一种激光螺旋扫描轨迹精密调控方法

1.本发明涉及一种扫描轨迹精密调控方法，具体涉及一种激光螺旋扫描轨迹精密调控方法。


背景技术：

2.由于激光加工具有无切削应力、精度高、柔性化等特点，已被广泛的应用于航空航天、电子等领域，其能够实现零部件的精密钻孔。常用的激光制孔主要包含四种打孔方式，分别是：单脉冲加工、叩击式加工、环切加工以及螺旋加工等4种方式，其中螺旋加工方式由于微孔制造精度高、锥度可控，相对于其他几种加工方式具有明显的优势。常用的螺旋扫描激光加工头是通过内部光楔器件的高速协同运动，实现激光在材料表面的螺旋运动，从而实现锥度可控的微孔加工。
3.在现有技术中，常用的激光螺旋扫描加工装置结构如图1所示，包括激光器1、反射镜2、平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5、聚焦镜6、运动机构8、激光加工头控制单元9、激光器控制单元10和螺旋扫描激光加工头11，其上偏转光楔4、下偏转光楔5和平行平板3之间的运动关系如图2所示(图中，δp为位置，t为时间)，螺旋扫描激光加工头11发出的激光束在上述光学器件的作用下，形成了里疏外密的螺旋扫描轨迹(如图3所示)，由此造成了微孔底部材料去除深度不均匀(如图4所示)，无法实现高精度微孔加工，且加工效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有技术中存在的螺旋扫描轨迹不均匀，无法实现高精度微孔加工，且加工效率较低的问题，而提供一种激光螺旋扫描轨迹精密调控方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种激光螺旋扫描轨迹精密调控方法，基于一种激光螺旋扫描加工装置，其特殊之处在于，按照以下步骤实施：
7.步骤一、将螺旋扫描激光加工头的输出端对准预定打孔位置，控制平行平板、上偏转光楔、下偏转光楔以同一初始旋转速度v1进行同步旋转，所述初始旋转速度v1的范围为2000rpm～3000rpm；
8.步骤二、控制上偏转光楔以第二速度v2、下偏转光楔以第三速度v3为终速度进行旋转，且v2＞v1，v3＜v1，v
2-v1＝v
1-v3，v2＝v1+(0.1～0.6)％v1，v3＝v
1-(0.1～0.6)％v1；
9.当上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角增至α时，65
°
≤α≤80
°
，完成激光束由最小直径至最大直径的螺旋扫描动作；
10.步骤三、当激光束螺旋扫描至最大直径时，控制上偏转光楔以第三速度v3、下偏转光楔以第二速度v2为终速度进行旋转；
11.当上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角减小至0
°
时，完成激光束由最大直径至最小直径的螺旋扫描动作；
12.步骤四、当激光束螺旋扫描至最小直径时，控制上偏转光楔以第二速度v2、下偏转
光楔以第三速度v3为终速度进行旋转；
13.当上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角增至α时，完成激光束由最小直径至最大直径的螺旋扫描动作；
14.步骤五、控制螺旋扫描激光加工头以预设增量向下进给，并返回步骤三，对微孔的下一层进行加工，直至完成预设深度的微孔加工。
15.进一步地，考虑到一般的交流伺服电机的额定功率为3000rpm，在步骤一中，第一速度v1为3000rpm。
16.进一步地，考虑到第二速度和第三速度与第一速度的差值对螺旋扫描轨迹疏密的影响，在步骤二、步骤三和步骤四中，第二速度v2为3005rpm；第三速度v3为2995rpm。
17.进一步地，在步骤二和步骤四中，α的数值为72
°
。
18.进一步地，根据加工对象的材质，在步骤五中，螺旋扫描激光加工头向下每次以0.01mm的增量进给。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.通过在激光螺旋扫描过程中，首先控制上偏转光楔和下偏转光楔分别以略大于和略小于平行平板的终速度进行变速，使得上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角逐渐增大，然后控制控制上偏转光楔和下偏转光楔分别以略小于和略大于平行平板的终速度进行变速，使得上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角逐渐减小至0，最后再控制上偏转光楔和下偏转光楔分别以略大于和略小于平行平板的终速度进行变速，使得上偏转光楔和下偏转光楔在旋转过程中产生的相对夹角逐渐增大，从而在激光螺旋扫描过程中，实现对螺旋轨迹的精密调控，得到均匀的激光螺旋扫描轨迹，在微孔的加工过程中，按照此激光调控方法对微孔进行逐层加工，在微孔的底部加工时，可以对微孔底部的材料深度进行均匀去除，从而实现高精度的微孔加工，提高了微孔的加工效率。
附图说明
21.图1是现有的激光螺旋扫描加工装置的结构示意图；
22.图2是现有的螺旋扫描激光加工头中上偏转光楔、下偏转光楔和平行平板之间的运动关系图；
23.图3是现有的螺旋扫描加工头生成的螺旋扫描轨迹示意图；
24.图4是现有的螺旋扫描加工头进行微孔加工时微孔底部深度分布示意图；
25.图5是本发明的螺旋扫描激光加工头中上偏转光楔、下偏转光楔和平行平板之间的运动关系示意图；
26.图6为本发明的螺旋扫描轨迹示意图。
27.图中，1-激光器，2-反射镜，3-平行平板，4-上偏转光楔，5-下偏转光楔，6-聚焦镜，7-被加工件，8-运动机构，9-激光加工头控制单元，10-激光器控制单元，11-螺旋扫描激光加工头。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.如图1所示，现有技术中的一种激光螺旋扫描加工装置，包括激光器控制单元10、
激光加工头控制单元9、激光器1、设置在激光器1出射光路上的反射镜2、设置在反射镜2的反射光路上的螺旋扫描激光加工头11、与螺旋扫描激光加工头11连接的运动机构8(用于控制螺旋扫描激光加工头11的逐层进给，对微孔进行逐层加工，以此确保加工过程中激光焦点准确作用于被加工件的表面)；
30.激光器1具体为1030nm波长的飞秒激光器，激光功率50mw～10w，脉宽≤190fs，重复频率1k～1mhz可调，需要说明的是，本实施例中激光器仅为一种优选型号，本领域技术人员可根据加工工艺需要在现有技术中对激光器进行合理选型。
31.螺旋扫描激光加工头11包括沿光路依次设置的平行平板3、上偏转光楔4、下偏转光楔5和聚焦镜6，通过平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5的协同控制可使得激光垂直作用于被加工件7上，并且平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5可分别旋转，用于分别控制平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5以不同的速度进行旋转；平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5分别通过连接交流伺服电机进行驱动。
32.激光加工头控制单元9与激光器控制单元10电连接，实时地控制激光快门，以此实现快速开关光动作，激光加工头控制单元9和螺旋扫描激光加工头11电连接，能够控制平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5旋转，并且能够接收上偏转光楔4和下偏转光楔5的旋转位置反馈，对上偏转光楔4和下偏转光楔5的变速过程进行拟合。
33.为了解决现有螺旋扫描加工头11的扫描轨迹不均匀的问题，本发明提出了如图5所示(图中，δp为位置，t为时间)的螺旋扫描激光加工头11内部平行平板3、上偏转光楔4以及下偏转光楔5的协同运动关系，以此实现间距均匀的螺旋扫描轨迹(如图6所示)。
34.本发明一种激光螺旋扫描轨迹精密调控方法，基于上述的一种激光螺旋扫描加工装置，具体按照以下步骤实施：
35.步骤一、将螺旋扫描激光加工头11的输出端对准预定的打孔位置，激光加工头控制单元9发送指令，控制平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5均以同一初始旋转速度v1为进行同步旋转，在激光加工领域，受限于交流伺服电机的额定转速，一般控制初始旋转速度v1为2000～3000rpm，因为一般交流伺服电机的额定转速均为3000rpm，因此为了方便说明，在本实施例中v1取3000rpm；但是，因为理论上转速越高，加工效率和加工质量更好，本领域技术人员也可选用额定转速更高的伺服电机来实施。
36.步骤二、当平行平板3、上偏转光楔4和下偏转光楔5均达到第一速度v1后，控制上偏转光楔4以第二速度v2、下偏转光楔5以第三速度v3为终速度进行变速旋转，并且通过激光加工头控制单元9将其拟合为如图5所示的变速过程，通过拟合使得驱动上偏转光楔4和下偏转光楔5的电机在变速运动时更加平顺，以保证螺旋线的扫描精度，由于当v1和v
2、
v3的转速差值过大时，会导致上偏转光楔4和下偏转光楔5在旋转过程中产生的相对夹角增长速度过快，从而导致激光由最小直径变为最大直径的速度过快，导致螺旋扫描轨迹过少，当v1和v
2、
v3的转速差值过小时，会导致上偏转光楔4和下偏转光楔5在旋转过程中产生的相对夹角增长速度过快，从而导致激光由最小直径变为最大直径的速度过慢，从而导致螺旋扫描轨迹过密，因此，要求v1和v
2、
v3的转速差值满足如下关系：v2＞v1，v3＜v1，v
2-v1＝v
1-v3，v2＝v1+(0.1～0.6)％v1，v3＝v
1-(0.1～0.6)％v1，在本实施例中以v2＝3005rpm，v3＝2995rpm进行举例说明。
37.当上偏转光楔4和下偏转光楔5在旋转过程中产生的相对夹角增至α时，65
°
≤α＜
80
°
，在本实施例中，α取值为72
°
，在本发明的其他实施例中，α的可在范围内进行选取，完成激光由最小直径至最大直径的螺旋扫描动作；在具体实施时，首先给上偏转光楔4和下偏转光楔5设定一个目标位置，此位置记为设定的上偏转光楔4和下偏转光楔5的最大夹角位置或最小夹角位置，在驱动上偏转光楔4和下偏转光楔5的电机上安装有编码器，通过编码器记录电机的转动角度，从而确定上偏转光楔4和下偏转光楔5是否达到目标位置，即达到相对夹角，进而完成一次螺栓扫描；
38.步骤三、当激光达到最大螺旋扫描直径时，控制上偏转光楔4以第三速度v3、下偏转光楔5以第二速度v2为终速度进行变速旋转，并且通过激光加工头控制单元9将上偏转光楔4、下偏转光楔5拟合为如图5所示的变速过程；
39.当上偏转光楔4和下偏转光楔5在旋转过程中产生的相对夹角减小至0
°
，完成激光由最大直径至最小直径的螺旋扫描动作；
40.步骤四、当激光达到最小螺旋扫描直径时，控制上偏转光楔4以第二速度v2、下偏转光楔5以第三速度v3为终速度进行变速旋转，并且通过激光加工头控制单元9将上偏转光楔4和下偏转光楔5拟合为如图5所示的变速过程；
41.当上偏转光楔4和下偏转光楔5在旋转过程中产生的相对夹角增至α，完成激光由最小直径至最大直径的螺旋扫描动作。
42.步骤五、控制螺旋扫描激光加工头11以预设增量向下进给，并返回步骤三，对微孔的下一层进行加工，以此确保加工过程中激光束的焦点准确作用于被加工件7的表面，在本实施例中，控制螺栓扫描激光加工头11以0.01mm的增量进给，需要说明的是，本实施例的进给量仅为根据加工对象确定的一个优选进给量，本领域技术人员还可根据加工对象确定对应合适的进给量，直至完成预设深度的微孔加工。