CN112935555B - 基于光束调制的复合型精密激光抛光方法及加工*** - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于光束调制的复合型精密激光抛光方法及加工***。所述加工***包括精密/超精密运动平台、双光源/多光源调制、双光束/多光束交叉耦合、振镜扫描、光束空间矢量调控以及多轴加工运动模块等，且还可包括视觉观测、在线监测、温湿控制、防尘、气体保护、振动辅助等模块。该光束调制模块用于在保证激光器发出的光束质量的基础上提升激光功率，以实现更高精度的激光加工光斑；振镜扫描模块、宏观机械运动、空间矢量调控可实现复杂曲面等结构或特征的大空间自由度及局部微尺度高速扫描与大尺度抛光；振动辅助模块可增加运动自由度，实现材料去除机理改进与工艺拓展。本发明对材料、形状、结构特征等具有广泛的适应性。

Description

基于光束调制的复合型精密激光抛光方法及加工***

技术领域

本发明涉及一种激光抛光方法，特别涉及一种基于光束调制的复合型精密或超精密激光抛光方法及加工***，属于激光加工、先进制造技术领域。

背景技术

硬脆材料在航空航天、空间探测、能源动力、光学以及半导体等领域中的应用日趋广泛，如碳化硅陶瓷、工程陶瓷等。其中，碳化硅(SiC)陶瓷具有高热导、高比刚度、高强度、高韧性、抗高能粒子辐射、耐化学腐蚀以及抗热震等优点。碳化硅陶瓷材料已成为大口径反射镜的战略级材料。此外，碳化硅(SiC)陶瓷也广泛应用于传统工业、半导体以及核能等领域。随着相关零部件或产品服役性能要求的提高和工况的极端化，对碳化硅陶瓷等先进硬脆材料的需求日益增多，其高完整性高效精密加工技术已成为国内外的研究热点。

这类材料的硬度高、脆性大、各向异性、异质性、不均匀性等性能特点使碳化硅陶瓷材料的高性能加工面临一系列挑战。通过传统磨抛、超声、磨料水射流等加工工艺优化，可降低切削力和加工损伤，改善表面质量，但原理上的接触式加工，很难从根本上消除损伤，刀具磨损严重，且周期长，成本高；此外，存在脆性断裂、加工一致性差等问题，且微观裂纹与亚表面损伤测控困难，导致微细特征或部件精密功能化成型加工质量保证、精度控制以及效率提升面临困难。传统抛光在大尺度加工时，面临刚度、效率、精度、质量交互制约的矛盾。非接触式的激光抛光加工精度高，材料适应性广，可控性强，自由曲面等复杂特征快速抛光灵活，可实现宏观、微观、纳观等多尺度和非接触高效抛光等优点。但现有抛光技术的加工精度继续提升存在困难，尤其是硬脆性难加工材料高完整性加工实现困难，且质量与效果难以兼顾。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于光束调制的复合型激光抛光方法及加工***，以克服现有技术中存在的不足。

为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：

本发明的一些实施例提供了一种基于光束调制的复合型精密激光抛光加工***，其包括光源调制模块、光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块、光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块；

其中，所述光源调制模块至少用于对光源输出的第一激光束进行调制，以形成质量和/或功率可控的第二激光束；

所述光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块至少用于以所述第二激光束对加工对象进行加工；

所述光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块至少用于调控第二激光束与加工对象的加工点之间的空间姿态和/或位置。

在一些实施方式中，所述光源为一个或多个，其中一个光源发射的一束第一激光束经光源调制模块调制后形成一个第二激光束，或者，多个光源发射的多个第一激光束经光源调制模块调制后形成一个或多个第二激光束，其中所述多个第一激光束的特性相同或不同，所述多个第二激光束的特性相同或不同。

在一些实施方式中，所述光源调制模块包括扩束镜、分光棱镜、多个反射镜和合束棱镜，由一个光源发射的一束第一激光束透过扩束镜后被分光棱镜分束为两束以上激光，该两束以上激光分别经多个反射镜反射至合束棱镜，并由合束棱镜合束为一个第二激光束。

在一些实施方式中，所述光源调制模块包括两套以上光学组件，该两套以上光学组件对应于两个以上光源配置，其中一套光学组件包括扩束镜、旋光镜、反射镜，每一个光源发射的一束第一激光束依次经扩束镜、旋光镜、反射镜后入射同一偏振棱镜。

在一些实施方式中，所述复合型精密激光抛光加工***包括能够相互切换的光束交叉耦合模块和振镜扫描模块。

在一些实施方式中，所述振镜扫描模块能够对加工对象实现二维平面或三维坐标的扫描加工。

在一些实施方式中，所述光束交叉耦合模块至少用于将多个第二激光束交叉耦合形成加工能量域以实现对加工对象的加工。

在一些实施方式中，所述光束交叉耦合模块和振镜扫描模块被设置于不同激光加工头内。

在一些实施方式中，所述多轴加工运动模块至少具有下列功能：

使加工对象沿一三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴中的任一者或多者运动；

和/或，使加工对象绕一三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴中的任一者或多者转动。

在一些实施方式中，所述光束空间矢量调控模块至少具有下列功能：

使光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块在一个三维坐标系内相对于加工对象运动。

在一些实施方式中，所述多轴加工运动模块包括精密或超精密运动平台，所述精密或超精密运动平台包括能够在一三维坐标系的XY平面内运动的水平运动平台和能够绕所述三维坐标系的X轴和/或Z轴转动的双摆台工作平台。

在一些实施方式中，所述光束空间矢量调控模块包括至少能够驱使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块沿所述三维坐标系的Z轴运动的驱动机构。

在一些实施方式中，所述复合型精密激光抛光加工***还包括运动控制单元和总控制单元，所述光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块与运动控制单元连接，所述总控制单元与运动控制单元及光源连接。

在一些实施方式中，所述复合型精密激光抛光加工***还包括与总控制单元连接的视觉观测模块、在线监测模块、温湿控制模块、防尘模块、气体防护模块或振动辅助模块。

在一些实施方式中，所述振动辅助模块至少用于将选定模式的振动施加于加工对象。

本发明的一些实施例还提供了一种基于光束调制的复合型精密激光抛光方法，所述加工方法是基于所述复合型精密激光抛光加工***实施的，并且所述加工方法包括：

依据加工需求，通过光源调制模块对光源输出的第一激光束进行调制，以形成具有所需质量和/或功率的第二激光束；

利用光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块调整第二激光束与加工对象的加工点之间的空间姿态和/或位置；

以设置于激光加工头内的光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块对加工对象进行加工。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法具体包括：使第二激光束进入振镜扫描模块，并以激光加工头实现对加工对象的二维平面或三维坐标内的扫描加工。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法具体包括：使多个第二激光束经光束交叉耦合模块交叉耦合形成加工能量域，并以多轴加工运动模块驱使加工对象运动，实现对加工对象的加工。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法具体包括：依据加工需求，使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块切换工作，以至少实现激光粗抛光、半精抛光或精抛光工艺过程。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法具体包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，还至少以多轴加工运动模块驱使加工对象在一个三维坐标系的XY平面内运动和/或绕所述三维坐标系的X轴和/或Z轴转动，和/或，至少以光束空间矢量调控模块驱使激光加工头沿所述三维坐标系的Z轴运动。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法还包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，还以振动辅助模块将选定模式的振动施加于加工对象。

在一些实施方式中，所述的复合型精密激光抛光方法还包括：以视觉观测模块和/或在线监测模块监测激光抛光加工过程；和/或，在对加工对象进行激光抛光加工时，以温湿控制模块将加工环境控制在设定温度和/或湿度范围内，和/或，以防尘模块对加工区内的生成物进行净化处理，和/或，以气体保护模块在加工区内形成气体保护环境。

与现有技术相比，藉由本发明以上实施例所提供技术方案的能够实现更高精度的激光加工和复杂曲面等结构或特征的大空间自由度及局部微尺度的高速扫描与大尺度抛光，并可实现材料去除机理的改进与工艺拓展，对材料、形状、结构特征等具有广泛的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施方式中一种单光源光束调制模块的示意图；

图2是本发明一实施方式中一种双光源/多光源光束调制模块示意图；

图3a-3d是本发明一些实施方式中多种光束交叉耦合模块的示意图；

图4是本发明一些实施方式中振镜扫描模块的工作示意图；

图5是本发明一个实施方式中一种基于分/合束调制的复合型精密激光抛光加工***的示意图；

图6是本发明另一个实施方式中基于双光源/多光源光束调制的复合型精密激光抛光加工***的示意图；

图7是本发明的一个实施例中一种高速与高精激光抛光复合分步加工的工艺流程图；

图8是本发明的另一个实施例中一种基于单光源光束调制进行激光抛光加工的工艺流程图；

图9是本发明的又一个实施例中一种基于双光源/多光源光束调制进行激光抛光加工的工艺流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术中存在的不足，本案发明人经过长期的研究和实践，提出了一种基于光束调制的复合型精密或超精密激光抛光加工方法及加工***，其中通过光斑整形与能量精准调控，可将激光加工的作用区间从上百微米稳定控制在更小空间范围，实现了更均匀化的能量密度分布，能够有效改善抛光中的作用机制，并且通过融合空间矢量效应，可以实现加工对象角度倾斜，进行光束耦合、多轴姿态使能的可控能量域去除材料，再通过机械运动实现结合局部微观扫描式加工，从而实现大尺寸高速度激光抛光，在大深度加工平面特征、复杂特征侧壁加工以及高曲率曲面加工等典型应用方面具有极大优势。

本发明实施例的一个方面提供的一种基于光束调制的复合型精密或超精密激光抛光加工***亦可认为是一种多模式激光抛光加工***，并可简称为复合型精密激光抛光加工***，其包括光源调制模块、光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块、光束空间矢量调控模块、多轴加工运动模块等。

其中，所述光源调制模块包括单光源分合束调制或双光源/多光源调制模块。

其中，所述光束交叉耦合模块包括双光束/多光束交叉耦合模块。

其中，所述多轴加工运动模块可以选自CNC多轴加工运动模块，例如CNC四轴加工运动模块、CNC五轴加工运动模块等。

进一步的，在所述复合型精密激光抛光加工***之中，光源可以为一台或者可切换使用的多台不同功能的激光器，以输出不同特性的、用于调制的第一激光束；或者光源为双台或多台不同参数或功能的激光器。

进一步的，在所述复合型精密激光抛光加工***之中，一台激光器(纳秒、皮秒、飞秒等)输出的第一激光束在经光源调制模块分束、合束调制后，形成一束光(即第二激光束)，实现光束合并，在保证功率的前提下，改善光束质量和光斑质量。

或者，双光源或多光源输出的第一激光束经光束调制模块合束后，在保证光束质量的基础上提升功率，形成一束质量可控的高功率激光束(第二激光束)。

进一步的，由所述光束调制模块生成的质量、功率可控升级的激光光束，还可经扩束镜、反射镜等光学元器件后，再进入振镜扫描模块实现加工，或者经过光束交叉耦合模块分束后耦合，进一步期望改善光斑质量，形成加工能量域，其独立于振镜扫描模块，配合多轴加工运动模块(如CNC五轴加工运动模块)机械运动实现加工。

其中，调控加工能量域的激光能量密度，可以通过熔化、气化、热应力等热效应，以及光子吸收光化学作用，化学键断裂，实现加工对象(亦称工件)材料表层的微抛光去除，获得高质量表面。

其中，所述光束交叉耦合模块、振镜扫描模块可以被设置于激光加工头内。相应地，激光加工头可以独立设置两种，一种是二维/三维振镜扫描式，可实现二维平面内扫描，或可实现三维坐标的扫描加工；另一种是光束交叉耦合式。该两种激光加工头可以实现模块化集成，且可更换，使加工通道可选择。

进一步的，所述复合型精密激光抛光加工***还包括运动控制单元和总控制单元，所述光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块与运动控制单元连接，所述总控制单元与运动控制单元及光源连接。

其中，利用光束空间矢量调控模块、多轴加工运动模块可以实现机械运动***的多坐标联动，从而可以灵活调控激光束与加工对象加工点间的空间姿态与位置，进而实现大工艺窗口优化。例如，若采用CNC四轴或五轴加工运动模块，通过计算机数字化控制***(前述运动控制单元)进行数据处理，通过驱动器控制电机实现精密运动，可以在三维坐标系内实现沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动以及绕Z轴和绕X轴的旋转运动。

进一步的，所述复合型精密激光抛光加工***还可以包括视觉观测模块、在线监测模块、温湿控制模块、防尘模块、气体防护模块、振动辅助模块中的一种或多种，这些功能模块可以与总控制单元单元连接。

其中，视觉观测模块可以采用但不限于高精度工业CCD相机。在线监测模块可以采用但不限于高精度激光位移传感器或接触式力反馈探测器或激光扫描仪或者配置集成于加工***的机械臂测量测试装置等，还可以配置专用显示器，可实现人机交互，并具备实时监测激光抛光加工过程的动态特性。温湿控制模块可将加工***的环境(特别是加工区内的环境)控制在一定的温度、湿度范围内。防尘模块可采用但不限于吸尘器等，用将加工区内的生成物净化处理，保证环境清洁度。气体保护模块可通过氩气、氮气等惰性气体防护，形成气体保护环境，改善加工工艺效果。

其中，振动辅助模块可依据实际加工需求，将低频、中频、高频、超声等不同模式的振动施加于工件上，输入新的加工参量和机理，可将激光能量均匀化，改善热效应；并可辅助调控材料在激光作用下的演变行为(如金属/合金类材料的熔融流动、硬脆材料的热应力所致的裂纹源的应力消减或优化)，利用其工艺优势，进一步改善加工效果。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种基于光束调制的复合型精密激光抛光方法，该加工方法是基于所述复合型精密激光抛光加工***实施的，并且该加工方法包括：

依据加工需求，通过光源调制模块对光源输出的第一激光束进行调制，以形成具有所需质量和/或功率的第二激光束；

利用光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块调整第二激光束与加工对象的加工点之间的空间姿态和/或位置；

以设置于激光加工头内的光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块对加工对象进行加工。

其中，可以依据加工需求，使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块切换工作，以至少实现激光粗抛光、半精抛光或精抛光工艺过程。

进一步的，其中光束交叉耦合模块和振镜扫描模块可以单独工作，也可以同步工作，或者交替工作。

其中，可以在对加工对象进行激光抛光加工时，还至少以多轴加工运动模块驱使加工对象在一个三维坐标系的XY平面内运动和/或绕所述三维坐标系的X轴和/或Z轴转动，和/或，还可以光束空间矢量调控模块驱使激光加工头至少沿所述三维坐标系的Z轴运动。

其中，在对加工对象进行激光抛光加工时，还可以振动辅助模块将选定模式的振动施加于加工对象。

进一步的，在该加工方法中，可以通过所述复合型精密激光抛光加工***的参量(例如光源、振镜、交叉耦合模块、五轴CNC、辅助模块参数等)的性能耦合与优化配置，选择加工模式，进行高速、高精、高质量分步式复合加工。

进一步的，在该加工方法中，通过结合精密或超精密运动平台，振镜扫描加工模块和光束交叉耦合模块的可控切换，分别用于激光粗抛光、半精抛光、精抛光等工艺过程，并可进行多次循环组合，制备高完整性加工表面。

进一步的，在该加工方法中，也可将光束交叉耦合模块与振镜扫描模块有序组合，实时动态调控功率升级后的高质量光束(第二激光束)，融合振镜扫描的光束交叉耦合聚焦形成新的加工能量域，结合精密或超精密运动平台和激光能量密度特性，实现精密或超精密的时空分辨率和材料去除。

本发明实施例提供的前述加工方法对加工对象的材料体系、结构复杂度、特征曲率等具有广泛的适应性，可实现高完整性高性能激光抛光。可针对硬脆难加工材料、难切削材料以及其它极端性能材料，在多坐标加工设备上实现高性能抛光加工，尤其是对曲面、复杂结构特征、带矢量角度可达性差的微结构特征进行高精度高质量可控加工，工件特征具有一般适应性和扩展性。

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

请参阅图1所示，在本发明的一个实施方式中，一种基于分/合技术的光束调制模块(可以认为是一种单光源光束调制模块)包括扩束镜2、分光棱镜3、多个反射镜和合束棱镜10等。作为单光源的激光器1发射的激光束(第一激光束)经过扩束镜2后，再经分光棱镜3分束，之后通过反射镜4、5、6、7、8、9反射后进入合束棱镜10，经合束棱镜10合束形成高质量激光束(第二激光束)，再通过光路中的聚焦镜11等其它光学元件，照射到工件12上。

请参阅图2所示，在本发明的另一个实施方式中，一种双光源/多光源光束调制模块包括两套或多套光学组件，其分别对应于多个光路，例如a、b光路。更为具体的，a光路对应于竖直偏振光，由激光器1发射的激光束依次经过扩束镜2、旋光镜13、反射镜14后进入偏振棱镜15。b光路对应于水平偏振光，由激光器1’发射的激光束依次经过扩束镜2’、旋光镜13’、反射镜14’后也进入偏振棱镜15。如此，不同光源出来的激光束经过合束，在保证光束质量的前提下，可提升功率。

图3a-图3d示出了本发明的一些实施方式中不同的光束交叉耦合模块。在图3a中，一个激光束被束腰。在图3b-图3d中，分别有两个、三个、四个激光束交叉耦合。

图4示出了本发明的一个实施方式中一种二维/三维振镜扫描模块的工作原理。

请参阅图5所示，在本发明的一个实施方式中，一种基于分/合束调制的复合型精密激光抛光加工***包括作为光源的激光器1、光束调制模块、振镜扫描模块17、光束交叉耦合模块17’、光束空间矢量调控模块、CNC五轴加工运动模块等，并还可以进一步包括运动控制单元23、总控制单元24、防尘模块、气体保护模块等。

其中，该光束调制模块可以采用图1所示的单光源光束调制模块，其可以包括扩束镜2、分光棱镜3、多个反射镜和合束棱镜10等。

该振镜扫描模块17、光束交叉耦合模块17’可以分别被设置于两个激光加工头内，且两者可以被任意切换，以满足不同的加工需求。

该光束空间矢量调控模块可以包括Z轴运动机构16，前述两个激光加工头可以被安装在该Z轴运动机构上，并可以在该Z轴运动机构的驱使下沿三维坐标系的Z轴做直线运动。该Z轴运动机构可以是能够沿Z轴运动的滑块，并可以被定义为主轴Z向滑块。可以具备精密或超精密定位精度。

该CNC五轴加工运动模块包括精密或超精密运动平台，该精密或超精密运动平台包括能够在三维坐标系的XY平面内运动的水平运动平台20和能够绕X轴、Z轴转动的双摆台工作平台21。通过将工件固定在该精密或超精密运动平台上，可以使其进行沿X轴、Y轴的直线运动以及绕Z轴的C角度和绕X轴的A角度的旋转运动。

该气体保护模块可以包括密闭加工容器18和气罐19，在进行激光抛光作业时，工件可以被密封在密闭加工容器18内，通过将气罐内的氩气、氮气等惰性气体注入密闭加工容器18，形成气体保护环境，以改善加工工艺效果。

该防尘模块可以包括除尘器22等，其可以将加工区内的生成物净化处理，保证环境清洁度。

此外，该复合型精密激光抛光加工***还可包括但不限于视觉观测模块、在线监测模块、温湿控制模块、振动辅助模块之中的一种或多种的组合。

前述光束空间矢量调控模块、CNC五轴加工运动模块等可以分别与运动控制单元23连接，该运动控制单元23及激光器1等还与总控制单元24连接。

该运动控制单元23可以采用计算机数字化控制***。该总控制单元24可以采用计算机等。利用运动控制单元23，可以通过相应驱动器控制电机实现精密运动。

在该实施方式中，利用光束空间矢量调控模块、CNC五轴加工运动模块等之间的配合，可以实现机械运动***的五坐标联动，从而可以可灵活调控激光束与加工对象加工点间的空间姿态与位置，可实现大工艺窗口优化。

在该实施方式中，光束交叉耦合模块和振镜扫描模块可以灵活切换，实现主轴Z向滑块上激光加工头与加工模式的选择。例如，参阅图5，在一个主轴Z向滑块上可悬挂安装两个不同的激光加工头，实现加工模式的切换。同时，通过调控各类机械运动工艺参数和激光能量密度，可以进行粗抛、半精抛、高精度激光抛光等工序，最终实现高质量的表面加工。

其中，可以通过将机械精密/超精密运动平台与扫描振镜相结合，并使精密/超精密运动平台稳定保持位移精度(尤其是Z向精度保持)，利用扫描振镜实现局部高速扫描。

其中，可以通过将激光能量密度与材料的熔化阈值、气化阈值、光子吸收等破坏阈值建立定性关系，使之量化可控，进而实现材料去除模式和机理的主动选择与控制。

在该实施方式中，作为光源的激光器还可以是两个或多个，通过对不同光源进行切换，可以实现不同激光能量特点的激光抛光加工应用。

相较于现有扫描振镜加工方式所存在的光斑聚焦后空间漂移在微米量级的缺陷，本发明的该实施方式通过将精密/超精密运动平台结合光束交叉耦合模块，可实现更高精度的微米级或亚微米或纳米量级的高精度定位和材料去除。在此基础上，利用单光源光束调制模块生成高质量激光光束后，还可经振镜扫描模块调控光学***可控参量，主动控制激光能量密度，可实现高速大去除宏/微观结合激光高速抛光、半精抛。同时，通过将振镜扫描模块切换至光束交叉耦合模块，还可进一步改善光斑时空分辨率和能量密度，结合多坐标机械CNC运动实现精密/超精密激光抛光加工。另外，还可对振镜扫描加工模块和光束交叉耦合模块进行可控切换，并可将其进行多次循环组合，实现高完整性加工表面。

本发明的该实施方式之中，也可通过光路***和激光能量密度调控，采用光束交叉耦合模块的加工能量域进行高速大去除粗抛、半精抛等加工，以及，采用振镜扫描模块进行跨尺度选区精密抛光。

本发明的该实施方式之中，也可将光束交叉耦合模块与振镜扫描模块进行有序整合，将激光束实现振镜扫描式的交叉耦合聚焦，从而动态实时调控加工能量域，进而实现高性能去除加工材料。

请参阅图6所示，在本发明的另一个实施方式中，一种基于双光源/多光源光束调制的复合型精密激光抛光加工***包括多个激光器1、光束调制模块、振镜扫描模块17、光束交叉耦合模块17’、光束空间矢量调控模块、CNC五轴加工运动模块等，并还可以进一步包括运动控制单元23、总控制单元24、振动辅助模块、防尘模块、气体保护模块等。

进一步的，该另一实施方式中的复合型精密激光抛光加工***可以具有与图5所示加工***相似的基本架构。但是其中光源为两个或多个激光器，如此可以实现光源的多模式，进而实现不同激光能量特点的激光抛光加工应用。相应地，其中的光束调制模块可以选用双光源/多光源光束调制模块，其可以具有图2所示的结构，包括两套或多套光学组件，并分别对应于两个或多个光路和两个或多个激光器1。每套光学组件可以包括扩束镜2、旋光镜13、反射镜14等。

以及，其中还包含了振动辅助模块，该振动辅助模块可以包含激励源、换能器、变幅杆、振动头等。

该另一实施方式中复合型精密激光抛光加工***的工作原理和特性也与图5所示加工***相似，但是通过采用振动辅助模块，并根据工艺特点将其选择性开关，可以使之协同光束空间矢量调控模块、CNC五轴加工运动模块，优化去除机理，改善材料成型质量。具体来说，振动辅助模块可将低频、中频、高频、超声等不同模式的振动施加于工件上，输入新的加工参量和机理，可将激光能量均匀化，改善热效应，并可辅助调控材料在激光作用下的演变行为(如金属/合金类材料的熔融流动、硬脆材料的热应力所致的裂纹源的应力消减或优化)，利用其工艺优势，进一步改善加工效果。

图7示出了利用本发明以上实施方式所提供的一种复合型精密激光抛光加工***对加工对象进行加工的第一种工艺流程，其可以包括如下步骤：

(1)制备试样；

(2)进行工件装夹，将试样安装与工作台上；

(3)将经光束调制模块或/和交叉耦合模块调制后的激光对焦；

(4)启动光束调制模块与光束交叉耦合模块，结合宏观五轴(含四轴)机械运动，进行第一次高速加工；

(5)在线检测加工精度是否达标，若达标进行下一步，若未达标则返回，依据实时工艺检测数据优化策略，再继续高速加工；

(6)启动光束调制模块、光束交叉耦合模块、振镜扫描模块，进行高精激光抛光加工；

(7)在线检测加工精度是否达标，若达标进行下一步，若未达标则返回，依据实时工艺检测数据，优化策略，继续高精激光抛光加工；

(8)进一步调控加工能量域能量密度，配合优化的扫描路径、激光参数、辅助参数(气体保护等)，进行高精度高质量激光抛光；

(9)检测是否达到技术要求，若达到则结束，若未达到，则返回步骤(9)，开始抛光加工，直至达到技术要求，实现光洁度高完整性表面。

图8示出了利用本发明以上实施方式所提供的一种复合型精密激光抛光加工***对加工对象进行加工的第二种工艺流程，其可以包括如下步骤：

(1)制备试样；

(2)超声清洗；

(3)进行工件装夹，将试样安装与工作台上；

(4)将经光束调制模块等分束、合束调制后的激光对焦；

(5)启动光束调制模块与光束交叉耦合模块，结合宏观五轴(含四轴)机械运动，进行第一次激光加工；

(6)启动光束调制模块与振镜扫描模块，进行二次激光加工；

(7)启动光束调制模块、光束交叉耦合模块，进一步调控加工能量域能量密度，配合优化的扫描路径、激光参数、辅助参数(气体保护等)，进行激光高精度高质量抛光；

(8)检测是否达到技术要求，如达到则结束，如未达到则返回步骤(5)，开始分步抛光加工，直至达到技术要求，实现高光洁度表面质量。

图9示出了利用本发明以上实施方式所提供的一种复合型精密激光抛光加工***对加工对象进行加工的第三种工艺流程，其可以包括如下步骤：

(1)制备试样；

(2)超声清洗；

(3)进行工件装夹，将试样安装与工作台上；

(4)将经调制后的激光对焦；

(5)启动双光源/多光源光束调制模块与光束交叉耦合模块，结合宏观五轴(含四轴)机械运动，进行第一次激光加工；

(6)依据工艺数据和技术要求，若需要则启动振动辅助模块，将多模式可选的振动形式施加于工件，如不需则关闭振动辅助模块；

(7)启动双光源/多光源光束调制模块、振镜扫描模块，进行二次激光加工；

(8)启动双光源/多光源光束调制模块、光束交叉耦合模块，进一步调控加工能量域能量密度，配合优化的扫描路径、激光参数、辅助参数(气体保护等)，进行激光高精度高质量抛光；

(9)检测是否达到技术要求，如达到则结束，如未达到则返回步骤(5)，开始分步抛光加工，直至达到技术要求，实现高光洁度表面质量。

本发明以上实施例通过光束调制、光束交叉耦合、结合精密/超精密运动平台和振镜扫描模块，实现更高精度的精密/超精密抛光，例如，可以实现表面常用评价指标Ra的1/10、1/20、1/30、1/50、1/100等量级，乃至亚微米级、纳米级、亚纳米级的精密/超精密定位；优选的，通过采用双光源/多光源光束调制模块，还可以在保证加工质量的前提下，提升功率，实现高效高速加工；另外，通过将多种加工模式组合，还可实现高效激光粗抛、半精抛以及高精度抛光等工艺效果，再配合原位检测模块进行在线检测与反馈，还可以为工艺参量控制提供实时数据支撑。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种基于光束调制的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于，包括光源调制模块、光束交叉耦合模块和振镜扫描模块、光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块；

其中，所述光源调制模块至少用于对光源输出的第一激光束进行调制，以形成质量和/或功率可控的第二激光束；

所述光束交叉耦合模块和振镜扫描模块至少用于以所述第二激光束对加工对象进行加工，其中所述振镜扫描模块能够对加工对象实现二维平面或三维坐标的扫描加工，所述光束交叉耦合模块能够将多个第二激光束交叉耦合形成加工能量域以实现对加工对象的加工，并且所述光束交叉耦合模块和振镜扫描模块能够相互切换或有序组合工作；

所述光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块至少用于调控第二激光束与加工对象的加工点之间的空间姿态和/或位置，其中所述多轴加工运动模块至少具有下列功能：

使加工对象沿一三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴中的任一者或多者运动；

和/或，使加工对象绕一三维坐标系的X轴、Y轴、Z轴中的任一者或多者转动；

所述光束空间矢量调控模块至少具有下列功能：

使光束交叉耦合模块和/或振镜扫描模块在一个三维坐标系内相对于加工对象运动。

2.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述光源为一个或多个，其中一个光源发射的一束第一激光束经光源调制模块调制后形成一个第二激光束；或者，多个光源发射的多个第一激光束经光源调制模块调制后形成一个或多个第二激光束，其中所述多个第一激光束的特性相同或不同，所述多个第二激光束的特性相同或不同。

3.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述光源调制模块包括扩束镜、分光棱镜、多个反射镜和合束棱镜，由一个光源发射的一束第一激光束透过扩束镜后被分光棱镜分束为两束以上激光，该两束以上激光分别经多个反射镜反射至合束棱镜，并由合束棱镜合束为一个第二激光束；

或者，所述光源调制模块包括两套以上光学组件，该两套以上光学组件对应于两个以上光源配置，其中一套光学组件包括扩束镜、旋光镜、反射镜，每一个光源发射的一束第一激光束依次经扩束镜、旋光镜、反射镜后入射同一偏振棱镜。

4.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述光束交叉耦合模块和振镜扫描模块被设置于不同激光加工头内。

5.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述多轴加工运动模块包括精密或超精密运动平台，所述精密或超精密运动平台包括能够在一三维坐标系的XY平面内运动的水平运动平台和能够绕所述三维坐标系的X轴和/或Z轴转动的双摆台工作平台，所述光束空间矢量调控模块包括至少能够驱使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块沿所述三维坐标系的Z轴运动的驱动机构。

6.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述复合型精密激光抛光加工***还包括运动控制单元和总控制单元，所述光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块与运动控制单元连接，所述总控制单元与运动控制单元及光源连接。

7.根据权利要求1所述的复合型精密激光抛光加工***，其特征在于：所述复合型精密激光抛光加工***还包括与总控制单元连接的视觉观测模块、在线监测模块、温湿控制模块、防尘模块、气体防护模块或振动辅助模块；所述振动辅助模块至少用于将选定模式的振动施加于加工对象。

8.一种基于光束调制的复合型精密激光抛光方法，其特征在于：所述激光抛光方法是基于权利要求1-7中任一项所述的复合型精密激光抛光加工***实施的，并且所述加工方法包括：

依据加工需求，通过光源调制模块对光源输出的第一激光束进行调制，以形成具有所需质量和/或功率的第二激光束；

利用光束空间矢量调控模块和/或多轴加工运动模块调整第二激光束与加工对象的加工点之间的空间姿态和/或位置；

以设置于激光加工头内的光束交叉耦合模块和振镜扫描模块对加工对象进行加工，且使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块相互切换或有序组合工作。

9.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于具体包括：

使第二激光束进入振镜扫描模块，并以激光加工头实现对加工对象的二维平面或三维坐标内的扫描加工；

或者，使多个第二激光束经光束交叉耦合模块交叉耦合形成加工能量域，并以多轴加工运动模块驱使加工对象运动，实现对加工对象的加工。

10.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于具体包括：依据加工需求，使光束交叉耦合模块和振镜扫描模块切换工作，以实现激光粗抛光、半精抛光或精抛光工艺过程。

11.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于具体包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，还至少以多轴加工运动模块驱使加工对象在一个三维坐标系的XY平面内运动和/或绕所述三维坐标系的X轴和/或Z轴转动，和/或，至少以光束空间矢量调控模块驱使激光加工头沿所述三维坐标系的Z轴运动。

12.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于还包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，还以振动辅助模块将选定模式的振动施加于加工对象。

13.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于还包括：以视觉观测模块和/或在线监测模块监测激光抛光加工过程。

14.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于还包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，以温湿控制模块将加工环境控制在设定温度和/或湿度范围内。

15.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于还包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，以防尘模块对加工区内的生成物进行净化处理。

16.根据权利要求8所述的复合型精密激光抛光方法，其特征在于还包括：在对加工对象进行激光抛光加工时，以气体保护模块在加工区内形成气体保护环境。

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