本发明专利技术公开了一种全反射式的光内送材激光加工头，属于激光加工技术领域，包括：沿激光光路方向依次放置的非球面反射镜和平面反射镜；其中，非球面反射镜包括多个反射区域，且各反射区域的面型均不相同，以对入射激光进行分光；平面反射镜包括多个反射平面，且各反射平面的倾斜角度均不相同，各反射平面的反射光线与送材装置轴线之间的夹角均相同，从而将各反射平面的反射光线均匀地聚焦到工作面上，实现对送材装置同轴送入的丝/粉材料进行加工；相比于现有的光内送材激光加工头，本发明专利技术显著降低了光学组件数量，光路稳定性较好，实现了一种光路稳定性较好的轻量化同轴送丝/粉的激光加工头，能广泛应用于激光增材制造等加工领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光加工，更具体地，涉及一种全反射式的光内送材激光加工头。
技术介绍
1、随着激光先进制造技术的发展，面对汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等的制造需求，对激光加工系统提出了更高的需求。光内送材技术是指利用不同的分光技术，使得材料居中并垂直喷射到加工表面，保证激光束与材料中心线同轴，光内送材激光加工头由于送材方向性好，材料受热均匀，激光与材料耦合性强，使得加工性能更加优良，因此研究一种光内送材激光加工头存在重要意义。
2、现有的光内送材激光加工头一般使用同轴送丝/粉加工方式，目前，同轴送丝/粉加工主要包括环形光内送丝/粉加工与分光光内送丝/粉加工两种方式；传统的分光方式一般采用锥形镜、棱镜、调节镜等进行分光，所需镜片多，光路稳定性差，不利于激光加工头轻量化、质量化发展。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种全反射式的光内送材激光加工头，其目的在于提供一种光路稳定性较好的轻量化同轴送丝/粉激光加工头。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了全反射式的光内送材激光加工头，包括：沿激光光路方向依次放置的非球面反射镜和平面反射镜；
3、非球面反射镜的反射面包括n个反射区域；平面反射镜的反射面包括与n个反射区域一一对应的n个反射平面，且平面反射镜中空，用于放置送材装置；
4、非球面反射镜的各反射区域的面型均不相同，用于对入射激光进行分光，得到n束激光，并分别入射至对应的反射平面上；
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p>5、平面反射镜的各反射平面的倾斜角度均不相同，且各反射平面的反射光线与送材装置轴线之间的夹角均相同，用于将各反射平面的反射光线均匀地聚焦到工作面上，以对送材装置同轴送入的材料进行加工；6、其中，n≥2；送材装置包括：送丝装置或送粉装置。
7、进一步优选地，非球面反射镜的各反射区域的面型均为旋转椭球面；
8、对于非球面反射镜的任意反射区域s，其面型满足：将以c点和d点分别作为焦点的椭圆绕轴线cd进行旋转后所得的旋转椭球面；
9、其中，c点为入射激光的激光光源所在的位置点；d点为工作面上的激光聚焦点关于平面反射镜的反射平面s’的空间对称点；反射平面s’为与反射区域s相对应的反射平面。
10、进一步优选，非球面反射镜的各反射区域的面型均为自由曲面；对于任一反射区域s，其面型通过以下方式确定：
11、s1、对反射区域s的面型进行初始化；
12、s2、将入射激光在反射区域s上的光源横截面进行等能量网格划分，从而在反射区域s上形成对应的网格点；
13、s3、基于反射区域s中任意相邻的两个网格点之间的连线向量与这两个网格点处法向量的平均值相垂直的关系，建立一组线性方程组，进而求得反射区域s中各网格点的三维位置数据，以对反射区域s的面型进行更新；其中，反射区域s中任一网格点处法向量为该网格点处入射光线和反射光线的角平分线方向；反射区域s上的网格点与目标网格点存在一一对应的映射关系，反射区域s上网格点处的入射光线经过反射区域s上的该网格点反射到对应的目标网格点；目标网格点的获取方式为：将工作面上的光斑按照预设需求进行网格划分，并将工作面上的网格点关于平面反射镜进行空间对称，得到对应的目标网格点；
14、s4、重复步骤s2-s3进行迭代，直至迭代次数达到预设迭代次数或者计算结果收敛，此时的反射区域s的面型即为所求反射区域s的面型。
15、进一步优选地，平面反射镜的任意反射平面s’的倾斜角度通过以下方式确定：
16、基于预设的反射平面s’的反射光线与送材装置轴线之间的夹角θ，得到反射平面s’的反射光线所在的方向；
17、基于直线o1o2与反射平面s’的入射光线之间的夹角与θ相等的关系，得到反射平面s’的入射光线所在的方向；
18、计算反射平面s’的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到反射平面s’的法向量方向，从而得到反射平面s’的倾斜角度；
19、其中，直线o1o2为非球面反射镜的中心点o1与平面反射镜中心点o2之间的连线。
20、进一步优选地，非球面反射镜的反射面上镀有高反射膜。
21、进一步优选地，非球面反射镜上设置有水冷通道。
22、进一步优选地，平面反射镜上设置有水冷通道。
23、进一步优选地，上述全反射式的光内送材激光加工头还包括：沿着光路方向设置在平面反射镜之后、工作面之前的保护镜。
24、进一步优选地，保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成。
25、或者，保护镜为中空的双层保护镜结构，包括远离工作面的里层保护镜和靠近工作面的外层保护镜；其中，里层保护镜为中空的环形保护镜；外层保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成。
26、进一步优选地，n＝4。
27、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
28、1、本专利技术提供了一种全反射式的光内送材激光加工头，包括沿激光光路方向依次放置的非球面反射镜和平面反射镜；非球面反射镜包括多个反射区域，且各反射区域的面型均不相同，以对入射激光进行分光；平面反射镜包括多个反射平面，且各反射平面的倾斜角度均不相同，且各反射平面的反射光线与送材装置轴线之间的夹角均相同，从而将各反射平面的反射光线聚焦到工作面上，实现对送材装置同轴送入的丝/粉材料进行加工；相比于现有的光内送材激光加工头，本专利技术显著降低了光学组件数量，光路稳定性较好，实现了一种光路稳定性较好的轻量化同轴送丝/粉的激光加工头。
29、2、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，非球面反射镜的反射区域的面型可以为旋转椭球面，也可以自由曲面，可以根据所需的光斑类型进行适应性的选择，应用场景较广。
30、3、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，非球面反射镜的反射面上镀有高反射膜，能够进一步提高反射率，降低光损耗。
31、4、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，由于采用全反射式结构，能够在非球面反射镜和/或平面反射镜上方便地设置水冷通道，以为非球面反射镜的反射面降温，从而提高了激光加工头的抗热效率。
32、5、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，还包括：沿着光路方向设置在平面反射镜之后、工作面之前的保护镜，以防止粉尘杂散对激光加工头的污染。
33、6、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，所使用的保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成，方便灵活拆卸，避免了更换保护镜拆卸的困难。
34、7、进一步地，本专利技术所提供的全反射式的光内送材激光加工头，所使用的保护镜为为中空的双层保护镜结构，外层保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种全反射式的光内送材激光加工头，其特征在于，包括：沿激光光路方向依次放置的非球面反射镜和平面反射镜；
2.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的各反射区域的面型均为旋转椭球面；
3.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的各反射区域的面型均为自由曲面；对于任一反射区域S，其面型通过以下方式确定：
4.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述平面反射镜的任意反射平面S’的倾斜角度通过以下方式确定：
5.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的反射面上镀有高反射膜。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜上设置有水冷通道。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述平面反射镜上设置有水冷通道。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，还包括：沿着光路方向设置在所述平面反射镜之后、所述工作面之前的保护镜。
9.根据权利要求8所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成；
10.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，N＝4。
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【技术特征摘要】
1.一种全反射式的光内送材激光加工头，其特征在于，包括：沿激光光路方向依次放置的非球面反射镜和平面反射镜；
2.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的各反射区域的面型均为旋转椭球面；
3.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的各反射区域的面型均为自由曲面；对于任一反射区域s，其面型通过以下方式确定：
4.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述平面反射镜的任意反射平面s’的倾斜角度通过以下方式确定：
5.根据权利要求1-4任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述非球面反射镜的反射面上镀...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，王乾坤，唐霞辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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