一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的制作方法

1.本实用新型涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统。


背景技术：

2.微小孔在制造业中有很大的需求量，如汽车油嘴喷孔、航空发动机热端部件的海量气膜冷却孔、探针卡的探针孔等，而相对于现有的打孔加工技术，如电火花加工和电解加工已经无法满足更高的工业需求，激光加工能够以更高的效率和加工精度成为现今工业制造的热门方向。激光打孔有冲击式、旋切式、螺旋时等加工方式，其中冲击式打孔时工件在一些列脉冲能量冲击下完成小孔加工，孔径接近光斑大小，与其他方式相比，这是最基础和最快的打孔方式，但是孔的质量直接受到光束质量和聚焦光学系统的影响，由于激光光强的高斯分布而造成的打孔时中心的温度比四周温度高的现象，一般加工出来的小孔热效应严重，精度和孔壁质量较差。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统，解决了以上所述的由于激光光强的高斯分布而造成的打孔时中心的温度比四周温度高而导致精度和孔壁质量较差的技术问题。
4.本实用新型为解决上述技术问题提供了一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统，包括依次设置于入射激光光束光路上的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元、调焦单元和聚焦单元；
5.所述偏转双振镜单元用于按预设位置及角度偏转偏移所述入射激光光束至所述道威棱镜旋转单元内；
6.所述道威棱镜旋转单元用于将激光光束调节成以圆形轨迹运动的动态出射光；
7.所述调焦单元用于动态调节动态出射光的焦点位置；
8.所述聚焦单元用于对激光光束聚焦于被加工工件上。
9.可选地，所述偏转双振镜单元包括两个功能互补且精度较高的第一偏转双振镜单元振镜及第二偏转双振镜单元振镜，所述第一偏转双振镜单元振镜用于将所述入射激光光束进行偏转反射至所述第二偏转双振镜单元振镜，所述第二偏转双振镜单元振镜用于补偿所述第一偏转双振镜单元振镜造成的激光光束的角度。
10.可选地，所述第二偏转双振镜单元振镜还用于控制激光光束按预设角度入射进所述道威棱镜旋转单元，该角度决定在加工工件上激光束聚焦位置与系统机械轴线之间的距离。
11.可选地，所述道威棱镜旋转单元包括标准道威棱镜以及用于带动道威棱镜旋转的空气轴电机，所述空气轴电机带动所述道威棱镜旋转以使入射的激光光束的光线轨迹呈现圆形动态出射。
12.可选地，所述准道威棱镜的孔径为15mm、下底长度为66.5mm。
13.可选地，所述准道威棱镜的下方设有用于调节道威棱镜位移及摆放角度的调节旋钮。
14.可选地，所述调焦单元为由光学4f系统构成的动态调焦系统。
15.有益效果：本技术提供了一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统，入射激光光束通过偏转双振镜单元按预设位置及角度偏转偏移后形成偏转光；偏转光入射至所述道威棱镜旋转单元内调节成以圆形轨迹运动的动态出射光；通过调焦单元动态调节所述以圆形轨迹运动的动态出射光的焦点位置，并经过聚焦单元聚焦后对被加工工件加工。通过光学系统的旋转得到合适的运动轨迹，使得激光在工件表面形成一个以圆周为轨迹的均匀路径，从而可以避免由于激光光强的高斯分布而造成的打孔时中心的温度比四周温度高的现象，从而降低了小孔的热反应，且旋切加工的方式更利于熔融物质的排出，孔壁重铸层相对较小，孔质量更高。另一方面，使用道威棱镜绕机械轴旋转一圈，道威棱镜形成的光学轨迹旋转两圈的特性，可以使得承载道威棱镜旋转的电机要求相对于传统的旋切打孔方式对电机的要求大大降低，而同时可以使得激光加工的可用重复频率增加一倍，大大提高打孔的效率。
16.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，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：
18.图1为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的原理框图；
19.图2为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的双振镜单元原理示意图；
20.图3为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的道威棱镜的误差示意图；
21.图4为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的道威棱镜光学轨迹图；
22.图5为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的道威棱镜旋转单元的补偿误差原理图；
23.图6为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的道威棱镜旋转单元的另一种补偿误差原理图；
24.图7为本实用新型基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统的调焦示意图。
25.附图标记说明：第一偏转双振镜单元振镜1，第二偏转双振镜单元振镜2，道威棱镜旋转单元3，调节旋钮4，道威棱镜5，第一聚焦镜6，第二聚焦镜7，反射镜8，聚焦单元镜片组9，加工工件10。
具体实施方式
26.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
27.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
29.如图1至图7所示，本实用新型提供了一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切系统，包括依次设置于入射激光光束光路上的偏转双振镜单元、道威棱镜旋转单元3、调焦单元和聚焦单元；所述偏转双振镜单元用于按预设位置及角度偏转偏移所述入射激光光束至所述道威棱镜旋转单元3内；所述道威棱镜旋转单元3用于将激光光束调节成以圆形轨迹运动的动态出射光；所述调焦单元用于动态调节动态出射光的焦点位置；所述聚焦单元用于对激光光束聚焦于被加工工件10 上。
30.具体的工作原理过程如下：
31.首先，从激光器产生的入射激光光束先进入到偏转双振镜单元内，实现光束的偏移和偏转，从而达到精确控制小孔的锥度和小孔大小的目的，同时还要实现在加工过程中配合旋切系统实现对各种打孔方式的调节转换；偏转双振镜单元主要由两个相互补偿配合的振镜组成，第一偏转双振镜单元振镜1将入射光束偏转一定的角度射入第二偏转双振镜单元振镜2，激光束达到第二偏转双振镜单元振镜2时，激光束的中心轴线与系统的机械轴线具有一定夹角θ1和平移距离l，第二偏转双振镜单元振镜2给予激光束一个偏转角度θ2对激光束的中心轴线与系统机械轴线的偏转角度进行补偿并给激光束一个微小的角度θ
2-θ1从而进一步决定加工的小孔的大小。
32.偏转双振镜单元还包括自主研发的软件硬件控制系统，用于实现双振镜的协调运动和实现特定打孔方式。其中，第二偏转双振镜单元振镜2的大小具有一定的要求，需要满足光束平移后依旧能对激光光束进行调节的要求。
33.如图2所示，第一偏转双振镜单元振镜1和第二偏转双振镜单元振镜2可以随图示上的双向箭头方向来回摆动，激光束入射到第一偏转双振镜单元振镜1之上，第一偏转双振镜单元振镜1给激光束反射一个角度θ1使激光束反射到达第二偏转双振镜单元振镜2时偏离轴心，从第二偏转双振镜单元振镜2反射出去的激光与入射时的激光平行，从而达到激光束平移的效果，偏移距离为l*sin(θ1)，第二偏转双振镜单元振镜2对激光束的角度θ1进行补偿，再给与一个与激光束偏移方向相反的偏移角度θ2。由θ2与聚焦透镜的焦距，可以计算出
打出的小孔的大小。
34.然后，按预设位置及角度偏转偏移后形成偏转光再进入至道威棱镜旋转单元3内。实现激光束的旋转作用，并在道威棱镜5绕系统机械轴旋转360
°
时使得激光束轨迹绕系统机械轴可以旋转720
°
；道威棱镜旋转单元3由道威棱镜5、可以实现动态平衡的调节以及道威棱镜5摆放的道威棱镜5摆放装置以及旋转空气轴电机组成，道威棱镜5摆放装置可以实现道威棱镜5的上下平移调节以及摆动调节，并通过其上附加的螺丝和孔位实现对动态平衡的调整。
35.如图3所示，当道威棱镜5的
△
d或
△
a不为零时就会造成如图 4所示的光学轨迹，道威棱镜5绕机械轴线旋转一周时，当
△
d不为零时，会造成道威棱镜5在旋转不同的角度之时，光线与机械轴所夹的角度有变化，从而导致在聚焦平面产生如图4所示的光学轨迹，当
△
a不为零时，则会导致威棱镜在旋转不同的角度之时，光线与机械轴之间的距离会有变化，从而使得在聚焦之前，激光束的运动轨迹如图4所示。
36.如图5所示，当道威棱镜5本身存在的误差
△
a不为零时，通过平移道威棱镜5的位置，即通过下方的调节旋钮4调节道威棱镜5的中心轴线与系统的旋转机械轴线之间的位移距离，可以补偿该误差，而同时使用如图5所示的调节方式也是实现光学系统紫外绿光双波段应用的原理。
37.如图6所示，当道威棱镜5本身角度误差即
△
d不为零时，通过调节道威棱镜5中心轴线与系统旋转机械轴线之间的角度可以补偿误差
△
d。
38.其中，道威棱镜旋转单元3包括标准道威棱镜5以及用于带动道威棱镜5旋转的空气轴电机，所述空气轴电机带动所述准道威棱镜5 旋转以使入射的激光光束的光线轨迹呈现圆形出射。准道威棱镜5的孔径为15mm、下底长度为66.5mm。用于绿光和紫外双波段的光学器件，其加工的长度和角度具有一定的误差，需要使用道威棱镜旋转单元3中的道威棱镜5放置装置对其进行调节和校准。
39.再然后，偏转光入射至所述道威棱镜旋转单元3内调节成以圆形轨迹运动的动态出射光后进入到调焦单元进行调焦，在激光加工过程中对激光的聚焦焦点进行微小的调整，从而实现对激光加工的精细控制；调降单元由两个聚焦透镜组构成，通过微调第二聚焦透镜7的位置，可以实现对焦点位置的快速调节，从而解决由于激光功率高、对材料的加工迅速而导致的焦点位置不能快速跟上激光加工预加工位置的问题，使得激光聚焦后的焦点一直位于工件的预加工处，大幅度提高打孔的质量和效率。从第二调焦镜7出射后经过反射镜8反射调整光线角度，以进入到聚焦单元镜片组9进行聚焦，最后照射在被加工工件10上进行加工。
40.聚焦单元由专门设计的消球差消色差透镜组组成，用于实现对激光束的聚焦，得到可用于加工的激光高能量密度的光斑。
41.最后，通过调焦单元动态调节所述以圆形轨迹运动的动态出射光的焦点位置，并经过聚焦单元聚焦后对被加工工件10加工。
42.如图7所示，激光器出射的光束总是发散的，通过调焦单元的第一聚焦镜6和第二聚焦镜7的位置调节，可以调节射入聚焦单元的光束的发散程度或收束程度，从而实现在光学程度上的调焦。
43.其中，调焦单元和聚焦单元都具有调节焦距的效果，调焦单元是横放在工作台上
的，通过移动第二个聚焦透镜组来实现对焦距的微调，可以忽略重力的影响，且单独一个透镜组重量较小，使用的机械设备可以小型化、精细化，可以实现焦点精确快速高效的调节；上述聚焦单元有传动装置连接，可以进行垂直方向的上下移动，用于大幅度的实现焦点的调节，但透镜组及配套的机械装置重量较大，会影响调节的精度和速度。
44.可选的方案，偏转双振镜单元前设置有激光器，激光器出射的光束为高斯分布的光强，激光束的中心和整形单元的中轴线重合。
45.有益效果：
46.1、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，装置使用的是激光旋转扫描的打孔方式，避免了由于激光光强的高斯分布造成的冲击打孔中心比四周温度高的现象，相对均匀的温度分布和旋转扫描的方式可以很好的改善小孔入口锥度变化缓慢的问题。
47.2、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，实现激光的偏转和偏移功能使用的是振镜反射式的调节方式，可以更高效、更快速的配合激光的旋切加工，也可以更加灵活的选择旋切加工的加工方式，使得打孔更加精细、效率以及质量更高。
48.3、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，通过振镜的作用，可以实现对小孔进行三维加工，实现在打孔过程中的动态调节。
49.4、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，通过道威棱镜绕机械轴旋转来带动激光光束的旋转，并且道威棱镜绕光学系统的机械轴线旋转360
°
，激光束从道威棱镜出射的光束会旋转 720
°
，相当于光学系统的旋转速度是机械系统的旋转速度的两倍，通过增加激光脉冲的重复频率，我们可以在保证加工质量的条件下，进一步的提高加工效率。
50.5、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，通过调节偏转双振镜单元的两个振镜的角度θ1和θ2，以及两个振镜之间的距离关系可以得到不同偏转角度以及不同偏移距离的激光束入射进道威棱镜旋转单元，从而实现对不同大小以及不同锥度的微孔进行加工。
51.6、本实用新型提出一种振镜与道威棱镜的组合旋切装置，通过聚焦单元的机械运动装置进行焦点的粗略调节，再通过调焦单元对加工面的焦点进行精确调节，使焦点随着打孔的深入而精准且快速的下降，从而实现激光加工去除一层材料，焦点就下降一层，使得加工一直保持最佳激光去除效果，以获得更好的小孔孔壁质量及更小的热反应。
52.综上，激光束有偏转双振镜单元入射，由双振镜基于激光束相对于的平移距离和角度，同时，双振镜的存在可以更好控制激光打孔的运动轨迹，如沿螺旋线来回扫描、固定圆周轨迹打孔、环切打孔等方式；再通过道威棱镜的偏转作用，使具有偏转角度和偏移距离的激光束旋转起来，实现激光束轨迹的旋转，最后使激光束通过聚焦后对工件进行加工。本实用新型通过道威棱镜的特有光学性质，使得光学轨迹旋转的速度大大增加，从而可以获得质量更好的微孔以及更高的打孔效率，道威棱镜多波段的设计可以满足紫外、绿光的加工要求，使该装置既可以在紫外条件下对更加微小的孔进行精加工，也可以在绿光条件下对大孔进行加工，控制加工的成本。
53.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本实用
新型；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时,凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。