一种激光加工装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光加工装置以及方法。本发明包括一种新型分光装置，除了对源光束进行分路外，该装置还考虑到了多孔同时加工时能量的一致性问题，通过新型电控分光器，可以实现喷油嘴多孔同时加工，并通过分光器和激光衰减装置对激光加工光束的数量和功率进行控制，保证多激光器可以在相同能量下进行加工作业，从而保证了多孔加工表面质量的一致性。同时本发明还包括对激光器的发射光路的改进，通过波片，使得输出的激光束转变为圆偏振光，有利于提高激光打孔的加工性能。此外，本发明通过光路转化器将二维光路转化为三维光路，不同与以往的普通光路，其激光器位于同一平面内，只能加工同一平面物体，本发明可以将四个激光器处于三维空间中，使得一次性加工喷油嘴的三维分布喷孔成为可能，可应用于对喷油嘴多个不同平面的喷孔进行同时加工。
【专利说明】
_种激光加工装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于机械加工领域，具体涉及一种对喷油嘴多个不同平面的喷孔进行同时加工的激光加工装置以及多路激光器能量平衡的控制。
【背景技术】
[0002]激光加工技术在现代加工中的应用越来越广泛，尤其是对与激光打孔，由于传统的加工方式难以完成微小孔径的加工，而激光打孔恰恰可以克服传统工艺的不足之处，可以很好的用之于微小孔的加工应用中。喷油嘴作为发动机的主要部件之一，它的性能好坏直接影响到了发动机的性能。而喷油嘴的喷孔作为一种微型孔，是衡量喷油嘴是否合格的重要指标之一，它的孔径一般要求控制在0.14-0.17mm之间。因此，在目前的技术应用中采用了激光加工喷油嘴喷孔方式。
[0003]然而，目前的喷油嘴大多采用的是多孔喷油，而且喷孔处于三维平面之内。因此对于激光加工来说，每加工一个喷油嘴都需要多次加工，甚至需要多次的定位，加工步骤繁琐，加工效率较低。而激光加工设备由于自身的缺陷，定位方式并没有普通加工手段那样灵活，因此采用激光加工喷油嘴难免会影响加工周期，加工效率并不理想，经济效益较低。因此需要一种更加适合喷油嘴加工的激光装置以及相应得光路，以用于提高激光加工喷油嘴的效率。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种激光加工装置及方法，以实现在加工喷油嘴的喷孔时可以做到同时对三维分布的喷孔进行加工，简化加工步骤并提高加工效率。为了解决以上技术问题，本发明采用特殊的激光装置，包括新型的电控分光器、新的激光光路。将传统的激光单孔加工提升到对三维分布的喷孔进行同时加工，省去了大量传统工艺中的移位装夹时间，有效的提高了激光加工柴油机喷油嘴喷孔的加工效率。
[0006]本发明着重考虑了多激光器同时加工时能量的一致性问题，具体包括一种新型电控分光器，通过电磁阀和电控旋转装置，实现了分光器两个或三个工作状态的转换。1:1分光状态:分光器处于开启状态时，光束通过分光器的1:1分光镜，将入射激光束分成两个不同方向的光束，切能量比为1:1。开启状态:分光器处于开启状态时，光束通过分光器的留空板，直接穿过分光器，光束不发生任何变化继续沿原路径传递。I: 2分光状态:当分光器处于1: 2分光状态时，激光束通过1:2分光镜，将激光束分成两路方向的激光，且此时分出光线能量比为1:2。由于考虑到分光镜的分光比在实际中存在些许误差，因此在各支路上使用了激光衰减装置，通过激光衰减装置对各路激光功率进行精确调节，从而达到各路激光能量上的一致性。同时，通过多个电控分光器，可以实现对加工时激光头开闭的控制，从而实现从单激光器加工到四激光器同时加工的有随意切换。根据目标作业要求，本装置可以进行1-4个激光器同时进行加工的随意切换，大大的提高了激光加工的灵活性以及激光打孔的加工效率。
[0007]本发明还包括对原有激光发射光路的改进，由于本装置会将光路分路，因此本发明在激光发射器后面安装了扩束镜。通过扩束镜，使得激光器射出的激光直径增加，以便于后续激光的分路。本发明还包括一个光路转化器，可以将入射的光线延垂直于入射方向的平面平移一段距离后射出。透过光路转换器，可以将原本呈二维分布的光路转话为三维分布，从而使得多个激光器能够呈三维分布，从而实现对三维分布的喷孔进行同时加工。本发明还考虑到了偏振光对激光加工的影响。在每一路的激光器前，光路都依次从过了一个二分之一波片和一个四分之一波片。从而将激光束转化为圆偏振光。在激光加工中，圆偏振光是最理想的一种偏振形态，能够有效的提高激光的加工质量与加工速度。本发明采用这种方法，有效的提高了加工喷油嘴喷孔的性能，从而使得孔的质量得到提高。本装置并不局限与四激光器同时加工，采用本发明的思路，完全可以实现5激光器甚至更多激光器的同时加工，同时可以保持各路激光能量的一致性。
[0008]具体的技术方案如下:
一种激光加工装置，包括激光发射器(I)、扩束镜(2)、全反射镜(5)、二分之一波片(6)、四分之一波片(7)和激光器A(8)、激光器B(9)、激光器C(10)、激光器D(ll)，其特征在于还包括:电控三态分光器(3)、电控双态分光器A( 12)、电控双态分光器B( 13)、光路转换器(4)、激光衰减装置(37);
所述激光光路描述如下:激光由激光发射器(I)发出，经过扩束镜(2)扩束后进入电控三态分光器(3)当中，根据所需加工状态的不同，激光被该电控三态分光器(3)分成一路或两路光线继续传递;当需要四路光线同时加工时，一路光线通过电控双态分光器A(12)转换成两路光线，另一路经过光路转换器(4)后再通过电控双态分光器B(13)也分成两路光线，得到的四路光线依次通过各路的激光衰减装置(37)、二分之一波片(6)、四分之一波片(7)然后进入各路的激光器当中进行加工作业。
[0009]所述的电控三态分光器(3)包括分光器底板(20)、折射光线与反射光线能量比为I: I的分光镜(22)、折射光线与反射光线能量比为1:2分光镜(38)、留空板(24);还包括电磁装置(15)、衔铁A(18)、衔铁B(21)、衔铁C(39)、电控旋钮(I6)、连杆(I7)、旋转轴(23);分光器底板(20)起支撑固定作用；
通过电控单元A( 14)、电控单元B( 19)的控制，电控三态分光器(3)实现在三个状态之间进行切换，电控单元A(14)和电控单元B(19)对电信号进行发射与接受；当电控三态分光器
(3)处于稳定状态时，电磁装置(15)吸附衔铁A(IS)、衔铁B(21)、衔铁C(39)，分光器此时保持稳定状态；
当分光器要进行状态转换时，通过电控单元A( 14)、电控单元B( 19)的控制，电磁装置
(15)与衔铁A(18)、衔铁B(21)、衔铁C(39)断开，电控旋钮(16)带动连杆(17)和旋转轴(23)进行旋转，当旋转到需要位置后通过电控单元(14、19)将电磁装置铁A(IS)、衔铁B(21)、衔铁C(39)吸附，电控三态分光器(3)再次进入稳定状态；激光线路按要求通过1:1分光镜
(22)、1:2分光镜(38)或者留空板(24);
分光镜将入射光分成两路传递出去，从而实现光的分路，且根据分光镜的不同保持各路能量为1:1或1:2;当光线射入留空板时，入射光线能直接从孔洞中穿过，此时分光器不对入射光线产生任何影响，光线按照原光路传递。
[0010]—种激光加工方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一，当需要进行四个激光器即激光器A(S)、激光器B(9)、激光器C(1)、激光器D
(11)同时加工作业时，开启电控三态分光器(3)为1:2分光状态，上下两个电控双态分光器即电控双态分光器A(12)和电控双态分光器B(13)均开启1:1分光状态；
步骤二，调节四条支路上各自的激光衰减装置，使得四条支路的激光能量相同；
步骤三，根据待加工孔的位置，调节四个激光器即激光器A(S)、激光器B(9)、激光器C
[10]、激光器D(11)的相对位置，根据工程图确定好相应的角度；
步骤四，对待加工物体进行定位装夹，待加工物体在定位装夹时，应先确保待加工物体的轴线与夹具定位轴(27)重合，实现加工物体的准确定位，然后再进行装夹；
步骤五，由激光器A(8)、激光器B(9)、激光器C(10)、激光器D(Il))对待加工物体进行激光打孔加工作业。
[0011]本发明的工作过程如下:激光由激光发射器发出，经过扩束镜扩束后进入电控三态分光器当中，根据所需加工状态的不同，激光被该电控三态分光器分成一路或两路光线继续传递。当需要四路光线同时加工时，一路光线通过电控双态分光器转换成两路光线，另一路经过光路转换器后再通过电控双态分光器也分成两路光线。得到的四路光线依次通过各路的激光衰减装置、二分之一波片、四分之一波片然后进入各路的激光器当中进行加工作业。
[0012]本发明具有有益效果。本发明通过采用电控三态分光器技术方案，使得可以实现通过电控对三种分光状态的任意切换;本发明通过采用激光衰减装置技术方案，使得各路激光的激光能量保持一定，大大提高了多激光器同时作业时加工质量的一致性。
【附图说明】
[0013]图1是本发明激光装置光路图；
图2.1、图2.2是电控双态分光器(开启状态)结构图；
图3.1、图3.2是电控双态分光器(分光状态)结构图；
图4.1、图4.2是电控三态分光器结构图图5是开启一个激光器进行加工时的激光光路图；
图6是开启两个激光器同时加工时的激光光路图；
图7是开启三个激光器同时加工时的激光光路图；
图8是开启四个激光器同时加工时的激光光路图；
图9是夹具装夹结构图；
图10是三孔同时加工预期效果图；
图11是四孔同时加工预期效果图；
图中:1-激光发射器2-扩束镜3-电控三态分光器4-光路转换器5-全反射镜6-二分之一波片7-四分之一波片8-激光器A、9-激光器B、10-激光器C、11-激光器D，12-电控双态分光器A、13-电控双态分光器B ,14-电控单元A、19-电控单元B 15-电磁装置16-电控旋钮17-连杆18-衔铁A、21-衔铁B、39-衔铁C 20-分光器底板22-分光比为1:1的分光镜23-旋转轴24-留空板25-凸台26-夹爪27-定位轴28-喷油嘴29-销轴30-密封圈31-调节螺钉32-连接轴33-止动弹黄34-锁紧螺母35-夹具座37-激光衰减装置38-分光比为1:2的分光镜。
[0014]
【具体实施方式】
[0015]下面基于附图，详细的说明本发明的实施方式及所涉及的激光加工装置及其激光加工方法。此外，本发明并不限定于本实施方式。
[0016]图1是本发明的新型激光装置光路图。其中I是激光发射器，激光光源从I中产生并发射，通过光路进行传播。2是扩束镜。用来扩大激光光源。由于本装置光路最终会将光源分成四路，因此扩束镜对保持激光能量的传递起到一定的辅助作用，以便于将光源更理想的传递下去。3是本发明的电控三态分光器，12、13是的电控双态分光器，该控制器通过电磁阀和电控旋转装置控制它的工作状态。本新型电控三态分光器可以在开启状态、1:1分光状态和1:2分光状态之间进行随意转换。电控双态分光器可以实现两种状态的切换。1:1分光状态，分光器处于I: I分光状态时，光束通过分光器的1:1分光镜，将入射激光束分成两个不同方向的光束进行光路传递且能量比为1:1。开启状态:分光器处于开启状态时，光束通过分光器留空板上的孔洞，直接穿过分光器，光束不发生任何变化继续沿原路径传递。电控三态分光器除了以上两个状态外还可以进行第三状态的转变:1:2分光状态。分光器处于I: 2分光状态时，光束通过分光器的1:2分光镜，将入射激光束分成两个不同方向的光束进行传递且能量比为1:2，此状态在适用于三激光器同时加工时，后面会对其进行详细说明。通过多个电控分光器，可以实现对加工时多个激光器开闭的控制，从而实现从单激光器加工到四激光器同时加工的有效控制。根据目标作业要求的不同，本装置可以进行1-4个激光器同时加工的随意切换，大大的提高了激光器加工的灵活性，提高了激光打孔的加工效率。4是光路转换器，通过光路转换器，可以将原本呈二维分布的光路转换为呈三维分布光路，使得原本位于同一平面的激光器相应的从二维分布转化为三维分布。因此本激光装置再仅仅局限于对二维分布的喷孔进行加工，还可以同时加工柴油机喷油嘴上三维分布的喷孔。5是全反射镜，将入射光传递到另一个方向且能量保持不变。通过全反射镜，可以有效的改变光路的传播路线，从而将光路有效地按照设计要求进行传递。本发明为了保证各路输出功率一致，在四个分路前段均采用了激光衰减装置37，通过调整激光衰减装置，达到工作时各路激光能量相同的目的。通过衰减装置后，光路通过6二分之一波片，可以将传递光线转换成线偏振光。7是四分之一波片，四分之一波片可以将线偏振光转化成圆偏振光，而在激光加工中，圆偏振光是一种理想的偏振光，能够有效的提高激光的加工质量与加工速度。因此本装置依次通过二分之一波片、四分之一波片，可以有效地将传递光线转化成圆偏振光，从而为喷油嘴喷孔的加工提供更优质的光源。8、9、10、11都是激光器，激光器接收传递来的激光，通过聚焦后发射激光束，用来进行喷油孔的打孔作业，同时，为满足喷油嘴加工时激光器角度问题，可以在各支路尾端通过光纤辅助，使得激光束能够呈不同角度分布，以满足不同角度的喷油嘴加工。
[0017]图2是电控双态分光器(开启状态)结构图；图2.1所示是整体结构图，其中20是分光器底板，起支撑固定作用。22是1:1分光镜，分光镜可以将入射光分成两路传递出去，从而实现光的分路，且保持各路能量为1:1。24是留空板，留空板的中心是一个矩形孔洞，入射光线可以直接从洞中穿过，此时分光器不对入射光线产生任何影响，光线按照原光路传递。当分光器处于开启状态时，光线穿过留空板，光路不发生变化。当分光器处于1:1分光状态时，光路穿过1:1分光镜，光线经过分光镜会产生分路，分路后的光线向两个方向进行传递且能量相同。14、19是电控单元，对电信号进行发射与接受。15是电磁装置，左右两边各配备一个，18、21是衔铁，当电路开启时，电磁装置吸附衔铁，分光器此时保持稳定；当分光器要进行状态转换时，如图2.2所示，电磁装置与衔铁断开，电控旋钮16带动连杆17和旋转轴23进行旋转。
[0018]图3是电控双态分光器(分光状态)结构图，图3.1所示是整体结构图，与图2结构基本相同，区别在于中心结构体，如图3.2所示，当电控旋钮带动旋转轴23转动一定角度后，电磁装置开启，吸附旋转后的衔铁，当分光器处于开启状态时，如图2所示，电磁装置15与衔铁21吸附在一起。当工作状态进行转换时，旋钮带动轴进行转动，电磁装置15与衔铁18吸附在一起，此时工作状态成功切换至分光状态，分光器所处状态如图3.1所示。
[0019]图4是电控三态分光器结构图。图4.1是整体结构图，4.2是旋转部位结构图。与电控双态分光器相比，电控三态分光器增加了 1:2分光镜38和衔铁39。通过1:2分光镜，可以将入射光束分成两个不同方向且使得能量比为1:2.电控三态分光器3的此工作状态对三激光器同时加工时的能量分配有着十分重要的作用。
[0020]图5是当只需要一个激光器进行加工时，调节电控分光器，开启一个激光器进行加工时的激光光路图。此时激光光束从激光发射器发出，经过扩束镜后，通过电控三态分光器3，此时电控分光器3处于开启状态，光束穿过分光器不发生线路的变化。穿过分光器3后经过全反射镜和光路转换器后，激光光束到达电控双态分光器12。电控分光器12处于开启状态，激光光束不受影响继续传递，经过全反射镜改变方向后，依次经过激光衰减装置、二分之一波片和四分之一波片，此时激光光线转换为圆偏振光线，最后通过激光器8聚焦，对待加工工件进行加工作业。由于此时只有一个激光器工作，因此不存在多路激光能量一致性问题。
[0021]图6是当需要两个激光器同时加工时，调节电控分光器，开启两个激光器同时加工时激光光路图。激光光束从激光发射器发出，经过扩束镜后，通过电控分光器3，此时电控分光器3处于开启状态，光束穿过分光器不发生线路的变化。穿过分光器3后经过全反射镜和光路转换器后，激光光束到达电控双态分光器12。此时电控分光器12处于I: I分光状态，入射光线穿过分光器中的分光镜，光束分成了两路且能量比为1:1。第一支路光线与图5相同，经过全反射镜改变方向后，依次经过二分之一波片和四分之一波片，此时激光光束转换为圆偏振光线，最后通过激光器8，对加工工件进行加工作业;第二路光束直接穿过激光衰减装置、二分之一和四分之一波片，然后进入激光器9中，进行加工作业。由此，通过改变分光器状态，如图6所示的光路实现了 8、9双激光器同时加工。由于分光装置存在一定误差，因此为了保持两路激光功率一致，通过对两路的激光衰减装置进行调整，用激光测功器进行测试，从而确保两路的激光能量相同，从而得到质量一致的喷孔。
[0022]图7是当需要三激光器同时进行加工时，调节电控分光器，开启三个激光器同时加工的激光光路图。激光光束从激光发射器发出，经过扩束镜后，通过电控分光器3，此时电控三态分光器3处于1:2分光状态，光束通过分光器3上的1:2分光镜后分成了两路光束，向上传播的路线能量与向下传播的能量比为2:1。向上传播的支路路线与图6所示路线相同，经过处于分路状态的分光器12后再次分成两束光线，最终分别进入激光器8、9中进行作业。而另一束光束通过分光器13，此时分光器13处于开启状态，光束穿过分光器不发生任何变化，然后经过全反射镜改变方向，再依次通过激光衰减装置、二分之一波片与四分之一波片，此时光束转化为有利于激光加工的圆偏振光，最后通过激光器11聚焦进行打孔作业。如图7光路所示，此时经分光器调节后的光路实现了8、9、11三分光器同时加工，且分光器的调节和各支路能量比例为1:1:1，能量比例一致。由于分光装置存在一定误差，因此为了精确地保持三路激光能量的一致性，还需对三路的激光衰减装置进行细微调整，再用激光测功器进行测试，以确保三路的能量相同，从而三激光器同时加工得到的喷孔质量保持一致，其理想状态下加工三孔喷油嘴喷孔的效果如图10所示。
[0023]图8是当需要全部四个激光器共同加工时，调节电控分光器，开启四个激光器同时加工的激光光路图。激光光束从激光发射器发出，经过扩束镜后，通过电控三态分光器3，此时电控分光器3处于I: I分光状态，光束通过分光器3上的1:1分光镜后分成了两路光束且能量比为1:1。其中向上传播的支路路线与图6所示路线相同，经过处于分路状态的分光器12后再次分成两束光线，最终分别进入激光器8、9中进行作业。而另一束光束通过分光器13，此时分光器13处于I: I分光状态，光束经过分光器13中的1:1分光镜后分成了能量相同的两路光束。再依次通过激光衰减装置、二分之一波片与四分之一波片，此时光束转化为有利于激光加工的圆偏振光，最后通过激光器11聚焦进行打孔作业。另一路经过分光器13分路后依次通过激光衰减装置、二分之一波片6和四分之一波片7进行圆偏振光的转换，然后进入激光器10，通过激光器聚焦后光束对待加工喷油嘴进行作业。此时的光路，通过对分光器的调节，实现了4个激光器同时加工的功能。由于分光装置存在一定误差，因此为了保持四路激光能量一致，通过对四路的激光衰减装置进行调整，用激光测功器进行测试，从而确保四路的功率相同。且由于8、9激光器与10、11激光器分别处于不同平面，因此可以直接用于柴油机喷油嘴的三维分布喷孔，大大简化了加工过程，提高了加工效率。其理想状态下对四孔喷油嘴的加工效果图如图11所示。
[0024]图9是夹具剖视图，其中夹具座35与夹具体36接触，通过调节螺钉31对其进行调整。连接轴32通过密封圈30与定位芯轴27连接。止动弹黄33可以有效的防止夹具窜动，锁紧螺母34对整个夹具起到预紧作用。上部突出部分是上部凸台25，夹爪26通过销轴29定位，同时夹爪26对喷油嘴28起固定作用。喷油嘴通过定位轴27进行定位，并由夹爪26进行固定，从而完成喷油嘴的装夹。
【主权项】
1.一种激光加工装置，包括激光发射器(I)、扩束镜(2)、全反射镜(5)、二分之一波片(6)、四分之一波片(7)和激光器A(8)、激光器B(9)、激光器C(10)、激光器D(ll)，其特征在于还包括:电控三态分光器(3)、电控双态分光器A( 12)、电控双态分光器B( 13)、光路转换器(4)、激光衰减装置(37); 所述激光光路描述如下:激光由激光发射器(I)发出，经过扩束镜(2)扩束后进入电控三态分光器(3)当中，根据所需加工状态的不同，激光被该电控三态分光器(3)分成一路或两路光线继续传递;当需要四路光线同时加工时，一路光线通过电控双态分光器A(12)转换成两路光线，另一路经过光路转换器(4)后再通过电控双态分光器B(13)也分成两路光线，得到的四路光线依次通过各路的激光衰减装置(37)、二分之一波片(6)、四分之一波片(7)然后进入各路的激光器当中进行加工作业。2.根据权利要求1所述的一种激光加工装置，其特征在于: 所述的电控三态分光器(3)包括分光器底板(20)、折射光线与反射光线能量比为1:1的分光镜(22)、折射光线与反射光线能量比为1:2分光镜(38)、留空板(24);还包括电磁装置(15)、衔铁4(18)、衔铁以21)、衔铁(:(39)、电控旋钮(16)、连杆(17)、旋转轴(23);分光器底板(20)起支撑固定作用； 通过电控单元A( 14)、电控单元B( 19)的控制，电控三态分光器(3)实现在三个状态之间进行切换，电控单元A(14)和电控单元B(19)对电信号进行发射与接受；当电控三态分光器(3)处于稳定状态时，电磁装置(15)吸附衔铁A(IS)、衔铁B(21)、衔铁C(39)，分光器此时保持稳定状态； 当分光器要进行状态转换时，通过电控单元A( 14)、电控单元B( 19)的控制，电磁装置(15)与衔铁A(18)、衔铁B(21)、衔铁C(39)断开，电控旋钮(16)带动连杆(17)和旋转轴(23)进行旋转，当旋转到需要位置后通过电控单元(14、19)将电磁装置铁A(IS)、衔铁B(21)、衔铁C(39)吸附，电控三态分光器(3)再次进入稳定状态；激光线路按要求通过1:1分光镜(22)、1:2分光镜(38)或者留空板(24); 分光镜将入射光分成两路传递出去，从而实现光的分路，且根据分光镜的不同保持各路能量为1:1或1:2;当光线射入留空板时，入射光线能直接从孔洞中穿过，此时分光器不对入射光线产生任何影响，光线按照原光路传递。3.根据权利要求1所述的一种激光加工装置的激光加工方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，当需要进行四个激光器即激光器A(8)、激光器B(9)、激光器C(1)、激光器D(11)同时加工作业时，开启电控三态分光器(3)为1:2分光状态，上下两个电控双态分光器即电控双态分光器A(12)和电控双态分光器B(13)均开启1:1分光状态； 步骤二，调节四条支路上各自的激光衰减装置，使得四条支路的激光能量相同；步骤三，根据待加工孔的位置，调节四个激光器即激光器A(S)、激光器B(9)、激光器C(10)、激光器D( 11)的相对位置，根据工程图确定好相应的角度； 步骤四，对待加工物体进行定位装夹，待加工物体在定位装夹时，应先确保待加工物体的轴线与夹具定位轴(27)重合，实现加工物体的准确定位，然后再进行装夹； 步骤五，由激光器A(8)、激光器B(9)、激光器C(1)、激光器D(Il))对待加工物体进行激光打孔加工作业。
【文档编号】B23K26/064GK105921892SQ201610361879
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】丁华, 李炎蔚, 辛强, 殷小平, 陈侠
【申请人】苏州中汽检测技术服务有限公司