CN111098026A - 一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法。该***包括λ/2波片、偏振分光棱镜、λ/4波片以及平面反射镜；外部激光器发射的激光光束依次经λ/2波片、激光双摆轴加工头中第一旋转轴后被偏振分光棱镜反射；偏振分光棱镜的产生反射光经由λ/4波片后被平面反射镜再次反射，平面反射镜的产生发射光经由λ/4波片后穿过激光双摆轴加工头中第二旋转轴向外水平出射。通过本发明使得激光双摆轴加工头即便受到机械振动、端/轴向跳动以及结构件装配误差等因素的影响，出射光束依然可以水平出射，大大提升了激光双摆轴加工头在加工过程中激光焦点位置的精准度。

Description

一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法。
背景技术
随着激光加工技术的广泛应用，激光加工的优势也逐渐得以体现。相对于其它加工技术，其主要特点为：一、非接触加工。激光加工不需要刀具，切边无机械应力，也无刀具磨损、替换和拆装等问题，很大程度的缩短了加工时间；二、加工具有灵活性。激光束易于聚焦、发散和导向，可方便得到不同尺寸和不同功率大小的光斑，以适应不同的加工要求；三、加工材料广泛。激光加工可面向复合材料、玻璃、金属、木材等材料的加工。基于激光加工的以上特点，目前已广泛将其应用于航空航天、汽车、电子等行业。
目前在复杂曲面零件的激光加工领域中，五轴联动激光加工装备代表了激光加工制造技术的最高水平，而激光双摆轴加工头是五轴联动激光加工装备中常用的核心部件，其制造性能直接决定了零件三维面型的加工精度。根据激光双摆轴加工头激光束传输方式的不同，大体可分为两类：一、使用光纤传输方式。该类型的激光双摆轴加工头直接将激光光纤搭载于加工头上，在加工过程中光纤随着加工头一起旋转及摆动，从而实现零件的激光加工。此类加工头的光束通过光纤后可直接作用于零件，没有中间传动误差，加工精度容易保证。
二、使用“硬光路”传输方式，由于激光光源性质的不同，部分激光器目前无法使用光纤进行光束的传输，如CO2激光器、超快激光器等。对于这类激光器，只能通过外部光路***将光束导入激光双摆轴加工头并在加工头内部设置反射镜11等导光***，从而实现加工过程中光束的旋转及摆动，此类光束传输形式为“硬光路”传输方式。相对于光纤传输形式，采用“硬光路”作为激光双摆轴加工头的激光光束2的传输方式容易受到外界环境。如图1所示，当第一旋转轴5的带着反射镜11进行转动时，机械振动、端/轴向跳动以及结构件装配误差等都会导致转动过程中反射镜11相对于光束的反射角度发生变化，进而致使反射镜11的出射光束从第二旋转轴10出射时指向产生变化(反射镜如出现θ角度的变化，则反射光束会出现2θ角度的变化，如图2所示)，由此会导致激光双摆轴加工头在加工过程中激光焦点位置出现偏差，最终无法确保五轴联动激光加工设备的加工精度。
发明内容
为了解决现有激光双摆轴加工头中反射镜由于受到机械振动、端/轴向跳动以及结构件装配误差等因素的影响，反射镜的出射光束指向产生变化，从而导致激光双摆轴加工头在加工过程中激光焦点位置出现偏差，最终无法确保五轴联动激光加工设备的加工精度的问题，本发明提供了一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***，包括λ/2波片、偏振分光棱镜、λ/4波片以及平面反射镜；
外部激光器发射的激光光束依次经λ/2波片、激光双摆轴加工头中第一旋转轴后被偏振分光棱镜反射；
偏振分光棱镜的产生反射光经由λ/4波片后被平面反射镜再次反射，平面反射镜的产生发射光经由λ/4波片后穿过激光双摆轴加工头中第二旋转轴向外水平出射；
偏振分光棱镜、λ/4波片、平面反射镜均水平安装于激光双摆轴加工头转接件的内部，且偏振分光棱镜与平面反射镜之间的位置平行。
进一步地，上述***还包括反射镜，所述反射镜安装在外部激光器与所述λ/2波片之间，用于使激光垂直入射至偏振分光棱镜。
基于上述激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***的光路结构描述，现对其进行自补偿的方法进行介绍，具体实现步骤如下：
步骤1：使得激光器出射的激光光束垂直入射至偏振分光棱镜；
步骤2：λ/2波片改变激光器出射激光的偏振方向，使其与垂直线偏振光S重合，此时通过偏振分光棱镜的激光大部分被反射；
步骤3：被偏振分光棱镜反射的激光经过λ/4波片后使垂直线偏振光S变为圆偏振光；
步骤4：圆偏振光经平面反射镜反射后再一次透过λ/4波片后又变为水平线偏振光P；
步骤5：水平线偏振光P透过偏振分光棱镜，然后穿过激光双摆轴加工头的第二旋转轴后水平出射。
进一步地，上述步骤1通过调整反射镜确保激光光束垂直入射至偏振分光棱镜。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用λ/2波片、偏振分光棱镜、λ/4波片以及平面反射镜构成的光路***，由于偏振分光棱镜、λ/4波片、平面反射镜均水平安装于激光双摆轴加工头转接件上，且偏振分光棱镜与平面反射镜之间的位置平行的巧妙设计，使得激光双摆轴加工头在受到机械振动、端/轴向跳动以及结构件装配误差等因素影响时，偏振分光棱镜、平面反射镜也随着转接件一起偏转，即平面反射镜的法线方向也偏转，从而使经平面反射镜二次反射后激光可以始终水平的从第二旋转轴向外出射，实现了光束偏转后的自适应补偿。
另外，本发明采用λ/2波片使激光光束以垂直线偏振光S的形式被偏振分光棱镜充分反射，λ/4波片使得平面反射镜反射的激光光束以水平线偏振光P的形式被偏振分光棱镜充分透射，从而使得激光器的出射激光损失小，光能量能够得到充分利用。
2、本发明采用反射镜能够实现对激光器的出射激光进行快速调整，使光束能够垂直入射至偏振分光棱镜，并且也可在一些空间受限的位置，改变光路方向，并与外部激光器安装。
附图说明
图1为现有激光双摆轴加工头光束的传输结构原理图；
图2为现有激光双摆轴加工头光束发生偏转后的传输结构原理图；
图3为本发明的***原理图；
图4为本发明的***发生光束偏转后的光束传输原理图。
附图标记如下：
1-激光器、2-激光光束、3-反射镜、4-λ/2波片、5-第一旋转轴、6-偏振分光棱镜、7-λ/4波片、8-平面反射镜、9-转接件、10-第二旋转轴、11-反射镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***及其方法作进一步详细说明。根据下面说明本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如图3所示，本实施例提供了一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***的结构，其包括λ/2波片4、偏振分光棱镜6、λ/4波片7以及平面反射镜8；
外部激光器1发射的激光光束2依次经λ/2波片4、激光双摆轴加工头中第一旋转轴5后被偏振分光棱镜6反射；
偏振分光棱镜6的产生反射光经由λ/4波片7后被平面反射镜8再次反射，平面反射镜8的产生发射光经由λ/4波片7后穿过激光双摆轴加工头中第二旋转轴10向外水平出射；
偏振分光棱镜6、λ/4波片7、平面反射镜8均水平安装于激光双摆轴加工头的转接件9的内部，且偏振分光棱镜6与平面反射镜8之间的位置平行。
优选地，为了实现对激光器的出射激光进行快速调整，使光束能够垂直入射至偏振分光棱镜，并且也可在一些空间受限的位置在不改变光路的情况下有利于外部激光器的安装，本实施例的***还在外部激光器1与所述λ/2波片4之间安装了反射镜3，用于使激光垂直入射至偏振分光棱镜6。
基于上述***，现对该***的工作原理进行介绍：
外部激光器1出射的线偏振光束2经反射镜3、λ/2波片4入射至第一旋转轴5，然后手动调整反射镜3直至光束2垂直入射至偏振分光棱镜6，光束2通过偏振分光棱镜6后分为垂直线偏振光S和平行线偏振光P激光，调节λ/2波片4的角度以改变线偏振光束2的偏振方向，使其偏振方向与垂直线偏振光S重合，确保经过偏振分光棱镜6的大多数能量激光实现反射，此后调整λ/4波片7的快轴与垂直线偏振光S的偏振方向成45°，使垂直线偏振光S透过λ/4波片7后变为圆偏振光，圆偏振光再经反射镜8反射后再一次进入λ/4波片7，此后光线由圆偏振光变为水平线偏振光P，因此水平线偏振光P透过偏振分光棱镜6，经激光双摆轴加工头的第二旋转轴10水平出射。
当激光双摆轴加工头工作时由于机械的振动、装配误差、机床导轨直线度误差等因素使得经过偏振分光棱镜6的反射光发生角度偏转后，由于平面反射镜8也随着转接件一起偏转，即平面反射镜8的法线方向也偏转，从而使经平面反射镜8二次反射后激光可以始终水平的从第二旋转轴10向外出射，实现了光束偏转后的自适应补偿，以此实现光束经激光双摆轴加工头后聚焦光斑位置的一致性，其自补偿原理如图4所示。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***，其特征在于：
包括λ/2波片、偏振分光棱镜、λ/4波片以及平面反射镜；
外部激光器发射的激光光束依次经λ/2波片、激光双摆轴加工头中第一旋转轴后被偏振分光棱镜反射；
偏振分光棱镜的产生反射光经由λ/4波片后被平面反射镜再次反射，平面反射镜的产生发射光经由λ/4波片后穿过激光双摆轴加工头中第二旋转轴向外水平出射；
偏振分光棱镜、λ/4波片、平面反射镜均水平安装于激光双摆轴加工头转接件的内部，且偏振分光棱镜与平面反射镜之间的位置平行。
2.根据权利要求1所述的激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿***，其特征在于：还包括反射镜，所述反射镜安装在外部激光器与所述λ/2波片之间，用于使激光垂直入射至偏振分光棱镜。
3.一种激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿方法，其特征在于，采用了如权利要求1所述的自补偿***，具体实现步骤如下：
步骤1：使激光器出射的激光光束垂直入射至偏振分光棱镜；
步骤2：λ/2波片改变激光器出射激光的偏振方向，使其与垂直线偏振光S重合，此时通过偏振分光棱镜的激光大部分被反射；
步骤3：被偏振分光棱镜反射的激光经过λ/4波片后使垂直线偏振光S变为圆偏振光；
步骤4：圆偏振光经平面反射镜反射后再一次透过λ/4波片后又变为水平线偏振光P；
步骤5：水平线偏振光P透过偏振分光棱镜，然后穿过激光双摆轴加工头的第二旋转轴后水平出射。
4.根据权利要求3所述的激光双摆轴加工头的光束偏转自补偿方法，其特征在于：所述步骤1通过调整反射镜确保激光光束垂直入射至偏振分光棱镜。
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