CN117733354A - 一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工的技术领域，公开了一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，包括载物台、激光头组件、摆动组件；所述载物台用于承载待加工工件；所述激光头组件用于对所述待加工工件进行激光加工，所述激光头组件与所述摆动组件连接，所述摆动组件包括可驱使所述激光头组件进行摆动，以调节所述激光头组件发出的激光束聚焦在所述待加工工件时的倾斜角度。本发明公开的激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，能够实现对激光头的自由调节，从而有利于满足对工件进行高精度的表面磨平加工的需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工的技术领域，尤其涉及一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备。
背景技术
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的，利用激光束的高能量和高聚焦性质，通过对工件表面进行加热、熔化、蒸发、燃烧等处理方式，实现对材料的切割、雕刻、焊接、打孔、表面改性以及磨平等操作，具有加工速度快、表面变形小，可加工各种材料等优点，因此广泛应用于各种工业制造领域。
现有技术中通过激光对金刚石等坚硬工件进行减薄、抛光、磨平等加工工艺时，需要十分注意激光焦深的问题，从而对激光束照射在工件物料的角度具有较高的精度要求，但现有用于激光加工的激光头多是固定的或是难以对其摆放角度进行比较精确的调整的，导致激光的射出角度较为受限或调节精度较低，无法满足对坚硬工件进行高精度加工的需求。
因此，为了解决现有激光加工技术存在的激光头调节不便和调节精度较低的缺点，本专利提出一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备。
发明内容
本发明提出的一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，能够实现对激光头的摆放角度自由调节，从而有利于实现对激光束照射倾斜角度的自由调节，以满足对工件进行高精度激光加工的需求。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，包括载物台、激光头组件、摆动组件；
所述载物台用于承载待加工工件；
所述激光头组件用于对所述待加工工件进行激光加工，所述激光头组件与所述摆动组件连接，所述摆动组件包括可驱使所述激光头组件进行摆动，以调节所述激光头组件发出的激光束聚焦在所述待加工工件时的倾斜角度。
可选地，所述摆动组件包括转轴，通过所述摆动组件可驱使所述激光头组件绕所述转轴摆动。
可选地，包括转动组件，所述转动组件与所述待加工工件连接，通过所述转动组件可驱动所述待加工工件水平旋转。
可选地，包括Z轴移动模组，所述Z轴移动模组通过所述摆动组件与所述激光头组件连接，通过所述Z轴移动模组可竖直移动所述所述激光头组件。
可选地，所述载物台包括X轴移动模组和Y轴移动模组，所述待加工工件放置在所述X轴移动模组和所述Y轴移动模组上，通过所述X轴移动模组和所述Y轴移动模组可水平移动所述待加工工件。
可选地，包括底座和支撑柱，所述底座上放置有所述载物台，所述支撑柱设于所述底座上方，所述支撑柱与所述激光头组件连接并起到固定支撑作用。
可选地，所述载物台设有多个。
可选地，所述激光头组件包括依次连接的光纤激光发射器、准直隔离器和振镜，所述振镜的输出端朝向所述待加工工件，所述光纤激光发射器发出的激光经所述准直隔离器和所述振镜的调节后，聚焦在所述待加工工件上。
可选地，包括工控机，所述工控机分别与所述摆动组件、所述激光头组件电性连接。
可选地，所述工控机包括控制显示器，所述控制显示器用于控制和显示所述激光头组件的相关参数和加工结果。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
通过采用摆动组件驱使激光头组件进行摆动，以对激光头组件聚焦到待加工工件的激光的发射角度进行调节，能够实现对激光的发射角度的更加方便快捷、范围更大、精度更高的自由调节，从而有利于满足对坚硬工件进行高精度的表面磨平加工的需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备的结构示意图；
图中：
载物台1、X轴移动模组11、Y轴移动模组12、摆动组件2、准直隔离器3、振镜4、待加工工件5、转动组件6、Z轴移动模组7、底座8、支撑柱9。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，包括载物台1、激光头组件、摆动组件2；
载物台1用于承载待加工工件5；
激光头组件用于对待加工工件5进行激光加工，激光头组件与摆动组件2连接，摆动组件2包括可驱使激光头组件进行摆动。
具体地，现有技术在对诸如金刚石之类较为坚硬的物件进行激光减薄抛光的工艺时，对激光的焦深具有较高的要求，当激光的焦深远大于20 µm，那么20 µm范围外能量也会对抛光面产生一定的影响，因此通常要求激光焦深在20µm以下。其中，焦深是焦点深度的简称，而激光焦深是激光加工中的一个重要参数，它是指激光聚焦后在对焦平面内光强分布降到一定程度时，光线传播的距离，激光焦深的大小决定了材料加工时的加工精度和加工效率。
并且在采用振镜对激光束进行调节时，虽然较长的激光工作距离和激光加工均匀的优点，但振镜调节后的激光束的焦深比较大。根据下列公式（1）和公式（2），以及焦深是波长误差的允许离焦量，可以得出数值孔径与焦深成反比，波长与焦深成正比。
N.A.=n•Sinθ （1）
（2）
其中，N.A.为数值孔径，λ为光学系统参考波长，n为物空间折射率，θ为孔径角的一半，为焦深。
因此在采用振镜对激光束进行调节时，激光束的波长要尽可能的小，但也因此激光束的能量密度会较高。而采用这种高功率激光能量对金刚石进行加工时，高斯分布衍生出的能量分布不均会导致焦深仍可能大于20µm。又从上述公式（1）和公式（2）可得知焦深与激光束的倾斜照射角度即sinθ紧密相关，因此本实施例通过使激光束倾斜照射而聚焦于工件，并调节激光束的倾斜照射角度，可以保证焦深小于20µm和激光能量的均匀性分布。
通过采用摆动组件2驱使激光头组件进行摆动，以对激光头组件聚焦到待加工工件5的激光的照射角度进行调节，能够实现对激光的发射角度的更加方便快捷、范围更大、精度更高的自由调节，从而有利于满足对坚硬工件进行高精度的表面磨平加工的需求，进而有利于提高激光加工质量和完善激光加工效果。
进一步地，通过上述公式和对高斯分布能量的计算，在确定物镜的倍数后，可以计算出最佳的激光倾斜角度，以实现激光加工时能量均匀分布的技术效果。
在一个可选的实施例中，摆动组件2包括转轴，通过摆动组件2可驱使激光头组件绕转轴摆动。
如图1所示，在本实施例中，转轴垂直于XZ平面，并且转轴设于激光头组件侧边，与激光头组件上端侧面垂直连接，通过外设驱动装置驱动转轴转动，即可带动激光头组件绕其上端的转轴摆动，从而实现对激光头组件的自由便利的调节。
其中，待加工工件5位于激光头组件正下方，通过摆动激光头组件即可调节激光发射聚焦到待加工工件5表面的角度，从而扩大激光头组件的激光加工范围。
在一个可选的实施例中，包括转动组件6，转动组件6与待加工工件5连接，通过转动组件6可驱动待加工工件5水平旋转。
具体地，在对诸如金刚石之类较为坚硬的物件进行激光减薄抛光的工艺时，为了使激光能量均匀分布，还需要考虑到激光的移动轨迹问题。激光加工时需要将激光束的焦点按照固定轨迹从外围向中心移动，以实现对金刚石的均匀减薄加工，其中包括激光从圆周到圆心的直线运动和金刚石自身的圆周运动，两者形成一个耦合。
因此，如图1所示，通过设置转动组件6与待加工工件5连接，使转动组件6带动待加工工件5沿着XY水平面旋转，从而驱使待加工工件5在激光加工时进行旋转，能够便于实现对金刚石的精确加工并起到保证加工质量的效果。
进一步地，通过下列经推导出的关于激光光斑运动周期的公式（3），可以得出在每一次激光光斑运动周期内，通过对激光光斑运动周期的时间和激光光斑运动轨迹的对应关系进行调节，使每一次激光光斑运动周期的时间与激光光斑运动轨迹都满足下列公式（3）的对应关系，即可实现激光加工时能量的均匀分布。
（3）
其中，α为常数，E为单脉冲能量，T为周期频率，V为扫描速度，r为距离圆心的半径，Ddeep为激光能量。
例如，当在最外围半径为r1的圆周上运动时，将激光光斑运动周期的时间设置为T1，而当在半径为r2的圆周上运动时，则需要将激光光斑运动周期的时间设置为(r2/ r1)T1，从而使每个运动周期都能满足运动轨迹与运动时间的对应关系时，以确保每一圆周运动周期的激光输出总量相等，即确保激光能量分布均匀。
具体地，通过外设驱动装置对转动组件6进行控制，使激光照射在待加工工件5不同地方时，待加工工件5的旋转速度都不同，使得激光照射在待加工工件5的每个圆周时待加工工件5的旋转时间都不同，从而实现在每个激光圆周照射周期内，对激光照射在待加工工件5上的时间的精确控制，以确保在每一个激光圆周照射周期内，激光输出的总量都相等，从而实现激光能量均匀分布。
同样地，通过外设脉冲电机进行驱动，并按照类似方式对脉冲电机转速进行脉冲调节也是可以实现激光能量均匀分布的。
在一个可选的实施例中，包括Z轴移动模组7，Z轴移动模组7通过摆动组件2与激光头组件连接，通过Z轴移动模组7可竖直移动激光头组件。
具体地，如图1所示，Z轴移动模组7是先与摆动组件2连接，再通过摆动组件2与激光头组件实现连接的。通过设置驱动组件分别对Z轴移动模组7进行驱动，则可驱使激光头组件沿Z轴竖直方向移动。通过激光头组件，可以调节激光头组件与载物台1上的待加工工件5的距离，从而实现对激光加工的范围精度等的调节。
在一个可选的实施例中，载物台1包括X轴移动模组11和Y轴移动模组，待加工工件5放置在X轴移动模组11和Y轴移动模组12上，通过X轴移动模组11和Y轴移动模组12可水平移动待加工工件5。
具体地，如图1所示，X轴移动模组11和Y轴移动模组12上下相连，Y轴移动模组12设于X轴移动模组11上方，通过设置驱动组件分别对X轴移动模组11和Y轴移动模组12进行驱动，则可分别驱使放置在X轴移动模组11和Y轴移动模组12上待加工工件5沿X轴和Y轴的水平方向移动，从而便于在激光头组件对待加工工件5进行加工时，对待加工工件5进行移动，从而完成对待加工工件5表面全覆盖的加工。同时，本实施例的X轴移动模组11和Y轴移动模组12结构简单，易于设置安装的优点。此外，在其他实施例中，还可在Y轴移动模组12上设置水平旋转驱动装置，从而驱使待加工工件5在加工时进行旋转，以便于提高加工效率。
在一个可选的实施例中，包括底座8和支撑柱9，底座8上放置有载物台1，支撑柱9设于底座8上方，支撑柱9与激光头组件连接并起到固定支撑作用。
具体地，设置底座8可用于承载整个设备，而支撑柱9是通过Z轴移动模组7与和激光头组件实现连接，从而使支撑柱9对和激光头组件起到固定支撑的作用。
在一个可选的实施例中，载物台1设有多个。
具体地，通过设置多个载物台1，能够更加便于待加工工件5的输送和替换，从而提高激光加工效率。
在一个可选的实施例中，激光头组件包括依次连接的光纤激光发射器、准直隔离器3和振镜4，振镜4的输出端朝向待加工工件5，光纤激光发射器发出的激光经准直隔离器3和振镜4的调节后，聚焦在待加工工件5上。
具体地，振镜4是一种光学元件，它用于控制激光束的方向和位置。振镜4通常是平面镜或反射镜，它们可以被精确地调整以改变激光束的传播方向。振镜4通常由具有高反射率的镜子制成，以确保激光光束被完全反射，而不是被吸收或散射。
准直隔离器3是光学系统中的一种重要元件，将进射的激光束转化成准直的平行光线，同时过滤掉散乱和干扰光线，保证光路的清晰和稳定，防止光路产生干扰和噪声，并且可以调节光的亮度和强度，以适应不同的光学系统需求。
如图1所示，光纤激光发射器（图中未示出，光纤激光发射器是固定设置于准直隔离器3的上方，其输出端通过一根光纤与准直隔离器3位于上端的输入端连接）发出的激光，经准直隔离器3以及振镜4的调节后，聚焦至待加工工件5的表面，从而实现对待加工工件5的激光切除加工。
在一个可选的实施例中，包括工控机，工控机分别与摆动组件2、激光头组件电性连接。
具体地，通过设置工控机分别与摆动组件2、激光头组件电性连接，能够便于通过工控机实现对摆动组件2和和激光头组件的各种参数、数据、工序进行设定、获取以及操作。
在一个可选的实施例中，工控机包括控制显示器，控制显示器用于控制和显示激光头组件的相关参数和加工结果。
具体地，通过在工控机上设置控制显示器，能够控制和展现各种加工的数据和图像，从而便于激光加工操作和激光结果的查看。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光头可摆动的材料表面激光磨平设备，其特征在于，包括载物台、激光头组件、摆动组件；
所述载物台用于承载待加工工件；
所述激光头组件用于对所述待加工工件进行激光加工，所述激光头组件与所述摆动组件连接，所述摆动组件包括可驱使所述激光头组件进行摆动，以调节所述激光头组件发出的激光束聚焦在所述待加工工件时的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述摆动组件包括转轴，通过所述摆动组件可驱使所述激光头组件绕所述转轴摆动。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：包括转动组件，所述转动组件与所述待加工工件连接，通过所述转动组件可驱动所述待加工工件水平旋转。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：包括Z轴移动模组，所述Z轴移动模组通过所述摆动组件与所述激光头组件连接，通过所述Z轴移动模组可竖直移动所述所述激光头组件。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述载物台包括X轴移动模组和Y轴移动模组，所述待加工工件放置在所述X轴移动模组和所述Y轴移动模组上，通过所述X轴移动模组和所述Y轴移动模组可水平移动所述待加工工件。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：包括底座和支撑柱，所述底座上放置有所述载物台，所述支撑柱设于所述底座上方，所述支撑柱与所述激光头组件连接并起到固定支撑作用。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述载物台设有多个。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述激光头组件包括依次连接的光纤激光发射器、准直隔离器和振镜，所述振镜的输出端朝向所述待加工工件，所述光纤激光发射器发出的激光经所述准直隔离器和所述振镜的调节后，聚焦在所述待加工工件上。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：包括工控机，所述工控机分别与所述摆动组件、所述激光头组件电性连接。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述工控机包括控制显示器，所述控制显示器用于控制和显示所述激光头组件的相关参数和加工结果。
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