一种激光钻孔系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种激光钻孔系统，引入高速旋转运动光束的激光焦点的空间位置补偿机制，使得激光光束高速旋转时，聚焦光束的激光焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，获得稳定高效的激光钻孔或填充钻孔效果；激光光束偏转运动模块置于入射光束旋转运动模块之后，对高速旋转的运动光束的运动轨迹轮廓大小进行调制，降低了入射光束旋转运动模块的通光孔径要求，极大提升了入射光束旋转运动模块旋转转速上限，降低了旋转光束的发散程度，获得更快的激光光束旋转转速，因而获得高效精确复杂的激光光束旋转或旋转填充运动。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光加工领域，尤其涉及一种激光光束高速旋转运动控制的激光加工系统。
技术介绍
激光钻孔领域，激光焦点在孔和孔之间切换，目前振镜扫描是比较成熟的最快的切换方式，表现在高的加减速、位移线速度以及定位速度。二维位移平台是很慢的一种方式，一般很少采用了。申请号201310042363.7的专利，激光偏移单元在激光旋转单元之前，激光偏转在获得光束的偏转角度外，光束在进入后续光学系统是，入射点也有位移，激光旋转单元需要较大的入射口径，需要较大的通光口径，很难做到高速或者超高速旋转。光学镜片高速旋转时承受较大离心力，导致镜片旋转中心承受最大的拉应力，镜片旋转边缘承受相对较小离心力，因此镜片附加了一个发散光学系统，使得激光焦点离开平场扫描镜的聚焦平面，无法进行激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足和缺陷，本技术提供了一种激光钻孔系统，能够提高激光光束旋转速度并确保激光焦点保持在待加工工件表面或特定空间位置，并实现旋转光束的高速高精度精细调制，获得高速高精度的激光旋转填充钻孔效果。本技术解决上述技术问题的技术方案如下：本技术提供了一种激光钻孔系统，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度，对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。在上述技术方案的基础上，本技术还可以作如下改进。进一步的，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。旋转透射光学元件在高速旋转(比如，超过6万转/分钟转速)时，旋转透射光学元件旋转中心部位的离心力最小，随着旋转透射光学元件旋转半径增加，旋转透射光学元件边缘承受最大离心力，此时，旋转透射光学元件旋转中心部位材料受到最大拉应力，对应部位材料折射率最小，旋转透射光学元件旋转边缘部位材料受到最小拉应力，对应部位材料折射率最大；转速越大，旋转透射光学元件中心和边缘的折射率差越大，形成更为明显凹透镜现象，相当于附加了一个变化的发散光学系统，使得激光焦点离开激光聚焦与焦点切换模块的原有聚焦平面，即离开了待加工工件的待加工位置，无法进行正常激光加工，且转速越高，激光焦点偏移距离越大，使用高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以确保聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面。从公式角度描述，等厚旋转圆盘以等角速度ω绕其中心轴转动，若材料的密度为ρ，则旋转质点的径向离心力为：fr＝ρω2r其中ρ为材料密度，ω为转速，r为旋转质点距离旋转中心的距离，即旋转半径。上述同心圆盘圆心，即圆盘旋转中心在旋转截面上的应力积分：∫0rfrdr=∫0rρω2rdr=12ρω2r2]]>上述公式表明，半径越大，旋转中心所受拉力越大；旋转角速度越高，旋转中心所受拉力越大，特别是随着转速的提高，对旋转中心所受拉力的影响更为明显：例如转速为10万转每分钟，转速的平方就是100亿，如果转速增加到30万转每分钟，那么转速的平方就是900亿，因此，转速上升到一定程度，旋转中心所受拉力的影响非常巨大。对于采用高速旋转光束进行激光微加工，必须考虑不同转速下面，激光发散角的变化，否则，由于激光微加工中聚焦焦点非常小，焦深短，在高速转速下，转速稍微变化，激光焦点就离开了原来的位置。本申请引入高速旋转运动光束的激光焦点的空间位置补偿机制，使得激光高速旋转时，激光焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，获得稳定高效的激光填充钻孔效果。在入射光束旋转模块高速旋转时，高速旋转激光焦点空间位置补偿模块用于保持激光焦点处于扫描平场聚焦镜的焦平面上，一旦入射光束旋转模块停止旋转，如果高速旋转激光焦点空间位置补偿模块保持不变，此时激光焦点位于扫描平场聚焦镜焦平面以上，即靠近扫描平场聚焦镜方向，这时所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块继续对激光焦点位置进行补偿，使得激光焦点位于待加工工件表面或者特定空间位置。总之，入射光束旋转模块的转速在6万转每分钟以上，随着转速的变化，所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块必须对应变化，以保持聚焦光束激光焦点保持在待加工材料表面不变，即空间聚焦位置保持不变。本申请主要是通过对入射光束或者第一光束的光束发散角进行发散角补偿，或者根据第一光束的旋转运动速度来调整待加工工件与扫描平场聚焦镜之间的间距，使得聚焦光束的聚焦焦点始终保持在扫描平场聚焦镜的聚焦平面上，或者使得聚焦光束的聚焦焦点始终保持在待加工工件表面或者特定空间位置，提高激光钻孔效率且保证激光钻孔微加工稳定进行。总之，由于驱动装置可以采用气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机，可以控制激光光束旋转单元高速或超高速旋转，极大提高其激光铣削加工效率，但也因此导致透射激光束发散，且不同转速发散程度不同，导致聚焦激光束焦点远离待加工工件表面的程度不同，因此本申请设置了高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，该模块对入射光束旋转运动模块输出光束进行发散角补偿，保持入射激光聚焦与焦点切换模块的光束发散角在一定范围内，使得聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面，或者调整扫描平场聚焦镜与待加工材料的距离，使得激光焦点保持在待加工材料表面，使得激光光束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光钻孔系统，其特征在于，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件的旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，使得所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距 进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。...

【技术特征摘要】
1.一种激光钻孔系统，其特征在于，包括入射光束旋转运动模块、高速旋转激光焦点空间位置补偿模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对透射的入射光束进行旋转调制以输出旋转光束，形成绕所述入射光束的光轴进行旋转的第一光束，且所述第一光束光轴旋转全角小于30毫弧度；所述入射光束旋转运动模块包括至少一个激光光束旋转单元，所述激光光束旋转单元包括旋转透射光学元件和用于带动所述激光光束旋转单元作旋转运动的驱动装置；所述旋转透射光学元件的旋转速度大于6万转每分钟，所述旋转透射光学元件承受旋转离心力从而对透射光束产生光束发散功能，且转速越高，光束发散功能越强，使得所述第一光束的光束发散程度大于所述入射光束；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块，用于对所述第一光束的光束发散角随着所述入射光束旋转运动模块旋转速度的变化而变化产生的聚焦光束的激光焦点空间位置的变化进行补偿，使得经过所述激光聚焦与焦点切换模块聚焦后的聚焦光束的激光焦点始终处于待加工工件表面或特定空间位置；所述高速旋转激光焦点空间位置补偿模块可以为高速旋转运动光束发散补偿单元和/或激光平场聚焦工作距补偿单元；所述高速旋转运动光束发散补偿单元，位于所述入射光束旋转运动模块之前或者位于所述入射光束旋转运动模块之后，用于对所述入射光束或所述第一光束的光束发散角进行发散角补偿，使得聚焦光束的聚焦焦点始终处于待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光平场聚焦工作距补偿单元，用于根据所述入射光束旋转运动模块输出的第一光束的旋转速度对扫描平场聚焦镜与待加工工件之间的间距进行调整，使得不论第一光束的旋转速度增加或者降低，所述聚焦光束的聚焦焦点始终处于所述待加工工件表面或者特定空间位置；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述高速旋转运动光束发散补偿单元或者所述入射光束旋转运动模块的输出光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束在不同加工单元之间进行切换或者在一个加工单元处对所述聚焦光束的激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。2.如权利要求1所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或衍射体光栅或光楔，所述驱动装置为空心主轴电机，所述旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机的电机主轴上；所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机。3.如权利要求2所述的一种激光钻孔系统，其特征在于，所述入射光束旋转运动模块，包括两个或两个以上的串联的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立国，
申请(专利权)人：张立国，
类型：新型
国别省市：湖北;42