基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法及系统，该方法通过将扫描轨迹和脉冲同步信号输入重叠率控制算法计算出在对应扫描轨迹处激光器输出的脉冲频率，继而控制激光器的高速快门开关实时调整激光器输出的脉冲频率与扫描轨迹相匹配，将激光重频控制和激光扫描运动进行结合，最终达到对光束扫描模块扫描运动过程中的脉冲重叠率进行实时控制的目的，可实现冲孔过程的精确控制，提高加工质量。

Micro laser processing method and system based on laser pulse overlap rate control

The invention relates to a method and system of micro-hole laser processing based on laser pulse overlap rate control. The method calculates the laser output pulse frequency at the corresponding scanning trajectory by inputting the scanning trajectory and the pulse synchronization signal into the overlap rate control algorithm, and then controls the high-speed shutter switch of the laser to adjust the laser in real time. The output pulse frequency matches the scanning trajectory, combines the laser repetition control with the laser scanning motion, and finally achieves the real-time control of the pulse overlap rate during the scanning movement of the beam scanning module, which can realize the accurate control of the punching process and improve the processing quality.

【技术实现步骤摘要】
基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法及系统
本专利技术涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法及系统。
技术介绍
超快激光是指脉冲宽度短于10ps的脉冲激光，主要指短皮秒和飞秒激光，这个时间尺度短于激光发态电子向晶格弛豫能量的所需时长，使光与物质相互作用呈现了与通常光激发显著不同的特性。飞秒激光与物质相互作用具有快(作用时间短)、强(瞬态功率高)、精(非线性使作用区体积小，加工分辨率高)的特点。由于超快激光和物质的非线性相互作用，可以超越光学衍射极限，因此可根据此特性进行微纳加工。在利用超快激光进行微纳加工时，其主要包括微小孔加工、高精度刻蚀、高精细切割等，其主要实现手段是利用光楔的折射或镜片的反射，结合相关的光学原理，通过控制相关光楔或镜片的高速运动，来实现对激光在材料表面作用点及作用角度的控制，最终实现所需的加工要求。在现有的激光加工过程中，无法将激光脉冲输出与扫描运动相结合，特别是精密加工应用场合下，由于光束扫描系统属于惯性系统，在进行高速复杂运动的情况下，无法做到恒线速度扫描运动，因此，当激光脉冲输出与扫描速度无法匹配时，会造成速度低的区域脉冲重叠率高、作用能量大，速度高的区域脉冲重叠率低、作用能量小，最终造成加工区域内能量分布不均匀，影响最终的加工质量，尤其是盲孔的加工质量。在加工存在对面壁的工件时，这种加工能量分布不均产生的孔底形貌差异会导致孔底中心区域已经穿透工件而孔底边缘(靠近孔壁部分)仍有很厚的待加工部分，如图1所示。由此后续的制孔加工会导致加工孔对面壁发生损伤，影响工件整体加工质量。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法及系统，以解决现有激光微孔加工中无法将激光脉冲重叠率控制和激光扫描运动进行结合造成加工区域内能量分布不均匀，影响最终的加工质量的技术问题，并且可以通过脉冲调制实现斜孔的加工。根据本专利技术实施例的一个方面，一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法，包括以下步骤:S1.根据需要加工的微孔参数确定加工工艺参数；S2.将待加工工件的加工位置坐标系转换为加工系统的坐标系；S3.根据选定的所述加工工艺参数和所述加工系统坐标系下的钻孔坐标进行微孔扫描加工；所述步骤S3中还包括以下步骤：S31.实时监测并获取光束扫描模块的扫描轨迹，提取激光器的脉冲同步信号；S32.将所述扫描轨迹和所述脉冲同步信号输入重叠率控制算法，得到对应所述扫描轨迹处的激光器应输出的脉冲频率；S33.根据扫描轨迹处的脉冲重叠率控制高速快门开关实时调整所述激光器输出的脉冲频率。进一步的，所述步骤S31还包括以下步骤：通过位置检测模块检测微孔扫描加工中的反射光束得到扫描轨迹和光束实时扫描位置。进一步的，当加工孔中心轴线与工件表面成倾斜夹角时，所述步骤S3还包括以下具体步骤：J1.以不包含非加工区域的水平加工平面中高度最高的一层作为所述待加工工件的分界面；J2.在所述分界面上方，每一层所述水平加工平面中，所述扫描轨迹进入非加工区域时，控制所述高速快门开关调整所述激光器的脉冲频率为0；在扫描轨迹进入加工区域后，控制所述高速快门开关调整所述激光器的脉冲频率正常输出；J3.在所述分界面本层及下方，恢复逐层扫描加工。进一步的，步骤S3的每一层水平加工平面中，其扫描模式采用等间距增量螺旋线扫描模式。进一步的，步骤S1中，所述微孔参数包括孔径、孔间距、孔空间位置参数、孔数量；所述加工工艺参数，包括激光功率、频率、脉冲重叠率和扫描轨迹；步骤S2前还包括以下步骤：钻孔装置自检回零，激光器预热，光束扫描模块回零，以及机床平台回零；将待加工工件固定好，并调整至水平位置；步骤S3后还包括以下步骤：所述待加工工件被扫描出的微孔达到所述微孔参数，结束微孔扫描加工。根据本专利技术实施例的一个方面，一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工系统，包括：激光器，用于生成脉冲激光光束，并对生成的脉冲激光光束进行激光参数调整；光束扫描模块，用于对入射的脉冲激光光束进行扫描运动及入射角度的控制；聚焦模块，用于将由所述光束扫描模块输出的脉冲激光光束进行聚焦射出；高速快门开关，用于将入射的脉冲激光光束进行调制以改变所述激光器输出的脉冲频率；控制器，电连接至激光器、高速快门开关和光束扫描模块，并被配置成监测、获取所述光束扫描模块的扫描轨迹，还通过所述激光器获取脉冲同步信号；所述控制器通过重叠率控制算法计算出在对应扫描轨迹处所述激光器输出的脉冲频率，控制所述激光器的高速快门开关实时调整所述激光器输出的脉冲频率与扫描轨迹相匹配，以对所述光束扫描模块扫描运动过程中的脉冲重叠率进行实时控制。进一步的，所述微孔激光加工系统还包括：位置检测模块，与所述控制器电连接，通过设置在聚焦模块与待加工工件的光路中的分光镜获取光束运动信息，用于实时检测所述光束扫描模块扫描运动过程中的光束扫描位置；所述控制器被配置成监测并获取所述光束扫描模块的扫描轨迹，并获取所述激光器的激光脉冲同步信号及所述位置检测模块检测到的所述光束扫描模块扫描运动过程中的光束扫描位置，通过重叠率控制算法计算出在对应扫描轨迹处所述激光器输出的脉冲频率，控制所述激光器的高速快门开关实时调整所述激光器输出的脉冲频率与扫描轨迹相匹配，对所述光束扫描模块扫描运动过程中的脉冲重叠率进行实时控制。进一步的，所述微孔激光加工系统还包括：分光模块，设置在所述激光器与所述高速快门开关的光路中，用于将由所述激光器入射的脉冲激光光束分光为第一脉冲激光光束和第二脉冲激光光束；脉冲监测模块，接收所述分光模块反射的所述第二脉冲激光光束，用于对所述激光器输出的脉冲激光光束进行监测并获取所述脉冲频率；所述控制器电连接至所述脉冲监测模块，被配置成监测并获取所述光束扫描模块的扫描轨迹，并获取所述脉冲监测模块监测到的所述激光器输出的脉冲频率，通过重叠率控制算法计算出在对应扫描轨迹处所述激光器输出的脉冲频率，控制所述高速快门开关实时调整所述激光器输出的脉冲频率与扫描轨迹相匹配对所述光束扫描模块扫描运动过程中的脉冲重叠率进行实时控制。进一步的，所述微孔激光加工系统还包括：配置在所述高速快门开关与所述光束扫描模块的光路中的光路传输模块，用于将由所述激光器输出的脉冲激光光束引导至所述光束扫描模块上。进一步的，所述微孔激光加工系统还包括：上位机，电连接至控制器，用于提供人机交互界面，与所述控制器进行双向通信。在本专利技术实施例中，控制器监测并获取光束扫描模块的扫描轨迹，并获取激光器的激光脉冲同步信号，通过重叠率控制算法计算出在对应扫描轨迹处激光器输出的脉冲频率，控制激光器的高速快门开关实时调整激光器输出的脉冲频率与扫描轨迹相匹配，将激光重频控制和激光扫描运动进行结合，最终达到对光束扫描模块扫描运动过程中的脉冲重叠率进行实时控制的目的，通过准确控制作用在材料表面的脉冲个数与每个脉冲的能量和作用时刻，可实现制孔过程的精确控制，提高加工质量。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1现有技术激光制孔加工孔底形貌示意性侧视图；图2为本专利技术的基于激光脉冲重叠率控制的激光加工方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法，包括以下步骤:S1.根据需要加工的微孔参数确定加工工艺参数；S2.将待加工工件的加工位置坐标系转换为加工系统的坐标系；S3.根据选定的所述加工工艺参数和所述加工系统坐标系下的钻孔坐标进行微孔扫描加工；其特征在于，所述步骤S3中还包括以下步骤：S31.实时监测并获取光束扫描模块的扫描轨迹，提取激光器的脉冲同步信号；S32.将所述扫描轨迹和所述脉冲同步信号输入重叠率控制算法，得到对应所述扫描轨迹处的激光器应输出的脉冲频率；S33.根据扫描轨迹处的脉冲重叠率控制高速快门开关而实时调整所述激光器输出的脉冲频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工方法，包括以下步骤:S1.根据需要加工的微孔参数确定加工工艺参数；S2.将待加工工件的加工位置坐标系转换为加工系统的坐标系；S3.根据选定的所述加工工艺参数和所述加工系统坐标系下的钻孔坐标进行微孔扫描加工；其特征在于，所述步骤S3中还包括以下步骤：S31.实时监测并获取光束扫描模块的扫描轨迹，提取激光器的脉冲同步信号；S32.将所述扫描轨迹和所述脉冲同步信号输入重叠率控制算法，得到对应所述扫描轨迹处的激光器应输出的脉冲频率；S33.根据扫描轨迹处的脉冲重叠率控制高速快门开关而实时调整所述激光器输出的脉冲频率。2.根据权利要求1所述的微孔激光加工方法，其特征在于，所述步骤S31还包括以下步骤：通过位置检测模块检测微孔扫描加工中的反射光束得到扫描轨迹和光束实时扫描位置。3.根据权利要求2所述的微孔激光加工方法，其特征在于，当加工孔中心轴线与工件表面成倾斜夹角时，所述步骤S3还包括以下具体步骤：J1.以不包含非加工区域的水平加工平面中高度最高的一层作为所述待加工工件的分界面；J2.在所述分界面上方，每一层所述水平加工平面中，所述扫描轨迹进入非加工区域时，控制所述高速快门开关调整所述激光器的脉冲频率为0；在扫描轨迹进入加工区域后，控制所述高速快门开关调整所述激光器的脉冲频率正常输出；J3.在所述分界面本层及下方，恢复逐层扫描加工。4.根据权利要求1所述的微孔激光加工方法，其特征在于，步骤S3的每一层水平加工平面中，其扫描模式采用等间距增量螺旋线扫描模式。5.根据权利要求1所述的微孔激光加工方法，其特征在于，步骤S1中，所述微孔参数包括孔径、孔间距、孔空间位置参数、孔数量；所述加工工艺参数，包括激光功率、频率、脉冲重叠率和扫描轨迹；步骤S2前还包括以下步骤：钻孔装置自检回零，激光器预热，光束扫描模块回零，以及机床平台回零；将待加工工件固定好，并调整至水平位置；步骤S3后还包括以下步骤：所述待加工工件被扫描出的微孔达到所述微孔参数，结束微孔扫描加工。6.一种基于激光脉冲重叠率控制的微孔激光加工系统，其特征在于，包括：激光器，用于生成脉冲激光光束，并对生成的脉冲激光光束进行激光参数调整；光束扫描模块，用于对入射的脉冲激光光束进行扫描运动及入射角度的控制；聚焦模块，用于将由所述光束扫描模块输出的脉冲激光光束进行聚焦射出；高速快门开关，用于将入射的脉冲激光光束进行调...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜宝宁，周轲新，王自，贺斌，杨小君，
申请(专利权)人：西安中科微精光子制造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61