CN115229334A - 旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法 - Google Patents

旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法 Download PDF

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张文武
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Abstract

本发明公开了一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法。所述旋转式选区表面处理激光加工***包括旋转式激光加工模块、机器视觉检测模块、运动辅助模块、振动模块和控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块连接。本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积，可显著提高材料去除效率。

Description

旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工***，特别涉及一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，属于激光加工、光学应用、先进制造技术领域。
背景技术
激光点光斑的扫描加工速度有限，扫描间距与扫描速度的配合，同时结合一定的扫描轨迹策略，可实现工件表面的加工；常规高斯光束的聚焦光斑在微米量级，在保证一定的光斑搭接率的前提下，扫描间距也需设置在微米量级，扫描一定尺寸的加工表面，需要多次的扫描路径才能实现。同时，高斯光源激光束能量分布不均匀，加工表面存在一些微结构、凹坑、凸起等特征。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，可用于金属材料、合金类材料以及硬脆性材料(工程陶瓷、超高温陶瓷、陶瓷基复合材料等)等工件的高效高质数字化加工，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种旋转式选区表面处理激光加工***，包括：
旋转式激光加工模块，至少用于提供由激光光束旋转形成的旋转式激光光斑对工件进行激光加工；
机器视觉检测模块，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
运动辅助模块，至少用于驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；
振动模块，至少用于驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；
控制单元，至少与所述旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块连接，并至少用于调控所述激光扫描加工模块、旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块的工作状态。
本发明实施例另一方面还提供了一种旋转式选区表面处理激光加工方法，包括：
提供所述的旋转式选区表面处理激光加工***；
以旋转式激光加工模块提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工；
以机器视觉检测模块识别经过所述激光加工后的工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工，直至获得所需的工件加工质量。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积，相比点光斑效率可提升几十倍以上，甚至更大；
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，针对加工表面的搭接区或典型特征区，经机器视觉检测后，形成数字化代码定位描述对应的区域，进而驱动旋转式激光加***实现待加工典型区域的二次表面处理；
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，辅以气流压力、气氛保护等策略，可以进一步改善工件加工表面质量，对激光加工、光学应用领域具有重要的创新贡献。
附图说明
图1a是本发明实施例1中提供的一种调制激光旋转式高速扫描加工***的结构示意图；
图1b是本发明实施例1中提供的一种调制激光旋转式高速扫描加工***中旋转组件的结构示意图；
图1c是图1b中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图2a是本发明实施例2中提供的一种基于光场调制的旋转式多光束激光精密加工***的结构示意图；
图2b是本发明实施例2中提供的一种基于光场调制的旋转式多光束激光精密加工***中旋转组件的结构示意图；
图2c是图2b中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图3a和图3b是本发明一典型实施案例中经由旋转式激光加工模块进行光场调制后形成的一种光场结构示意图；
图4a、图4c是本发明一典型实施案例中经由旋转式激光加工模块进行光场调制后形成的一种异形光场结构示意图；
图4b是图4a中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图5a、图5c是本发明一典型实施案例中经由旋转式激光加工模块进行光场调制后形成的又一种异形光场结构示意图；
图5b是图5a中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图6a、6c是本发明一典型实施案例中经由旋转式激光加工模块进行光场调制后形成的又一种异形光场结构示意图；
图6b是图6a中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图7a、图7c是本发明一典型实施案例中经由旋转式激光加工模块进行光场调制后形成的又一种异形光场结构示意图；
图7b是图7a中沿A-A形成的剖面结构示意图；
图8是本发明一典型实施案例中提供的一种旋转式选区表面处理激光加工流程示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例一方面提供了一种旋转式选区表面处理激光加工***，包括：
旋转式激光加工模块，至少用于提供由激光光束旋转形成的旋转式激光光斑对工件进行激光加工；
机器视觉检测模块，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
运动辅助模块，至少用于驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；
振动模块，至少用于驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；
控制单元，至少与所述旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块连接，并至少用于调控所述激光扫描加工模块、旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块的工作状态。
在一具体的实施方案中，所述旋转式激光光斑能够绕自身轴线旋转。
在一具体的实施方案中，所述旋转式激光加工模块包括激光光源、依次设置在所述激光光源提供的激光光束的光路上的激光扩束器、光束整形器、激光反射镜、扫描振镜和聚焦透镜，以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述光束整形器传动连接，并用于驱使所述光束整形器绕自身轴线旋转，由所述光束整形器调制形成的整形光斑能够在工件表面绕自身轴线旋转；
或者，所述旋转式激光加工模块包括激光光源、依次设置在所述激光光源提供的激光光束的光路上的激光扩束器、分光元件和激光反射镜，以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述分光元件传动连接，并用于驱使所述分光元件绕自身轴线旋转，由所述分光元件调制形成的多个激光光斑能够在工件表面绕一旋转轴线旋转。
需要说明的是，所述分光元件主要是用于将经扩束处理的激光处理成具有一定形状的光场，但分光元件无法处理光场的能量分布，可以调控光场或光斑的形状和分布，并进一步用于加工；光束整形器(Beam shaper)是一种用途很广泛的衍射光学元件(DOE)，其作用是将高斯光整平顶光，得到一个能量分布均匀并且边缘陡峭的光斑；经光束整形器处理的激光，形式多样，可以是多束激光，光斑在工件表面投影的形状灵活，且不限于单束激光。
在一具体的实施方案中，所述运动辅助模块包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动。
在一具体的实施方案中，所述运动辅助模块还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动。
在一具体的实施方案中，所述运动辅助模块还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。
在一具体的实施方案中，所述运动辅助模块还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转。
在一具体的实施方案中，所述运动辅助模块还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。
在一具体的实施方案中，所述振动模块包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。
在一具体的实施方案中，所述机器视觉检测模块包括CCD相机和/或光场成像相机。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工***还包括气体辅助模块，所述气体辅助模块至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。
本发明实施例另一方面还提供了一种旋转式选区表面处理激光加工方法，包括：
提供所述的旋转式选区表面处理激光加工***；
以旋转式激光加工模块提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工；
以机器视觉检测模块识别经过所述激光加工后的工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工，直至获得所需的工件加工质量。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：在以旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工过程中，使所述旋转式激光光斑绕自身轴线旋转或绕一旋转轴线旋转。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动辅助模块驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动辅助模块驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以振动模块驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动。
在一具体的实施方案中，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以气体辅助模块提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的激光器、激光扩束器、光束整形器、分光元件、激光反射镜、扫描振镜、聚焦透镜等光学元器件，以及，驱动电机、驱动气缸、振动发生机构、控制电脑、数控程序和软件等均可以采用本领域技术人员已知的，且均可以通过市购获得，对于以上元器件不同型号、不同尺寸的产品不会影响本发明技术方案的实施以及相应结果的获得，本领域技术人员可以根据具体需求选择不同型号或尺寸的元器件，在此不对其中各功能元器件的型号进行特别限定。
实施例1
请参阅图1，一种调制激光旋转式高速扫描加工***，包括旋转式激光加工模块、机器视觉检测模块、运动辅助模块、振动模块和控制单元，所述控制单元与所述旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块连接，并至少用于调控所述激光扫描加工模块、旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块的工作状态。
在本实施例中，所述旋转式激光加工模块至少用于提供由激光光束旋转形成的旋转式激光光斑对工件进行激光加工；所述机器视觉检测模块至少用于识别工件的加工面的典型特征(例如凸起、凹坑、裂纹等)，以形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；所述运动辅助模块至少用于驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；所述振动模块至少用于驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动。
在本实施例中，请再次参阅图1，所述旋转式激光加工模块包括激光光源2以及依次设置在所述激光光源2提供的激光光束的光路上的激光扩束器3、旋转组件4、激光反射镜5、扫描振镜7和聚焦透镜8，所述旋转组件4包括第一驱动机构4-1和光束整形器4-2，所述光束整形器4-2设置在所述激光光束的光路上且与所述第一驱动机构4-1传动连接，所述光束整形器4-2能够在所述第一驱动机构4-1的驱使下绕自身轴线旋转；由所述光束整形器4-2调制形成的整形光斑或调制光斑(例如线光斑)内能量强度均匀分布，同时，所述光束整形器4-2能够绕自身轴线旋转，从而使形成的整形光斑或调制光斑能够绕自身轴线旋转，从而可以实现对工件的旋转式振镜高速扫描加工。
在本实施例中，所述旋转式激光加工模块可以对激光光束进行调制，光束调制产生调制激光(如线激光)，调制激光包括但不限于线光斑，可包含各类通过扫描振镜反射后经透镜聚焦后实现高速扫描加工的各类整形光斑，经由所述旋转式激光加工模块的光束整形器进行光场调制后形成的一类异形激光光束/光场的结构可以分别如图3a、图3b以及图4a-图4c，图5a-图5c，图6a-图6c，图7a-图7c所示。
在本实施例中，所述激光光源2可以高斯激光光源，所述激光光源包括光纤激光器等，所述第一驱动机构4-1可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等，所述激光光源2以及激光扩束器3、旋转组件4、激光反射镜5、扫描振镜7和聚焦透镜8可以共同封装设置形成用于实现对工件进行激光加工的激光加工头。
在本实施例中，所述旋转式激光加工模块还包括激光器控制器1，所述激光器控制器1与激光光源2连接并用于控制所述激光光源2的工作状态，需要说明的是，所述激光器控制器1可以是独立设置的激光器控制电脑等，也可以是作为控制单元12的一部分。
在本实施例中，请再次参阅图1，所述运动辅助模块包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件9传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件9沿所述三维坐标系的x轴运动。
作为一种优选的方案，所述第二驱动机构与旋转式激光加工模块传动配合，具体可以是，所述运动辅助模块包括第一运动平台6，所述旋转式激光加工模块设置在所述第一运动平台6上且与所述第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工模块与第二驱动机构传动连接，并能够在所述第二驱动机构的驱使下于第一运动平台6上沿所述三维坐标系的x轴运动，从而实现所述旋转式激光加工模块在x轴的运动。
在本实施例中，所述第二驱动机构可以固定设置在第一运动平台6上，所述第一运动平台6上可以设置有沿x轴设置的导轨，所述旋转式激光加工模块可以设置在所述导轨上并能够沿导轨运动，其中，所述第二驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。
在实施例中，所述运动辅助模块还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件9传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件9沿所述三维坐标系的y轴运动。
作为一种优选的方案，所述第三驱动机构与工件9传动配合，具体可以是，所述运动辅助模块包括第二运动平台11，所述第二运动平台11可以活动，所述工件9固定设置在所述第二运动平台11上，所述第二运动平台11与第三驱动机构传动连接，并能够在所述第三驱动机构的驱使先沿所述三维坐标系的y轴运动，从而实现所述工件9在y轴的运动，或者，所述第二运动平台11可以被固定，所述工件9活动设置在所述第二运动平台11上，所述第三驱动机构与所述工件9传动配合，并用于驱使所述工件9在第二运动平台11上沿y轴运动。
在本实施例中，所述第三驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。
在本实施例中，所述运动辅助模块还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件9传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。
作为一种优选的方案，所述第四驱动机构与所述旋转式激光加工模块传动配合，具体可以是，所述运动辅助模块包括第三运动平台，所述第三运动平台可以活动，所述旋转式激光加工模块设置在所述第三运动平台上，所述第三运动平台与第四驱动机构传动连接，并能够在所述第四驱动机构的驱使先沿所述三维坐标系的z轴运动，从而实现所述旋转式激光加工模块在z轴的运动，或者，所述第三运动平台被固定，所述旋转式激光加工模块活动设置在所述第三运动平台上，所述第四驱动机构与所述旋转式激光加工模块传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块在第三运动平台上沿z轴运动，例如，所述第三运动平台上可以设置有沿z轴延伸的导轨，所述旋转式激光加工模块设置在所述导轨上并能够沿z轴运动。
在本实施例中，所述第四驱动机构为直线驱动机构，例如，可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等。
作为一种更为优选的方案，所述第三运动平台可以设置在第一运动平台6上，所述旋转式激光加工模块设置在第三运动平台上，所述第三运动平台在x轴方向上与第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工模块在z轴方向上与第三运动平台活动配合，所述第二驱动机构与所述第三运动平台传动连接，所述旋转式激光加工模块与第三运动平台整体能够在第二驱动机构的驱使先沿第一运动平台6于x轴方向运动，所述旋转式激光加工模块能够在第四驱动机构的驱使先于第三运动平台上沿z轴运动；例如，所述第三运动平台可以通过沿x轴设置的导轨与第一运动平台6活动配合，所述旋转式激光加工模块可以通过沿z轴设置在导轨与第三运动平台活动配合。
在本实施例中，所述运动辅助模块还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件9传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转，所述第五驱动机构为旋转驱动机构，例如可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等。
在本实施例中，所述运动辅助模块还包括运动***控制器13，所述运动***控制器13与第二驱动机构和/或第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构连接，并用于控制/调节第二驱动机构和/或第三驱动机构和/或第四驱动机构和/或第五驱动机构的工作状态，所述运动***控制器可以是运动***控制电脑，所述运动***控制器可以是独立设置的并与控制单元连接，也可以是控制单元12的一部分。
在本实施例中，所述振动模块包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动，振动的引入可改变工件与激光作用机制的周期性特点，实现能量分布的多样化调控(动态光斑重叠率、能量均匀化)；示例性地，所述振动发生机构包括振动平台10，所述振动平台10可以固定设置在第二运动平台11上，所述工件9放置在振动平台上，所述振动平台10可以与工件9一起沿y轴运动，例如，所述振动平台可以电动振动台、超声振动台等，可以实现常规、超声或超高频的振动。
在本实施例中，所述机器视觉检测模块包括CCD相机和/或光场成像相机，所述CCD相机可观测加工过程、加工表面的影像；所述光场成像相机可按可按预定的运动路径观测、采集加工工件的图像信息，采用选定的算法识别工件加工面的典型特征(例如微裂纹、凹坑、凸起、沟槽、鳞片状结构等)；经线激光扫描加工的表面，会形成新的表面微结构、重凝层等几何特征，采用CCD相机、光场成像相机按照预定扫描路径观测线扫描工件9的加工面，检测、采集、分析、识别其中的凸起、凹坑、裂纹等表面特征，并提取其适配坐标数据，形成对工件9表面的加工面二次旋转式选区激光表面处理的驱动数据；然后，将机器视觉检测模块检测到的待二次处理区域形成数字化代码描述，驱动旋转式激光加工模块至对应区域开展二次表面处理，改善工件加工面的表面质量。
在本实施例中，所述调制激光旋转式高速扫描加工***还包括气体辅助模块，所述气体辅助模块至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域，所述气体辅助模块可实现一定的气流压力和气体保护环境；实现与激光光束相互作用的工件的结构、性质的重组和形态重构，进而调控工艺策略，控制热影响和重铸层，避免工件产生微裂纹；示例性的，所述气体辅助模块可以是具有调节气流阀的气体容器等。
在本实施例中，所述控制单元可以是控制电脑等，所述控制单元所采用的数控程序/控制软件等均可以通过市购获得，在此不对控制单元的具体结构进行限定。
实施例2
一种基于光场调制的旋转式多光束激光精密加工***的结构如图2所示，本实施例中的基于光场调制的旋转式多光束激光精密加工***的结构与实施例1中的一种调制激光旋转式高速扫描加工***的结构基本相同，其中的机器视觉检测模块、运动辅助模块、振动模块、气体辅助模块以及控制单元等部分均可以是相同的，如下主要对实施例2中与实施例1存在主要不同之处的旋转式激光加工模块的结构进行介绍和说明。
请再次参阅图2，本实施例中的旋转式激光加工模块包括激光光源22、依次设置在所述激光光源22提供的激光光束的光路上的激光扩束器23、转转组件24和激光反射镜25，所述转转组件24包括第一驱动机构24-1和分光元件24-2传动连接，所述分光元件24-2设置在所述激光扩束器23和激光反射镜25之间的光路上，且所述分光元件24-2与所述第一驱动机构24-1传动连接并能够在所述第一驱动机构24-1的驱使下绕自身轴线旋转，从而使由所述分光元件24-2调制形成的多个激光光斑能够在工件表面产生等效旋转；经分光元件24-2进行光场调制的圆形(或异形)均匀强度分布的光场经过高速旋转的分光元件24-2，可实现投影在工件表面的光斑的等效旋转运动。
需要说明的是，通过本实施例中旋转式激光加工模块的可旋转的分光元件进行光场调制后形成的光束/光场的结构与如图3a、图3b以及图4a-图4c，图5a-图5c，图6a-图6c，图7a-图7c所示的相同或相似。
在本实施例中，所述激光光源22可以是光纤激光器等，所述第一驱动机构24-1可以是旋转驱动电机或旋转驱动气缸等，所述激光光源22以及激光扩束器23、旋转组件4、激光反射镜25可以共同封装设置形成用于实现对工件进行激光加工的激光加工头。
在本实施例中，所述旋转式激光加工模块还包括激光器控制器21，所述激光器控制器21与激光光源22连接并用于控制所述激光光源22的工作状态，需要说明的是，所述激光器控制器21可以是独立设置的激光器控制电脑等，也可以是作为控制单元12的一部分。
实施例3
一种旋转式选区表面处理激光加工过程可以参考图8所示，所述旋转式选区表面处理激光加工方法是由实施例1中的一种调制激光旋转式高速扫描加工***或实施例2中的一种基于光场调制的旋转式多光束激光精密加工***的实施的，具体包括：
1)以旋转式激光加工模块提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工；
2)以机器视觉检测模块识别经过所述激光加工后的工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
3)基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工，
重复步骤1)-步骤3)一次以上，直至获得所需的工件加工质量。
当然，所述的加工方法还包括：在以旋转式激光加工模块提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工的过程中，使所述旋转式激光光斑绕自身轴线旋转或绕一旋转轴线旋转，以运动辅助模块驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动，以运动辅助模块驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转，以振动模块驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动，以气体辅助模块提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。
需要说明的是，所述步骤1)和步骤2)的顺序还可以互换。
需要说明的是，所述旋转式选区表面处理激光加工过程可以通过控制单元中的数控程序进行预设定并控制执行。
需要说明的是，本发明实施例中的旋转式激光加工模块的形式是多样的，经由所述旋转式激光加工模块形成的光束/光场也是形式多样的，例如实施例1，采用光束整形器进行光场调制的方式实现多激光束的圆周阵列分布，结合具有光场调制功能的光束整形器的高速旋转，可实现一定覆盖面积的微尺度“光刀”效果，此种情况下，经调制后的光场本身具备多光束的空间分布，且可高速可控旋转，或者，如实施例2，采用高速旋转的分光元件进行光场调制后形成圆形(或异形)、均匀强度分布的光场，可实现投影在工件表面的光斑的等效旋转运动，且激光光束与工件的相对运动(包括相对旋转运动)可以实现光场对工件加工表面的动态覆盖。
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，采用经光场调制处理的调剂光斑(如线光斑)实现光斑内能量强度均匀分布，同时进行高速扫描，可进一步结合高速旋转运动，实现旋转式振镜高速扫描加工，单次扫描可以覆盖较大面积，相比点光斑效率可提升几十倍以上，甚至更大，可显著提高材料去除效率。
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，针对加工表面的搭接区或典型特征区，经机器视觉检测后，形成数字化代码定位描述对应的区域，进而驱动旋转式激光加***实现待加工典型区域的二次表面处理。
本发明实施例提供的一种旋转式选区表面处理激光加工***及加工方法，辅以气流压力、气氛保护等策略，可以进一步改善工件加工表面质量，对激光加工、光学应用领域具有重要的创新贡献。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于包括：
旋转式激光加工模块，至少用于以由激光光束旋转形成的旋转式激光光斑对工件进行激光加工；
机器视觉检测模块，至少用于识别工件的加工面的典型特征，以形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
运动辅助模块，至少用于驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；
振动模块，至少用于驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；
控制单元，至少与所述旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块连接，并至少用于调控所述激光扫描加工模块、旋转式激光加工模块、运动辅助模块、振动模块及机器视觉检测模块的工作状态。
2.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述旋转式激光光斑能够绕自身轴线旋转。
3.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述旋转式激光加工模块包括激光光源、依次设置在所述激光光源提供的激光光束的光路上的激光扩束器、光束整形器、激光反射镜、扫描振镜和聚焦透镜，以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述光束整形器传动连接，并用于驱使所述光束整形器绕自身轴线旋转，由所述光束整形器调制形成的整形光斑能够在工件表面绕自身轴线旋转；
或者，所述旋转式激光加工模块包括激光光源、依次设置在所述激光光源提供的激光光束的光路上的激光扩束器、分光元件和激光反射镜，以及，第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述分光元件传动连接，并用于驱使所述分光元件绕自身轴线旋转，由所述分光元件调制形成的多个激光光斑能够在工件表面绕一旋转轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述运动辅助模块包括第二驱动机构，所述第二驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的x轴运动；
和/或，所述运动辅助模块还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的y轴运动；
和/或，所述运动辅助模块还包括第四驱动机构，所述第四驱动机构与旋转式激光加工模块或者工件传动配合，并用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的z轴运动。
5.根据权利要求1或4所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述运动辅助模块还用于驱使所述工件绕至少一旋转轴线旋转；
优选的，所述运动辅助模块还包括第五驱动机构，所述第五驱动机构与所述工件传动配合，并用于驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转。
6.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述振动模块包括振动发生机构，所述振动发生机构用于驱使所述旋转式激光加工模块或者工件沿所述三维坐标系的xy平面内振动。
7.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于：所述机器视觉检测模块包括CCD相机和/或光场成像相机。
8.根据权利要求1所述的旋转式选区表面处理激光加工***，其特征在于，还包括气体辅助模块，所述气体辅助模块至少用于提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。
9.一种旋转式选区表面处理激光加工方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-8中任一项所述的旋转式选区表面处理激光加工***；
以旋转式激光加工模块提供的旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工；
以机器视觉检测模块识别经过所述激光加工后的工件的加工面的典型特征，从而形成用于驱使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工的驱动数据；
基于所述驱动数据使所述旋转式激光加工模块对所述典型特征进行加工，直至获得所需的工件加工质量。
10.根据权利要求9所述的旋转式选区表面处理激光加工方法，其特征在于，还包括：
在以旋转式激光光斑对工件的加工面进行激光加工过程中，使所述旋转式激光光斑绕自身轴线旋转或绕一旋转轴线旋转；
和/或，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动辅助模块驱使所述旋转式激光光斑与所述工件沿一三维坐标系的x、y、z轴中的至少一者产生相对运动；
和/或，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以运动辅助模块驱使所述工件绕所述三维坐标系的z轴旋转；
和/或，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以振动模块驱使所述工件与所述旋转式激光光斑沿所述三维坐标系内的xy平面方向产生相对振动；
和/或，所述的旋转式选区表面处理激光加工方法还包括：以气体辅助模块提供选定气体，并使所述选定气体接触或覆盖所述工件的加工区域。
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