CN116275475A - 激光指向改变时校正路径偏离的方法及其装置和机床 - Google Patents

Abstract

一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，激光随转台转动，使其所指向的方向改变时，将经反射改变传播方向的激光继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播。应用本发明提供的方法制成的装置安装于多轴机床上，消除转台转动、应力、振动、弹性形变或温度等因素导致光束传播方向偏离预设方向，使得激光对工件的指向符合预设，作用于工件的光斑形状也保持稳定，以满足精密加工的需要。

Description

激光指向改变时校正路径偏离的方法及其装置和机床

技术领域

本发明涉及一种调整激光光路的方法，尤其涉及一种对以回转方式传播的激光发生传播方向和/或位置偏离预设而进行补偿的方法，以及采用此方法的装置和机床。

背景技术

目前激光已经被广泛应用于金属钣金及型材的切割、焊接及打标加工工艺中，也有应用于如超硬材料加工以制造切削刀具等技术领域。由多轴加工中心或多关节机器人以激光为手段实施钣金和型材切割或焊接加工是最常见的解决方案，其利用机械轴驱动经由激光发射器(即用于实施加工的激光输出部件，根据其功能在行业内通常名称如：切割激光头或焊接激光头)汇聚射出的聚焦光束与被切割或焊接工件发生相对移动以完成所需加工动作，激光和被加工平面的对焦(又称调高)则由集成于激光器的对焦模块或者多轴加工中心的Z轴来实现。激光发射器一般通过专用的工业化接口(如：QBH等)直接驳接激光发生装置的出光端子，它是将准直、扩束、对焦及聚焦等外光路功能高度集成的重要功能部件。通过模块化的激光发射器与激光发生装置的出光端子的直连，不仅简化设备装配并提高系统可靠性，更重要的是简化机械运动结构和光路结构，通过操纵激光发射器的旋转运动和俯仰运动即可直接在聚焦光束出射方向上实现角度的改变，进而达到较大的加工自由度。除此之外，通过高度集成的出光端子和激光发射器最大程度缩短了空间自由光路并尽可能避免了外界扰动对光束指向精度的不利影响，有利于加工精度的提高。虽然此种方案可以实现激光聚焦方向在大范围的自由改变，但此方案因激光随转台转动的半径偏大会显著放大聚焦光斑的定位误差，且此种技术方案要求激光发生装置的出光端子可以随着激光发射器在自由空间中一起任意移动，因此只有用具有可弯折和牵拉特性的光纤将激光发射器和出光端子相连起来的光纤连续激光器或微秒或纳秒量级的光纤脉冲激光器光源才可以使用该技术方案，而光纤不能自由弯折牵拉的光纤超快激光发生装置和不通过光纤传输光的半导体激光发生装置等提供激光光源的，则无法使用该技术方案。

为了兼顾激光聚焦方向在大范围的自由改变和尽量小的回转定位误差，一种具有偏心摆动构造的装置被应用到多轴加工中心的设备中，适用于加工轴系为“XA和YZB”的多轴激光加工，此种方案由于具有较小的回转半径进而可以显著缩小聚焦光斑的回转定位误差。这对于通常脉冲激光器是可行的，但超快激光器受技术条件制约，其光纤不具有足够的可运动特性(其可允许弯折半径过大，光纤最大总长过短)，无法安装于摆动机构上，这使得在五轴加工中心上集成超快激光器进行加工难以实现。为了解决这一问题，进一步提出了将一些光束穿过转台中心后借由置于转台中心反射镜射出的飞行光路方案(如：CN202020298469.9和CN202020298514.0)，在该系列方案中激光光束经过调整后与转台转轴同轴，因此无论转台上的光路部分如何随转台旋转，光束始终都以相同方向入射位于转台转轴线的反射镜上同一点并借此实现从转台上出射的激光光束于转台回转中心轴线的夹角始终不变。但当未能正确调整，或由于加工中心运行中产生的各种应力、振动、弹性形变和温度等因素导致激光光束不再与转台中心保持同轴时，转台的旋转会导致激光经转台中心反射镜射出的激光光束随着旋转发生角度偏转或/和位置偏移(后者称“偏离”)，进而导致最终作用于工件上的激光光斑发生偏离，导致加工精度不良，无法满足精密加工的需求。

另一方面，通过振镜等光学装置代替机械轴改变光束聚焦方向也是一个常见的解决方案，该技术方案对激光器光源一般没有特殊要求，虽然也有前聚焦振镜等技术改良方案，但总的来说聚焦光束只能在有限角度内进行调整，难以满足工业应用中对激光聚焦方向大范围自由改变的需求；而另一个明显的问题在于是聚焦焦距受限，在振镜加工方案中无论是前聚焦振镜还是后聚焦振镜，为了获得更大的加工幅面就需要设置更大直径的和更远焦距(即工作距离)的聚焦镜(场镜)，更大直径的聚焦镜(场镜)不仅难以制造且成本高昂，同时更远的工作距离会降低激光束指向精度并进而降低整个加工系统的加工定位精度，因此用振镜实现大范围大角度高精度的激光自由加工在很多情况下是过于昂贵和难以实施的。

另一方面，利用多轴机械结构改变被加工工件角度是激光精密加工中最主要的解决方案，这一方案一般固定激光垂直向下发射并把工件置于回转摇摆台上，通过控制工件的俯仰运动和旋转运动等方式调整激光作用于工件的方向，即相当于改变了激光聚焦方向。这一方式实质上不改变激光光路因而具有最高的光束指向精度，并可以同时结合振镜等光学装置的置入和光路短化等手段的优势以进一步拓展加工灵活性。因此这一方案目前在超硬材料的激光加工等先进精密加工领域得到了最广泛应用。但这种方案其受限于多轴机械结构的设置，不具有普遍的适用性，尤其是用于长轴类零件加工时会由于零件长度放大零件的回转半径进而导致回转定位误差放大。

因此总的来说，虽然技术人员已经为激光高精度大角度加工开发了众多技术手段，但如何在目前的激光加工中兼顾更大的光束指向自由度和更好的光束指向定位精度仍有待解决。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，以消除超快激光光路回转中，应受到应力、振动、弹性形变和温度等因素而发生偏离，以满足精密加工的需要。

本发明的另一个目的在于提供一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，使得转台旋转并带动激光改变指向时，激光对工件的指向符合预设并保持稳定，以满足精密加工的需要。

本发明的再一个目的在于提供一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，使得转台旋转并带动激光改变指向时，激光作用于工件的光斑形状保持稳定，以满足精密加工的需要。

本发明的又一个目的在于提供一种装置，用于激光指向改变时校正路径偏离，以实施对激光偏离的校正，使得激光所指向的方向改变30°及以上时，激光对工件的指向仍符合预设，作用于工件的光斑形状也保持稳定，以满足精密加工的需要。

本发明的第五目的在于提供一种多轴加工中心，尤其是具有激光指向改变时校正路径偏离的装置的多轴机床，以满足精密加工的需要，既提高加工精度，也有效控制加工成本，尤其是解决长轴类零件自身回转半径过大导致加工精度偏低的问题。

通常理解的激光，系原子因受激而辐射的光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。激光的形态可分为连续激光和脉冲激光。依据激光的脉冲宽度特性分为热激光和冷激光。

激光发射器如：但不限于纳秒、飞秒或皮秒激光器，产生的激光如：红外、红外、蓝光、绿光、紫光或极紫光。

超快激光是指输出激光的脉冲宽度数十纳秒以下，即皮秒级别或小于皮秒级别的脉冲激光。超快激光器涉及的核心部件包括振荡器、展宽器、放大器和压缩器等。

在机加工中，所称的工件通常是用于制造零件或部件的材料或半成品，是机械加工过程中的加工对象。即对工件实施机加工后，得到符合加工或设计要求的产品。

精密加工，指加工精度和表面质量达到极高程度的加工技术。比如：刀具加工中，尺寸、直线度、轮廓度、表面粗糙度、刃尖圆弧半径、加工精度均高于达到微米级。

轴类工件，即具有长度是直径至少3倍。

机加工设备(或机加工中心)，系具有多个运动轴的加工设备。即在右手直角坐标系中，沿直线方向移动的X、Y和Z轴，以及分别绕X、Y和Z轴的回转的A轴、B轴和C轴。

机加工设备，如：数控机床，通常加载了各项控制软件，以代码形式接收和发出各项指令对工件实施自动化加工。

本发明中，超快激光器射出的激光先射入一段腔道，再自腔道射出后，再进入激光投射中继部件，激光投射中继部件改变激光的光路后再射出激光，最后由出光部件接收后射出，用于对工件实施加工。激光在腔道内传播，在腔道的出口端沿着直线传播，自出光部件射出的激光聚焦于该回转轴范围内，即激光束聚焦光斑落在以回转轴为中心半径100mm的圆柱形空间内。

本发明中，腔道设置于转台中，其具有与转台回转轴共轴的轴线。激光射入腔道并沿着直线向前传播，预设沿转台回转轴的走向(包括平行或同轴)向前传播。激光投射中继部件设置于转台上，受转台驱动而转动。第一反射镜也同样随着转台的转动而转动，使得经由第一反射镜反射出的激光所指向的方向改变，比如：激光入射激光投射中继部件至出射，期间激光指向转动30°及以上。

为了满足精密加工的要求，激光沿着直线向前传播，于此同时与一条回转轴(如：转台的回转轴)的交角要求保持在0°～5°，最佳的为0°，如：平行或同轴。由此，当其出射后，进入激光投射中继部件的传播路径同样得以预先设定。

激光投射中继部件至少对激光进行1次反射以改变激光光束方向。

出光部件至少包括场镜及振镜、聚焦镜、扩束镜和反射镜之一，其可通过市售获得，或者取自现有激光器中。

光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的部件。它可以是透镜的边缘、框架或经设置的带孔屏。其作用主要是限制光束或限制视场(成像范围)大小。光学系统中限制光束最多的光阑，称为孔径光阑，限制视场(大小)最多的光阑，称为视场光阑。在激光领域，光阑一般用来对光路进行预调，或者作为空间滤波器的一部分用来对光束进行整形。

入射振镜前的激光光路与转台回转轴线具有设定距离和设定夹角，由于应力、振动、弹性形变、温度及回转误差等因素致使入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的实际距离和实际夹角与设定距离和设定夹角的偏差过大时，转台的回转会造成额外的激光定位误差，即发生位置偏移。

实际工况下，由于应力、振动、弹性形变、温度及回转误差等因素，转台转动时穿过转台的激光不再与转台回转轴线保持原先的夹角及距离的情况(如：同轴)下，激光传播将产生偏转和偏离。当偏离后的激光经激光投射中继部件改变方向后，其与预设的激光传播路径偏离程度被进一步扩大。

本发明的方法实施时，回转轴为A轴、B轴或C轴，使出光部件射出的激光绕(转台)回转轴方向分布，实现激光光路以回转运动及定位至指定角度实施机加工。

本发明的方法实施时，转台及设置于转台上的激光投射中继部件和出光部件沿直线轴同步移动，以使绕回转轴方向分布的激光根据指令沿直线轴同步移动并实施工件的机加工。

本发明的方法，将光阑设置在激光传播的路径上，具体地，设置在激光从腔道出射后，再入射出光部件前的一段传播路径上。在此段路径上，激光至少被进行1次反射，在激光入射出光部件前，应受到光阑的作用，使得光阑对发生偏离的激光光束进行阻挡，使得未偏离的激光光束得以通过并继续传播，由此使得激光光速符合预设的传播路径。

本发明的方法，还可以对入射振镜前的激光光路进行补偿。经补偿后入射振镜前的激光光路与转台回转轴心线具有第二距离和第二夹角，当第二距离和设定距离相比，差值相比≤1μm，以及第二夹角和设定夹角相比，差值≤0.05mrad，则认为(补偿后)入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的相对位置得以保持。

为了实施本发明的方法，优先选择激光发射器射出的激光从腔道一端入射至另一端出射均沿直线方向传播，不发生偏转。可采用具有直通空间的腔道，如：但不限于直管状、圆锥状和圆台状孔体或腔体等。

一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，激光随转台转动，使其所指向的方向改变时，将经反射改变传播方向的激光继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播。

需要接入振镜等光学器件时，则通过光阑的光束通常需要再经反射以此调整激光入射振镜的方向。

另一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，激光随转台转动，使其所指向的方向改变时，将经反射改变传播方向的激光继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播，使被再次反射改变传播方向。

随转台转动的激光，先从回转转台的腔道出射，经至少1次反射改变传播方向，再继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播。

经本发明方法校正的激光，不仅能使得经过光阑后的光束沿预设路径传播，在转台任意角度下其入射振镜的激光光路与转台回转轴线之间设定距离和设定夹角也保持不变，能使激光对工件的指向符合预设要求，作用于工件的光斑形状也能保持稳定，从而满足精密加工的需要。

为了提高激光对工件的指向符合预设要求的稳定性，以及作用于工件的光斑形状的稳定性，在激光束射入腔道前进行预校准，使得激光光束沿转台回转轴的走向(包括平行或同轴)向前传播。即预先调整激光光束，使其与转台回转轴尽量处于同轴或平行状态。或者进行闭环指向控制，即在光束通过光阑前通过快反镜和传感器对激光对工件的指向进行实时闭环调节。

传感器用于感知激光的入射信息，即包括激光碰触传感元件时，激光的入射角信息，以及激光在传感元件上的位置信息。通常，以传感元件上的激光光斑所处二维坐标系的信息作为位置信息。激光光束在传感器上具有设定位置信息，由于应力、振动、弹性形变、温度及回转误差等因素致使激光光速在传感器上的实际位置与设定位置相比发生偏差。当传感器感知入射的激光后，就能取得位置信息，知悉实际位置，并为与设定位置是否发生偏差，以及补偿与否提供依据。在传感器中，通常至少具有一个传感元件，但为了获得更多的激光入射信息，则采用两个或更多的传感元件是更优的选择。

设定位置信息应当理解为是经调试而设定的，能够满足精密加工要求的信息。比如：激光光束的聚焦光斑与转台回转轴线的距离始终得以保持，即转台转动任意角度，聚焦光斑至转台回转轴线的距离偏差≤1μm。当(补偿后)激光光束入射振镜而取得聚焦光斑至转台回转轴线的距离偏差≤1μm时，则认为激光光路的回转误差被消除。

本发明的方法，在转台转动时，传感器接收激光信息(比如：来自从转台中出射的信息或入射转台的信息)，并感知激光的入射信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动反射机构，实时调整激光光路进行补偿，使补偿后入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的相对位置得以保持。

传感器通常设置于激光从转台中入射或出射的一端，接收激光信息。当其设置于出射的一端时，则随转台一同绕转台回转轴线转动，接收激光信息，尤其是设置于反射镜之后，接收由反射镜折射的激光信息。

反射机构，通常至少包括1件快反镜，用于接收来自超快激光器射出的激光，以及控制器的指令，调整反射镜对激光光路进行补偿。

另一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，在转台转动时，激光从转台出射或入射的一端设置传感器，接收激光信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动快反镜；

快反镜反射来自超快激光器射出的激光，并在获得控制器的指令后，对激光光路进行补偿，使补偿后入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的相对位置关系得以保持。

另一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，在转台转动时，激光从转台出射或入射的一端设置传感器，接收激光信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动快反镜；

快反镜反射来自从转台出射的激光，并在获得控制器的指令后，调整反射镜角度对转台回转造成的激光光路(出现的偏差)进行补偿。

本发明的方法应用于具有多个运动轴的加工设备(如：三轴机床、四轴机床和五轴机床等)，消除转台转动、应力、振动、弹性形变、温度及回转误差等因素对聚焦后激光指向和光斑位置的影响，以使在转台转动任意角度时，聚焦后的激光光斑距离转台面上回转轴中心处的空间距离得以保持。

为实施上述方法，利于将本发明的方法应用于机加工设备，本发明还提供一种装置，激光指向改变时以实施校正路径偏离，包括：

转台，其实施回转运动，包括腔道，其腔道用于容纳激光的传播；

超快激光器，其射出的激光经腔道通过转台；

激光投射中继部件，设置于转台上并随转台一同绕转台回转轴线转动，接收来自腔道出射端的激光，使激光的光路方向发生改变后，再射出激光，至少包括第一反射镜和第二反射镜；

光阑，接收来自第一反射镜反射的光束。

本发明的装置，还包括：

出光部件，设置于转台上并随转台一同绕转台回转轴线转动，接收由激光投射中继部件射出的激光，并聚焦于回转轴范围内。

本发明的装置，还包括：

传感器，获得激光的实时入射信息；

控制器，其接收传感器发出的实时入射信息，并与预设位置信息进行比较，得到位置偏移值；

反射机构，其接收来自超快激光器射出的激光，并在获得控制器的指令后，对反射后的激光光路进行补偿。

本发明的装置，反射机构至少包括1件反射镜。但为了取得更优的激光光路补偿方案，则需要2件反射镜。进一步，各个反射镜被配置于单独的镜架上，以使各件反射镜均至少具有2个可调节的自由度，即通过至少2件反射镜提供4个以上自由度，以实施激光补偿方案。

一种反射机构的具体实施方式，包括第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜受到激光后，将激光反射至第四反射镜，第四反射镜受到激光后，将激光朝向腔道反射。

本发明的装置，激光投射中继部件至少包括1件反射镜，系双面抛光镜片。其可用于接受从第二反射镜反射的激光，或者直接接受来自腔道出射端的激光，使激光的光路方向发生改变后，作为振镜的入射激光。

在反射镜之后设置传感器，利用反射镜折射(透过)光束来观察检测激光光斑，获取激光的实时入射信息。

为了便于反射的激光作为振镜的入射激光，其间还可设置若干反射镜，调整反射的激光光路。

本发明提供的装置，转台如：但不限于内转子转台、外转子转台、机械传动转台和直驱转台等，其内中空，以设置腔道。设置于转台内的腔道，其具有自成外壁，或者利用转子内中空构造的内壁作为腔道的外壁，则此时腔道即为转台内的中空构造，以此减少装置所占的空间。

本发明提供的装置，激光投射中继部件、出光部件与中空转台同步转动。具体的，出光部件与激光投射中继部件相连，受中空转台驱动，绕回转轴转动。

本发明提供的各种装置安装于机加工设备上，比如：以三个直线运动轴、一个用于固定工件的回转运动轴和一个激光束回转轴相组合形成空间五轴激光机加工方案，就能实现以多轴方式对工件进行机加工，制造复杂和多样构造的产品。比如：机床具有至少三个直线轴，其中一个直线轴上安装本发明的装置(比如：设置在X轴和Z轴确定的平面上，并沿Z轴直线移动)，另一个直线轴上安装转动定位机构，驱动被加工工件回转的定位(比如：将工件设置于X轴和Y轴确定的平面上)，消除应力、振动、弹性形变、温升及回转误差等因素对聚焦后激光指向和光斑位置的影响，以使在转台任意角度时，聚焦后的激光光斑距离转台面上回转轴中心处的空间距离不变，提高激光加工的精密度，利于对各种规格零件实施激光加工。

另一种机加工设备，将本发明装置的转台安装于直线轴上，装置沿直线移动，则使得出光部件射出的激光的聚焦光斑呈线性移动，当出光部件绕回转轴转动，则使得激光光斑分布于回转面上，适应各种工件加工。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的方法，在激光随转台转动，使得激光指向改变时以光阑对传播路径进行校正，选择性地滤除因回转而发生偏离(如：激光指向偏差)的部分光束，并使得通过光阑的激光光束(即未偏离预设传播路径)沿着预设路径继续传播，再经反射改变传播方向，仍能使激光保持对工件的指向符合预设，作用于工件的光斑形状也保持稳定，以满足精密加工的需要。

本发明提供的方法，通过传感器实时感知激光光斑位置及指向信息，并经控制器对反射机构进行调节，补偿激光光路产生的偏移，消除转台转动、应力、振动、弹性形变、温升及回转误差等因素对聚焦后激光指向和光斑位置的影响，以使在转台任意角度时，聚焦后的激光光斑距离转台面上回转轴中心处的空间距离不变，提高了激光加工精度。

本发明提供的方法，将超快激光器的激光头竖直安装，并朝向下方，利于超快激光器集成于机加工设备上，实施激光的精密加工。

本发明提供的装置，将光阑设置于激光投射中继部件中2个相邻反射镜之间，对转台转动、应力、振动、弹性形变、温升及回转误差等因素所致的激光偏离预设的传播路径进行校正，利于对现有机加工设备进行低成本改造，利于超快激光器集成于机加工设备上，实施激光的精密加工。

附图说明

图1为现有用于激光实施机加工的装置一实施例的示意图；

图2为现有用于激光实施机加工的装置激光光路一实施例的示意图；

图3为现有用于激光实施机加工的装置激光光路另一实施例的示意图；

图4为本发明方法一实施例的示意图；

图5为图4所示光阑一角度的放大示意图；

图6为用于实施本发明方法的装置一实施例的示意图；

图7为用于实施本发明方法的装置另一实施例的示意图；

图8为采用本发明装置对工件实施加工时激光在工件表面的刻痕的示意图；

图9为将本发明装置的光阑移除后激光在工件表面的刻痕的示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

本实施例提供的激光实施机加工的方法，激光发射器射出的激光先射入一段腔道，再自腔道射出后，再进入激光投射中继部件，激光投射中继部件改变激光的传播路径后再射出激光，最后由出光部件接收后射出，用于对工件实施加工。激光在腔道内传播，或沿直线传播，或沿折线传播。激光在腔道的出口端沿着直线传播，在右手直角坐标系中，回转轴为A轴、B轴或C轴，使出光部件射出的激光绕回转轴方向分布，激光聚焦于该回转轴范围内，即以与回转轴为中心半径100mm的回转(圆)面内，尤其是聚焦于回转轴线上。通过回转轴回转带动激光指向方向改变以实施机加工。本实施例中，腔道于Y轴方向，回转轴为B轴，出光部件绕B轴转动。

图1为现有实施激光机加工的装置一实施例的示意图。如图1所示，设备包括激光发射器100，腔道200、激光投射中继部件700、出光部件300和转台400。

激光发射器100设置于腔道200的一端，自激光发射器100射出的激光110进入腔道200。本实施例中，腔道200呈直管状，自激光发射器100射出的激光110从腔道200入射后沿直线方向传播，不发生偏转，与转台400的回转轴共轴或平行，至另一端出射。受激光投射中继部件700的作用，自腔道200出射的激光发生变向后，被出光部件300接收，射出的激光310聚焦于回转轴410范围内用于对工件实施加工。

本实施例中，激光投射中继部件700包括第一反射机构710和第二反射机构720，第一反射机构710接收射入激光投射中继部件的激光，并将激光朝向第二反射机构720的方向反射，第二反射机构720接收到反射自第一反射机构710的激光730后，将激光730再次反射，并将激光射出投射中继部件。

激光投射中继部件700受转台400驱动，绕回转轴410转动，并接收来自腔道出射端的激光，使激光的光路方向发生改变后，再射出激光。出光部件300绕回转轴410旋转，射出实施机加工的激光束310。

在右手直角坐标系中，转台400绕Y轴回转，回转所绕的轴为B轴(未示出)。腔道200具有一条轴线(与图中激光110共线，未示出)，该轴线与B轴共轴。出光部件300绕B轴回转，使得射出的激光绕B轴方向分布，实现激光以回转的方式实施机加工。腔道200设置于转台400内，即为转台400内一段位于直管型中空腔体，腔体的轴线与B轴共轴，还与转台的转动对称轴共轴。

随着中空转台400旋转，设置于其内的腔道200并不发生位移，而使得从腔道200穿行的激光110始终沿直线方向传播，不发生偏转，并始终为出光部件300所接收。随着出光部件300绕B轴不断回转，而形成绕B轴回转方向分布激光。

此种装置装备多轴系的机加工设备后，当入射腔道的激光光路110与转台的回转轴410的交角保持在0°～5°，那么随着转台转动，激光投射中继部件和出光部件也绕回转轴410回转，用于机加工的激光从出光部件300出射，一同绕转台回转轴线410转动。激光投射中继部件跟随转台转动，使得激光指向改变，比如：1°、5°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°或以上。在现实生产中，由于不可避免发生应力、振动、温度和弹性形变等因素，转台转动时激光不再沿着与转台回转轴的轴向传播，由此激光传播产生偏离。当偏离后的激光经激光投射中继部件改变方向后，其与预设的激光传播路径偏离程度被进一步扩大，以致于出光部件发出的激光310发生偏移，影响激光加工精度。图2和图3为现有用于激光实施机加工的装置激光光路另一实施例的示意图，其示意性地表明，当中继部件和出光部件随着转台转动时，入射腔道的激光光路110与转台的回转轴410未处于同轴状态的情况下，出光部件300发出的激光无法落于同一位置处。因而仍需要经常性地重调光路，对入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的实际距离和实际夹角偏离设定距离和设定夹角的情况进行调整，花费大量的时间，不利于成本控制。

为此，本实施例提供一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，从转台400出射的激光经至少1次反射改变传播方向后，继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播。图4为本发明方法一实施例的示意图，图5为图4所示光阑一角度的放大示意图。结合图1，如图4和图5所示，激光投射中继部件受转台400作用同步转动，并在运行过程中，受应力、振动、温度和弹性形变等因素影响光束761，光束761发生偏离后即为光束762。当光束761，762经反射镜731反射后朝向光阑750传播，通过光阑750就能得到符合预设的传播路径的激光光束760，即，并经反射改变传播方向，比如：反射改变传播方向后入射出光部件300，以此使得偏离预设传播路径的光束得以校正，并在激光与转台同步旋转且其传播方向发生180°及以上改变时，取得激光对工件的指向符合预设，作用于工件的光斑形状也保持稳定，以满足精密加工的需要。

图6为用于实施本发明方法的装置一实施例的示意图。如图6所示，本实施例的装置包括转台400、超快激光器120和激光投射中继部件700。转台400为中空，包括腔道，用于容纳激光的传播。超快激光器120安置于支架600，射出激光121由反射机构800反射后变向，再射入腔道200内，在腔道200的出口端，激光121沿直线传播。

激光投射中继部件700设置于转台400上并随转台400一同绕转台回转轴线转动，接收来自腔道出射端的激光，使激光的光路方向发生改变后，再射出激光，至少包括第一反射镜731和第二反射镜721。光阑750设置于第一反射镜731和第二反射镜721之间，使得经第一反射镜731反射改变传播方向后，继续朝向光阑750传播，使得通过光阑750的激光光束沿着预设路径继续传播。激光入射激光投射中继部件至出射，期间激光传播角度改变的总和达180°及以上。激光受激光投射中继部件700作用而变向后由出光部件的振镜320接收。出光部件绕回转轴旋转，聚焦于回转轴范围内。

为了提高激光对工件的指向符合预设要求的稳定性，以及作用于工件的光斑形状的稳定性，在激光束射入腔道前进行预校准，使得激光光束沿转台回转轴的走向(包括平行或共轴)向前传播。即预先调整激光光束，使其与转台回转轴尽量处于同轴或平行状态。或者进行闭环指向控制，即通过快反射镜和传感器对激光对工件的指向进行实时闭环调节。比如：即转台转动时，传感器随转台一同绕转台回转轴线转动，激光从转台出射的一端设置传感器，接收激光信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动反射机构。

反射机构接收来自超快激光器射出的激光，并在获得控制器的指令后，对激光光路进行补偿，使得补偿后入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的相对位置得以保持。

图7为用于实施本发明方法的装置另一实施例的示意图。如图7所示，利用转子内中空构造的内壁作为腔道的外壁，腔道200即为转台内的中空构造腔体。将超快激光器120安置于支架600，射出激光121由反射机构800反射后变向，再射入腔道200内，在腔道200的出口端，激光121沿直线传播。激光受激光投射中继部件700作用而变向后由出光部件的振镜320接收。出光部件绕回转轴旋转，聚焦于回转轴范围内。

激光投射中继部件至少包括1件反射镜系双面抛光镜片。本实施例中，激光投射中继部件设置第二反射镜721和第一反射镜731。具体的，第一反射镜731受到激光后，将激光反射，使得光束朝向光阑750传播，通过光阑750后，传播路径符合预设的路径，并朝向第二反射镜721，第二反射镜721受到激光后，将激光朝向振镜反射。

传感器900位于第二反射镜721之后，利用从反射镜透过的光来检测来自腔道出射端的激光光斑，获得激光的实时位置信息。控制器(未示出)接收传感器900发出的实时位置信息，并与预设位置信息进行比较，得到位置偏移值。当位置偏移值超出阈值时，则表明发生了激光光路与转台回转轴的相对位置无法保持的情形，则向反射机构发出指令。本实施例中，采用两个的传感元件，分别获得激光的入射角信息，以及激光在传感元件上的位置信息，以获得更多的激光入射信息。

反射机构800获得控制器的指令后，对受到的来自超快激光器的激光进行调节，调节发射激光的光路，使入射振镜的激光光路740与转台回转轴心线的相对位置得以保持，实时补偿激光光路的变化。本实施例中，反射机构800包括第三反射镜810和第四反射镜820，各个反射镜均被配置于单独的镜架上，以使各个反射镜均至少具有2个可调节的自由度，即通过至少2件反射镜提供4个以上自由度，以实施激光补偿方案。具体的，第三反射镜810受到激光后，将激光反射至第四反射镜820，第四反射镜受到激光后，将激光朝向腔道反射，使得入射振镜的激光光路与转台回转轴的相对位置得以保持。优先选择的，第三反射镜810与第四反射镜820的AOI均为22.5°。

另外，也可以将传感器900设置于激光入射转台400之前，利用从反射镜透过的光来检测来自腔道出射端的激光光斑，获得激光的实时位置信息；或将反射机构800一并置于转台400之上，都应视作本技术方案的同等替换。

上述各项实施例提供的装置安装于机加工设备上，比如：以三个直线运动轴、一个用于固定工件的回转运动轴和一个激光束回转轴相组合形成空间五轴激光机加工方案，就能实现以多轴方式对工件进行机加工，制造复杂和多样构造的产品，尤其是适合长轴类零件的精密加工。比如：机床具有至少三个直线轴，其中一个直线轴上安装本发明的装置(比如：设置在X轴和Z轴确定的平面上，并沿Z轴直线移动)，另一个直线轴上安装转动定位机构，驱动被加工工件回转的定位(比如：将工件设置于X轴和Y轴确定的平面上)，消除应力、振动、弹性形变或温度等因素导致光束与转台回转轴相对位置无法保持的情形，提高激光加工的精密度，利于对各种规格零件实施激光加工。

以本实施例图6所示的装置设置于机床，在焦平面设置试样卡，样卡随B轴转动，打开激光并驱动B轴旋转180°后，用200倍显微镜观察试样卡，刻蚀痕迹仅为一直径与光斑直径相当的圆形图案(参见图8)，显示随着B轴转动光斑仅发生自转而未发生位移。

将上述装置中光阑移除后进行相同测试，用200倍显微镜观察试样卡，产生的刻痕情况如图9所示。与图8对比可见，移除光阑后随着B轴转动，激光聚焦点位置发生漂移，在实验装置中最大偏离量达到光斑直径的4倍以上，显然不能满足精加工要求。

Claims (15)

1.一种激光指向改变时校正路径偏离的方法，其特征在于激光随转台转动，使其所指向的方向改变时，将经反射改变传播方向的激光继续朝向光阑传播，使得通过光阑的激光光束沿着预设路径继续传播。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在激光束射入腔道前进行预校准，使得激光光束沿转台回转轴的走向向前传播。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在光束通过光阑前通过快反射镜和传感器对激光对工件的指向进行实时闭环调节。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从转台出射或入射的一端设置传感器，接收激光信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动快反镜；

快反镜反射来自超快激光器射出的激光，并在获得控制器的指令后，对激光光路进行补偿，使补偿后入射振镜的激光光路与转台回转轴心线的相对位置关系得以保持。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从转台出射或入射的一端设置传感器，接收激光信息，并将实时入射信息传送至控制器，控制器将此实时入射信息与设定位置信息进行比较，得到偏移值，当偏移值超出设定阈值时，则驱动快反镜；

快反镜反射来自从转台出射的激光，并在获得控制器的指令后，调整反射镜角度对转台回转造成的激光光路偏差进行补偿。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光从回转转台上腔道出射后，经至少1次反射改变传播方向，再随转台转动。

7.根据权利要求1所述的方法应用于具有多个运动轴的加工设备，使激光对工件的指向符合预设并保持稳定，提高激光加工的精密度。

8.根据权利要求1所述的方法应用于具有多个运动轴的加工设备，使作用于工件的光斑形状也保持稳定，以满足精密加工的需要。

9.一种机加工设备，其特征在于采用权利要求1所述的方法。

10.一种装置，其特征在于包括：

转台，其实施回转运动，包括腔道，其腔道用于容纳激光的光路；

超快激光器，其射出的激光经所述的腔道通过所述的转台；

激光投射中继部件，设置于转台上并随转台一同绕转台回转轴线转动，接收来自腔道出射端的激光，使激光的光路方向发生改变后，再射出激光，至少包括第一反射镜；

光阑，接收来自第一反射镜反射的光束。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于还包括：

出光部件，设置于转台上并随转台一同绕转台回转轴线转动，接收由激光投射中继部件射出的激光，并聚焦于回转轴范围内。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于还包括：

传感器，获得激光的实时入射信息；

控制器，其接收传感器发出的实时入射信息，并与预设位置信息进行比较，得到位置偏移值；

反射机构，其接收来自超快激光器射出的激光，并在获得控制器的指令后，对反射后的激光光路进行补偿，并使聚焦光斑至转台回转轴线的距离始终得以保持，即转台任意角度下该距离的偏差≤1μm。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述反射机构至少包括2件快反镜，各件快反镜均至少具有2个可调节的自由度。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述的反射机构包括第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜受到激光后，将激光反射至第四反射镜，第四反射镜受到激光后，将激光朝向腔道反射。

15.一种机加工设备，其特征在于包括权利要求10所述的装置。

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