CN208289223U - 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发射激光束的激光器模块，还包括：光束二维扫描模块、光束横移模块、光束二维扫描模块驱动系统、光束横移模块驱动系统，聚焦镜、协同控制系统。本实用新型的系统实时检测光束横移模块的当前相位，对光束横移模块的当前相位和预设的光束二维扫描模块扫描轨迹进行矢量解析，解决了机械特性差异大带来的同步控制的难题，并能消除累积误差，较好的保证其长期同步精度。

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

自1960年贝尔实验室实用新型红宝石激光器以来，激光便被逐步应用于加工设备、测距设备、通讯设备等众多领域。在激光加工领域，虽然激光发射器价格非常昂贵，但由于激光加工具有传统加工无法比拟的优势，在欧美发达国家，激光加工已占据加工业50％以上份额。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主要分为：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，其中二光楔方案不具备锥度控制功能。反射式按构成方式主要有振镜、PZT偏摆镜、快反镜、MEMS摆镜等，这些扫描方式均不具备锥度控制功能，但还有若干采用上述多套反射装置的光束扫描装置，从而具备一定锥度控制的能力。

现有的光楔式光束扫描协同控制系统，其实现方法为在运动协同控制系统的协调下控制伺服电机驱动各光楔，完成各个光楔之间的协同运动，达到对光束指向控制的目的。此方法的缺点在于系统结构复杂，控制对象较多，因此导致控制难度大，设备结构复杂，体积大而重，系统维护复杂，扫描速度不易提高，且受到其光学原理的限制，光楔式光束扫描系统较难实现除圆孔外的异形孔加工或者将以牺牲效率为代价。优点则是受环境影响较小，圆孔加工稳定性好，容易实现锥度控制以及在线测量等。

反射式光束扫描系统，该系统属于高速同步协同控制系统，其控制策略主要为高速同步控制单个或多个反射镜片角度姿态进行高速协同运动，通过对单个或多个镜片实时角度姿态的高速准确监控，实现光束扫描轨迹控制。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，需要矫正机构以及扫描形状校正补偿，不容易实现锥度控制以及在线测量，安装的姿态调整困难等。优点则是扫描速度高、体积小而轻、结构简单等。对于复合的反射式光束扫描系统，虽然可以实现锥度控制，但系统将更加复杂，反而在一定程度上丧失其本来的优点。

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，至少解决了基于轨迹控制的同步控制方法很难实现光束二维扫描模块与光束横移模块同步运动的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，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模块，还包括：

光束二维扫描模块，用于对入射的激光光束进行扫描运动；

光束横移模块，用于对入射的激光光束进行横向平移；

光束二维扫描模块驱动系统，被配置成驱动所述光束二维扫描模块；

光束横移模块驱动系统，被配置成驱动所述光束横移模块；

聚焦镜；

协同控制系统，分别与所述激光器模块、所述光速扫描模块驱动系统、所述光速横移模块驱动系统电性连接，控制入射的激光光束依次通过所述光束二维扫描模块、光束横移模块、聚焦镜后对XY二维平面进行微孔加工。

进一步的，所述协同控制系统通过控制信号控制所述光束横移模块驱动系统，驱动所述光束横移模块旋转对入射的激光光束进行横向平移；其中，所述协同控制系统接收所述光束横移模块输出的实时相位信号，并结合所述实时相位信号对所述光束二维扫描模块预设的扫描轨迹进行矢量解析，解析生成实际扫描轨迹，基于所述实际扫描轨迹产生实际驱动信号，将该实际驱动信号发送至所述光束二维扫描模块。

进一步的，所述协同控制系统还被配置成根据矢量解析的结果控制所述激光器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：

上位控制显示系统，被配置成提供人机交互界面，与所述协同控制系统进行双向通信。

进一步的，所述光束扫描系统还包括用于对光路进行调节的光路系统。

在本实用新型实施例中，控制模块实时检测光束横移模块的当前相位对光束横移模块的当前相位和预设的光束二维扫描模块扫描轨迹进行矢量解析，生成光束二维扫描模块的实际扫描轨迹，继而驱动光束二维扫描模块按照实际扫描轨迹与光束横移模块进行同步运动，采用矢量解析的同步控制方案则解决机械特性差异大带来的同步控制难度，并能消除累积误差，较好的保证其长期同步精度。

其中光束二维扫描模块用来控制激光光束在XY平面的指向，光束横移模块用来为激光光束同步提供一定的平移量，两者配合实现了XY平面任意形貌微小孔加工。

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为矢量解析同步控制算法原理示意图。

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加工系统，参见图1，包括发射激光束的激光器模块，还包括：光束二维扫描模块，用于对入射的激光光束进行扫描运动；光束横移模块，用于对入射的激光光束进行横向平移；光束二维扫描模块驱动系统，被配置成驱动光束二维扫描模块；光束横移模块驱动系统，用于驱动光束横移模块；聚焦镜；激光器模块，用于发出加工光束，并对生成的激光光束进行激光参数调整；协同控制系统分别与所述激光器模块、所述光速扫描模块驱动系统和所述光速横移模块驱动系统电性连接，控制入射的激光光束依次通过所述光束二维扫描模块、光束横移模块、聚焦镜后对XY二维平面进行微孔加工。

具体的，在光束加工XY二维平面后，协同控制系统进一步控制从光束横移模块出射的激光光束进行Z轴方向的微孔加工控制；在一个实施方式中，协同控制系统控制加工工件的上升和下降；在另一个实施方式中，协同控制系统控制整个扫描系统的上升和下降实现Z轴方向的进给。借助Z轴方向的进给，最终实现锥度可控异型孔的加工。

激光器模块还可以对生成的激光光束进行激光参数调整。

具体的，激光器模块包括激光器及光路系统。协同控制系统还被配置成根据实时加工状态控制激光器模块对激光参数进行对应调整。在进行控制处理同时还可以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。

在具体实施时，协同控制系统被配置成控制光束横移模块驱动系统驱动光束横移模块旋转对入射的激光光束进行横向平移，并实时检测光束横移模块的当前相位，结合光束横移模块的当前相位对预设的光束二维扫描模块扫描轨迹进行矢量解析，生成光束二维扫描模块在X方向和Y方向的实际扫描轨迹，继而控制光束二维扫描模块驱动系统驱动光束二维扫描模块按照实际扫描轨迹与光束横移模块进行同步运动，使得入射的激光光束依次通过光束二维扫描模块、光束横移模块和聚焦镜后对XY二维平面进行微孔加工。

其中光束二维扫描模块完成设定孔形状的形面扫描，光束横移模块则同步的为二维扫描过程中的光束提供适当平移量，二者精密配合最终实现锥度可控的异形孔加工。该系统的一大难点就是如何实现二维扫描和光束平移的精确同步，如果同步出现误差则孔的形貌以及锥度必将受到影响，从而不能得到期望的效果。

从二维扫描模块反射出的光束穿过光束横移模块，产生适于微孔加工的一定平移量。加工过程中，光束横移模块实时反馈自身位置状态，经由协同控制系统的计算输出适当的控制量，使光束横移模块以特定速度旋转。从光束横移模块射出的光束穿过聚焦镜，到达加工平面，完成XY平面的扫描加工后，进行Z轴方向的给进，实现孔的加工，由此最终完成微孔扫描加工过程。

在本实用新型实施例中，协同控制系统实时检测光束横移模块的当前相位，接收相位信号，并且基于光束横移模块的当前相位，参照预设的光束二维扫描模块扫描轨迹进行矢量解析，保持二维扫描模块和光束横移模块的相位相同，生成光束二维扫描模块在X方向和Y方向的实际扫描轨迹，产生实际驱动信号，将该实际驱动信号发送至所述光束二维扫描模块继而驱动光束二维扫描模块按照实际扫描轨迹与光束横移模块进行同步运动，完成满足预定输入的扫描加工过程。采用矢量解析的同步控制方案解决了机械特性差异大带来的同步控制难度，并能消除累积误差，较好的保证其长期同步精度；其中光束二维扫描模块用来实现激光光束在XY平面的指向控制，进而实现XY平面任意形貌微小孔加工，光束横移模块可为激光光束同步提供一定的平移量，从而实现整个扫描加工。

作为优选，光束扫描系统还包括：上位控制显示系统，被配置成提供人机交互界面，与协同控制系统进行双向通信。

在该优选实施例中，通过上位控制显示系统实现加工参数、加工轨迹的设定和输入，协同控制系统控制激光器生成用于加工的激光光束，产生的激光光束可以通过光路系统进行扩束、整形、调制和传输并引导至光束二维扫描模块。光束通过二维扫描模块的反射产生了偏折，偏折角度可通过对二维扫描模块的精确控制实现，即结合二维扫描模块的姿态相位信号，通过反馈控制对X控制通道和Y控制通道输入适当的输入量，形成在二维平面上的精确扫描。

下面结合图1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包括：

1.光束二维扫描模块，接收来自光束二维扫描模块驱动系统的驱动信号并实时输出自身姿态相位信号，即通过其自身包含的能够输出姿态信号的诸如应变片或编码器等的传感器输出姿态信号至驱动控制模块，由驱动控制模块反馈控制，其用于完成光束在XY二维平面上的指向加工，配合Z轴方向上的进给，最终实现规划的异形形貌微小孔扫描打孔加工。其中光束二维扫描模块包括但不限于扫描振镜，基于压电效应的二维偏摆台，快反镜以及MEMS摆镜。

2.光束二维扫描模块驱动系统，接收来自协同控制系统输出的控制信号和来自光束二维扫描模块的状态信号形成闭环控制，通过自身控制算法最终输出相关驱动信号给光束二维扫描模块。

3.激光器模块，接收来自协同控制系统的控制信号，实现和扫描轨迹同步的激光相关参量的实时调制。

4.光束横移模块，用于在扫描加工过程中为激光光束提供一个同步的相对平移量，以实现微孔锥度加工。其接收来自光束横移模块驱动系统的驱动信号并为其反馈自身的实时位置状态，即通过其自身包含的能够输出姿态信号的诸如应变片或编码器等的传感器输出姿态信号至驱动控制模块，由驱动控制模块反馈控制，最终实现对光束横移量的控制与驱动。光束横移模块包括平行平板玻璃或者可调的平板玻璃组件或者能实现光束平移功能的其他类似光学元件组件。

5.光束横移模块驱动系统，接收来自协同控制系统输出的控制信号和来自光束横移模块的状态信号，形成内部闭环控制，通过调用自身的闭环控制算法，实现对光束横移模块的实时准确控制，最终实现对扫描加工过程中光束横移量的实时准确控制与驱动。

6.协同控制系统，接收光束二维扫描模块驱动系统、激光器模块、光束横移模块驱动系统的实时反馈信号，从而获取整个系统的实时加工状态。接收来自上位控制显示系统的控制指令，调用自身高速轨迹算法，按照矢量解析的方法生成实时扫描轨迹控制信号，与系统中各个驱动系统的状态信号形成闭环控制，最终将控制指令输出给系统中各个驱动系统，并将系统状态实时上传给上位控制显示系统。

7.上位控制显示系统，被配置成提供人机交互界面，实现与协同控制系统的双向通讯，实现指令下发与状态上传。

本实用新型采用的技术方案以光束二维扫描模块与光束横移模块同步扫描作为整个控制的核心，配合Z轴纵向进给，最终实现锥度可控的激光精密微孔加工。整个系统的控制策略为首先控制光束横移模块按照设定的方向与速度旋转，对其速度精度以及稳定性无特殊要求，因此较为容易实现高速扫描。之后协同控制系统实时检测光束横移模块运行的当前相位并结合规划的轨迹进行矢量解析，从而生成和光束横移模块运动同步的实际扫描轨迹，进行XY平面的扫描加工，最后配合Z轴方向上的进给实现整个微孔扫描加工过程。

参照整个协同控制系统的控制策略，激光精密微加工的扫描速度由光束横移模块的旋转速度决定，XY方向的扫描由光束二维扫描模块的扫描轨迹控制。整个扫描加工方案的好处在于系统的结构相对常见的光楔式光束扫描系统大为简化，从而带来精度高、体积小巧、维护方便的好处，又能够实现异形孔以及锥度可控的功能。特殊的同步控制方法较好的解决了大差异机械系统之间同步运动控制的难题，提高了同步精度、消除了累积误差。

其工作原理为：系统开始进行扫描加工时，首先根据上位指令控制激光器模块实现激光打开与初始功率设置，驱动光束横移模块以上位指令设定的速度方向运动；在运动过程中，协同控制系统通过实时接收光束横移模块的同步反馈位置，根据光束横移模块的当前实时相位以及光束二维扫描模块规划轨迹指令进行矢量解析，产生实际控制光束二维扫描模块的信号，因为二维的光束二维扫描模块具备远高于光束横移模块的机械响应特性，故可以实现与光束横移模块相同的角速度进行同步扫描，在扫描过程中根据扫描实时位置还可实时调制激光器的输出，实现更为丰富的工艺控制能力。当每层扫描结束后，光束二维扫描模块驱动系统通过相关握手信号与协同控制系统通讯，进行整个系统的Z轴方向的进给运动，实现整个扫描加工。

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，以下提供了一种应用上述任意一项光束扫描系统的光束扫描方法，包括以下步骤：

A.协同控制系统根据输入的扫描轨迹，驱动光束横移模块按照设定的速度旋转对入射的激光光束进行横向平移；

B.实时检测光束横移模块的当前相位；

C.对光束横移模块的当前相位和预设的光束二维扫描模块扫描轨迹进行矢量解析，生成光束二维扫描模块在X方向和Y方向上的实际扫描控制轨迹；

D.驱动光束二维扫描模块按照实际扫描轨迹与光束横移模块进行同步运动，控制激光光束依次通过光束二维扫描模块、光束横移模块、聚焦镜对XY二维平面进行微孔加工。

作为优选，具体参见图2，以加工条形孔为例进行说明，步骤A-D具体包括：

A1.协同控制系统控制光束横移模块高速旋转(一般为匀速)；

B1.协同控制系统通过光束横移模块自带的反馈传感器如应变片实时检测光束横移模块的相位；

C1.协同控制系统根据光束横移模块的实时相位，并参照预设的光束二维扫描模块扫描轨迹，按照相位相同原则，解析出此刻光束二维扫描模块的扫描轨迹点，根据扫描轨迹点计算出光束二维扫描模块在X与Y方向的实际扫描轨迹；

D1.根据光束二维扫描模块在X与Y方向的实际扫描轨迹，输出对应的控制信号至光束二维扫描模块驱动系统的X与Y轴控制通道，控制光束二维扫描模块的X与Y轴按照实际扫描轨迹与光束横移模块进行同步运动，控制激光光束依次通过光束二维扫描模块、光束横移模块、以及聚焦镜后对XY二维平面进行微孔加工。

作为优选，光束扫描方法还包括：根据矢量解析的结果控制激光器模块对入射的激光参数进行对应调整。在矢量解析的同时还可以将和激光加工紧密相关的激光参数同步进行关联调控结合加工工艺，在加工轮廓不同相位位置采用不同功率，实现更高质量的微孔加工。

其整体的方法控制步骤为：

首先，在上位软件设定扫描加工三维形貌、扫描速度等参数。

然后，启动扫描加工。

之后，整个系统将按照设计的加工方式开始加工，并将实时加工状态上传给上位机，即上位控制显示系统。

最后，当加工结束后，上位机将显示加工结束状态并等待下一次加工开始信号。

本实用新型利用光束二维扫描模块的高响应特性，可提升激光加工扫描速度，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.可实现典型异形形貌、锥度可控微小孔加工。

2.提高了扫描加工效率。由于光束二维扫描模块结构轻巧，响应快，典型圆孔加工速度≥18000rpm。

3.简化结构，提高了产品系统维护周期。由于本实用新型结构简单，使得其可维护性大幅提高。

4.由于光束二维扫描模块和光束横移模块的机械特性差异较大，光束二维扫描模块结构轻巧，响应带宽高，而光束横移模块相对结构笨重，响应带宽低，常用基于轨迹控制的同步控制方法很难实现其同步运动，且不具备消除误差累积的能力。采用矢量解析的同步控制方案则解决机械特性差异大带来的同步控制难度，并能消除累积误差，较好的保证其长期同步精度。

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 (5)

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模块，其特征在于，还包括：

光束二维扫描模块，用于对入射的激光光束进行扫描运动；

光束横移模块，用于对入射的激光光束进行横向平移；

光束二维扫描模块驱动系统，被配置成驱动所述光束二维扫描模块；

光束横移模块驱动系统，被配置成驱动所述光束横移模块；

聚焦镜；

协同控制系统，分别与所述激光器模块、所述光束二维扫描模块驱动系统、所述光束横移模块驱动系统电性连接，控制入射的激光光束依次通过所述光束二维扫描模块、光束横移模块、聚焦镜后对XY二维平面进行微孔加工。

2.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述协同控制系统通过控制信号控制所述光束横移模块驱动系统，驱动所述光束横移模块旋转对入射的激光光束进行横向平移；其中，所述协同控制系统被配置成接收所述光束横移模块输出的实时相位信号，并结合所述实时相位信号对所述光束二维扫描模块预设的扫描轨迹进行矢量解析，解析生成实际扫描轨迹，基于所述实际扫描轨迹产生实际驱动信号，将该实际驱动信号发送至所述光束二维扫描模块。

3.根据权利要求1所述的光束扫描系统，其特征在于，所述协同控制系统还被配置成根据矢量解析的结果控制所述激光器模块对激光参数进行对应调整。

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：

上位控制显示系统，被配置成提供人机交互界面，与所述协同控制系统进行双向通信。

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用于对光路进行调节的光路系统。