基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置。包括光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统；光束扫描系统出射激光用于对待加工工件进行加工制孔；光学相干层析成像同轴监测系统对制孔过程中的孔径大小、孔底形貌等特征进行实时监测，根据监测结果对激光功率、扫描方式等制孔参数进行反馈控制，在保证微孔加工精度的同时可有效防止对面壁损伤问题。本实用新型专利技术可用于叶片气膜孔、汽车喷油嘴微孔等高质量微孔加工。

【技术实现步骤摘要】
基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置
本技术属于激光加工
，特别涉及一种采用超快激光实现高精度微孔加工装置。
技术介绍
超快激光微孔加工技术是叶片气膜孔、火焰筒气膜孔以及航空喷油嘴微孔加工的最新技术手段，但这些领域所需的微孔存在精度高、品质好和对面壁无损伤等加工要求。然而目前超快激光微孔加工过程中，由于激光器的差异性、加工环境以及光路调试存在误差等因素，对制孔精度产生严重的影响，并且在加工过程中，激光是通过孔壁反射、衍射以及等离子体吸收等多种方式传播至孔底，使得孔深度增加。但激光在孔壁上的反射率依赖于偏振方向，会导致激光能量分布不均匀，同时由于飞秒激光容易产生空气电离，气相容易受到扰动，从而使激光在传播至孔底的过程中并非理想的均匀状态，导致孔底部形貌不均匀，呈锥形分布，易造成孔尚未加工完成时就因孔底部分区域穿透而出现对面壁损伤等问题。若按要求实现高精度微孔加工，加工前需反复调试加工工艺，并需人工改变加工工艺参数对微孔进行二次修正，无法单步单机完成微孔加工，过程复杂且周期长，对超快激光高精度微孔加工真正实现工程化应用产生影响。所以如何解决制孔过程中底部锥形形貌导致的对面壁损伤及为了确保微孔加工精度需要人工改变加工工艺参数导致的工艺复杂周期长等问题，是实现超快激光高精度微孔加工工程化应用的重要技术方向。
技术实现思路
本技术目的是提供一种采用超快激光实现高精度微孔加工装置，以解决微孔加工中底部锥形形貌导致的对面壁损伤和由此导致的工艺调试复杂且周期长等问题，实现高精度微孔智能加工。本技术的技术解决方案是提供一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置，其特殊之处在于：包括光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统；上述光束扫描系统包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扫描模块与聚焦镜；激光器发射加工光束入射至扫描模块，从扫描模块射出的加工光束经过聚焦镜聚焦后，作用于待加工工件的目标区域；上述光学相干层析成像同轴监测系统包括激光光源、第一半透镜、第二反射镜、第二半透镜、第三半透镜、第四半透镜、滤波片、第三反射镜、探测器及数据采集卡；第三半透镜设置在激光器与扫描模块之间且位于激光器出射光路中；第四半透镜设置于扫描模块与聚焦镜之间且位于扫描模块的出射光路中；激光光源发出的监测光束经过第一半透镜分光，一路监测光进入第二反射镜反射，经第二反射镜反射后的光束透过第一半透镜后进入探测器；另一路监测光透过第二半透镜，经第三半透镜反射至加工光路中；监测光束经过扫描模块的调节，透过第四半透镜和聚焦镜到达加工区域；加工区域的实时反射光经过聚焦镜，由第四半透镜反射至滤波片，对反射光束进行过滤，再经由第三反射镜、第二半透镜和第一半透镜反射后，入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像，处理图像，得到微孔实际加工过程中的微孔参数；激光器、扫描模块、激光光源及数据采集卡均与控制系统电连接。优选地，本技术加工装置还包括位于激光器与扫描模块之间的反射镜，激光器出射光束经由反射镜反射后入射至扫描模块。优选地，激光光源为850nm激光光源。本技术还公开了一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工方法，包括以下步骤：步骤一：根据需要加工的微孔参数，确定初始加工工艺参数及多组修正加工工艺参数；步骤二：沿微孔的径向截面将制孔区域划分为不同的同心圈区；步骤三：根据步骤一确定的初始加工工艺参数，开始激光扫描加工微孔；步骤四：实时监测微孔实际加工过程中微孔形貌，并对孔横截面和深度维实时成像，根据成像结果得到此时微孔内底部平整度H；步骤五：分析步骤四得到的实时微孔内底部平整度H，当微孔加工过程中H发生改变时，实时调用相应的修正加工工艺参数进行加工；步骤六：当监测到的微孔深度符合设定深度时，结束微加工。优选地，不同的H对应不同的激光扫描功率，具体为：当H＞a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；当H＜-a时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描功率从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；当-a≤H≤a，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描功率相等；其中a为底部平整度测量误差值。优选地，步骤四中根据成像结果还可以得到此时微孔孔径测量值D及孔深测量值L；步骤五：根据得到的微孔孔径测量值D及孔深测量值L，当微孔加工过程中微孔孔径测量值D及孔深测量值L发生改变时，实时调用相应的修正加工工艺参数进行加工。优选地，不同的D对应不同的激光扫描功率，具体为：当d-b≤D≤d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，各圈区的激光扫描圈数相等；当D＞d+b时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递减；当D＜-(d+b)时，相对应的修正加工工艺参数中，激光扫描圈数从中心圈区至外围圈区以设定公差递增；其中d为微孔孔径理论值，b为误差值；当l≤L≤l+c时，结束微孔加工，其中l为微孔孔深理论值，c为微孔孔深测量误差值。优选地，步骤四利用光学相干层析成像同轴监测方法；将激光光源发出的监测光束分为两路，一路经反射镜反射至探测器，另一路与激光加工光路汇合，到达加工区域，对加工过程中的微孔形貌进行扫描，加工区域的实时反射光经过聚焦、过滤与反射镜反射光汇合入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像，分析图像，得到微孔实际加工过程中微孔孔径D、孔内底部平整度H及孔深L。优选地，步骤三中采用从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式进行扫描加工。优选地，孔参数包括孔径、孔深度、孔间距、加工方向及孔总数量；加工工艺参数，包括激光功率、扫描方式、扫描重叠率、频率、扫描速度。本技术的有益效果是：1)本技术在超快激光高精度微孔加工过程中，采用光学相干层析成像同轴监测实现微孔加工过程的三维实时成像，保证微孔加工过程中孔底形貌均匀，根据加工过程中孔横截面(X、Y方向)和深度维(Z方向)实时成像结果的分析，在微孔加工过程中孔形貌较预期指标要求发生改变时，能实时有效的做出识别并实时调控制相应的孔工艺参数，实现高精度微孔智能加工，确保航空喷油嘴微孔及叶片气膜孔等类型微孔加工过程中对面壁无损伤；2)在高精度微孔加工过程中，根据光学相干层析成像系统同轴监测孔直径D和孔底部平整度H的信息，自动调用加工参数，加工过程简单，周期短；3)扫描方式选择从中心到外围以及从外围到中心交替的螺旋扫描方式，通过对扫描速度、功率和频率的匹配，控制激光扫描重叠率，进一步确保高精度微孔加工。附图说明图1为本技术一个实施例的系统示意图；图2a为微孔扫描区域示意图；图2b为加工过程中孔底形貌图；图3为本技术一个实施例的方法流程图；图4为超快激光微孔加工工艺规范示意图；图中附图标记为：1-工控机，2-高速数据采集卡，3-探测器，4-850nm激光光源，5-第二反射镜，6-第一半透镜，7-第二半透镜，8-监测光束，9-第一反射镜，11-激光器，12-第三半透镜，13-扫描模块，14-滤波片，15-第四半透镜，16-聚焦镜，17-第三反射镜，18-叶片基体，19-叶片腔体及内部防护材料，20-叶片气膜孔对面壁，21、22、23、24、25-扫描圈区。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本实用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置，其特征在于：包括光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统；所述光束扫描系统包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扫描模块与聚焦镜；激光器发射加工光束入射至扫描模块，从扫描模块射出的加工光束经过聚焦镜聚焦后，作用于待加工工件的目标区域；所述光学相干层析成像同轴监测系统包括激光光源、第一半透镜、第二反射镜、第二半透镜、第三半透镜、第四半透镜、滤波片、第三反射镜、探测器及数据采集卡；第三半透镜设置在激光器与扫描模块之间且位于激光器出射光路中；第四半透镜设置于扫描模块与聚焦镜之间且位于扫描模块的出射光路中；激光光源发出的监测光束经过第一半透镜分光，一路监测光进入第二反射镜反射，经第二反射镜反射后的光束透过第一半透镜后进入探测器；另一路监测光透过第二半透镜，经第三半透镜反射至加工光路中；监测光束经过扫描模块的调节，透过第四半透镜和聚焦镜到达加工区域；加工区域的实时反射光经过聚焦镜，由第四半透镜反射至滤波片，对反射光束进行过滤，再经由第三反射镜、第二半透镜和第一半透镜反射后，入射至探测器，得到加工过程中孔横截面和深度维图像，处理图像，得到微孔实际加工过程中的微孔参数；激光器、扫描模块、激光光源及数据采集卡均与控制系统电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光学相干层析扫描的超快激光微孔加工装置，其特征在于：包括光束扫描系统、光学相干层析成像同轴监测系统及控制系统；所述光束扫描系统包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扫描模块与聚焦镜；激光器发射加工光束入射至扫描模块，从扫描模块射出的加工光束经过聚焦镜聚焦后，作用于待加工工件的目标区域；所述光学相干层析成像同轴监测系统包括激光光源、第一半透镜、第二反射镜、第二半透镜、第三半透镜、第四半透镜、滤波片、第三反射镜、探测器及数据采集卡；第三半透镜设置在激光器与扫描模块之间且位于激光器出射光路中；第四半透镜设置于扫描模块与聚焦镜之间且位于扫描模块的出射光路中；激光光源发出的监测光束经过第一半透镜分光，一路监测光进入第二反射镜反射，经第二反射镜反射后的光束透过第一半透镜后进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺斌，赵卫，焦悦，田东坡，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61