CN217913390U - 大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备。所述精密激光加工设备包括旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元、控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元的工作状态。本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，可以实现大幅面激光加工的速度提升、加工精度控制、质量保证等效果，同时提高加工分辨率。

Description

大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备

技术领域

本实用新型特别涉及一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，属于激光高效精密加工技术领域。

背景技术

目前，激光加工中的激光器产生的光束经透镜聚焦后，加工光斑尺寸的可调范围和形式直接影响激光能量密度的调控；低功率下加工效率提升存在困难，因为低功率下常规光斑尺寸对应的激光能量密度有限，如达不到材料烧蚀阈值，则无法加工去除材料，同时，效率提升需要采用高的扫描速度，而低功率时的高速扫描会引入激光能量吸收不充分的问题，影响材料的加工效果；而脉宽较大时的高功率加工，可以实现一定的高速扫描加工，激光能量密度可以达到材料的烧蚀阈值，但同时会引入热影响区较大的问题。

一般情况下，经场镜聚焦处理的激光束用于材料去除时，较难控制加工分辨率，原因在于激光束聚焦束腰附近的一定空间范围都有材料加工能力，材料的激光加工分辨率不高。单点聚焦光斑的材料加工，加工去除率或表面处理效率低。因此，调控激光束形成的光斑尺寸与束腰加工的空间范围大小，提高材料加工分辨率，是促进激光精密加工的关键问题和技术需求。因此，大范围高速扫描精密加工对光斑尺寸覆盖面积、激光束聚焦能力的调控提出了技术要求。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种微透镜阵列组件、激光加工组件及精密激光加工设备，可实现可控短焦距聚焦、高精度激光束生成与高速激光加工应用，从而实现大幅面激光加工的速度提升、加工精度控制、质量保证等效果，同时提高加工分辨率，进而克服现有技术中的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由激光光束形成的多个旋转式激光光斑对工件进行激光加工；

运动发生单元，至少用于驱使所述光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、 z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述光斑沿所述三维坐标系内的 xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元的工作状态。

本实用新型实施例还提供了一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法，包括：

提供所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备；

以旋转式激光加工单元提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

1)本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，通过在异型或规则形状的结构腔体中，对多个球形或柱形微透镜进行单一阵列布局或复合阵列布局，可实现经光场调控、短聚焦高分辨率、高速旋转大范围覆盖的加工激光光斑；采用高功率、经光场调控的大直径激光束辐照，经微透镜阵列组件短焦距聚焦后，可实现对工件的高分辨率加工处理，从而提高了加工质量和加工效率；

2)本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，具有多个方向上的自由度，可以实现各种位姿工况下的工件材料加工应用；

3)本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，具有多自由度的运动驱动，加工姿态更加多样，加工空间范围更广；

4)本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，可以实现大幅面激光加工的速度提升、加工精度控制、质量保证等效果，同时提高加工分辨率。

附图说明

图1a、图1b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈四边形阵列排布的球形微透镜阵列的结构示意图；

图1c是图1a中沿A-A处形成的剖面结构示意图；

图2a、图2b、图2c分别是本实用新型一典型实施案例中提供的一种分布在三边形、五边形、八边形收容腔室中的球形微透镜阵列的结构示意图；

图3a、图3c是本实用新型一典型实施案例中提供的一种分布在六边形收容腔室中的球形微透镜阵列的结构示意图；

图3b是图3a中沿B-B处形成的剖面结构示意图；

图4a、图4b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈椭圆环形轨迹排布的球形微透镜阵列的结构示意图；

图5a是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的球形微透镜偏心阵列的结构示意图；

图5b、图5c是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的柱形微透镜偏心阵列的结构示意图；

图6a、图6b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的圆形微透镜和柱形微透镜复合的同心阵列的结构示意图；

图7a、图7b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的圆形微透镜和柱形微透镜复合的偏心阵列的结构示意图；

图8a、图8c、图8d是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形和线形轨迹复合排布的柱形微透镜阵列的结构示意图；

图8b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的柱形微透镜阵列的结构示意图；

图8e、图8f是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈线形轨迹排布的柱形微透镜阵列的结构示意图；

图9是聚焦透镜、球形微透镜以及柱形微透镜的聚焦特性示意图；

图10是本实用新型一典型实施案例中提供的一种旋转式激光加工组件的加工头的结构示意图；

图11是本实用新型一典型实施案例中提供的一种精密激光加工设备的结构示意图；

图12是本实用新型一典型实施案例中提供的一种以精密激光加工设备对工件进行激光加工的流程示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型实施例提供了一种通过异型或一定形状的结构腔体(即收容腔室，下同)中的球形或柱形微透镜阵列，球形或柱形微透镜可按线性阵列、环形阵列、平行阵列、交叉阵列中的任意一种方式或多种方式复合排布，同时可是同心或偏心分布，从而实现经光场调控的短聚焦高精度、高速旋转大覆盖范围的透镜阵列布局设计及其高效高分辨率激光加工应用，从而克服现有技术中的不足。

本实用新型实施例提供了一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由激光光束形成的多个旋转式激光光斑对工件进行激光加工；

运动发生单元，至少用于驱使所述光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、 z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述光斑沿所述三维坐标系内的 xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元的工作状态。

在一具体实施方式中，所述旋转式激光加工单元包括激光光源以及依次设置在激光光源提供的激光光束光路上的光束整形器、激光扩束镜、激光反射镜、光场调制器、微透镜阵列组件，所述微透镜阵列组件包括多个微透镜，所述微透镜阵列组件与所述光场调制器转动连接，并能够相对于所述光场调制器绕自身轴线旋转；

以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述微透镜阵列组件传动连接，并用于驱使所述微透镜阵列组件绕自身的轴线旋转，以使所述激光光束形成的多个光斑能够绕自身轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述旋转式激光加工单元还包括激光水冷机构，所述激光水冷机构与所述激光光源导热连接。

在一具体实施方式中，所述旋转式激光加工单元还包括透镜冷却机构，所述透镜冷却机构与所述微透镜阵列组件导热连接，并至少用于对所述微透镜阵列组件进行冷却降温。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在一具体实施方式中，所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。

本实用新型实施例还提供了一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法，包括：

提供所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备；

以旋转式激光加工单元提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工。

在一具体实施方式中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：在以旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工过程中，使所述旋转式激光光斑绕自身轴线旋转或绕一旋转轴线旋转。

在一具体实施方式中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动。

在一具体实施方式中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在一具体实施方式中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动。

本实用新型实施例提供了一种微透镜阵列组件，包括透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片和多个微透镜，多个微透镜设置在所述透镜固定架上，所述第一透光镜片和第二透光镜片分别沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，自所述第一透光镜片入射的入射激光束经多个微透镜聚焦后形成多个出射光束。

在一具体实施方案中，所述透镜固定架具有一沿自身轴向贯穿所述透镜固定架的收容孔，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧且与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片、第二透光镜片与所述收容孔围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中。

在一具体实施方案中，所述透镜固定架具有一沿自身轴向凹陷形成的收容槽，所述收容槽的槽底为透光结构，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，至少所述第一透光镜片与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片与所述收容槽围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中。

在另一具体实施方案中，所述透镜固定架具有一沿自身轴向凹陷形成的收容槽，所述收容槽的槽底设置与多个安装孔，每一所述微透镜分别对应设置在一安装孔内，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，至少所述第一透光镜片与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片与所述收容槽围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中。

在一具体实施方案中，多个所述微透镜组合形成至少一个微透镜组，每一微透镜组包括至少一个微透镜，且每一微透镜组所包含的至少一个微透镜沿一选定轨迹排列分布，任意两个微透镜组的分布轨迹间隔设置或交叉设置，其中，所述选定轨迹包括直线形轨迹和环形轨迹。

在一具体实施方案中，所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片同轴设置，所述环形轨迹的圆心位于所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片的轴线上，或者，所述环形轨迹的圆心位于所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片的轴线之外的区域。

在一具体实施方案中，所述第一透光镜片、第二透光镜片为圆形的透光镜片，所述环形轨迹与所述第一透光镜片、第二透光镜片的圆心同心设置或偏心设置；

在一具体实施方案中，所述微透镜包括多个第一微透镜和多个第二微透镜，多个所述第一微透镜组合形成至少一个第一微透镜组，多个所述第二微透镜组合形成至少一个第二微透镜组，其中，所述第一微透镜包括球形微透镜，所述第二微透镜包括柱形微透镜。

在一具体实施方案中，所述柱形微透镜的轴向与所述第一透光镜片、第二透光镜片的径向平行。

在一具体实施方案中，所述透镜固定架上还设置有流体入口和流体出口，所述收容腔室连通的流体入口、流体出口与所述收容腔室相连通，所述流体入口还能够与透镜冷却机构连接，从而在所述流体入口、收容腔室、流体出口之间形成一冷却通道。

在一具体实施方案中，所述收容槽的槽底设置有至少一导流槽，所述导流槽与所述收容槽相连通，且所述导流槽设置在一微透镜组的一侧或两个微透镜组之间，并且，所述导流槽还与所述流体入口、流体出口相连通，从而在所述流体入口、导流槽、流体出口之间形成一冷却通道。

在一具体实施方案中，所述收容腔室的形状为规则图形或不规则的图形。

在一具体实施方案中，所述收容腔室的形状包括多边形、圆形和椭圆形中的任意一种，但不限于此。

在一具体实施方案中，所述的微透镜阵列组件还包括扭转连接架和透镜托架，所述扭转连接架与透镜托架转动连接，所述透镜托架能够与所述扭转连接架中的活动部分一起绕自身轴线转动，所述透镜固定架固定设置在所述透镜托架上且能够与所述透镜托架一起转动。

本实用新型实施例还提供了一种旋转式激光加工组件，包括激光光源以及依次设置在激光光源提供的激光光束光路上的光束整形器、激光扩束镜、激光反射镜、光场调制器、所述的微透镜阵列组件，所述微透镜阵列组件的透镜固定架与所述光场调制器转动连接，并能够相对于所述光场调制器绕自身轴线旋转；

以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述微透镜阵列组件的透镜固定架传动连接，并用于驱使所述透镜固定架绕自身的轴线旋转，以使所述激光光束形成的多个光斑能够绕自身轴线旋转。

在一具体实施方案中，所述透镜固定架经扭转连接架与所述光场调制器连接，所述扭转连接架中的固定部分与所述光场调制器固定连接，活动部分与所述透镜固定架固定连接，所述扭转连接架的固定部分和活动部分转动配合；

在一具体实施方案中，所述光场调制器与透镜固定架之间还设置有可供激光光束通过的光束通道。

在一具体实施方案中，所述旋转式激光加工组件还包括透镜冷却机构，所述透镜冷却机构与所述透镜固定架上的流体入口连接，并至少用于向所述冷却腔室内提供冷却介质，所述冷却介质包括空气或冷却水。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本实用新型实施例中所采用的光束整形器、激光扩束镜、激光反射镜、光场调制器、微透镜等光学元器件，以及，驱动电机、驱动气缸、振动发生机构、控制电脑、数控程序和软件等均可以采用本领域技术人员已知的，且均可以通过市购获得，对于以上元器件不同型号、不同尺寸的产品不会影响本实用新型技术方案的实施以及相应结果的获得，本领域技术人员可以根据具体需求选择不同型号或尺寸的元器件，在此不对其中各功能元器件的型号进行特别限定。

实施例1

一种微透镜阵列组件，包括透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片和多个微透镜，多个微透镜设置在所述透镜固定架上，所述第一透光镜片和第二透光镜片分别沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，自所述第一透光镜片入射的入射激光束经多个微透镜聚焦后形成多个出射光束或多个光斑。

在本实施例中，所述透镜固定架具有一沿自身轴向贯穿所述透镜固定架的收容孔，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧且与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片、第二透光镜片与所述收容孔围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中；

或者，所述透镜固定架具有一沿自身轴向凹陷形成的收容槽，所述收容槽的槽底为透光结构，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，至少所述第一透光镜片与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片与所述收容槽围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中；

或者，所述透镜固定架具有一沿自身轴向凹陷形成的收容槽，所述收容槽的槽底设置与多个安装孔，每一所述微透镜分别对应设置在一安装孔内，所述第一透光镜片、第二透光镜片沿透镜固定架的轴向相对设置在所述透镜固定架的两侧，至少所述第一透光镜片与所述透镜固定架固定连接，所述第一透光镜片与所述收容槽围合形成一收容腔室，多个所述微透镜分布在所述收容腔室中。

需要说明的是，所述第一、第二透光镜片可以分别称之为上盖(托)透光镜片和下托透光镜片，多个微透镜位于第一、第二透光镜片之间。

在本实施例中，多个所述微透镜组合形成至少一个微透镜组，每一微透镜组包括至少一个微透镜，且每一微透镜组所包含的至少一个微透镜沿一选定轨迹排列分布，任意两个微透镜组的分布轨迹间隔设置或交叉设置，其中，所述选定轨迹包括直线形轨迹和环形轨迹。

在本实施例中，所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片同轴设置，所述环形轨迹的圆心位于所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片的轴线上，或者，所述环形轨迹的圆心位于所述透镜固定架、第一透光镜片、第二透光镜片的轴线之外的区域。

在本实施例中，所述第一透光镜片、第二透光镜片为圆形的透光镜片，所述环形轨迹与所述第一透光镜片、第二透光镜片的圆心同心设置或偏心设置。

在本实施例中，所述微透镜包括多个第一微透镜和多个第二微透镜，多个所述第一微透镜组合形成至少一个第一微透镜组，多个所述第二微透镜组合形成至少一个第二微透镜组，其中，所述第一微透镜包括球形微透镜(即球形透镜)，所述第二微透镜包括柱形微透镜(即柱形透镜)。

在本实施例中，所述柱形微透镜的轴向与所述第一透光镜片、第二透光镜片的径向平行。

在本实施例中，所述透镜固定架上还设置有流体入口和流体出口，所述收容腔室连通的流体入口、流体出口与所述收容腔室相连通，所述流体入口还能够与透镜冷却机构连接，从而在所述流体入口、收容腔室、流体出口之间形成一冷却通道。

在本实施例中，所述收容槽的槽底设置有至少一导流槽，所述导流槽与所述收容槽相连通，且所述导流槽设置在一微透镜组的一侧或两个微透镜组之间，并且，所述导流槽还与所述流体入口、流体出口相连通，从而在所述流体入口、导流槽、流体出口之间形成一冷却通道。

在本实施例中，所述收容腔室的形状为规则图形或不规则的图形，例如，所述收容腔室的形状包括多边形、圆形和椭圆形中的任意一种，但不限于此。

在本实施例中，所述的微透镜阵列组件还包括扭转连接架和透镜托架，所述扭转连接架与透镜托架转动连接，所述透镜托架能够与所述扭转连接架中的活动部分一起绕自身轴线转动，所述透镜固定架固定设置在所述透镜托架上且能够与所述透镜托架一起转动。

在本实施例中，该多个微透镜之间可以设置有间隙，以避免球形微透镜和/ 或柱形微透镜之间在振动过程中发生加减速的挤压受损，该间隙的具体尺寸可以根据具体需求进行调整，在此不做具体的限定。

需要说明的是，所述微透镜可选的分布排列形式较多，不一定占满透镜固定架内的“微凹特征位”(即安装孔)，多个微透镜可选择性地排列与设置，所述收容腔室的形状可以为正方形、长方形、椭圆形或与加工工件匹配的个性化仿形 /成型加工腔室，所述收容腔室可以为曲面；以及，多个所述微透镜的排列不局限于规则整列排布，可按一定偏心原则实现各种典型排布和设置，可以结合多类加工头和工作台的复合运动形式，调控聚焦后的光斑与加工工件之间的能量交互规律和机制，从而实现不同的加工特性。

本实用新型实施例中的一种呈四边形阵列排布的球形微透镜阵列的结构如图1a、图1b、图1c所示；一种分布在三边形、五边形、八边形收容腔室中的球形微透镜阵列的结构如图2a、图2b、图2c所示；一种分布在六边形收容腔室中的球形微透镜阵列的结构如图3a、图3b、图3c所示，一种呈椭圆环形轨迹排布的球形微透镜阵列的结构如图4a、图4b所示，本实用新型实施例提供的一种呈圆环形轨迹排布的球形微透镜偏心阵列的结构如图5a所示；一种呈圆环形轨迹排布的柱形微透镜偏心阵列的结构如图5b、图5c所示；一种呈圆环形轨迹排布的圆形微透镜和柱形微透镜复合的同心阵列的结构如图6a、图6b所示；一种呈圆环形轨迹排布的圆形微透镜和柱形微透镜复合的偏心阵列的结构如图7a、图 7b所示；本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形和线形轨迹复合排布的柱形微透镜阵列的结构如图8a、图8c、图8d所示，图8b是本实用新型一典型实施案例中提供的一种呈圆环形轨迹排布的柱形微透镜阵列的结构示意图；一种呈线形轨迹排布的柱形微透镜阵列的结构如图8e、图8f所示。

请参阅图9，图9是聚焦透镜、球形微透镜以及柱形微透镜的聚焦特性示意图；可以看出，通过本实用新型实施例提供的球形微透镜、柱形微透镜以选定的阵列形式分布，可以实现微透镜阵列组件的短焦距聚焦，控制出射光束的束腰尺寸在小范围内，进而实现高分辨率加工，改善加工质量。

实施例2

请参阅图10和图11，一种旋转式激光加工组件，包括激光光源2以及依次设置在激光光源2提供的激光光束光路上的光束整形器3、激光扩束镜4、激光反射镜5、光场调制器、光束通道12和所述的微透镜阵列组件；以及，第一驱动机构11，所述第一驱动机构11与所述透镜托架14和/或透镜固定架传动连接，并用于驱使所述微透镜阵列组件绕自身的轴线旋转，以使所述激光光束形成的光斑能够绕自身轴线旋转。

需要说明的是，所述微透镜阵列组件13整体可以被固定在透镜托架14上。

在实施例中，所述光束通道12从第一驱动机构11的中间穿过，所述微透镜阵列组件设置在所述光束通道12的一端且与所述第一驱动机构11传动连接，其中，所述光束通道12可以通过轴承与所述第一驱动机构11转动配合。

在本实施例中，所述激光光源2可以是光纤激光器等，所述光场调制器可以对激光光束进行调制，光束调制产生调制激光(如线激光)，调制激光包括但不限于线光斑，可包含各类经微透镜阵列组件聚焦后实现扫描加工的各类整形光斑，所述激光光源2提供的激光光束可以是高功率大直径的光束，其可以是连续激光，也可以是高功率脉冲激光。

在本实施例中，所述第一驱动机构11为旋转驱动机构，例如可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等。

在本实施例中，所述旋转式激光加工组件还包括激光水冷机构10，所述激光水冷机构10与所述激光光源2导热连接，并至少用于对所述激光光源2进行降温，需要说明的是，所述激光水冷机构10可以采用各种型号的水冷设备，在此不对其具体的结构和工作原理进行限定和说明；当然，所述透镜托架也可以以冷却机构对其进行降温，例如，可以通过干式冷却(风冷/气冷等)和湿式冷却的方式消减透镜热量，实现有效冷却。

在本实施例中，所述旋转式激光加工组件还包括激光器控制器1，所述激光器控制器1与所述激光光源2电连接，并至少用于调节所述激光光源2的工作状态和工作参数，所述激光器控制器1可以是通过市购获得的激光器控制电脑，在此不对其具体的产品型号进行限定。

将从激光光源发射的激光光束进行光场整形处理，再通过光学元件实现异形结构或一定形状结构光场的调制处理；然后，可将输入激光光束调控成投影形状 /面积可调的光斑；进一步，通过球形微透镜或柱形微透镜，最终实现多个微透镜的短焦距聚焦，控制输出的激光光束的束腰尺寸在小范围内，进而实现高分辨率加工。

本实施例中的一种旋转式激光加工组件，可对容纳球形微透镜或柱形微透镜的透镜托架施加一定角速度的转动，转动自由度的施加，可实现动态旋转大覆盖范围的激光加工，同时，结合微透镜的间隙、转速、运动轨迹等参数组合，可实现激光能量密度在工件材料表面的调控，从而改善加工效果。

实施例3

请参阅图11，一种精密激光加工设备，包括旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元、控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元的工作状态。

在本实施例中，所述旋转式激光加工单元包括所述的旋转式激光加工组件，并至少用于提供由激光光束形成的光斑对工件进行激光加工；所述运动发生单元至少用于驱使所述光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；所述振动发生单元至少用于驱使所述工件与所述光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向发生相对振动。

在本实施例中，所述旋转式激光加工单元的结构可以参照实施例2中的说明。

在本实施例中，所述运动发生单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件7传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件7沿所述三维坐标系的x轴运动。

作为一种优选的方案，请再次参阅图11，所述第二驱动机构与旋转式激光加工单元传动配合，具体可以是，所述运动发生单元包括第一运动平台6，所述旋转式激光加工单元设置在所述第一运动平台6上且与所述第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工单元与第二驱动机构传动连接，并能够在所述第二驱动机构的驱使下于第一运动平台6上沿所述三维坐标系的x轴运动，从而实现所述旋转式激光加工单元在x轴的运动，示例性的，所述旋转式激光加工单元整体可以通过导轨等实现与所述第一运动平台的活动配合，具体的，所述第二驱动机构可以固定设置在第一运动平台6上，所述第一运动平台6上设置有沿x轴延伸的导轨，所述旋转式激光加工单元与导轨上的滑块固定连接，从而实现旋转式激光加工单元与第一运动平台6之间的活动配合，其中，所述第二驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。

在实施例中，所述运动发生单元还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件7传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件7沿所述三维坐标系的y轴运动。

作为一种优选的方案，请再次参阅图11，所述第三驱动机构与工件7传动配合，具体可以是，所述运动发生单元包括第二运动平台，所述第二运动平台可以沿y轴活动，所述工件7固定设置在所述第二运动平台上，所述第二运动平台与第三驱动机构传动连接，并能够在所述第三驱动机构的驱使下沿所述三维坐标系的y轴运动，从而实现所述工件7在y轴的运动，

或者，所述第二运动平台可以被固定，所述工件7活动设置在所述第二运动平台上，所述第三驱动机构与所述工件7传动配合，并用于驱使所述工件7在第二运动平台上沿y轴运动，示例性的，所述第三驱动机构可以固定设置在第二运动平台上，所述第二运动平台上设置有沿y轴延伸的导轨，所述工件7与导轨上的滑块固定连接，从而实现工件7与第二运动平台之间的活动配合，其中，所述第三驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件7传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。

作为一种优选的方案，请再次参阅图11，所述第四驱动机构与所述旋转式激光加工单元传动配合，具体可以是，所述运动发生单元包括第三运动平台，所述第三运动平台可以活动，所述旋转式激光加工单元设置在所述第三运动平台上，所述第三运动平台与第四驱动机构传动连接，并能够在所述第四驱动机构的驱使先沿所述三维坐标系的z轴运动，从而实现所述旋转式激光加工单元在z轴的运动，或者，所述第三运动平台被固定，所述旋转式激光加工单元活动设置在所述第三运动平台上，所述第四驱动机构与所述旋转式激光加工单元传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元在第三运动平台上沿z轴运动，示例性的，所述第三运动平台上可以设置有沿z轴延伸的导轨，所述旋转式激光加工单元设置在所述导轨上并能够沿z轴运动。

作为一种更为优选的方案，所述第一运动平台6可以设置在第三运动平台上，所述旋转式激光加工单元设置在第一运动平台6上，所述第一运动平台在x轴方向上与第三运动平台相对固定，而在z轴方向上活动配合，所述旋转式激光加工单元在x轴方向上与第一运动平台活动配合，所述第二驱动机构固定设置在第一运动平台上，并与旋转式激光加工单元传动配合；所述第四驱动机构固定设置在所述第三运动平台上且与第一运动平台传动连接，所述第一运动平台6以及旋转式激光加工单元、第二驱动机构整体能够在所述第四驱动机构的驱使下沿z轴运动；

或者，所述第一运动平台6固定设置在第三运动平台上，所述旋转式激光加工单元设置在第一运动平台6上，所述第二驱动机构固定设置在第一运动平台或第三运动平台上，并与旋转式激光加工单元传动配合；所述第四驱动机构与所述第三运动平台传动连接，所述第一运动平台6、第三运动平台、旋转式激光加工单元、第二驱动机构整体能够在所述第四驱动机构的驱使下沿z轴运动。

在本实施例中，所述第四驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件7传动配合，并用于驱使所述工件7绕所述三维坐标系的z轴旋转，所述第五驱动机构为旋转驱动机构，例如可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等。

在本实施例中，所述运动发生单元还包括运动系统控制电脑9，所述运动系统控制电脑9与第二驱动机构和/或第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构连接，并用于控制/调节第二驱动机构和/或第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构的工作状态，所述运动系统控制电脑可以是独立设置的并与控制单元连接，也可以是控制单元的一部分。

在本实施例中，所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动，振动的引入可改变工件与激光作用机制的周期性特点，实现能量分布的多样化调控(动态光斑重叠率、能量均匀化)；示例性地，所述振动发生机构包括振动平台8，所述振动平台8可以固定设置在第二运动平台上，所述工件7放置在振动平台上，所述振动平台8可以与工件7一起沿y轴运动，例如，所述振动平台可以电动振动台、超声振动台等，可以实现常规、超声或超高频的振动。

在本实施例中，以本实施例中的一种精密激光加工设备对工件进行加工方法，可以参阅图12所示，具体可以包括：

提供所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备；

以旋转式激光加工单元提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工。

在本实施例中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：在以旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工过程中，使所述旋转式激光光斑绕自身轴线旋转或绕一旋转轴线旋转。

在本实施例中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动。

在本实施例中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：以运动发生单元驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

在本实施例中，所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工方法还包括：以振动发生单元驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy 平面方向产生相对振动。

本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，通过在异型或规则形状的结构腔体中，对多个球形或柱形微透镜进行单一阵列布局或复合阵列布局，可实现经光场调控、短聚焦高分辨率、高速旋转大范围覆盖的加工激光光斑；采用高功率、经光场调控的大直径激光束辐照，经微透镜阵列组件短焦距聚焦后，可实现对工件的高分辨率加工处理，从而提高了加工质量和加工效率。

本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，可给安装微透镜的转盘/ 腔体施加沿x、y、z轴三个方向的直线移动自由度，同时施加绕两个或三个回转轴的旋转运动；或者，仅给安装微透镜的转盘/腔体施加绕回转轴的旋转运动，对腔体下方的工作台施加沿x、y、z轴三个方向的直线移动运动，同时，可给工作台施加绕工作台两个或三个回转轴的旋转运动；通过三个直线移动自由度和两个/三个旋转自由度的施加，旋转式激光加工单元的加工头与工件表面材料的空间关系可以有效控制，实现各种位姿工况下的工件材料加工应用。

本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，可以在工作台上附加振动台，可实现xy平面内的单向振动或复合振动，实现单向多频段振动或实现平面内激光束加工过程中的摆线运动。

本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，在工作台上放置加工的工件或在工作台上附加的振动台上放置待加工工件，工件位于按一定形状和点阵排布特点设计的加工头下方一定间距处，通过调控微透镜阵列组件的聚焦点位与工件之间的相对位置，通过间距的调控可实现对焦、正离焦、负离焦等多种工况条件下的激光加工应用。

本实用新型实施例提供的一种精密激光加工设备，具有多自由度的运动驱动，可实现的加工姿态多样化，加工空间范围广等优势，其中，加工的工件可以是平面类工件或是自由曲面类工件或是可用解析公式描述的解析三维曲面工件。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于包括：

旋转式激光加工单元，至少用于提供由激光光束形成的多个旋转式激光光斑对工件进行激光加工；

运动发生单元，至少用于驱使所述光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者发生相对运动；

振动发生单元，至少用于驱使所述工件与所述光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向发生相对振动；

控制单元，至少与所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元连接，并至少用于调控所述旋转式激光加工单元、运动发生单元、振动发生单元的工作状态。

2.根据权利要求1所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述旋转式激光加工单元包括激光光源以及依次设置在激光光源提供的激光光束光路上的光束整形器、激光扩束镜、激光反射镜、光场调制器、微透镜阵列组件，所述微透镜阵列组件包括多个微透镜，所述微透镜阵列组件与所述光场调制器转动连接，并能够相对于所述光场调制器绕自身轴线旋转；

以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述微透镜阵列组件传动连接，并用于驱使所述微透镜阵列组件绕自身的轴线旋转，以使所述激光光束形成的多个光斑能够绕自身轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述旋转式激光加工单元还包括激光水冷机构，所述激光水冷机构与所述激光光源导热连接。

4.根据权利要求2所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述旋转式激光加工单元还包括透镜冷却机构，所述透镜冷却机构与所述微透镜阵列组件导热连接，并至少用于对所述微透镜阵列组件进行冷却降温。

5.根据权利要求1所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述运动发生单元包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动。

6.根据权利要求1或5所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述运动发生单元还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动。

7.根据权利要求6所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述运动发生单元还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工单元或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。

8.根据权利要求1或5所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述运动发生单元还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转。

9.根据权利要求8所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述运动发生单元还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。

10.根据权利要求1所述的大幅面旋转激光高分辨率的精密激光加工设备，其特征在于：所述振动发生单元包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工单元或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。

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