CN207873390U - 用于激光微孔加工的光束扫描系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于激光微孔加工的光束扫描系统，该光束扫描系统包括：第一二维光束反射模块，第二二维光束反射模块，第一二维光束反射模块驱动控制模块，第二二维光束反射模块驱动控制模块，协同控制模块，被配置成控制第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块分别驱动第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行运动，使得入射的激光光束依次通过第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块、聚焦系统后对XY二维平面进行微孔加工，本光束扫描系统可大幅度提升现有光束扫描模块的加工效率，加工精度，稳定性以及设备寿命。

Description

用于激光微孔加工的光束扫描系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种用于激光微孔加工的光束扫描系统。

背景技术

超快激光一般是指脉冲宽度短于10ps的激光，激光的脉冲极窄，能量密度极高，与材料的作用时间极短，会产生与常规激光加工完全不同的机理，能够实现亚微米与纳米制造、超高精度制造和全材料制造。超快激光提供了前所未有的极端制造与精密制造效果，极大拓展了激光加工的潜力与应用范围。与传统加工方式相比，将超快激光应用于微小孔加工领域，对加工材料无选择性，可以大幅提高加工精度，且由于超快激光的“冷”加工机理，使得加工过程对材料表面不会产生热影响，无重铸层。

现有的超快激光微孔加工设备，主要采用光楔式，反射式以及机床复合式加工，通过控制超快激光在材料表面的作用位置以及入射角度配合Z向进给，最终实现了锥度可控，大深径比微小孔加工。激光束可以聚焦到很小的尺寸，因此特别适用于精密微加工领域。与传统加工方式相比，激光精密微加工具有如下优点：被加工材料可选择范围广，加工精度高，加工质量好，热变形小，切割缝细，切割表面光滑，节省材料。总的来说，激光精密加工技术具有传统加工无法比拟的优越性，其前景十分广阔。

当前常见的应用于激光微孔精密加工的光束扫描方式按原理分主要有：光楔折射式以及镜片反射式。光楔式按构成方式主要有四光楔、三光楔以及二光楔几种模式。反射式按构成方式主要有振镜、PZT偏摆镜、快反镜、MEMS摆镜等。对于光楔式光束扫描模块，其主要原理是通过控制多个光楔之间实时同步相位关系，结合相关光学折射原理，实现对光束扫描位置与光束入射角度控制，最终实现了微小孔加工。光楔式光束扫描模块主要技术缺陷：

1.扫描速度慢；现有的光楔式光束扫描系统，主要利用电机拖动光楔旋转，实现光束扫描，受制于结构光楔式扫描模块扫描速度也相对较慢，最终影响了微小孔加工效率，且随着更高功率、更大重频的激光器的应用，光楔式光束扫描模块将不能充分发挥昂贵激光器的加工能力。

2.结构复杂；光楔式光束扫描模块，通过控制多个光楔的实时同步运动来实现微小孔加工，结构较为复杂。且加工精度与多个光楔的实时控制精度由很大关系。由于电机控制系统本身存在一定的动态误差，且随着电机运行速度的提升，控制难度增加，动态误差有放大趋势，因此目前采用光楔式光束扫描装置对于更高精度的加工要求，目前很难达到，并且增加了制造以及维护的难度。

3.不易应对异型孔加工；受制于光楔式光束扫描模块的光学原理，整个系统较难实现异型孔加工，但圆孔加工的稳定性较好。

反射式光束扫描系统，其实现方法在特殊驱动装置下控制反射镜的姿态角度，从而控制光束的指向。此方法的缺点在于受环境影响较大，系统误差会被放大，且需要矫正机构以及扫描形状校正补偿，并且一般情况下难以实现锥度控制。优点则是扫描速度高、体积小而轻、结构简单等。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种用于激光微孔加工的光束扫描系统，包括发射激光束的激光器，还包括：

第一二维光束反射模块，用于对入射的激光光束进行反射扫描；

第二二维光束反射模块，用于对由所述第一二维光束反射模块反射出的激光光束进行反射扫描；

第一二维光束反射模块驱动控制模块，被配置成驱动所述第一二维光束反射模块；

第二二维光束反射模块驱动控制模块，被配置成驱动所述第二二维光束反射模块；

聚焦系统；

协同控制模块，分别与所述第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块电性连接，实现所述第一二维光束反射模块与所述第二二维光束反射模块的协同控制。

进一步的，所述协同控制模块，被配置成控制所述第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块分别驱动所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块、聚焦系统后对XY二维平面进行微孔加工。

进一步的，所述光束扫描系统还包括：

Z轴驱动控制模块，被配置成对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制；

所述协同控制模块还被配置成控制所述Z轴驱动控制模块对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制。

进一步的，所述光束扫描系统还包括：

激光控制模块，被配置成对激光光束进行激光参数调整；

所述协同控制模块还被配置成根据检测到的所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块实际扫描轨迹的反馈结果控制所述激光控制模块对激光参数进行对应调整。

进一步的，所述光束扫描系统还包括：

光路系统，用于对入射的激光光束进行光路调整，光路调整后的激光光束入射到所述第一二维光束反射模块。

进一步的，所述光束扫描系统还包括：

上位机，所述上位机与所述协同控制模块电性连接，向所述协同控制模块发送控制指令并接收反馈信息。

在本实用新型实施例中，协同控制模块控制第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块分别驱动第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块、聚焦系统后对XY二维平面进行微孔加工，大幅度提升现有光束扫描模块的加工效率，加工精度，稳定性以及设备寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为具体实施例中光束扫描系统的搭建图；

图2为具体实施例中光束扫描系统的原理图；

图3为具体实施例中光束扫描系统的光路示意图；

图4为具体实施例中光束扫描系统的效果仿真图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本实用新型实施例，提供了一种用于激光微孔加工的光束扫描系统，参见图1，包括发射激光束的激光器，还包括：

第一二维光束反射模块，即图示中的二维光束反射模块1，用于对入射的激光光束进行反射扫描；

第二二维光束反射模块，即图示中的二维光束反射模块2，用于对由第一二维光束反射模块反射出的激光光束进行反射扫描；

第一二维光束反射模块驱动控制模块，即图示中的二维光束反射模块1驱动控制模块，被配置成驱动第一二维光束反射模块；

第二二维光束反射模块驱动控制模块，即图示中的二维光束反射模块2驱动控制模块，被配置成驱动第二二维光束反射模块；

聚焦系统；

协同控制模块，分别与所述第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块电性连接，实现所述第一二维光束反射模块与所述第二二维光束反射模块的协同控制。

具体的，协同控制模块通过电性连接分别向第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块发送控制信号，分别驱动第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块、聚焦系统后对XY二维平面进行微孔加工。该操作大幅度提升现有光束扫描模块的加工效率，加工精度，稳定性以及设备寿命。

作为优选，光束扫描系统还包括：Z轴驱动控制模块，被配置成对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制；协同控制模块还被配置成控制Z轴驱动控制模块对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制。借助Z轴进给，最终实现锥度可控异型孔的加工。

作为优选，光束扫描系统还包括：激光控制模块，被配置成对激光光束进行激光参数调整。激光器生成激光光束后，激光控制模块对激光器生成的激光光束进行激光参数调整。

协同控制模块还被配置成根据检测到的第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块实际扫描轨迹的反馈结果控制激光控制模块对激光参数进行对应调整。可根据实际扫描轨迹的反馈结果将和激光加工紧密相关的激光参数协同进行关联调控，实现更高质量的微孔加工。

作为优选，光束扫描系统还包括：光路系统，用于对入射的激光光束进行光路调整，光路调整后的激光光束竖直入射到第一二维光束反射模块；聚焦系统，优选为聚焦镜，用于对由第二二维光束反射模块反射出的激光光束进行聚焦射出。

作为优选，光束扫描系统还包括：上位机，即图示中的上位PC，该上位机与协同控制模块电性连接，向协同控制模块发送控制指令并接收反馈信息。

在优选的实施方式中，该上位机还被配置成提供人机交互界面，与协同控制模块通过双向通信直观的反馈光束扫描系统的运行状态。

下面结合图1-3及具体实施例对本实用新型作进一步详述，本实用新型的光束扫描系统的组成可以包括：

1.激光器，用于为加工提供稳定的光源。

2.光路系统，实现激光器输出的激光调理并引导至二维光束反射模块；光路系统用于对光束进行扩束、整形，使光束竖直向下入射。

3.二维光束反射模块1，包括能够传输姿态信号的传感器如应变片或编码器等，二维光束反射模块1接收来自二维光束反射模块1驱动控制模块的驱动控制指令，实现对激光反射方向的实时控制，二维光束反射模块1包括但不限于二维振镜、二维压电陶瓷摆镜、二维快反镜以及MEMS高速偏摆镜等。

4.二维光束反射模块2，与二维光束反射模块1相同，包括能够传输姿态信号的传感器如应变片或编码器等，二维光束反射模块2接收来自二维光束反射模块2驱动控制模块的驱动控制指令，实现对激光反射方向的实时控制。其中二维光束反射模块2包括但不限于二维振镜、二维压电陶瓷摆镜、二维快反镜以及MEMS高速偏摆镜等。

5.聚焦系统，实现对加工光束的聚焦。

6.激光控制模块，接收来自协同控制模块的控制指令，被配置成控制激光器输出的实时功率、重叠率、脉冲宽度等相关参数。

7.二维光束反射模块1驱动控制模块，接收来自协同控制模块的控制指令和二维光束反射模块1反馈的姿态信号输入，驱动控制二维光束反射模块1的实时姿态。

8.二维光束反射模块2驱动控制模块，接收来自协同控制模块的控制指令和二维光束反射模块2反馈的姿态信号输入，驱动控制二维光束反射模块2的实时姿态。

9.Z轴驱动控制模块，接收来自协同控制模块的控制指令，实现对Z轴的实时控制，在一个实施方式中，Z轴控制模块可以通过控制加工平面的上升和下降来实现，在另一个实施方式中，Z轴控制模块可以通过控制整个扫描系统的上升和下降来实现光束的焦点在Z轴方向上的进给。

10.协同控制模块，实现对整个系统中各个模块的协同控制，包括两个二维光束反射模块，Z轴进给与激光器控制，实现整个加工工艺。

11.上位机，即图中的上位PC，与协同控制模块电性连接，向协同控制模块发送控制指令并接收反馈信息。还提供人机交互界面，完成加工过程中相关指令的下发与状态上传显示，提供直观的控制渠道。

本实用新型的技术方案采用两个二维光束反射模块为核心的光束扫描系统，通过控制两个二维光束反射模块进行高速同步运动，改变激光在材料表面的扫描位置与入射方向，配合Z相进给，实现锥度可控微小孔加工。

整个控制系统策略为首先控制两个二维光束反射模块进行高速同步扫描运动，并借助于对扫描轨迹的控制，实现恒线速度扫描，配合Z向进给，最终实现锥度可控微小孔加工。由于本实用新型采用两个二维光束反射模块协同控制技术，通过图1中的相关光路传输，可实现激光光斑在加工材料表面作用点与入射方向的准确控制，从而解决大深径比微孔加工过程中由于光束倾斜造成的扫边现象，进而结合Z轴方向进给运动，最终可实现锥度可控微小孔的加工。

对于协同扫描控制方式，本实用新型主要涉及两个二维光束反射模块的高速协同控制，对于其扫描轨迹的控制，协同控制模块首先根据上位机下发的指令信号和对应二维光束反射模块驱动控制模块的实时状态反馈对两个二维光束反射模块进行轨迹控制，并输出对应控制指令给二维光束反射模块1驱动控制模块和二维光束反射模块2驱动控制模块，完成协同轨迹控制指令输出。

之后，二维光束反射模块1驱动控制模块和二维光束反射模块2驱动控制模块根据接收到的协同控制模块输出的实时轨迹控制指令以及对应的二维光束反射模块的实时反馈信号，形成闭环控制，通过二维光束反射模块1驱动控制模块和二维光束反射模块2驱动控制模块内部的高性能控制驱动算法，完成对对应二维光束反射模块扫描的准确控制，最终，配合相应的Z轴进给控制，完成整个协同扫描控制功能。

在本实用新型的光路传输结构中，通过下述装调确定初始加工位置：在二维光束反射模块1，2都处于原始中间状态的情况下，激光光束经过光路系统的调理与传输，竖直向下入射进入二维光束反射模块1的中心点o1，经过反射后水平入射到二维光束反射模块2的中心点o2，再经过反射竖直向下进入聚焦系统中心点后最终作用在加工表面，完成整个光路的传递。其中，二维光束反射模块1和2的对应二维坐标系X1、X2与Y1，Y2互相平行。

当确定好两个二维光束反射模块的初始位置后，开始扫描加工，二维光束反射模块x方向的相位关系如图2所示，二维光束反射模块1用于控制光束的偏折，其相对于初始位置旋转α角，二维光束反射模块2用于控制光束的横移，其相对于初始位置旋转β角，随着加工过程不断进行，两者的角度差保持恒定，角度差根据孔径大小而确定，Y方向相位关系同样如此，从而确保两个二维光束扫描模块的同步运动。通过对两个二维光束反射模块的同步控制，可以实现激光光束在加工表面位置与入射角度的控制，从而解决大深径比微孔加工过程中由于光束倾斜造成的扫边现象，进而结合Z轴方向进给运动，最终可实现锥度可控微小孔的加工。通过控制二维光束反射模块1的扫描姿态轨迹，实现对微小孔孔型的控制；通过对二维光束反射模块2的扫描姿态与轨迹控制，来实现光束的偏折，从而实现光束在加工表面入射方向的有效控制，配合Z轴方向的纵向进给，最终实现锥度可控微小孔加工。

以典型圆形扫描为例，通过控制二维光束扫描模块1、2以特定的角度进行同步圆形扫描，在如图3所示的光路示意图中，将聚焦系统沿Y方向上下移动后，在焦平面截取扫描轨迹如图4所示。说明在不同截面上，光束与光轴的夹角都是相同的，即光束都是以锥形的角度入射的，因此分别控制两个二维光束反射模块的姿态扫描角度，可以得到特定的角度和偏移量的光束，配合Z轴进给，可实现不同锥度及孔径的微型孔加工。

其具体的工作原理为：

首先，系统上电后通过上位PC相关配套软件，输入加工相关参数；

之后，协同控制模块接收到相关参数后，将对应参数分别发送给激光控制模块，二维光束反射模块1驱动控制模块，二维光束反射模块2驱动控制模块，Z轴驱动控制模块并启动加工流程；

此后，二维光束反射模块1、2驱动控制模块根据相应参数和二维光束反射模块1、2的姿态信号，实时控制二维光束反射模块1、2的实时姿态，使得两个二维光束反射模块能够进行同步扫描，并且通过控制同步扫描轨迹与扫描范围，实现对激光光束在加工材料编码扫描位置与入射角度的控制；激光控制模块按照对应参数，在加工过程中实时控制激光器功率、重叠率、脉冲宽度等；Z轴驱动控制模块同样根据相应参数，在加工扫描过程中控制Z轴进给。

实施例2

为了更好的说明本实用新型实施例1的扫描系统，以下提供了一种光束扫描系统的光束扫描方法，包括以下步骤：

A.协同控制模块接收外部上位机的控制指令；

B.协同控制模块对控制指令进行解析生成预设的扫描轨迹；

C.协同控制模块控制第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块分别驱动第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块后对XY二维平面进行微孔加工。

光束扫描方法在步骤C之后还包括：

协同控制模块控制Z轴驱动控制模块同时对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制。借助Z轴进给，最终实现锥度可控异型孔的加工。

作为优选，光束扫描方法还包括：协同控制模块根据检测到的第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块实际扫描轨迹的反馈结果控制激光控制模块对激光参数进行对应调整。可根据实际扫描轨迹的反馈结果将和激光加工紧密相关的激光参数同步进行关联调控，实现更高质量的微孔加工。

本实用新型的技术方案采用两个二维光束反射模块为核心的光束扫描系统，通过控制两个二维光束反射模块进行高速同步运动，特别是针对异型孔加工的扫描速度，提升加工效率。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.大幅度提升扫描速度，由于本实用新型采用两个二维光束反射模块来实现光束指向控制与入射角度控制，结构轻巧，响应快，使得系统典型圆孔扫描速度可以大于500rps，相较于现有光楔式扫描速度50rps，提升约10倍；

2.结构简单，重量轻，方便安装，且可靠性高，寿命长，维护性较好；

3.可实现锥度可控大深径比圆孔与异型孔加工；

4.通过矢量伸缩、平移与旋转可实现对扫描轨迹的矫正补偿。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于激光微孔加工的光束扫描系统，包括发射激光束的激光器，其特征在于，还包括：

第一二维光束反射模块，用于对入射的激光光束进行反射扫描；

第二二维光束反射模块，用于对由所述第一二维光束反射模块反射出的激光光束进行反射扫描；

第一二维光束反射模块驱动控制模块，被配置成驱动所述第一二维光束反射模块；

第二二维光束反射模块驱动控制模块，被配置成驱动所述第二二维光束反射模块；

聚焦系统；

协同控制模块，分别与所述第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块电性连接，实现所述第一二维光束反射模块与所述第二二维光束反射模块的协同控制。

2.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述协同控制模块，被配置成控制所述第一二维光束反射模块驱动控制模块、第二二维光束反射模块驱动控制模块分别驱动所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块按照预设的扫描轨迹进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块、聚焦系统后对XY二维平面进行微孔加工。

3.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描系统还包括：

Z轴驱动控制模块，被配置成对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制；

所述协同控制模块还被配置成控制所述Z轴驱动控制模块对待加工产品进行Z轴方向微孔加工控制。

4.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描系统还包括：

激光控制模块，被配置成对激光光束进行激光参数调整；

所述协同控制模块还被配置成根据检测到的所述第一二维光束反射模块、第二二维光束反射模块实际扫描轨迹的反馈结果控制所述激光控制模块对激光参数进行对应调整。

5.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描系统还包括：

光路系统，用于对入射的激光光束进行光路调整，光路调整后的激光光束入射到所述第一二维光束反射模块。

6.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描系统还包括：

上位机，所述上位机与所述协同控制模块电性连接，向所述协同控制模块发送控制指令并接收反馈信息。