CN115283823A - 扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法。所述扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统包括旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元、机器视觉检测单元、运动发生单元、振动发生单元和控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元、运动发生单元、振动发生单元、机器视觉检测单元元连接。本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积。

Description

扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光复合加工系统，特别涉及一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，属于激光加工、光学应用及先进制造技术领域。

背景技术

激光点光斑的扫描加工速度有限，扫描间距与扫描速度的配合，同时结合一定的扫描轨迹策略，可实现工件表面的加工；常规高斯光束的聚焦光斑在微米量级，在保证一定的光斑搭接率的前提下，扫描间距也需设置在微米量级，扫描一定尺寸的加工表面，需要多次的扫描路径才能实现。同时，高斯光源激光束能量分布不均匀，加工表面存在一些微结构、凹坑、凸起等特征。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，主要用于适合于金属材料、合金类材料以及硬脆性材料(工程陶瓷、超高温陶瓷、陶瓷基复合材料等)的高效高质数字化加工，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由阵列分布的多个激光光束旋转形成的旋转光斑对工件进行第一激光加工；

激光扫描加工单元，至少用于提供由激光光束经调制形成的整形光斑对工件进行扫描，以实现第二激光加工；

机器视觉检测单元，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

运动发生单元，至少用于驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三位坐标系内的xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元连接，并至少用于调控所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元的工作状态。

本发明实施例另一方面还提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，包括：

提供所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对工件进行第一激光加工和/或第二激光加工；

以机器视觉检测单元识别经过所述第一激光加工或第二激光加工后的工件加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行第二激光加工和/或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

本发明实施例另一方面还提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于包括：

提供所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；以及，

以机器视觉检测单元识别工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对所述典型特征进行第一激光加工和/或第二激光加工；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对经过所述第一激光加工或第二激光加工的工件进行第二激光加工和/或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积；

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，针对加工表面的搭接区或典型特征区，经机器视觉检测后，形成数字化代码定位描述对应的区域，进而驱动旋转式激光加系统实现待加工典型区域的二次表面处理；

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，辅以气流压力、气氛保护等策略，可以进一步改善工件加工表面质量，对激光加工、光学应用领域具有重要的创新贡献。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的一种振镜高速扫描与旋转式光束调制多光束激光表面处理复合加工系统的结构示意图；

图2是本发明实施例2中提供的一种调制激光束高速扫描与旋转式光束整形激光表面处理复合加工系统的结构示意图；

图3是本发明实施例3中提供的一种光场调制分散光束双旋转双激光头复合加工系统的结构示意图；

图4是本发明实施例4中提供的一种光场调制异形光束双旋转双激光头复合加工系统的结构示意图；

图5是本发明实施例5中提供的一种光束调制多光束激光与振镜高速扫描双旋转式加工头复合数字化加工方法的流程示意图；

图6是本发明实施例6中提供的一种振镜高速扫描与光束调制多光束激光双旋转式加工头复合数字化加工方法的流程示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例一方面提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由阵列分布的多个激光光束旋转形成的旋转光斑对工件进行第一激光加工；

激光扫描加工单元，至少用于提供由激光光束经调制形成的整形光斑对工件进行扫描，以实现第二激光加工；

机器视觉检测单元，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

运动发生单元，至少用于驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三位坐标系内的xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元连接，并至少用于调控所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元的工作状态。

在一具体实施方式中，所述旋转式激光加工单元包括第一激光光源以及依次设置在所述第一激光光源提供的第一激光光束光路上的第一激光扩束器、光场调制器或分光元件、第一激光反射镜；以及

第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述光场调制器或分光元件传动连接，并能够驱使所述光场调制器或分光元件绕自身轴线旋转，以在所述工件的加工面形成所述的旋转光斑。

具体的，所述分光元件主要是用于将经扩束处理的激光处理成具有一定形状的光场，但分光元件无法处理光场的能量分布，可以调控光场或光斑的形状和分布，并进一步用于加工；所述光场调制器可实现光束的形状、能量等分布的调节，并进一步用于加工。

在一具体实施方式中，所述旋转光斑能够绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述激光扫描加工单元包括第二激光光源以及依次设置在所述第二激光光源提供的第二激光光束光路上的第二激光扩束器、光束整形器、第二激光反射镜、扫描振镜和聚焦透镜。

在一具体实施方式中，所述激光扫描加工单元还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述光束整形器传动连接，并能够驱使所述光束整形器绕自身轴线旋转，以形成旋转式的整形光斑。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还把包括第六驱动机构，所述第六驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在一具体实施方式中，所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。

在一具体实施方式中，所述机器视觉检测单元包括CCD相机和/或光场成像相机。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统还包括气体辅助单元，所述气体辅助单元至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

本发明实施例另一方面还提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，包括：

提供所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对工件进行第一激光加工和/或第二激光加工；

以机器视觉检测单元识别经过所述第一激光加工或第二激光加工后的工件加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行第二激光加工和/或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以旋转式激光加工单元对工件的加工面进行第一激光加工过程中，使所述旋转式激光加工单元提供的旋转光斑绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以所述激光扫描加工单元对工件的加工面进行第二激光加工过程中，使所述激光扫描加工单元提供的整形光斑绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以气体辅助单元提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

本发明实施例另一方面还提供了一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于包括：

提供所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；以及，

以机器视觉检测单元识别工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对所述典型特征进行第一激光加工和/或第二激光加工；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对经过所述第一激光加工和/或第二激光加工的工件进行第二激光加工或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以旋转式激光加工单元对工件的加工面进行第一激光加工过程中，使所述旋转式激光加工单元提供的旋转光斑绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以所述激光扫描加工单元对工件的加工面进行第二激光加工过程中，使所述激光扫描加工单元提供的整形光斑绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动。

在一具体实施方式中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以气体辅助单元提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

在本实施例中，所述控制单元可以是控制电脑等，所述控制单元所采用的数控程序/控制软件等均可以通过市购获得，在此不对控制单元的具体结构进行限定。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的激光器、激光扩束器、光束整形器、广场调制器、分光元件、激光反射镜、扫描振镜、聚焦透镜等光学元器件，以及，驱动电机、驱动气缸、振动发生机构、CCD相机、光场成像相机、控制电脑、数控程序和软件等均可以采用本领域技术人员已知的，且均可以通过市购获得，对于以上元器件不同型号、不同尺寸的产品不会影响本发明技术方案的实施以及相应结果的获得，本领域技术人员可以根据具体需求选择不同型号或尺寸的元器件，在此不对其中各功能元器件的型号进行特别限定。

实施例1

请参阅图1，一种振镜高速扫描与旋转式光束调制多光束激光表面处理复合加工系统，包括旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元、机器视觉检测单元、运动发生单元、振动发生单元、气体辅助单元和控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元、运动发生单元、振动发生单元、机器视觉检测单元及气体辅助单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元、运动发生单元、振动发生单元、机器视觉检测单元、气体辅助单元的工作状态。

在本实施例中，所述旋转式激光加工单元至少用于提供由阵列分布的多个激光光束旋转形成的旋转光斑对工件进行第一激光加工；所述激光扫描加工单元至少用于提供由激光光束经调制形成的整形光斑对工件进行扫描，以实现第二激光加工；所述机器视觉检测单元至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；所述运动发生单元至少用于驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；所述振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三位坐标系内的xy平面方向发生相对振动；所述气体辅助单元至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

在本实施例中，请再次参阅图1，所述旋转式激光加工单元包括第一激光光源2以及依次设置在所述第一激光光源2提供的第一激光光束光路上的第一激光扩束器3、旋转组件4、第一激光反射镜5，所述第一激光扩束器3、旋转组件4、第一激光反射镜5用于将第一激光束形成旋转光斑，并将所述旋转光斑反射至工件的加工面，以实现对工件的加工面的第一激光加工。

在本实施例中，所述旋转组件4包括第一驱动机构4-1和分光元件4-2，所述分光元件4-2设置在所述第一激光扩束器3和第一激光反射镜5之间的光路上，所述分光元件4-2用于将所述第一激光光束形成呈阵列分布的多个激光光束，所述分光元件4-2还与所述第一驱动机构4-1传动连接，并能够在所述第一驱动机构4-1的驱使下绕自身轴线旋转，从而使多个激光光束在第一激光反射镜5上形成的光斑旋转，其中，所述旋转光斑能够绕自身轴线旋转。

在本实施例中，所述第一激光光源2可以是光纤激光器等，所述第一驱动机构4-1可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸，与第一激光光源连接且用于传输激光的两段光纤之间可以通过光纤滑环或光电旋转连接器等进行连接，可以实现两段光纤之间的激光传输且可使两段光纤之间可以产生相对旋转，所述第一激光光源2以及第一激光扩束器3、旋转组件4、第一激光反射镜5可以共同封装设置而形成用于实现对工件进行激光加工的激光加工头，所述激光加工头的工作端朝向工件9。

在本实施例中，所述激光扫描加工单元包括第二激光光源12以及依次设置在所述第二激光光源12提供的第二激光光束光路上的第二激光扩束器11、光束整形器(即平顶光束整形器，下同)10、第二激光反射镜7、扫描振镜8和聚焦透镜9，所述第二激光扩束器11、光束整形器(即平顶光束整形器，下同)10、第二激光反射镜7、扫描振镜8和聚焦透镜9用于将第二光束形成聚焦在所述工件的加工面的整形光斑，从而实现对工件的加工面的高速扫描，进而实现对工件的第二激光加工。

在本实施例中，所述第二激光光源12可以是光纤激光器等，所述第二激光光源12以及第二激光扩束器11、光束整形器(即平顶光束整形器，下同)10、第二激光反射镜7、扫描振镜8和聚焦透镜9可以共同封装设置而形成用于实现对工件进行激光加工的激光加工头，所述激光加工头的工作端朝向工件9。

在本实施例中，所述第一激光光源2第二激光光源12还与及激光器控制器1连接，所述激光器控制器1用于控制所述第一激光光源2第二激光光源12的工作状态，需要说明的是，所述激光器控制器1可以是独立设置在激光器控制电脑，也可以是控制单元的一部分。

在本实施例中，请再次参阅图1，所述运动发生单元包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件9传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件9沿所述三维坐标系的x轴运动。

作为一种优选的方案，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元传动配合，并能够驱使旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元于x轴运动；具体可以是，所述运动发生单元包括第一运动平台6，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元设置在所述第一运动平台6上且与所述第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元与第二驱动机构传动连接，并能够在所述第二驱动机构的驱使下于第一运动平台6上沿所述三维坐标系的x轴运动，从而实现所述旋转式激光加工单元在x轴的运动。

在本实施例中，所述第三驱动机构可以包括固定设置在第一运动平台6上，所述第一运动平台6上可以设置有沿x轴设置的导轨，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元设置在所述导轨上并能够沿导轨运动，其中，所述第二驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。

在本实施例中，所述第三驱动可以包括两个独立设置的直线驱动电机，两个直线驱动电机分别与旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元传动连接，从而使所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元可以被独立的驱动。

在实施例中，所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件14传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件14沿所述三维坐标系的y轴运动。

作为一种优选的方案，所述第四驱动机构与所述工件14传动配合，具体可以是，所述运动发生单元包括第二运动平台16，所述第二运动平台16可以活动，所述工件14固定设置在所述第二运动平台16上，所述第二运动平台16与第四驱动机构传动连接，并能够在所述第四驱动机构的驱使下沿所述三维坐标系的y轴运动，从而实现所述工件14在y轴的运动，或者，所述第二运动平台16可以被固定，所述工件14活动设置在所述第二运动平台16上，所述第四驱动机构与所述工件14传动配合，并用于驱使所述工件14在第二运动平台16上沿y轴运动。

在本实施例中，所述第四驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等，作为优选的，当所述第二运动平台16被固定时，所述第四驱动机构可以设置在所述第二运动平台16上。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件14传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。

作为一种优选的方案，所述第五驱动机构与所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元传动配合，具体可以是，所述运动发生单元包括第三运动平台，所述第三运动平台可以活动，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元固定设置在所述第三运动平台上，所述第三运动平台与第五驱动机构传动连接，并能够在所述第五驱动机构的驱使下沿所述三维坐标系的z轴运动，从而实现所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元在z轴的运动，或者，所述第三运动平台被固定，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元活动设置在所述第三运动平台上，所述第五驱动机构与所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元在第三运动平台上沿z轴运动，例如，所述第三运动平台上可以设置有沿z轴延伸的导轨，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元设置在所述导轨上并能够沿z轴运动。

在本实施例中，所述第五驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。

作为一种更为优选的方案，所述第三运动平台可以设置在第一运动平台6上，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元设置在第三运动平台上，所述第三运动平台在x轴方向上与第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元在z轴方向上与第三运动平台活动配合，所述第三驱动机构与所述第三运动平台传动连接，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元与第三运动平台整体能够在第三驱动机构的驱使先沿第一运动平台6于x轴方向运动，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元能够在第五驱动机构的驱使先于第三运动平台上沿z轴运动；例如，所述第三运动平台可以通过沿x轴设置的导轨与第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元可以通过沿z轴设置在导轨与第三运动平台活动配合。

在本实施例中，所述运动发生单元可以包括两个第三运动平台，所述第五驱动机构可以包括两个直线驱动电机，两个直线驱动电机分别独立地与一第三运动平台传动连接，所述旋转式激光加工单元、激光扫描加工单元可以分别设置在一第三运动平台上。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括第六驱动机构，所述第六驱动机构与所述工件14传动配合，并用于驱使所述工件14绕所述三维坐标系的z轴旋转，所述第六驱动机构为旋转驱动机构，例如可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括运动系统控制器17，所述运动系统控制器17与第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构和/或第六驱动机构连接，并用于控制/调节第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构和/或第六驱动机构的工作状态，所述运动系统控制器可以是运动系统控制电脑，所述运动系统控制器可以是独立设置的并与控制单元13连接，也可以是作为控制单元13的一部分。

在本实施例中，所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动，振动的引入可改变工件与激光作用机制的周期性特点，实现能量分布的多样化调控(动态光斑重叠率、能量均匀化)；示例性地，所述振动发生机构包括振动平台15，所述振动平台1可以固定设置在第二运动平台16上，所述工件14放置在振动平台15上，所述振动平台15可以与工件14一起沿y轴运动，例如，所述振动平台可以电动振动台、超声振动台等，可以实现常规、超声或超高频的振动，振动(常规、超声、超高频等)的引入可改变工件与激光作用机制的周期性特点，实现能量分布的多样化调控(动态光斑重叠率、能量均匀化)。

在本实施例中，所述机器视觉检测单元包括CCD相机和/或光场成像相机，所述CCD相机可观测加工过程、加工表面的影像；所述光场成像相机可按可按预定的运动路径观测、采集加工工件的图像信息，采用选定的算法识别工件加工面的典型特征(例如微裂纹、凹坑、凸起、沟槽、鳞片状结构等)；经线激光扫描加工的表面，会形成新的表面微结构、重凝层等几何特征，采用CCD相机、光场成像相机按照预定扫描路径观测线扫描工件的加工面，检测、采集、分析、识别其中的凸起、凹坑、裂纹等表面特征，并提取其适配坐标数据，形成对工件表面的加工面二次旋转式选区激光表面处理的驱动数据；然后，将机器视觉检测单元检测到的待二次处理区域形成数字化代码描述，驱动旋转式激光加工单元或激光扫描加工单元至对应区域开展二次表面处理，改善工件加工面的表面质量。

在本实施例中，所述气体辅助单元至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域，所述气体辅助单元可实现一定的气流压力和气体保护环境；实现与激光光束相互作用的工件的结构、性质的重组和形态重构，进而调控工艺策略，控制热影响和重铸层，避免工件产生微裂纹；示例性的，所述气体辅助单元可以是具有调节气流阀的气体容器等，所述选定气体可以是惰性气体等；气体辅助单元可实现一定的气流压力和气体保护环境，实现与激光相互作用的工件的结构、性质的重组和形态重构，进而调控工艺策略，控制热影响和重铸层，避免工件产生微裂纹。

实施例2

一种调制激光束高速扫描与旋转式光束整形激光表面处理复合加工系统的结构如图2所示，本实施例中的调制激光束高速扫描与旋转式光束整形激光表面处理复合加工系统的结构与实施例1中的一种振镜高速扫描与旋转式光束调制多光束激光表面处理复合加工系统的结构基本相同，在此不再对两者相同的部分进行赘述，较之实施例1，实施例2将旋转式激光加工单元中的旋转组件中的分光元件4-2替换为光场调制器。

实施例3

一种光场调制分散光束双旋转双激光头复合加工系统的结构如图3所示，本实施例中的调制激光束高速扫描与旋转式光束整形激光表面处理复合加工系统的结构与实施例1中的一种振镜高速扫描与旋转式光束调制多光束激光表面处理复合加工系统的结构基本相同，在此不再对两者相同的部分进行赘述，较之实施例1，实施例3中的激光扫描加工单元还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述光束整形器10传动连接并用于驱使所述光束整形器10绕自身轴线旋转，从而使激光扫描加工单元提供的整形光斑可以旋转，从而实现对工件的旋转式的高速扫描复合运动加工。

实施例4

一种光场调制异形光束双旋转双激光头复合加工系统的结构如图4所示，本实施例中的调制激光束高速扫描与旋转式光束整形激光表面处理复合加工系统的结构与实施例3中的一种光场调制分散光束双旋转双激光头复合加工系统的结构基本相同，在此不再对两者相同的部分进行赘述，较之实施例3，实施例4将旋转式激光加工单元中的旋转组件中的分光元件4-2替换为能够产生异形光束的分光元件。

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，可以通过光束整形器调制产生线激光，线激光包括但不限于线光斑，线光斑可包含各类通过扫描振镜反射后经场镜聚焦后实现高速扫描加工的各类整形光斑。

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，旋转式激光加工单元可采用光纤激光或光场调制的方式实现多激光束圆周阵列分布，结合高速旋转，可实现一定覆盖面积的微尺度“光刀”效果。

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统中的光纤激光可以采用光纤滑环/光电旋转连接器的方式实现转动；基由光场调制器形成的圆形均匀强度分布的光场经过高速旋转的元件，可实现投影在工件表面的光斑的等效旋转运动，激光与工件的相对运动可以实现光场对工件加工表面的动态覆盖。

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统中具有光场调制功能的旋转组件带动调制后的光斑实现旋转运动；经调制后的光场本身具备多光束的空间分布，且可高速可控旋转。

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统中的

本发明实施例提供的一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统中的双激光加工头的Z向运动，可以振镜反射式的整形光斑对工件进行初次加工，再复合旋转式多激光束进行二次精加工，从而实现复合式的高效精密双激光表面成型；其中振镜反射式的光束整形器可增加旋转电机，实现旋转式的高速扫描复合运动加工路径策略。

实施例5

一种光束调制多光束激光与振镜高速扫描双旋转式加工头复合数字化加工方法的流程如图5所示，其可以是以实施例1-实施例4中任意一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统进行实施，其是先对工件进行光束调制旋转式多光束激光加工，再对工件经光束调制旋转式多光束激光加工后的区域进行调制激光旋转式振镜高速扫描二次加工；具体包括：

1)选择旋转式激光加工单元进行光束调制旋转式多光束激光加工；

2)以机器视觉检测单元识别经过所述光束调制旋转式多光束激光加工后的工件加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述激光扫描加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

3)基于所述驱动数据使所述激光扫描加工单元对所述典型特征进行即调制激光旋转式振镜高速扫描；

重复步骤1)-步骤3)一次以上，直至获得所需的工件加工质量。

在本实施例中，所述步骤1)和步骤3)可以单独重复一次以上。

在本实施例中，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以旋转式激光加工单元对工件的加工面进行第一激光加工过程中，使所述旋转式激光加工单元提供的旋转光斑绕自身轴线旋转；和/或，使所述激光扫描加工单元提供的整形光斑绕自身轴线旋转；和/或，以运动发生单元驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；和/或，以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转；和/或，以振动发生单元驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；和/或，以气体辅助单元提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

实施例6

一种振镜高速扫描与光束调制多光束激光双旋转式加工头复合数字化加工方法的流程如图6所示，其可以是以实施例1-实施例4中任意一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统进行实施，其是先依次对工件进行调制激光旋转式振镜高速扫描、光束调制旋转式多光束激光加工，再对工件经光束调制旋转式多光束激光加工后的区域进行调制激光旋转式振镜高速扫描或光束调制旋转式多光束激光二次加工；具体包括：

1)以机器视觉检测单元识别工件的加工面的典型特征，从而形成对所述典型特征进行二次旋转式选区激光表面处理的驱动数据；

2)基于所述驱动数据，先以所述激光扫描加工单元对所述典型特征进行调制激光旋转式振镜高速扫描，再对进行调制激光旋转式振镜高速扫描加工后的区域进行光束调制旋转式多光束激光加工；

3)对进行光束调制旋转式多光束激光加工后的区域进行调制激光旋转式振镜高速扫描或光束调制旋转式多光束激光二次加工；

重复步骤1)-步骤3)一次以上，直至获得所需的工件加工质量。

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积，相比点光斑效率可提升几十倍以上，甚至更大。

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，针对加工表面的搭接区或典型特征区，经机器视觉检测后，形成数字化代码定位描述对应的区域，进而驱动旋转式激光加系统实现待加工典型区域的二次表面处理。

本发明实施例提供的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统及方法，辅以气流压力、气氛保护等策略，可以进一步改善工件加工表面质量，对激光加工、光学应用领域具有重要的创新贡献。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由阵列分布的多个激光光束旋转形成的旋转光斑对工件进行第一激光加工；

激光扫描加工单元，至少用于提供由激光光束经调制形成的整形光斑对工件进行扫描，以实现第二激光加工；

机器视觉检测单元，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

运动发生单元，至少用于驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三位坐标系内的xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元连接，并至少用于调控所述激光扫描加工单元、旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元及机器视觉检测单元的工作状态。

2.根据权利要求1所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于：

所述旋转式激光加工单元包括第一激光光源以及依次设置在所述第一激光光源提供的第一激光光束光路上的第一激光扩束器、光场调制器或分光元件、第一激光反射镜；以及

第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述光场调制器或分光元件传动连接，并能够驱使所述光场调制器或分光元件绕自身轴线旋转，以在所述工件的加工面形成所述的旋转光斑；

优选的，所述旋转光斑能够绕自身轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于：

所述激光扫描加工单元包括第二激光光源以及依次设置在所述第二激光光源提供的第二激光光束光路上的第二激光扩束器、光束整形器、第二激光反射镜、扫描振镜和聚焦透镜；

优选的，所述激光扫描加工单元还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述光束整形器传动连接，并能够驱使所述光束整形器绕自身轴线旋转，以形成旋转式的整形光斑。

4.根据权利要求1所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于：所述运动发生单元包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动；

和/或，所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动；

和/或，所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动；

和/或，所述运动发生单元还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转；

优选的，所述运动发生单元还把包括第六驱动机构，所述第六驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

5.根据权利要求1所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于：所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。

6.根据权利要求1所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统，其特征在于：所述机器视觉检测单元包括CCD相机和/或光场成像相机；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统还包括气体辅助单元，所述气体辅助单元至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

7.一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于包括：

提供权利要求1-6中任一项所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对工件进行第一激光加工和/或第二激光加工；

以机器视觉检测单元识别经过所述第一激光加工或第二激光加工后的工件加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述激光扫描加工单元和/或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行第二激光加工和/或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

8.根据权利要求7所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于，还包括：在以旋转式激光加工单元对工件的加工面进行第一激光加工过程中，使所述旋转式激光加工单元提供的旋转光斑绕自身轴线旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以所述激光扫描加工单元对工件的加工面进行第二激光加工过程中，使所述激光扫描加工单元提供的整形光斑绕自身轴线旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以气体辅助单元提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

9.一种扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于包括：

提供权利要求1-6中任一项所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工系统；以及，

以机器视觉检测单元识别工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使激光扫描加工单元或旋转式激光加工单元对所述典型特征进行加工的驱动数据；

基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对所述典型特征进行第一激光加工和/或第二激光加工；

选择旋转式激光加工单元和/或激光扫描加工单元对经过所述第一激光加工和/或第二激光加工的工件进行第二激光加工或第一激光加工，直至获得所需的工件加工质量。

10.根据权利要求9所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法，其特征在于，还包括：在以旋转式激光加工单元对工件的加工面进行第一激光加工过程中，使所述旋转式激光加工单元提供的旋转光斑绕自身轴线旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：在以所述激光扫描加工单元对工件的加工面进行第二激光加工过程中，使所述激光扫描加工单元提供的整形光斑绕自身轴线旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述整形光斑和/或旋转光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述整形光斑和/或旋转光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；

和/或，所述的扫描与旋转式表面处理双激光复合加工方法还包括：以气体辅助单元提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。

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