群孔加工系统，包括加工平台和用于输出激光的激光器，其特征在于：还包括在激光器和加工平台之间沿激光光路依次设置的偏移偏转调节单元和调焦运动单元，所述偏移偏转调节单元包括相互补偿且联动控制的二维反射镜一和二维反射镜二，以及分别控制二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内转动的第一偏转调节机构和第二偏转调节机构，所述调焦运动单元包括反射镜、远心聚焦镜以及使远心聚焦镜在激光光路上移动的调焦组件。

2.如权利要求1所述的异形群孔加工系统，其特征在于：所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括镜架、万象调节球和音圈电机，所述万象调节球活动部分固定于镜架中央，二维反射镜与万象调节球连接，所述音圈电机有两个，音圈电机的动子与二维反射镜的边缘连接，驱动二维反射镜围绕万象调节球进行二维角度的偏转。

3.如权利要求1所述的异形群孔加工系统，其特征在于：所述第一偏转调节机构和第二偏转调节机构均包括固定底座以及安装于固定底座上的扩展面板、中心柱和两个音圈电机，所述扩展面板的中心固定在中心柱上，二维反射镜安装于扩展面板上，两个所述音圈电机的动子分别与扩展面板相邻的两个角连接，驱动扩展面板带动二维反射镜以中心柱为固定点进行二维角度的偏转。

4.如权利要求2或3所述的异形群孔加工系统，其特征在于：两个所述音圈电机分别控制二维反射镜在X维度和Y维度方向的偏转，且二维反射镜一与二维反射镜二的X维度相对应，二维反射镜一与二维反射镜二的Y维度相对应。

5.如权利要求1所述的异形群孔加工系统，其特征在于：所述调焦组件包括伺服电机、螺纹滑轨以及透镜连接构件，所述螺纹滑轨一端与伺服电机连接，所述远心聚焦镜安装于透镜连接构件上，所述透镜连接构件连接于螺纹滑轨上，且能够沿螺纹滑轨轴线移动。

6.采用如权利要求1～5任一项所述的加工系统的异形群孔加工方法，其特征在于，包括如下过程：

1)在激光光路上依次设置二维反射镜一、二维反射镜二、反射镜、远心聚焦镜和加工平台，加工工件放置于加工平台上；其中，二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内偏转角度分别通过第一偏转调节机构和第二偏转调节机构进行调节，远心聚焦镜与加工平台之间的间距通过调焦组件进行调节；

2)在打孔软件中导入群孔所包含的特征，通过软件内置的计算激光光束打在远心聚焦镜上的位置以及激光光束与系统机械轴线所成角度的公式，计算出激光光束所需要偏移的距离和偏转的角度，并依此计算出二维反射镜一和二维反射镜二偏转角度，再对二维反射镜一和二维反射镜二在二维范围内的偏转角度进行调控；二维反射镜一的偏转用于实现激光光束的偏移，二维反射镜二的偏转用于补偿二维反射镜一对激光光束造成的角度，同时给予激光光束一个新角度改变激光光束的指向角度，从而最终控制激光聚焦后的位置，再通过动态控制该位置的变化实现各种形状小孔的加工。

7.如权利要求6所述的异形群孔加工方法，其特征在于，在步骤2)中，以系统加工幅面的中心为坐标原点，小孔的边缘量化成为一个个分离的坐标量(x₁，y₁)，小孔中心坐标为(x₂，y₂)，则计算激光光束打在远心聚焦镜上的位置(X，Y)以及激光光束与系统机械轴线所成的角度θ的公式为：

其中，k代表锥度系数，D代表光斑直径，f代表远心聚焦镜焦距。

8.如权利要求6所述的异形群孔加工方法，其特征在于，在步骤2)中，所述二维反射镜一通过两个音圈电机分别控制两个方向的偏转，从而分别给予激光光束两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y，二维反射镜一和二维反射镜二之间距离为L，则在二维反射镜一中激光光束偏移角度

激光光束的偏移距离d＝Lsinθ1；

二维反射镜二通过两个音圈电机分别控制两个方向的偏转，分别形成一个对应的角度θ2_x和θ2_y，在对应补偿二维反射镜一对激光光束造成两个方向的偏转角度θ1_x和θ1_y的同时给予激光光束两个方向的新角度θ_x和θ_y，则θ_x＝θ2_x－θ1_x，θ_y＝θ2_y－θ1_y，且满足关系式θ_x/θ1_x＝θ_y/θ1_y；同时经二维反射镜二的激光光束与系统机械轴线之间的角度

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