一种激光钻孔与钻孔填充系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光钻孔与钻孔填充系统及方法，所述的系统包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块。本发明专利技术引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，使得激光高速旋转时，调整光束旋转角度压缩倍率可调模块的光束旋转角度压缩倍率，实现聚焦光束的聚焦焦点的旋转运动轨迹直径的调整，使得聚焦焦点旋转运动轨迹直径与钻孔孔径可调完美结合；以及引入扩束倍率补偿模块，使得光束旋转角度压缩倍率可调模块对入射旋转光束进行旋转角度压缩时，对应的改变了入射旋转光束的入口光斑直径，保障了聚焦光束的聚焦焦点光斑直径的稳定，有利于激光加工工艺的稳定和加工效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工领域，具体涉及一种激光钻孔与钻孔填充系统及方法。
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。采用高速旋转光学元件旋转获得旋转光束用于激光加工，由于动平衡问题，光学元件做不到很复杂，尺寸也做不大，因此高速旋转光束的旋转角度做不到可调整，但是实际应用中，所需要加工的孔的直径确实随时需要改变的，在高速旋转钻孔和孔径需要柔性改变之间存在巨大挑战。
技术实现思路
本专利技术提供了一种激光钻孔与钻孔填充系统及方法，解决了现有技术的缺陷和不足。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种激光钻孔与钻孔填充系统，包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述激光光源模块，用于产生入射光束，并入射所述入射光束旋转运动模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对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，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，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旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，用于对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点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聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。本专利技术的有益效果为：在整个钻孔填充系统中引入了光束旋转角度压缩倍率可调模块，使得激光高速旋转时，调整光束旋转角度压缩倍率可调模块的光束旋转角度压缩倍率，实现聚焦光束的聚焦焦点的旋转运动轨迹直径的调整，使得焦点旋转运动轨迹直径与钻孔孔径可调完美结合，提高激光的加工效率，也可以柔性改变高速旋转激光钻孔的孔径大小。在上述技术方案的基础上，本专利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。所述进一步的有益效果为：由于驱动装置可以采用气浮空心主轴电机或者磁浮空心主轴电机，可以控制激光光束旋转单元高速或超高速旋转，极大提高其激光运动加工效率。其中，当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径跟随调整，在没有其他措施条件下，第二光束光束直径会变大，对应的述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径会变小，需要采取包括调整入射光束的脉冲能量大小或者脉宽长短在内的措施，维持激光聚焦焦点激光峰值功率密度基本恒定。第二光束光束直径会变大，对应的述聚焦光束的聚焦焦点光斑直径会变小，这是高斯光束基本的激光传输聚焦规律。对于不同直径的激光聚焦光斑，入射激光的激光能量、激光脉冲重复频率和激光脉冲宽度等激光参数需要对应调整，对于获得优质的激光钻孔效果是有好处的。进一步的，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；所述光束旋转角度压缩倍率可调模块输出的第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，再经所述扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，其中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间的切换，或者在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制。所述进一步的有益效果为：本申请采用了平场扫描聚焦镜作为平场扫描聚焦手段，平场扫描聚焦镜对光束进行聚焦后，激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离与平场扫描聚焦镜焦距成正比，与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角的变化值成正比，一旦平场扫描聚焦镜选定，平场扫描聚焦镜焦距就确定，那么激光焦点在平场扫描聚焦镜焦平面上的移动距离理论上只与平场扫描聚焦镜入口光束和平场扫描聚焦镜光轴夹角或者夹角变化值成正比。所有平行激光束在入射同一个平场聚焦镜且平行激光束入射平场聚焦镜的方位(角度与位移)均在所述平场扫描聚焦镜设计范围内时，所有平行入射的激光束均聚焦于平场聚焦镜焦平面上同一个点。光束旋转角度压缩倍率可调模块对激光束旋转角度的压缩，直接体现在聚焦光束的激光焦点旋转直径的变化上面。光束旋转角度压缩倍率可调模块配合振镜扫描平场聚焦单元对激光束的高速位移切换能力和大范围区域扫描加工能力，可以达到大范围、高速高质量、孔径可变的微孔钻孔的目的，也非常适合于横截面变化的盲槽或者一次加工多种孔径的盲孔激光铣削加工。进一步的，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少四个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。所述光束旋转角度压缩倍率可调模块最典型的表现形式就是电动可调扩束器，可以随时电控调整扩束倍率的大小。一般而言，扩束倍率就是光束旋转角度压缩倍率，在调整光束旋转角度压缩倍率时，注意保持第二光束的光束发散角，确保激光焦点始终保持在待加工工件的待加工位置。进一步的，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和棱镜组，所述棱镜组安装于壳体内，所述棱镜组包含至少二个串联的棱镜，通过改变所述棱镜组内的多个棱镜之间的空间位置关系实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整所述聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。所述棱镜组，最典型的就是棱镜对(2个棱镜构成)，或者由3到4个棱镜构成的棱镜组，具备激光扩束功能。与透镜组构成的扩束器一样，棱镜组的扩束倍率就是光束旋转角度压缩倍率，旋转棱镜角度可以实现扩束倍率的变化。所述进一步的有益效果为：同一工序条件下，高速进行不同孔径的通孔或者盲孔加工，光束旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光钻孔与钻孔填充系统，其特征在于，包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述激光光源模块，用于产生入射光束，并入射所述入射光束旋转运动模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对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，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，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旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，用于对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点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聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。...

【技术特征摘要】
2016.09.14 CN 2016108241999;2016.09.14 CN 201621051.一种激光钻孔与钻孔填充系统，其特征在于，包括激光光源模块、入射光束旋转运动模块、光束旋转角度压缩倍率可调模块和激光聚焦与焦点切换模块；所述激光光源模块，用于产生入射光束，并入射所述入射光束旋转运动模块；所述入射光束旋转运动模块，用于对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，所述第一光束入射所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，其中，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旋转透射光学元件作旋转运动的驱动装置；所述光束旋转角度压缩倍率可调模块，用于对第一光束进行扩束并对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，输出旋转角度压缩的第二光束并入射所述激光聚焦与焦点切换模块；所述激光聚焦与焦点切换模块，用于对所述第二光束进行聚焦，以形成聚焦光束，并控制所述聚焦光束的聚焦焦点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聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制；其中，针对不同孔径的通孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩，获得与通孔孔径对应空间旋转角度的第二光束；当所述光束旋转角度压缩倍率可调模块采用不同的旋转角度压缩倍率对所述第一光束的空间旋转角度进行压缩时，所述聚焦光束的聚焦焦点中心的圆形旋转轨迹的直径不同；针对盲孔钻孔，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行连续压缩，使得所述聚焦光束的聚焦焦点运动轨迹为螺旋线或者近似螺旋线；或者，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块对所述第一光束的空间旋转角度进行多次离散压缩，使得所述第二光束在盲孔钻孔阶段形成多个旋转角度，进而使得所述聚焦光束的聚焦焦点获得对应的同心圆轨迹。2.如权利要求1所述的激光钻孔与钻孔填充系统，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1所述的激光钻孔与钻孔填充系统，其特征在于，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描平场聚焦单元，所述振镜扫描平场聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜；所述光束旋转角度压缩倍率可调模块输出的第二光束经扫描振镜反射后射入扫描平场聚焦镜，再经所述扫描平场聚焦镜聚焦形成聚焦光束，其中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片偏转达到控制所述聚焦光束的聚焦焦点在不同加工单元之间的切换，或者在一个加工单元处的激光出光加工过程中，所述扫描振镜通过扫描振镜反射镜片辅助偏转对所述聚焦光束的聚焦焦点扫描运动进行辅助运动控制。4.如权利要求3所述的激光钻孔与钻孔填充系统，其特征在于，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和透镜组，所述透镜组安装于壳体内，所述透镜组包含至少四个串联的透镜，通过改变所述透镜组内的多个透镜之间的间距实现对所述第一光束的空间旋转角度的压缩，还可以同时调整所述第二光束的发散角从而调整聚焦光束的聚焦焦点的空间位置，使得所述聚焦焦点始终处于待加工工件表面。5.如权利要求3所述的激光钻孔与钻孔填充系统，其特征在于，所述光束旋转角度压缩倍率可调模块包含壳体和棱镜组，所述棱镜组安装于壳体内，所述棱镜组包含至少二个串联的棱镜，通过改变所述棱镜组内的多个棱镜之间的空间位置关系实现对所述第一光束的空...

【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：发明
国别省市：湖北;42