CN208289222U - 用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置及*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置、***及光束扫描方法，该光束扫描装置包括：第一异型光楔、第二异型光楔、第一旋转驱动件、第二旋转驱动件；该光束扫描装置采用两个异型光楔控制激光光束的横向位移量和倾斜角度，改变两个异型光楔之间的夹角可以同时改变激光光束的倾斜角度和横向位移量，不但可以用来加工倒锥孔，而且解决了现有透射型和组合型装置深孔加工中存在的中心光束先擦边现象，大大提高了深孔加工能力。具备上述光束扫描装置的光束扫描***及其光束扫描方法同样具有上述技术效果。

Description

用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置及***

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置及***。

背景技术

目前微小孔加工手段主要有机械钻头、电液束流、电火花、激光等几种。相对于其他加工手段，激光加工具有加工效率高、可加工材料范围广、无刀具磨损、非接触、对材料型面影响小、易于导向、灵活等特点。尤其是随着皮秒、飞秒激光器的应用，激光加工质量进一步提升，不仅加工精度高、内壁质量好，且无热影响、无重铸层、无微裂纹、无材料选择性，激光加工成为越来越多人的选择。

激光加工微小孔的方式主要有三种：冲击钻孔、圆扫描钻孔和螺旋线扫描钻孔，相比而言，圆扫描钻孔和螺旋线扫描钻孔质量更优。为实现圆扫描运动或螺旋线扫描运动，一种是控制工件运动，一种是控制光束运动，相较而言控制光束运动更简单、灵活。目前控制光束二维运动装置有很多，主要分为三类：反射型(例如振镜、PZT)、透射型(例如四光楔或平行平板+双光楔)、反射+透射组合型(例如PZT+平行平板、反射镜+道威棱镜)。反射型装置虽然运动扫描速度较高，但是只能实现正锥孔加工，无法实现圆柱或倒锥孔加工，因此只适用于表面打标、刻蚀或无锥度要求浅孔加工；透射型装置可以实现圆柱或倒锥孔加工，但是结构复杂、驱动电机需要3～4个；反射+透射型要么成本高，要么安装精度要求较高，同步精度不高。而且透射型和组合型都有同一个问题，深孔加工时都会存在加工中间位置比加工边缘位置更容易挡光的现象，如图1所示，现有技术加工过程中横向位移量基本不发生变化，加工到一定深度后，中心扫描光束被孔入口处边沿遮挡，导致激光到达不了深孔中心，无法去除中心位置的材料，最终影响孔深径比的提升。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置及***，以至少解决现有透射型和组合型装置深孔加工中存在的中心光束先擦边现象的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置，所述光束扫描装置与外部的控制***相连接，所述光束扫描装置包括：第一异型光楔、第二异型光楔、第一旋转驱动件、第二旋转驱动件；

所述第一异型光楔包括一个角度为α的第一光楔部分和一个倾斜角为β的第一平行平板部分，所述第一光楔部分的主截面与所述第一平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为γ；

所述第二异型光楔包括一个角度为α的第二光楔部分和一个倾斜角为β的第二平行平板部分，所述第二光楔部分的主截面与所述第二平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为-γ；

其中，所述γ角取-90°<γ<90°；

所述第一旋转驱动件、第二旋转驱动件由所述控制***控制依次驱动所述第一异型光楔、第二异型光楔旋转使得外部的激光光束依次通过所述第一异型光楔、第二异型光楔后产生预定的横向位移量和倾斜角度。

进一步的，所述γ角取30°≤|γ|≤60°。

进一步的，所述第一旋转驱动件驱动所述第一异型光楔的旋转轴与所述第二旋转驱动件驱动所述第二异型光楔的旋转轴平行。

进一步的，所述α角取0°<α<5°，所述β角取20°<β<60°。

进一步的，所述第一旋转驱动件、第二旋转驱动件均包括驱动电机。

根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描***，包括：控制***、激光器、光束扫描装置、聚焦镜；所述光束扫描装置为上述任一项所述的光束扫描装置；

所述控制***控制所述光束扫描装置中的所述第一异型光楔与所述第二异型光楔的速度差，从而使由所述激光器发射出的激光光束通过所述光束扫描装置后随所述第一异型光楔与所述第二异型光楔之间的夹角φ的变化而产生预定的横向位移量和倾斜角度，并经所述聚焦镜聚焦后射出。

进一步的，所述光束扫描***还包括反射镜，所述激光器发射出的激光光束由所述反射镜反射后射入所述光束扫描装置，经所述反射镜反射的激光光束的中心线与所述聚焦镜的光轴重合。

在本实用新型实施例中，激光光束通过小角度的光楔产生一定的角度倾斜，再经过一个平行平板产生一个横向位移量，可以实现对激光光束的倾斜和横向位移控制。该光束扫描装置采用两个异型光楔控制激光光束的横向位移量和倾斜角度，改变两个异型光楔之间的夹角可以同时改变激光光束的倾斜角度和横向位移量，从而达到不同倾斜角度对应不同横向位移量的目的，不但可以用来加工倒锥孔，而且解决了现有透射型和组合型装置深孔加工中存在的中心光束先擦边现象，大大提高了深孔加工能力。具备上述光束扫描装置的光束扫描***同样具有上述技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为现有激光扫描装置深孔加工时的中心光束先挡光现象示意图；

图2(a)为第一异型光楔等效示意图；

图2(b)为第二异型光楔等效示意图；

图3为γ＝0°光楔部分和平行平板部分的位置关系示意图；

图4为激光光束经过光束扫描装置后的位移量和指向在XOY面投影示意图；

图5为本实用新型深孔加工时中心光束和边缘光束入射情况示意图；

图6为具体实施例中光束扫描装置的搭建图；

图7为具体实施例中光束扫描***的搭建图；

图8为初始位置时标定平台的搭建图。

其中附图标记为：1、激光器；2、扩束器；3、反射镜；4、第一异型光楔；5、第二异型光楔；6、第一驱动电机；7、第二驱动电机；8、聚焦镜；9、工件；10、计算机；11、光束中心。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本实用新型实施例，提供了一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置，光束扫描装置与外部的控制***相连接，光束扫描装置包括：第一异型光楔、第二异型光楔、第一旋转驱动件、第二旋转驱动件；

第一异型光楔包括角度为α的第一光楔部分和一个倾斜角为β的第一平行平板部分。为方便描述，将两部分分离开等效于一个角度为α的第一光楔部分和一个倾斜角为β的第一平行平板部分进行光路描述。第一光楔部分与第一平行平板部分相反的面为激光的入射表面，激光从该入射面射入第一异型光楔，经过第一异型光楔的偏折和平移而射出。倾斜角β为竖直方向与第一平行平板部分之间的夹角，小角度α为第一平行平板部分与入射面之间的夹角，角度a和β根据预加工的微孔孔径和深度而定，α角取：0°<α<5°，β角取：20°<β<60°。

第一光楔部分的主截面与第一平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为γ，从入射面入射的光束，经过第一光楔部分和第一平行平板部分在产生了偏折和偏转之后入射在平行平板部分的投影线上。第一光楔部分与第一平行平板部分之间以γ角错位可以有效保证光束偏移期望的横向位移量。第二异型光楔与第一异型光楔结构相同，包括角度为α的第二光楔部分和一个倾斜角为β的第二平行平板部分。为方便描述，将两部分分离开等效于一个角度为α的第二光楔部分和一个倾斜角为β的第二平行平板部分进行光路描述。与第一异型光楔不同之处在于，第二光楔部分的主截面与第二平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为-γ。

为便于对说明书的理解，对γ角作如下定义：当平行平板部分和光楔部分的主截面平行，且两者位置如图3所示时，定义γ＝0°，其中，平行平板部分截面绕小角度的光楔部分截面逆时针旋转时，定义为正方向旋转，γ角取-90°<γ<90°；实际工作中，优选取30°≤|γ|≤60。在本技术领域中，光楔基本都是小角度的，即呈楔状，具有一个角度很小的夹角的三角形。此处的小角度光楔在本领域技术文献中多有使用。

第一旋转驱动件、第二旋转驱动件由控制***控制依次驱动第一异型光楔、第二异型光楔旋转使得外部的激光光束依次通过第一异型光楔、第二异型光楔后产生预定的横向位移量和倾斜角度。

在本实用新型实施例中，激光光束通过异型光楔中的小角度的光楔部分产生一定的角度倾斜，再经过异型光楔中的平行平板部分产生一个横向位移量，该光束扫描装置采用两个异型光楔控制激光光束的横向位移量和倾斜角度，改变两个异型光楔之间的夹角可以同时改变激光光束的倾斜角度和横向位移量，从而达到不同倾斜角度对应不同横向位移量的目的，不但可以用来加工倒锥孔，而且解决了现有透射型和组合型装置深孔加工中存在的中心光束先擦边现象，大大提高了深孔加工能力。

实施例2

根据本实用新型实施例，提供了一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描***，包括：激光器、扩束器、反射镜、二维光束扫描装置、聚焦镜、工件、计算机。计算机控制激光器出射光束，经过扩束器准直后由具有一定安装角度的反射镜反射到二维光束扫描装置，产生具有一定折射角和横向位移的出射光束，最后经过聚焦镜将激光聚焦到工件上。经反射镜反射的光束中心线与聚焦镜光轴重合，且二维光束扫描装置中两个异型光楔的旋转轴平行。

二维光束扫描装置主要由第一异型光楔、第二异型光楔及两个驱动其旋转的旋转驱动件——本实施例中为电机——组成，其控制由计算机完成。第一异型光楔可以包括一个倾斜角β的平行平板部分和一个角度α的光楔部分，且光楔部分和平行平板部分的主截面之间有一个γ夹角，如图2(a)所示。为方便描述，第二异型光楔可以分离开，等效成一个倾斜角β的平行平板部分和一个角度为α的光楔部分，且光楔部分和平行平板部分的主截面之间有一个-γ夹角，如图2(b)所示。光束经过异型光楔的小角度的光楔部分产生一定的角度倾斜，再经过平行平板部分产生一个横向位移量，从而达到一个光学镜片既实现光束偏折，又产生横向位移的目的，以减少控制量提高控制精度。

为便于对说明书的理解，将小角度的光楔部分和平行平板部分作如下定义：当平行平板部分和小角度的光楔部分主截面平行，且两者位置如图3所示时，定义γ＝0°；当平行平板部分截面绕小角度光楔部分截面逆时针旋转时，定义为正方向旋转。为了实现圆柱或倒锥孔加工，异型光楔产生的光束横移方向与偏折方向在垂直光轴的水平面上投影的夹角必须是钝角，相应地，异型光楔制作中，-90°<γ<90°，实际工作中，优选取30°≤|γ|≤60。

当光束依次经过两个异型光楔，且异型光楔间夹角为φ时，其中，φ为第一光楔部分的主截面与第二光楔部分的小截面之间的夹角。如图4所示，坐标系内的大圆表示在第二异型光楔下方的一横截面，其中，虚线的圆圈代表光束单独通过这两个异型光楔时的光斑位置，实线圆圈代表光束陆续经过两个异型光楔后的合成位置，经过Y轴的虚线代表单一异型光楔对光束位置和方向的影响，实线代表两者合成后的效果。箭头代表光束指向在横截面上的投影分量。

不同的φ值对应不同的出射光束倾角和横向位移量，即二维光束扫描装置两个异型光楔之间产生的小角度φ对应小横向位移量，大角度φ对应大横向位移量。在螺旋线激光打孔过程中，两个异型光楔旋转存在角度φ的变化，随着扫描进行，当两个光楔的夹角φ较小时，光束对中央进行扫描，而当两个光楔的夹角φ较大时，光束偏移量大，光束对孔径边缘进行扫描，这样就避免了深孔加工时，中心扫描光束容易扫边的问题，如图5所示。

当φ＝0时，为加工的初始位置，此时两个异型光楔的第一光楔部分和第二光楔部分的顶角相对，且光楔部分的主截面平行。

从两个异型光楔射出的出射光束偏转角为δ，则

最终加工的最大孔径d＝2Ftanδ；

其中，F为聚焦镜焦距，n为异型光楔折射率。

下面结合附图6～7及具体实施例对本实用新型作进一步详述。

如图7所示的光束扫描***，由激光器1、扩束器2、反射镜3、第一异型光楔4、第二异型光楔5、第一驱动电机6、第二驱动电机7、聚焦镜8、工件9及作为控制***的计算机10组成。经反射镜3反射的光束中心11的光束中心线与聚焦镜8的光轴重合，且与第一异型光楔4和第二异型光楔5的旋转轴平行。

第一异型光楔4和第二异型光楔5通过计算机10控制第一驱动电机6和第二驱动电机7分别实现运动控制。计算机10控制激光器1出射光束，经过扩束器2准直后由具有一定安装角度的反射镜3反射到第一异型光楔4，产生具有一定折射角和横向位移的出射光束，再经过第二异型光楔5进行折射和横向移动，最后经过聚焦镜8聚焦到工件9上。

为了更好的说明上述描装置及其***的工作模式，现提供了一种应用上述光束扫描***的光束扫描方法，使用二维光束扫描装置之前，首先对两个异型光楔之间的相对位置关系进行标定，确定驱动电机旋转量与初始位置的关系，以实现精确控制。搭建平台如图8所示：首先从激光器出射一束激光束，激光能量不能太大，以免损伤CCD相机，经反射镜反射进光束扫描装置中，调节反射镜角度，使光束的中心线与光束扫描装置的旋转轴尽量重合；从光束扫描装置出射的光束再经过聚焦镜聚焦后，成像到CCD相机中，其中CCD相机位于聚焦镜焦点平面位置。按如下方法标定：

A1.打开激光器，光束扫描装置上电，第一旋转驱动件、第二旋转驱动件即两个驱动电机回零，记录此时的驱动电机角度J＝0；

B1.控制两个驱动电机同步旋转，此时第一异型光楔、第二异型光楔将按固定夹角同步旋转，记录此时CCD相机采集到的图像的直径D0；

C1.两个驱动电机控制对应的第一异型光楔、第二异型光楔之间的角度增加1°，重复B过程，获得图像直径D1；

D1.重复C过程，将依次得到图像直径D2,D3,…；

E1.比较图像直径D1,D2,D3,…，找出最小图像直径对应的角度，即为光束扫描装置的初始位置；

F1.将最小图像直径对应的角度修正到第一旋转驱动件、第二旋转驱动件中，使第一旋转驱动件、第二旋转驱动件的回零位置对应光束扫描装置的初始位置。

本实用新型的光束扫描***可以进行光束圆扫描运动和螺旋线扫描运动，其中光束圆扫描运动的光束扫描方法包括以下步骤：

A.根据预加工的微孔形状，确定出射激光光束的倾斜角度，并根据出射激光光束的倾斜角度计算第一异型光楔与第二异型光楔之间的夹角Δφ；

B.控制第一异型光楔在初始位置的基础上偏摆Δφ；

C.控制第一异型光楔和第二异型光楔同步旋转，此时出射的激光光束按照确定的倾斜角度进行圆扫描运动。

其中螺旋线扫描运动的光束扫描方法包括以下步骤：

A.根据假设计算出第一异型光楔和第二异型光楔之间的速度差，第一光楔部分的速度为V1，第二光楔部分的速度为V2，第一光楔部分的速度V1首先大于第二光楔部分的速度V2，满足下式：

V1/V2-1＝φn/N；

B.经过N圈后，第一光楔部分的速度V1小于第二光楔部分的速度V2，且满足下式：

V1/V2-1＝-φn/N；

C.经过N圈后，又开始进入过程A；

通过A～C过程，实现激光光束由内至外，再由外至内的往复螺旋扫描运动；

其中假设为：

i.螺旋线起始位置为光束扫描装置的初始位置，为φ0；

ii.螺旋线结束位置为φn；

iii.螺旋线从内至外为N圈，其中N为大于1的整数，n为整数且0≤n≤N。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型的技术方案采用两个异型光楔代替原来的四光楔，减少了光楔、驱动电机数量，降低了成本；采用双异型光楔只需要标定一个相对位置关系，而四光楔需要标定四个光楔之间的位置关系，操作更简单；机械结构更简单，引入误差源更少，提高了精度；相比反射型、透射型、透射+反射型，深孔加工能力大大提高。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描装置，所述光束扫描装置与外部的控制***相连接，其特征在于，所述光束扫描装置包括：第一异型光楔、第二异型光楔、第一旋转驱动件、第二旋转驱动件；

所述第一异型光楔包括一个角度为α的第一光楔部分和一个倾斜角为β的第一平行平板部分，所述第一光楔部分的主截面与所述第一平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为γ；

所述第二异型光楔包括一个角度为α的第二光楔部分和一个倾斜角为β的第二平行平板部分，所述第二光楔部分的主截面与所述第二平行平板部分的主截面两者的投影之间的夹角为-γ；

其中，所述γ角取-90°<γ<90°；

所述第一旋转驱动件、第二旋转驱动件由所述控制***控制依次驱动所述第一异型光楔、第二异型光楔旋转使得外部的激光光束依次通过所述第一异型光楔、第二异型光楔后产生预定的横向位移量和倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的棱镜式光束扫描装置，其特征在于，所述γ角取30°≤|γ|≤60°。

3.根据权利要求1所述的棱镜式光束扫描装置，其特征在于，所述第一旋转驱动件驱动所述第一异型光楔的旋转轴与所述第二旋转驱动件驱动所述第二异型光楔的旋转轴平行。

4.根据权利要求1所述的棱镜式光束扫描装置，其特征在于，所述α角取0°<α<5°，所述β角取20°<β<60°。

5.根据权利要求1所述的棱镜式光束扫描装置，其特征在于，所述第一旋转驱动件、第二旋转驱动件均包括驱动电机。

6.一种用于激光微孔加工的棱镜式光束扫描***，其特征在于，包括：控制***、激光器、光束扫描装置、聚焦镜；所述光束扫描装置为权利要求1-5中任一项所述的光束扫描装置；

所述控制***控制所述光束扫描装置中的所述第一异型光楔与所述第二异型光楔的速度差，从而使由所述激光器发射出的激光光束通过所述光束扫描装置后随所述第一异型光楔与所述第二异型光楔之间的夹角φ的变化而产生预定的横向位移量和倾斜角度，并经所述聚焦镜聚焦后射出。

7.根据权利要求6所述的棱镜式光束扫描***，其特征在于，所述光束扫描***还包括反射镜，所述激光器发射出的激光光束由所述反射镜反射后射入所述光束扫描装置，经所述反射镜反射的激光光束的中心线与所述聚焦镜的光轴重合。