CN206764133U

CN206764133U - 一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备

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Publication number: CN206764133U
Application number: CN201621147574.2U
Authority: CN
Inventors: 段军; 张菲; 胡乾午; 曾晓雁; 蒋明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2026-10-21

Abstract

本实用新型公开了一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备。所述激光加工头包括壳体、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪、电机驱动机构和吸尘保护罩，具有多种加工模式、可灵活选择激光器、容易更换特点。所述多光源、多功能、多轴激光加工装备包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床和前述激光加工头，激光加工头通过刀柄式定位锥装置固定于高精度多轴联动机床上，进行大幅面、跨尺度的激光精细加工只需通过激光光源、激光光路和激光加工头的切换，即可实现至少三种以上大型复杂构件精细表面加工应用，特别适用于航空航天领域。本实用新型具有制造成本低，应用范围广，便于批量生产等优点。

Description

一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光加工头及其构成的激光精密制造装备。

技术背景

在航空航天的三维复杂构件精密加工中，存在大量非规则曲面构件表面图案制作、尺寸修理及化铣刻型需求，其共同特点是表面精细加工，构件尺寸一般为数米，制造精度达数十微米，而且材料各异，属于典型的不同材料“复杂曲面跨尺度”制造。传统的多轴机械加工方法加工精度和一致性差且生产效率极低，难以满足实际应用要求。

例如，在导弹和飞机雷达罩频率选择表(FSS)天线雷达罩以及航天器固面天线反射器方面，制造尺寸一般从0.3～3m不等，但加工图形尺寸精度要求达到10～20μm的量级。现在常用的FSS天线罩的传统成型工艺有两种，一种是间接转移法，在薄膜基底上采用镀膜、光刻得到柔性FSS膜，然后转移到天线罩上。但FSS膜分块贴覆在天线罩表面时，拼接误差等造成FSS 周期微结构完整性和精确性遭到破坏，直接影响天线罩透波性能和隐身性能，造成与设计技术指标差距较大，无法满足型号技术指标要求。另一种是数字化机械加工，该方法难点在于加工系统的设计以及加工精度和机械应力的控制，加工中各种误差的累积和变形会严重影响FSS天线罩的传输特性。

飞机发动机的空心叶片陶瓷修芯技术一直是空心叶片铸造中的关键技术之一，它决定了叶片的尺寸精度、合格率和铸造成本以及飞机发动机的使用性能和寿命。随着发动机技术的发展，叶片的气冷结构趋于复杂化，作为形成空心叶片气冷结构的陶瓷型芯也逐渐薄壁化，结构复杂化。如双层陶瓷芯的特征：槽、柱、孔、腔等由于结构复杂、薄壁(0.6-1.0mm)导致尺寸修芯难度较大，现有人工机械修芯手段无法保证精度，导致精度差且效率低，难以满足质量要求。

化铣刻型轻量化是航空航天和武器装备制造的难点问题，是提高火箭、导弹推重比以及综合性能的重要途径。然而，现在国内普遍采用传统人工刻型工艺。由于人工刻型过程中误差累积较大，不能自动化，加工效率低，加工周期长，无法保证零件尺寸的精准性和一致性，很难保证胶膜刻断，不伤及基体金属以及外形线所需的精度要求，同时还需要大量的刻型样板。

激光由于具有聚焦光斑直径小、能量密度高、非接触式加工(无刀具磨损)、柔性程度高、无掩膜等特点，非常适合难加工材料：超软、超硬、超脆、超薄等特殊材以及各种复杂形状微结构制造。但是，由于上述加工材料的光学特性和物理化学属性都有较大的差别，对激光波长、波形和功率有不同的要求。现有技术只能采用单一激光源，难以达到对上述所有材料都能进行精密加工的目的。如果采用一台三维激光加工装备用于上述某一种精密加工应用，则必须采用多台不同激光波长光源的三维激光加工装备才能满足以上三种应用要求，导致研制的三维激光加工装备成本昂贵，应用范围单一，无法批量生产的问题。

发明内容

针对以上航空航天各种材料和复杂构件表面图案精密加工、尺寸修理和化铣刻型的重大需求，本实用新型提出一种多光源、多功能、多轴激光加工方法及装备，目的是在一台加工设备上实现陶瓷、金属、金属-聚合物复合材料的精密切割、刻蚀等多种激光精细加工制造功能，并同时保证精密加工制造尺寸精度和质量要求。

本实用新型提出的一种激光加工头，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：

所述壳体(51)开设有外部激光进光孔、光纤激光进光孔、出光孔和测距孔；出光孔和测距孔位于激光加工头壳体底面，进光孔、出光孔和测距孔分别用于外部激光入射、光纤激光入射、聚焦后激光和激光测距仪检测光通过；

所述光路系统用于对激光整形并使其投射到加工焦平面上，根据不同波长激光选用匹配的光学器件，集成在不同激光加工头内；光路系统可灵活拆装更换，以适用于不同波长激光；

所述定位锥盘状连接机构(17)安装于壳体(51)侧壁外部，用于与数控机床固定连接，不同激光加工头可通过定位锥盘状连接机构(17)灵活拆装更换；定位锥盘状连接机构(17)中部开有通光孔，该孔与壳体外部激光进光孔正对，用于外部激光馈入加工头；

所述激光测距仪(20)安装在壳体(51)内，工作时其出射的检测激光束和反射激光束均通过壳体底面测距孔，激光测距仪出射的检测激光束在激光加工焦平面上的光斑与激光加工光斑重合，用于测量激光加工焦平面高度偏差；

所述电机驱动机构(18)安装在壳体(51)内部，用于驱动光路系统和激光测距仪在工件表面的法线方向移动；

所述吸尘保护罩(22)位于激光加工头底部，围绕壳体(51)出光口安装，通过与外部吸尘管连接以吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。

进一步的，所述激光加工头壳体外部安装有光纤激光器。

进一步的，所述光路系统有两种工作方式：

动态聚焦方式：光路系统包括90°反射镜和聚焦镜，安装在激光加工头壳体内侧壁，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射到聚焦镜，由其将激光束聚焦，经出光孔投射到工件表面；

三维扫描方式：光路系统包括90°反射镜、二维高速扫描振镜和扫描场镜，安装在壳体内部，进光孔入射的激光束首先经过90°反射镜反射后平行入射进入扫描振镜，再经过扫描场镜聚焦，由出光孔投射到工件表面。

根据前述的激光加工头，提出一种多光源、多功能和多轴激光精密制造装备，该装置还包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床；其中：

所述装备控制操作系统基于PC机构成，用于控制多轴联动数控机床和激光加工头的整体运行，包括但不限于实现大型复杂曲面模型的非规则分区规划、曲面加工图形精度补偿、加工路径模拟仿真和防碰撞实时监测功能；

所述多轴联动主机床采用至少有五轴的高精度联动数控机床，包括X、 Y、Z三维直线移动轴、旋转轴C和摆动轴A；所述激光加工头安装在摆动轴A上；所述多轴联动数控机床的Z轴上预留有安装气体激光器及其光路系统位置，加工时，可根据材料特性选择使用气体激光器或加工头内部安装的光纤激光器；

使用中，当采用动态聚焦方式工作时，激光加工头在数控机床带动下动作，激光光斑的移动由数控机床控制；激光从激光头壳体入光孔进入，经光路系统整形聚焦，由壳体底部吸尘保护罩内的出光口射出，聚焦在工件表面；所述激光测距仪发出激光，通过外壳测距孔投射到工件表面，测量工件高度数据，送入装备控制操作系统，由装备控制操作系统实时调整焦点高度到工件表面，实现动态跟踪聚焦；

当采用三维扫描方式工作时，激光加工头在数控机床带动下动作，激光光斑移动由二维高速扫描振镜控制；激光从激光头壳体入光孔进入，经反射镜、扫描振镜和场镜，经由壳体底部吸尘保护罩射出，聚焦在工件表面；所述激光测距仪发出激光，通过外壳测距孔投射到工件表面，测量工件高度数据，送入装备控制操作系统，由装备控制操作系统调整焦点高度。

进一步的，所述多轴联动数控机床为龙门式五轴机床。

进一步的，所述激光加工头还包括光束指向/功率检测模块，用于对激光光束指向和激光功率进行实时监测；光束指向/功率检测模块安装在光路系统中90o反射镜的后部，从90o反射镜透射出的部分激光入射进入光束指向/功率检测模块的检测窗口，实现对激光光束指向和激光功率进行实时监测。对于所述光源、多功能和多轴激光精密制造装备，监测结果被反馈至装备控制操作系统中；装备控制操作系统对检测结果进行分析，若光束指向/功率符合要求，则不调节；若光束指向不符合要求，则发出指令，通过光束指向校正机构调节90度反射镜改变激光传播方向；若光束功率不符合要求，则通过装备控制系统调整发出的激光功率大小指令对激光功率进行调节，实现闭环反馈调节。

进一步的，所述激光器是超快或纳秒光纤激光器。

本实用新型将不同波长的光纤激光源和CO₂激光源、各自的光路优化、控制和传输定位系统以及不同加工模式的激光加工头，集成于一台多轴联动主机床上，形成一台多光源、多功能和多轴的复杂构件表面跨尺度高效激光精细制造装备。如何设计实现不同激光光路之间互不干涉，实现不同加工头之间的快速切换，同时保证更换不同激光加工头时加工定位精度和重复定位精度是本实用新型的难点所在。该装备同时还具有在线监测与补偿、光束空间高速传输定位、光束空间指向/功率实时校正等模块，保证精密加工制造尺寸精度和质量要求。

本实用新型所用多轴联动主机床为五轴及以上高精度联动数控机床。摆动轴上安装有刀柄式连接装置，可分别与采用不同加工模式和不同激光源类型的激光加工头进行连接，方便各种激光加工头之间的精确对位和快速切换。

本实用新型所用激光加工头光源可采用光纤激光器或CO₂激光器，其中光纤激光器包含纳秒或超快(皮秒、飞秒)光纤激光器。两种不同类型激光器的激光加工头均可采用三维扫描或动态聚焦两种加工方式，从而组成四种类型的激光加工头：(1)三维扫描式光纤激光加工头；(2)动态聚焦式光纤激光加工头；(3)三维扫描式CO₂激光加工头；(4)动态聚焦式CO₂激光加工头。

纳秒和超快光纤激光器以及各自的光路系统分别安装在各自的加工头上，CO₂激光器和它的光路系统安装在五轴联动数控机床的垂直上下移动的 Z轴上，各加工头转换时光程固定，各自光路传输定位互不干涉。

动态聚焦式激光加工头(含动态聚焦式光纤激光加工头和动态聚焦式 CO₂激光加工头)是由自动对焦动态调控系统和焦平面沿工件法线方向移动机构、吸尘保护罩和定位锥刀柄连接机构组成1维加工头，通过定位锥盘状连接装置固定于多轴联动数控机床的摆动轴A上，可实现“N+1”轴激光轮廓轨迹加工模式；

三维扫描式激光加工头(含三维扫描式光纤激光加工头和三维扫描式 CO₂激光加工头)是由二维高速扫描振镜、自动对焦动态调控系统、焦平面沿工件法线方向移动机构和定位锥盘状连接机构组成的三轴加工头，通过定位锥盘状连接装置固定于五轴联动数控机床的摆动轴A上，可实现“5+3”轴激光三维高速扫描加工模式。

通过高度智能化总体控制软件、在线自动对焦与定位、投影扫描刻蚀路径优化、在线监测与补偿等功能，将多轴联动数控机床、多光源、两种加工模式的刀柄式激光加工头系统集成为一台多光源、多功能、多轴激光跨尺度高效激光精密制造装备。不同类型激光加工头可以按照不同材料加工实际需求切换，实现大幅面、跨尺度的激光精细刻蚀、切割加工，取代传统的五轴机械和激光加工方法。

在航空航天领域，典型的大幅面、跨尺度激光精细刻蚀加工包括复杂构件金属膜层三维投影式激光刻蚀加工和空心叶片内模激光精细修芯加工，激光精细切割加工包括三维金属化铣件激光刻型加工。

由于航空航天的复杂表面复杂图形制作的构件均是由金属膜层和光纤环氧树脂有机复合材料组成，采用对金属材料吸收率较好，对有机复合材料透射率较高的近红外纳秒、超快光纤激光源的三维扫描式光纤激光加工头，与龙门五轴机床的摆动轴A连接，实现复杂构件表面复杂图形“5+3”轴激光三维高速扫描精密加工。

对于发动机空心叶片陶瓷激光修芯，由于激光刻蚀是一种无接触、无机械切削力的加工方式，适合超软、超硬、超脆、超薄等难加工物质的加工，无工具磨损问题，且夹具仅负责支撑定位，无刚性要求，特别适用于形状复杂且薄壁熔点高、硬度大和质地脆的发动机空心叶片陶瓷型芯修芯技术。此外，采用超快脉冲激光可获得激光聚焦光斑小以及气化去除陶瓷材料机制，实现亚微米量级的去除精度。所以，加工精度高，对工件热影响区小，不易造成型芯局域变形，易于保证陶瓷型芯尺寸和形状精度，实现对陶瓷型芯结构部分进行精细修理。因此，对于曲面陶瓷型芯的尺寸精密修理，采用超快光纤激光器，将动态聚焦式光纤激光加工头或三维扫描式光纤激光加工头与龙门五轴机床的摆动轴A连接，可实现“5+1”轴超快激光三维轮廓轨迹精密刻蚀或“5+3”轴超快激光三维高速扫描精密刻蚀尺寸修芯应用。

对于航空航天的复杂构件化铣激光刻型加工，由于合金金属薄壁化铣件的保护胶通常属于聚乙烯基树脂和丁苯橡胶合成橡胶或天然橡胶类材料，对波长为10.6μm的CO₂激光器的吸收率接近100％，而对近红外光纤激光透射率较高。而钛和铝合金对10.6μm的CO₂激光器的吸收率仅为8％左右，但对近红外光纤激光吸收率较高。为了达到激光刻透保护胶，但不损伤金属零件表面目的，采用CO₂激光源是最为合适的激光光源。将动态聚焦式或三维高速扫描式CO₂激光加工头与龙门五轴机床的摆动轴A连接，实现复杂构件表面保护胶“5+1”轴CO₂激光三维轮廓轨迹精密刻型或“5+3”轴CO₂激光三维高速扫描精密刻型，取代传统的人工机械刻型。

综上所述，多光源、多功能、多轴跨尺度高效激光精密加工方法及装备的特点是一种通用型高端激光精细制造装备，而不是专用型装备，只需通过激光光源、激光光路和激光加工头的切换，即可实现航空航天至少三种以上大型复杂构件精细表面加工应用。因此，该实用新型装备具有制造成本低，应用范围广，模块式结构，便于批量生产等优点。

附图说明

图1是多光源、多功能、多轴跨尺度高效激光精密制造装备的实例结构示意图；

图2是动态聚焦式CO₂激光加工头结构示意图；

图3是动态聚焦式CO₂激光加工头光路示意图；

图4是三维扫描式CO₂激光加工头结构示意图；

图5是三维扫描式CO₂激光加工头光路示意图；

图6是动态聚焦式光纤激光加工头结构示意图；

图7是动态聚焦式光纤激光加工头光路示意图；

图8是三维扫描式光纤激光加工头结构示意图；

图9是三维扫描式光纤激光加工头光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型实例提供的一种多光源、多功能、多轴跨尺度高效激光精密制造装备，包括装备控制操作系统平台1，龙门式五轴联动高精度数控机床50和可互换刀柄式激光加工头60三大部分。装备控制操作系统1由电脑、控制电气元件、操作平台组成。负责控制操作装备的龙门式五轴机床、不同波长激光器以及不同加工模式的激光加工头的整体运行。龙门式五轴机床50的底座2将装备总体固定于地面上，且底座装有减震与稳定装置，可过滤细微的震动，增强装备的稳定性，保证加工的精确度。高精度直线移动轴6为装备的第1轴(Z轴)，负责带动可互换刀柄式激光加工头60沿Z方向移动，并通过限位机构9和挡板10固定于高精度直线移动第2轴5上(为装备Y轴)，第2轴5带动Z轴和可互换刀柄式激光加工头60沿Y的方向移动。Y轴5通过连接机构4固定于高精度直线移动第3轴3上(为装备X轴)，第3轴3带动Y轴、Z轴和可互换刀柄式激光加工头60一起沿X方向移动。高精度旋转C轴12为装备第4轴，通过柱状连接构件11固定于Z轴末端，负责可互换刀柄式激光加工头60以Z轴为中心轴，高精度360°旋转。高精度摆动A轴15为装备的第5轴，通过柱状连接机构13和导向机构14固定于高精度旋转轴12上，负责带动可互换刀柄式激光加工头60以Y轴为中心轴进行±180°高精度摆动(见图2所示)。定位锥套盘状连接机构16固定于高精度摆动A轴15上，负责与可互换刀柄式激光加工头60高精度同轴定位和连接与拆卸，实现不同加工模式的可互换刀柄式激光加工头60高精度同轴心定位切换功能。CCD光学检测定位系统40安装在A轴下端，随A轴摆动，实现激光加工光学检测定位功能。

可互换刀柄式激光加工头60有四种激光加工模式的激光加工头。第一激光加工模式是CO₂激光动态聚焦加工模式，由中心为通孔的第一定位锥盘状连接机构17和CO₂激光加工头19组成(见图2所示)。第一定位锥盘状连接机构17用于与定位锥套盘状连接机构16耦合，实现可互换刀柄式激光加工头60与五轴机床50高精度连接固定。

CO₂激光器7和CO₂光学系统8固定于高精度移动Z轴6上，随Z轴6 沿Z的方向移动(见图1所示)。CO₂激光器7负责输出波长为10.6μm的 CO₂激光束，其光轴与Z轴的轴心重合，经过光学系统8扩束准直与整形后，输入到安装在数控机床Z轴与摆动轴连接的关节位置的导向机构14内的圆偏振反射镜35中心(见图2和图3所示)，将偏正光进行修偏成圆偏正光，消除激光加工的方向性偏差,可提高加工质量。圆偏振反射镜35将CO₂激光束90°反射导入CO₂激光加工头19中的99％反射镜37。数控机床光束指向校正机构34固定于圆偏振反射镜35上，通过微调圆偏振反射镜35，保证校正激光束空间指向99％反射镜37中心。99％反射镜37将99％CO₂激光功率 90°反射到聚焦镜21表面上，被聚焦到待加工工件23表面上。其余1％的CO₂激光功率透射至位于99％反射镜正后方的光束指向/功率检测模块38内，用于对激光光束指向/功率进行实时监测，并将监测结果反馈至装备CAD系统中。CAD系统对检测结果进行分析，若光束指向/功率符合要求，则不调节；若光束指向/功率不符合要求，则CAD系统发出指令，分别控制光束指向校正机构34和CO₂激光器7对激光传播方向和激光功率进行微调校正，实现闭环反馈实时调节校正，保证激光加工精度和质量。激光测距仪20的功能是实时监测激光聚焦点位置，并与CO₂激光聚焦镜21一起固定在电机驱动机构18上(为装备的第六轴)。当激光焦点设定在待加工工件表面时，一旦激光测距仪20监测到激光焦点偏离了工件23表面，立刻通过电机驱动机构18将激光焦点迅速调回到工件23表面上，实现自动对焦动态调节功能。吸尘保护罩22的功能是吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。

将龙门式五轴联动数控机床50通过A轴的定位锥套盘状连接机构16，与可互换式激光加工头60的第一定位锥盘状连接机构17耦合连接固定，即可获得(5+1)轴CO₂激光三维精密化铣刻型装备，实现三维化铣激光轮廓轨迹刻型保护胶应用。

可互换刀柄式激光加工头60的第二种加工模式是三维CO₂激光高速扫描加工头，由第二定位锥盘状连接机构29和CO₂激光三维扫描加工头51以及吸尘保护罩54组成(见图4所示)。CO₂激光三维扫描加工头51由99％反射镜37、激光功率检测模块38、导光镜58、2维CO₂激光扫描振镜55、远心扫描聚焦镜57、激光测距仪20和沿加工工件表面法线方向上下移动机构 56组成(见图4和5所示)。导光镜58、CO₂激光扫描振镜55、远心扫描聚焦镜57和激光测距仪20固定于移动机构56上，可随移动机构56沿加工工件表面法线方向上下移动。2维CO₂激光扫描振镜55的2轴与沿加工工件 23表面法线方向上下移动机构56组成三维激光高速扫描的3个轴(装备的第6、7、8轴)。

CO₂激光器7输出波长为10.6μm的CO₂激光束，经过光学系统8扩束准直与整形后，输入到安装在导向机构14内的圆偏振反射镜35中心(见图1和图5所示)，将偏正光进行修偏成圆偏正光，消除激光加工的方向性偏差。圆偏振反射镜35将CO₂激光束90°反射导入CO₂激光三维扫描加工头 51中的99％反射镜37。光束指向校正机构34固定于圆偏振反射镜35上，通过微调圆偏振反射镜35，保证校正激光束空间指向99％反射镜37中心。 99％反射镜37将99％CO₂激光功率90°反射到导光镜52上，被90°导入CO₂激光扫描振镜55中，经远心扫描聚焦镜57聚焦到待加工工件23表面上。其余1％的CO₂激光功率透射至位于99％反射镜正后方的光束指向/功率检测模块38内，用于对激光光束指向/功率进行实时监测，并将监测结果反馈至装备CAD系统中。CAD系统对检测结果进行分析，若光束指向/功率符合要求，则不调节；若光束指向/功率不符合要求，则CAD系统发出指令，分别控制光束指向校正机构34和CO₂激光器7对激光传播方向和激光功率进行微调校正，实现闭环反馈实时调节校正，保证激光加工精度和质量。激光测距仪20的功能是实时监测激光聚焦点位置。当激光焦点设定在待加工工件23表面时，一旦激光测距仪20监测到激光焦点偏离了工件23表面，立刻通过移动机构56将激光焦点迅速调回到工件23表面上，实现自动对焦动态调节功能。吸尘保护罩54的功能是吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。

将龙门式五轴联动数控机床50通过A轴的定位锥套盘状连接机构16，与可互换式激光加工头60的第二定位锥盘状连接机构29耦合连接固定，即可获得(5+3)轴CO₂激光三维精密化铣刻型装备，实现三维化铣激光高速扫描刻型保护胶应用。

可互换刀柄式激光加工头60的第三种加工模式是光纤激光动态聚焦加工模式，由第三定位锥盘状连接机构27、光纤激光加工头40、激光传输光纤46、激光束优化光学系统41和光纤激光器(包含连续或纳秒、超快脉冲光纤激光器)47以及吸尘保护罩42组成(见图6所示)。光纤激光加工头 40固定于第三定位锥盘状连接机构27的盘状连接机构一侧，激光束优化光学系统41和光纤激光器47分别安装在光纤激光加工头40两侧，通过激光传输光纤46相互连接。光纤激光加工头40由99％反射镜44、激光功率检测模块43、聚焦镜48、激光测距仪20和沿加工工件表面法线方向上下移动机构45组成(见图7所示)。

其工作原理是光纤激光器47输出激光束，经过激光传输光纤46，输入到激光束优化光学系统41进行扩束准直和整形纠偏优化后，导入到光纤激光加工头40中的99％反射镜44中心，将99％的激光功率90°反射到聚焦镜 48，被聚焦到待加工工件23表面上。其余1％的激光功率透射至位于99％反射镜正后方的功率检测模块43内，用于对激光功率进行检测。一旦激光功率发生偏移，功率检测模块43将会输出偏移量给光纤激光器47，迅速将激光功率调回到给定值，确保激光加工尺寸精度和质量。激光测距仪20的功能是实时监测激光聚焦点位置，并与激光聚焦镜48一起固定在沿加工工件表面法线方向上下移动机构45上(为装备的第六轴)。当激光焦点设定在待加工工件23表面时，一旦激光测距仪20监测到激光焦点偏离了工件23 表面，立刻通过移动机构45将激光焦点迅速调回到工件23表面上，实现自动对焦动态调节功能。吸尘保护罩42的功能是吸走加工过程中产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。

通过第三定位锥盘状连接机构27与数控机床上定位锥套盘状连接机构 16耦合，实现可互换刀柄式激光加工头60与五轴机床50高精度连接固定，即可获得(5+1)轴光纤激光三维精密刻蚀装备，实现三维陶瓷型芯轮廓轨迹精密刻蚀修芯应用。

可互换刀柄式激光加工头60的第四种加工模式是三维光纤激光高速扫描加工模式，由第四定位锥盘状连接机构28、三维激光高速扫描加工头70、激光传输光纤46、激光束优化光学系统41和光纤激光器(包含连续或纳秒、超快脉冲光纤激光器)47以及吸尘保护罩74组成(见图8所示)。三维激光高速扫描加工头70固定于第四定位锥盘状连接机构28的盘状连接机构一侧，激光束优化光学系统41和光纤激光器47分别安装在三维激光高速扫描加工头70两侧，通过激光传输光纤46相互连接。三维激光高速扫描加工头70由99％反射镜44、激光功率检测模块43、导光镜80、2维高速扫描振镜77、远心扫描聚焦镜78、激光测距仪20和沿加工工件表面法线方向上下移动机构81组成。2维高速扫描振镜77的2轴与沿加工工件表面法线方向上下移动机构81组成三维激光高速扫描的3个轴(装备的第6、7、 8轴)。

图9给出其工作原理，光纤激光器47输出激光束，经过激光传输光纤 46，输入到激光束优化光学系统41进行扩束准直和整形纠偏优化后，导入三维激光高速扫描加工头70中的99％反射镜44中心，将99％的近红外激光功率反射到导光镜80中心，由导光镜80将激光束导入到2维高速扫描振镜77，被远心扫描聚焦镜78聚焦到待加工工件23表面上。其余1％的近红外激光功率透射至位于99％反射镜正后方的功率检测模块43内，用于对激光功率进行检测。一旦激光功率发生偏移，功率检测模块43将会输出偏移量给光纤激光器46，迅速将激光功率调回到给定值，确保激光加工尺寸精度和质量。激光测距仪20的功能是实时监测激光聚焦点位置，并与导光镜 80、2维高速扫描振镜77和被远心扫描聚焦镜78一起固定在沿加工工件表面法线方向上下移动机构81上。当激光焦点设定在待加工工件23表面时，一旦激光测距仪20监测到激光焦点偏离了工件23表面，立刻通过移动机构81将激光焦点迅速调回到工件23表面上，实现自动对焦动态调节功能。吸尘保护罩74的功能是吸走加工产生的烟尘并防止激光外泄，保护工作环境卫生和防止人员损伤。

将龙门式五轴联动数控机床50的A轴接入可互换刀柄式激光加工头60 的第四加工模式：三维激光高速扫描加工头。通过第四定位锥盘状连接机构28与定位锥套盘状连接机构16耦合，实现可互换刀柄式激光加工头60 与五轴机床50高精度连接固定，即可获得(5+3)轴激光三维高速扫描精密刻蚀装备，实现复杂曲面跨尺度激光高速扫描三维精密图形加工和陶瓷型芯精密刻蚀修芯应用。

实例

实例一

在航空航天典型零件表面图案激光精密刻蚀加工中，零件表面制作图案的材料通常在玻璃纤维复合材料载体表面镀上一层金属膜层的多层结构，由于金属的熔点和蒸发温度远高于复合材料燃烧温度，激光去除金属膜层的同时，很难避免烧伤载体表面。在本例中，采用波长为1064nm的纳秒光纤激光器作为激光源，(5+3)轴激光三维高速扫描精密刻蚀装备对玻璃纤维复合材料载体表面镀上一层17μm厚铜膜层的多层结构复杂曲面进行投影式高速三维扫描加工。采用激光扫描刻蚀参数为纳秒激光器输出功率30W，重复频率400kHz，激光脉宽100ns，激光焦点在金属膜层表面上，激光振镜扫描速度1000mm/s，激光填充搭接率30％，配合装备的自动对聚动态调控功能，可实现零件表面的激光精密刻蚀加工，待加工铜膜层被完全去除，且所去除金属膜层边缘平滑，无毛刺、烧蚀等缺陷。加工图形和位置尺寸误差均小于20μm，载体复合材料未被烧伤，其表面在显微镜下观察无烧蚀区域，且零件整体(包括复合材料和金属膜层)均未出现形变，去除效果好。

实例二

在航空航天复杂构件的薄壁化铣件刻型中，需要满足激光必须刻透保护胶但不能损伤金属基体表面的要求。在本例中，采用(5+1)轴CO₂激光三维精密化铣刻型装备，对航空钛合金发动环型薄壁机匣化铣件的0.5mm 后的保护胶进行三维激光轮廓轨迹刻型。激光刻型参数为CO₂激光器输出连续激光功率80W，激光焦点位于保护胶表面，激光刻型速度200mm/s，配合装备的自动对聚动态调控功能，可实现保护胶完全刻透无连接，揭开保护胶后，激光刻型保护胶边缘平整光滑，无毛刺等缺陷。同时，金属基体表面未被刻伤，其表面在显微镜下观察无烧蚀区域，且零件整体(包括金属基体和保护胶层)均未出现形变，去除效果好。

实例三

在航空复杂陶瓷型芯构件的激光修理中，陶瓷型芯具有形状复杂且薄壁特点，材料具有熔点高、硬度大和质地脆的特性，在修复过程中使修理精度达到5μm数量级。本例采用(5+3)轴皮秒激光三维高速扫描精密刻蚀装备，进行复杂曲面跨尺度激光高速扫描陶瓷型芯精密刻蚀修芯。采用激光修理陶瓷型芯工艺参数为波长为1064nm的皮秒光纤激光器，输出功率20W、重复频率200kHz、脉宽150ps，激光焦点位于待修理陶瓷材料表面，配合装备的自动对聚动态调控功能，可实现激光三维陶瓷型芯精密修理。经检测，其激光修理尺寸误差精度小于3μm，且去除表面光滑平整，无微裂纹、毛刺、烧蚀等缺陷，修理效果好。

以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种激光加工头，其特征在于，包括壳体(51)、光路系统、定位锥盘状连接机构、激光测距仪(20)、电机驱动机构(18)和吸尘保护罩(22)；其中：

所述吸尘保护罩(22)位于激光加工头底部，围绕壳体(51)出光口安装。

2.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述壳体(51)外部安装有光纤激光器。

3.根据权利要求2所述激光加工头，其特征在于，所述光纤激光器是超快或纳秒光纤激光器，输出激光从加工头壳体的光纤激光进光孔送入激工加工头。

4.根据权利要求1所述激光加工头，其特征在于，所述激光加工头还包括光束指向/功率检测模块，用于对激光光束指向和激光功率进行实时监测；光束指向/功率检测模块安装在光路系统中90°反射镜的后部，从90°反射镜透射出的部分激光入射进入光束指向/功率检测模块的检测窗口，实现对激光光束指向和激光功率进行实时监测。

5.基于权利要求1所述激光加工头的一种多光源、多功能和多轴激光精密制造装备，其特征在于，还包括装备控制操作系统平台、多轴联动数控机床；

所述装备控制操作系统基于PC机构成，用于控制多轴联动数控机床和激光加工头的整体运行，实现大型复杂曲面模型的非规则分区规划、曲面加工图形精度补偿、加工路径模拟仿真和防碰撞实时监测功能；

所述多轴联动数控机床采用至少有五轴的高精度联动数控机床，包括X、Y、Z三维直线移动轴、旋转轴C和摆动轴A；所述激光加工头安装在摆动轴A上；所述多轴联动数控机床的Z轴上预留有安装气体激光器及其光路系统位置，加工时，可根据材料特性选择使用气体激光器或光纤激光器。

6.根据权利要求5所述激光精密制造装备，其特征在于，所述多轴联动数控机床为龙门式五轴机床。