[实用新型]一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统

说明书

本实用新型属于激光加工技术领域，并具体公开了一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统，其包括多轴联动机床和激光扫描装置，多轴联动机床用于对待激光加工的大型复杂曲面进行定位，并带动大型复杂曲面运动到激光扫描装置的扫描范围内或者带动激光扫描装置运动使大型复杂曲面位于激光扫描装置的扫描范围内；激光扫描装置用于发射激光束至大型复杂曲面以对大型复杂曲面进行激光快速三维扫描加工。本实用新型可实现各种曲率的大型复杂曲面的高效率、高精度的激光三维动态扫描加工。

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统。

背景技术

随着航空航天和微电子技术的飞速发展，为了满足某些特殊的表面性能要求，往往需要在导弹的雷达罩、航天器固面天线反射器、三维模塑互联器件等大型复杂曲面零部件表面上制作各种功能性的复杂图形结构。然而这些大型复杂曲面零部件一般是由复合材料/金属膜层、硬质合金或陶瓷等不同体系材料组成，如何高精度、高质量、高效率地在其表面加工各种功能性的复杂图形成为新的挑战。

激光加工技术具有非接触、加工精度高、速度快、热影响区域小、柔性程度好、可加工材料广泛、易于与数控系统结合等特点，特别适合难加工材料(超脆、超软、超硬、超薄)以及复杂曲面零部件表面复杂图形的加工。目前，用于复杂曲面零部件激光三维加工的技术方案主要有以下几种：

一是基于五轴联动机床的聚焦式激光三维加工，五轴联动数控机床具有任意空间插补定位能力，利用激光束替换传统的刀具能够实现复杂曲面三维加工功能，通过五轴联动机床对加工路径上所有的插补点进行定位，确保入射激光束的光轴始终垂直于被加工工件表面，因此具有较高的加工精度。但由于惯性太大，频繁启动和加工速度极慢，导致其加工效率极低，存在高精度和高效率难以同时兼容的问题。

二是基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工，扫描振镜通过电机控制x、y轴两个镜片的偏转实现聚焦激光束在二维平面的高速扫描，具有输出力矩大、转动惯量小、响应时间短、加速度高、扫描速度快、定位精度高等优良特性，通过与3轴联动数控机床的集成，实现复杂曲面三维加工功能，与基于五轴联动机床的聚焦式激光三维加工相比，该方案可以大幅度提高加工的效率。例如，专利CN200910061324.5公开的一种多功能激光加工设备，将二维振镜安装在Z轴移动机构上与XY轴直线电机共同构成“3+2”轴数控激光加工机床，通过控制Z轴移动机构调节焦点在Z方向的位置，实现三维精密加工。专利CN201010115968.0公开的一种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法，基于“3+2”轴加工系统，根据焦深将离散点云模型描述的待加工自由曲面划分为不同的子块，并将子块内的加工图形向XY平面进行平行投影，XY轴负责各子块的定位，通过Z轴配合二维振镜实现投影加工图形的快速扫描。虽然基于“3+2”轴的三维激光投影式振镜扫描加工设备结构简单，但其只能沿单一方向进行整体投影，当加工曲面曲率较大时，子块划分的数量急剧增加，导致3轴联动数控机床频繁启停定位，同样严重影响了加工效率；同时造成聚焦光斑变形增大，功率密度减小，加工尺寸精度和质量的一致性变差。因此，该方案只适合加工曲率不大的复杂曲面。

三是基于“5+3”轴投影式振镜扫描激光三维加工，如专利CN201110048935.3公开的一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置，其通过对复杂曲面划分曲面片并根据右手准则建立曲面片坐标系，使得曲面片坐标系内任意点的法线正方向与Z轴的夹角小于90度，且曲面片内加工图形沿Z轴方向平行投影所得图形的尺寸小于振镜扫描范围，同时根据焦深对曲面片进行分层，进而控制五轴机床，使扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与曲面片的Z轴重合，通过三坐标振镜扫描式激光加工头对投影加工图形进行扫描加工。该方案不仅可以加工各种曲率的复杂曲面；且通过建立曲面片将大曲率复杂曲面转化为小曲率，减小了子块划分的数量，进而降低Z轴移动机构对焦次数，有效的提高了加工的效率。但该方案仍存在着局限性，当曲面片的划分范围较大，聚焦光斑容易变形增大，导致聚焦光斑能量密度减小，影响加工精度质量，同时焦点的调节方法依靠Z轴移动机构的机械升降完成，并受加工头重量和电机响应以及分层高度的限制，加工效率无法进一步提升。