[实用新型]加工非圆孔的激光系统

说明书

本实用新型涉及微孔激光加工技术领域，公开了一种加工非圆孔的激光系统，包括激光源、光学旋转头和控制系统，激光源和光学旋转头之间设有光闸，所述的光学旋转头包括沿光路依次布置的反射镜、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；激光源发射出的激光束与第一参照轴同轴；道威棱镜的中心轴与第二参照轴同轴；激光聚焦装置的聚焦点位于第二参照轴上；反射镜用于将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同轴时为其基准位。控制系统控制光闸的开启或关闭，控制反射镜的转动，控制道威棱镜绕的旋转。本实用新型的激光系统可用于加工普通非圆孔以及带锥度的非圆孔。

技术领域

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。

实用新型内容