加工非圆孔的激光系统的制作方法

本实用新型涉及微孔激光加工技术领域，尤其涉及非圆孔的激光加工技术领域。

背景技术：

激光加工中，激光器输出激光束，通过一系列光学原件将激光束引导至被加工的工件表面上。由于激光束与工件表面的相互作用，使工件局部材料被冲击或被融化和汽化，从而被去除掉，因而可用此方法来打孔和切割工件。控制激光束在工件表面的相对运动，可以控制打孔或切割工件的几何形状。

激光打孔的方法可分为冲击打孔和环切打孔两大类。冲击打孔是指激光束和工件之间没有相对运动，激光束在工件表面的位置不变，从而加工出孔来。环切打孔是指通过控制，使激光束和工件之间做螺旋状、圆周状、或非圆周状等的运动来加工出圆孔或非圆孔的方法。并且，通过控制激光束相对于工件的入射角，如图1所示的θ角，可加工出剖面为漏斗状、圆锥状、双曲状等的孔。

为了改善打孔的圆度精度和方便调节孔径和孔的剖面锥度，Wawers等人研制出了一种激光加工装置，见美国专利US7842901B2，该装置包括光学旋转原件如道威棱镜、可平行移动的反射镜、可摆动的尺寸调节光楔、和聚焦镜等基本原件组成。该发明所采用的道威棱镜的两斜面相互对称垂直，并以位于四个平行平面之中点的并与诸平行平面相平行的假象线为旋转轴，激光束以平行于旋转轴的方向从一端斜面输入，由另一的端斜面输出。当道威棱镜绕旋转轴旋转时，使得输出的激光束以两倍的转速围绕旋转轴旋转，该方法产生出的激光束的旋转运动包括激光束的公转和同步自转。同步自转运动大大提高了打孔的圆度精度，使打孔圆度不受激光光束质量的影响。平行移动的反射镜可调节输入光束与旋转轴的偏移量，以改变输出光束公转的直径，以此来控制通过聚焦镜产生的入射角以控制孔的剖面锥度。围绕与光轴垂直的方向转动尺寸调节光楔可以改变输入光束的倾斜角，以此来调节打孔的尺寸。为了保证打孔的圆度和尺寸精度，要求当输入激光束被调节移动到与旋转轴相重合的位置时，能达到最小偏差状态。在该状态下，输出的激光束也被自动调节移动至与旋转轴相重合的位置，使公转的直径为零。为了满足该要求，道威棱镜的几何尺寸必须根据其材料对使用的激光波长的折射率计算出。由于道威棱镜在制造和安装过程中会产生出几何误差，使其最小偏差状态无法实现。为了达到最小偏差状态，必须对上述误差进行补偿，因此该发明增加了位于道威棱镜输出端的平面透镜和两个补偿光楔，该补偿原件和道威棱镜一同旋转，并可单独围绕与光轴垂直方向独立调节转动来补偿消除该几何误差。两个补偿光楔用来补偿输出激光束的角度误差，平面透镜用来补偿因转动补偿光契带来的平移误差。

为了改进激光打孔系统的可靠性、实用性，本次实用新型的发明人对上述激光打孔装置进行了改进，并研制出数控激光加工系统，在美国申请了专利，见美国专利US20130175243A1。该发明取消了前述中的尺寸调节光楔，取而代之的是，将可平行移动的反射镜增加了动态旋转控制功能以此来改变输入光束的倾斜角以调节打孔的尺寸。误差补偿矫正环节中，取消了位于激光束输出端的平面透镜，将两个补偿光楔的调节转动方向改为绕道威棱镜旋转轴旋转，可参见图1中11、12。该改进设计避免了补偿光楔围绕与光轴垂直方向调节转动带来时的平移误差，因而不需要平面透镜对其进行补偿。该改进提高了激光打孔装置高速旋转的稳定性，使安装调试更为容易快捷。由于具有反射镜的动态旋转控制功能，数控系统可将反射镜的摆动旋转的角度（参见图1中A）和道威棱镜的旋转的角度同步控制，使激光束在工件表面走出非圆轨迹，加工出非圆孔。

技术实现要素：

上述系统在加工非圆孔时，反射镜必须和道威棱镜的主轴的高速旋转做同步摆动。由于惯性，反射镜的机械驱动原件在高速运动时会产生出跟踪误差，该误差将大幅度地影响打孔的形状精度。若降低主轴旋转速度及同时降低反射镜的摆动速度，将降低打孔速度和效率及加工的表面质量。因此本实用新型提出一个将道威棱镜的主轴旋转角度与激光束的开启和关闭同步，同时控制反射镜使激光束在焦平面上做螺旋运动，当激光束运动至事先定义的孔型轮廓之内时，激光束开启，当激光束运动至该轮廓之外时，激光束关闭。激光束的开启和关闭可通过由光电器件组成的光闸来实现，由于光电器件对于控制信号的响应速度比反射镜的机械跟踪速度大数千至数万倍，以此方法可提高加工非圆孔的精度和速度。

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种精度高的加工非圆孔的激光系统，能适用于普通非圆孔以及带锥度的非圆孔的加工。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：加工非圆孔的激光系统，包括激光源和衔接于激光源输出端的光学旋转头，还包括控制系统和设置在激光源和光学旋转头之间可截断由激光源发射出的激光束的光闸，所述的光学旋转头包括沿光路依次布置的反射镜、光束旋转器件如道威棱镜和激光聚焦装置；所述的激光系统具有相互交叉的第一参照轴和第二参照轴；

由所述激光源发射出的激光束与第一参照轴同轴；所述道威棱镜的中心轴与第二参照轴同轴；所述激光聚焦装置的聚焦点位于第二参照轴上，激光聚焦装置用于聚焦道威棱镜出射面射出的激光束；所述的反射镜用于将激光源发射出的激光束反射至道威棱镜的入射面，反射镜以被反射的激光束与第二参照轴大致同轴时为其基准位；

所述的控制系统控制光闸的开启或关闭，还控制反射镜绕同时垂直于第一参照轴和第二参照轴的轴转动，还控制道威棱镜绕所述的第二参照轴旋转。

需说明的，道威棱镜的中心轴即为同时穿过道威棱镜入射面中心和出射面中心的轴。由于道威棱镜的特性，道威棱镜绕中心轴旋转时，像的旋转角速度为棱镜旋转角速度的两倍，即若道威棱镜围绕中心轴以ω的角速率旋转时，则从道威棱镜出射面射出的激光束会以2ω的角速度同轴旋转。

反射镜位于基准位时，激光由激光源射出，经反光镜反射后，平行于第二参照轴由道威棱镜入射面的中心进入后从道威棱镜出射面的中心射出，再经过激光聚焦装置聚焦后，会在焦平面与第二参照轴的相交处聚焦成一个小激光斑。当控制系统控制反射镜绕同时垂直于第一参照轴和第二参照轴的轴转动后，会使得射入道威棱镜的激光束的入射点和入射角发生偏移，从而使得由道威棱镜出射面射出的激光束也发生偏移，最终使落在焦平面上的聚焦激光斑由第二参照轴发生偏移，该偏移的量由反射镜所转动的角度决定。若转动后的反射镜配合上道威棱镜绕第二参照轴的旋转，则该偏移后的激光斑会在焦平面上转动，其转动会在焦平面上形成圆周轨迹，因此可用于在工件上加工圆孔，圆孔的直径大小由反射镜的转动角度决定。通常在加工圆孔的工艺中，圆孔可采用分布扩孔法或螺旋扩孔法进行扩孔，分布扩孔法：先将激光斑控制在最小偏移的位置上打出一个小孔，然后控制反射镜转动后再使道威棱镜旋转，以此来扩大激光斑的旋转半径，打出一个孔径稍大的孔，之后再一步一步地增加反射镜的转动角度，转动角度每增加一次，道威棱镜都做一次旋转运动，这样便会在原基础上逐渐的扩大孔径尺寸，最后扩大至所需的孔径；螺旋扩孔法：与分布扩孔法不同的是，反射镜与道威棱镜的转动是连续进行的，它使激光斑的旋转半径在最小偏移位置和所需半径之间连续变化，以此使激光斑走出螺旋轨迹，最终加工出所需的孔径。

在上述分布扩孔或螺旋扩孔的过程中，若再配合上光闸的开启或关闭（即同时控制光闸的开启或关闭、道威棱镜的旋转以及反射镜的转动），便可加工出非圆孔。具体为，在扩孔的过程中，若激光斑轨迹运动至事先定义的孔型轮廓之内时，光闸保持开启，当运动至该孔型轮廓之外时，光闸保持关闭，便可加工出事先定义的非圆孔（也即不带锥度的异型孔）。

进一步的，所述反射镜可沿第一参照轴平移，该平移由控制系统控制反射镜由所述的基准位沿第一参照轴平移。

当反射镜从所述基准位沿第一参照轴线性平移一定距离后，会使得射入道威棱镜的激光束发生平移（移动前后的激光束相互平行），从而使得由道威棱镜出射面射出的激光束也发生平移，进而使射入激光聚焦装置的入射点发生偏移，最终经聚焦后的激光束会与第二参照轴形成夹角，使激光束倾斜射入焦平面，从而可用于加工带锥度的孔。若该反射镜的平移再配合上述加工非圆孔的方法，便可在待加工的工件上加工出带锥度的非圆孔（也即带锥度的异型孔），该锥度的倾角大小由反射镜线性平移的量所决定。

进一步的，所述的光学旋转头内还设置有激光矫正装置，激光矫正装置布置于道威棱镜的入射面一侧或出射面一侧，用于保证当反射镜处于所述的基准位时，射入激光聚焦装置的激光束与第二参照轴平行。

进一步的，所述的激光矫正装置包括组合设置的第一光楔和第二光楔，第一光楔和第二光楔均同步于道威棱镜绕所述的第二参照轴旋转。

第一光楔和第二光楔是两个楔角相同的楔角棱镜，第一光楔和第二光楔可相互独立地绕所述的第二参照轴调节转动，当其透光面平行安装在一起时，形成一个组合光楔，其楔角可通过调整相互间的转角在零度和两倍于单个楔角的范围内变化。因此，该组合光楔可用来在所需的范围内调节激光束的方向。在安装调试时，采用此方法将射入激光矫正装置的激光束调整至平行于第二参照轴，以补偿由于道威棱镜的几何误差和机械安装误差所导致的激光束方向偏差。

进一步的，所述的激光聚焦装置为聚焦镜。

进一步的，所述的第一参照轴与第二参照轴相互垂直。

本实用新型的有益效果是：综上所述，本实用新型的激光系统可用于加工不带锥度的非圆孔（即不带锥度的异型孔），以及带锥度的非圆孔（即带锥度的异型孔）；除此之外，本实用新型仍然可用于加工高圆度精度的不带锥度或带锥度的圆孔。

附图说明

图1是本实用新型激光系统的示意图；

图2是图1中聚焦后的激光斑在焦平面上的影像示意图；

图3是反射镜转动前后激光束路径变化的对比图。

图中标记为：1-道威棱镜，2-反射镜，3-激光聚焦装置，4-光闸，5-激光源，6-控制系统，7-激光束，8-第二参照轴，9-第一参照轴，10-基准位，11-第一光楔，12-第二光楔，13-激光斑，14-焦平面,15-光学旋转头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步详细介绍，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，本实用新型的加工非圆孔的激光系统，包括激光源5、衔接于激光源5输出端的光学旋转头15以及位于激光源5和光学旋转头15之间可截断激光束7的光闸4。

所述的光学旋转头15内沿光路依次布置有反射镜2、道威棱镜1、组合光楔和激光聚焦装置3。所述的激光系统具有相互垂直交叉的第一参照轴9和第二参照轴8。

激光源5发射出的激光束7与第一参照轴9同轴。所述道威棱镜1的中心轴与第二参照轴8同轴；所述激光聚焦装置3为聚焦镜，该聚焦镜的聚焦点位于第二参照轴8上，其用于聚焦道威棱镜1出射面射出的激光束7。所述的反射镜2布置于道威棱镜1的前端，用于将激光源5发射出的激光束7反射至道威棱镜1的入射面，该反射镜2处于基准位10时，位于第一参照轴9和第二参照轴8的交叉点处，并且其反射后的激光束7与第二参照轴8同轴。另外，为了保证射入激光聚焦装置3的激光束7与第二参照轴8平行，道威棱镜1和激光聚焦装置3之间还布置有所述的组合光楔，该组合光楔包括组合设置的第一光楔11和第二光楔12，其用于补偿由于道威棱镜的几何误差和机械安装误差所导致的激光束方向偏差。

所述道威棱镜1的两斜面相互对称垂直，道威棱镜1的几何尺寸根据其材料对使用的激光波长的折射率计算得出。

另外，本激光系统还包括控制系统6，该控制系统6可分别控制光闸4的开启或关闭、反射镜2绕同时垂直于第一参照轴和第二参照轴的轴转动（图1中箭头A所示）、反射镜2由基准位10沿第一参照轴9移动（图1中箭头B所示）、以及道威棱镜1和组合光楔绕第二参照轴8的同步旋转。关于上述反射镜的转动，在理想状态下，反射镜是绕同时垂直于第一参照轴和第二参照轴且与激光束和反射镜表面的交点重合的轴转动的，该交点即激光束在反射镜上的反射点，该转动的转角极其微小，通常小于0.1度。

本激光系统在最初状态下，即反射镜处于基准位10时，激光束7由激光源5射出，经反光镜2反射后，平行于第二参照轴8由道威棱镜1入射面的中心射入道威棱镜，后由道威棱镜1出射面的中心射出，再经过组合光楔的矫正后，沿第二参照轴8垂直射入聚焦镜，最后在焦平面14上第二参照轴8处聚焦成一激光斑13。如图2和图3所示，当需要加工圆孔时，在控制系统6的控制下，反射镜2绕上述所述的轴偏转（图1中箭头A所示），使得落在焦平面14上的激光班13发生偏移，同时配合上道威棱镜1和组合光楔绕第二参照轴8以角速度ω旋转，此时，道威棱镜1出射面射出的激光束7便会以角速度2ω旋转，致使激光斑13也以角速度2ω在焦平面14上做圆周运动，最终根据预设的激光斑13最大偏移ρ，在焦平面14上形成半径为ρ的圆形轨迹（如图2中C所示），因此便可用于工件加工圆孔。当需要加工非圆孔时，在上述加工圆孔的过程中，控制系统6控制光闸4配合激光班13的运动轨迹进行开或闭，便可在焦平面14形成非圆孔的运动轨迹（如图2中D所示）。而当需要加工带锥度的非圆孔时，在上述加工非圆孔的基础上，控制系统6控制反射镜2从所述基准位10沿第一参照轴9线性位移d后，射入道威棱镜1的激光束7便会发生平移，进而使得由道威棱镜1出射面射出的激光束7做旋转运动时与第二参照轴8形成半径r，使射入聚焦镜的入射点发生平移r，最终经聚焦后的激光束7在焦平面14上会与第二参照轴8形成夹角θ，从而可在上述加工非圆孔的基础上加工出带锥度的非圆孔。