CN103317233A - 一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，包括用于对发射到其上的入射光束的传输方位进行调制的光束传输方位控制模块，用于对第一光束的光轴运动轨迹进行放大，同时对所述第一光束进行扩束准直后形成第二光束的光束运动轨迹成像放大模块，以及用于对第二光束进行聚焦，并控制激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点进行辅助运动控制的光束聚焦与焦点切换模块。本发明的有益效果是：结构简单，能够灵活控制光束的传输方位，动态调节光束扫描运动轨迹、光束旋转半径等大小，同时还能使得激光加工光束的扫描速度更快，易于大尺寸的加工，更加符合实际激光加工的需求。

Description

一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置。

背景技术

申请号为201010183539.7的专利，所采用的光束旋转模块，在加工过程中不可以动态改变光束旋转直径，只适合在同一加工件表面钻孔孔径较少变化的情形使用，因此有一定局限性。

申请号为200380110303.9的专利，振镜前面的光束圆周调制运动是通过反射镜反射调制激光做圆周运动，而反射镜由压电陶瓷驱动，其偏转幅度很小，难以加工较大的孔。

申请号为201210460145.0的专利，由于平板光学元件是摆动方式工作的，平板光学元件对激光束的调制运动范围很小，不适合加工较大幅面，在一定加工范围内时，平板光学元件摆动幅度越小，其反复扫描的周期频率就越高，但是由于一般加工图形都有一定的尺寸要求，使得反复扫描的周期频率上不去，具有局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，能够灵活控制光束的传输方位以及扩大光束光轴扫描运动轨迹，且能够使得光束扫描速度更快、扫描周期更短的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，包括光束传输方位控制模块、光束运动轨迹成像放大模块和光束聚焦与焦点切换模块。

所述光束传输方位控制模块用于对发射到其上的入射光束的传输方位进行调制，并将入射光束传输方位调制后形成的第一光束发射到位于所述光束传输方位控制模块出射该第一光束一侧的光束运动轨迹成像放大模块。

所述光束运动轨迹成像放大模块用于对从所述光束传输方位控制模块发送过来的第一光束的光轴运动轨迹进行成像放大并对光束进行扩束处理，以形成光轴运动轨迹扩大且扩束的第二光束，并将该第二光束发送给位于该光束运动轨迹成像放大模块出射该第二光束一侧的光束聚焦与焦点切换模块。

所述光束聚焦与焦点切换模块用于对从所述光束运动轨迹成像放大模块发送过来的第二光束进行聚焦，并控制激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点进行辅助运动控制。

进一步，所述光束传输方位控制模块包括光束旋转调制单元和/或光束偏移调制单元。

进一步，所述光束偏移调制单元包括一个或者多个串联的光束偏移调制子单元，所述光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或所述光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或所述光束偏移调制子单元包括声光调制器，通过改变声光调制器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向。

进一步，所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。

进一步，所述光束旋转调制单元包括一个或者至少两个串联的光束旋转调制子单元，所述光束旋转调制子单元包括透射光学元件及其旋转驱动装置，所述透射光学元件旋转驱动装置为空心主轴电机或电机皮带传动装置，光束旋转调制子单元中的旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机主轴上，所述电机主轴为空心轴。

所述电机皮带传动装置，包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转透射光学元件固定安装在从动轮上。

进一步，所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机或陶瓷轴承空心主轴电机。

进一步，所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔。

进一步，所述光束旋转调制单元，包括至少两个串联的光束旋转调制子单元，所述光束旋转调制子单元转动部分各自独立旋转，光束旋转调制子单元的输出光束光轴沿着其入射光的光轴进行自转，后一光束旋转调制子单元的输出光束的光轴沿着前一光束旋转调制子单元的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转。

进一步，所述光束运动轨迹成像放大模块包括至少一个放大倍率激光成像单元，所述放大倍率激光成像单元为放大倍率固定的激光成像单元或者放大倍率可调的激光成像单元。

进一步，所述放大倍率固定的激光成像单元包括多个串联的透镜以及用于固定该多个透镜的外壳；所述放大倍率可调的激光成像单元包括外壳，安装于所述外壳内的多个串联的透镜以及改变透镜之间间距的驱动单元。

进一步，所述驱动单元为手动驱动单元或电动驱动单元。

进一步，所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态成像聚焦单元。

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描平场聚焦镜对从所述光束运动轨迹成像放大模块输出的出射光进行聚焦，所述扫描振镜用于控制激光焦点在不同加工单元之间的高速切换，或在一个加工单元处，所述扫描振镜对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制；所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜。

所述平台移动静态成像聚焦单元包括静态成像聚焦镜和线性移动平台，所述静态成像聚焦镜用于对从所述光束运动轨迹成像放大模块输出的出射光进行成像聚焦，所述线性移动平台用于控制激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处，所述线性移动平台对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

本发明的工作原理是：

光束传输方位控制模块调制入射光束的传输方位，发出按照一定扫描运动轨迹的第一光束。第一光束进入光束运动轨迹成像放大模块，手动调整或者自动调整所述光束运动轨迹成像放大模块内部的透镜之间的间距，得到光束平行的第二光束，且输出光束第二光束与输入光束第一光束的光束直径比值大小为此时该光束运动轨迹成像放大模块中放大倍率激光成像单元的光学放大倍率，通过放大倍率激光成像单元内部透镜间距，该成像光学放大倍率连续可调。当第一光束高速高精度运动时，第二光束也同步高速高精度运动，其运动轨迹形状相同，尺寸大小不同。由于第一光束扫描完毕一个微小完整的图形速度极快，精度极高，因此，第二光束会以相同的效率扫描完毕，且扫描的图形会比第一光束扫描图形相应放大。

光束传输方位控制模块包括光束旋转调制单元和/或光束偏移调制单元。

当光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷时，所述光束偏移调制子单元对光束进行折射摆动调制。当光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷时，所述光束偏移调制子单元对光束进行反射摆动调制。采用上述两种结构的光束偏移调制子单元调制光束运动方位，对光束进行摆动调制幅度越大，完成一个周期扫描时间越长，光束方位调制频率就越低，因而光束的扫描运动轨迹的大小与光束方位调制频率高低之间存在矛盾。由于光束运动轨迹成像放大模块对光束具有成像放大以及扩束的功能，因而当由上述两种结构的光束偏移调制子单元与光束运动轨迹成像放大模块相互结合作用的情况下，在实际激光加工应用中只需要所述光束偏移调制单元的做微小幅度的偏移摆动，因此偏移摆动频率非常高，甚至可达100千赫兹的频率，且精度极高。

当光束偏移调制子单元包括声光调制器时，光束偏移调制子单元对光束进行衍射摆动调制。通过改变声光调制器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向，这种方式对光束的调制频率更高，但是光束摆动幅度很难做大，不适合较大扫描轨迹场合。通过光束运动轨迹成像放大模块的成像放大作用使得第一光束经光束成像变换成更大尺寸扫描运动轨迹、更快扫描运动速度的第二光束。

当光束旋转调制单元的旋转透射光学元件的驱动单元为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机等形式，旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔，可以获得非常精细的激光光束旋转（倒锥面、正锥面、圆柱面旋转），还可以获得精细且超高速第一光束旋转速度。在这种光束旋转调制方案里面，第一光束光轴旋转轨迹大小动态调整较难实现。采用成像放大倍率可调或者动态可调的光束运动轨迹成像放大模块，能够实现旋转输出光束光轴即第二光束光轴旋转轨迹大小可调或者动态可调。

振镜扫描聚焦单元对激光束的高速位移切换能力和大范围区域扫描加工能力，可以达到大范围、高速高质量、孔径可变的微孔钻孔的目的，也非常适合于横截面变化的盲槽或者一次加工多种孔径的盲孔激光铣削加工。由于静态聚焦镜的具有优秀的聚焦特性，结合线性移动平台，可以实现精细的微孔、盲槽、盲孔加工。

总之，使用光束传输方位控制模块对入射光束小运动幅度高精度高速度的运动方位调制，使用光束运动轨迹成像放大模块对第一光束光轴运动轨迹放大并对第一光束扩束以获得第二光束，第二光束光轴运动速度更快，扫描轨迹更大，结合激光聚焦与焦点切换模块，完成各种激光高效微加工特别是高效微孔钻孔加工。

本发明的有益效果是：

由上述光束旋转调制单元和/或光束偏移调制单元构成的光束传输方位控制模块可使得光束传输方位控制模块对发射到其上的入射光束的传输方位进行调制后能获得精细且以超高速进行旋转第一光束和/或高速、高精度的微小位移运动的第一光束，光束旋转轨迹能够形成倒锥面或正锥面或圆柱面。

由于采用了光束运动轨迹成像放大模块，在第二光束光轴扫描轨迹大小一定情况下，只需要光束偏移调制单元对入射光束进行微小幅度的传输方位运动调制，光束运动幅度越小，所需的时间就相应越短，因而获能够大大减少第一光束完成单元路径扫描的时间，极大提高了激光微加工效率。

由于采用了成像放大倍率可调的光束运动轨迹成像放大模块，因而能够灵活调整或者动态调整第二光束光轴的扫描轨迹尺寸大小。

由于采用了光束运动轨迹成像放大模块，在第二光束光轴旋转直径一定情况下，第一光束光轴旋转直径相对于第二光束光轴旋转直径可以较小。光束旋转调制单元可采用小体积的透射光学元件输出旋转直径小的第一光束。小体积的透射光学元件有利于光束旋转调制单元获得更高转速，提高第一光束的转速，因而进一步提高第二光束旋转速度。

激光聚焦与焦点切换模块能够实现对激光焦点在不同的加工单元进行快速切换，大幅提高的激光加工效率与质量，实现大幅面激光铣削加工，或在一个加工单元处，对激光焦点进行辅助运动控制，进一步丰富了激光束空间轨迹调制，实现更复杂激光加工方式。

本装置结构简单，能够灵活控制光束的传输方位，调节或动态调节光束扫描运动轨迹、光束旋转半径等大小，同时还能使得激光加工光束的扫描速度更快，易于大尺寸的加工，更加符合实际激光加工的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1铜箔激光钻通孔的装置结构示意图；

图2为本发明实施例2氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构示意图；

图3为本发明实施例3氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、光束传输方位控制模块，101、旋转平板石英玻璃，102、气浮主轴电机的空心主轴，103、第一平面反射镜，104、第二平面反射镜，112、第一光束偏移单元，121、第一平板石英玻璃，122、第一旋转轴，113、第二光束偏移单元，131、第二电机，132、第二旋转轴，133、第二平板石英玻璃，2、光束运动轨迹成像放大模块，201、第一凸透镜，202、第一凹透镜，203、第二凹透镜，204、第二凸透镜，205、外壳，3、激光聚焦与焦点切换模块，31、扫描振镜，311、第二电机的电机主轴，312、第二振镜反射镜片，313、第一振镜反射镜片，314、第一电机，315、第一电机的电机主轴，32、扫描平场聚焦镜，4、待加工工件，5、入射光束，6、第一光束，7、第二光束，8、第一反射光束，9、第二反射光束，10、聚焦光束，11、透射光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

图1为铜箔激光钻通孔的装置结构示意图，如图1所示：铜箔激光钻通孔的装置包括光束传输方位控制模块1、光束运动轨迹成像放大模块2和激光聚焦与焦点切换模块3。

所述光束传输方位控制模块1为光束旋转调制单元，该光束旋转调制单元包括一个光束旋转调制子单元，该光束旋转调制子单元包括旋转透射光学元件和用于带动旋转透射光学元件做旋转运动的驱动装置。旋转透射光学元件为旋转平板石英玻璃101，旋转平板石英玻璃101的折射率为1.35至3，优选为1.45，厚度6毫米，其两面均镀532纳米增透膜，旋转平板石英玻璃101的厚度越大，光束旋转直径越大。驱动装置为带空心主轴的气浮空心主轴电机，气浮空心主轴电机也可以用带空心主轴的磁浮空心主轴电机或陶瓷轴承空心主轴电机或电机皮带传动装置替代。所述旋转平板石英玻璃101固定在气浮主轴电机的空心主轴102内，旋转平板石英玻璃3与空心主轴2一起做旋转运动。空心主轴2内孔直径优选为8毫米，气浮主轴电机转速可达50万转/分钟。一般驱动速度可达到高速或超高速的水平，其中，速度在5000转/分钟到5万转/分钟为高速，在5万转/分钟以上为超高速。目前气浮主轴电机转速可达16万转/秒。

旋转透射光学元件的驱动单元为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机等形式，旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔，这种配置的结果是可以获得非常精细的激光光束旋转（倒锥面、正锥面、圆柱面旋转），还可以获得精细且超高速第一光束旋转速度，其旋转速度甚至可以高达100万转/分钟，如果采用道威棱镜配合玻片，可以获得200万转/分钟的旋转光束。

如果采用电机皮带传动装置驱动旋转平板石英玻璃3，此电机皮带传动装置包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转平板石英玻璃3固定安装在从动轮上的空心轴内。

当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在气浮轴承上，该空心电主轴电机也称为气浮空心电主轴电机。所述气浮轴承是指通过在轴承腔内导入压力空气实现空心电主轴在空气中悬浮的轴承。所述气浮轴承轴承腔内泄压的缝隙极小，保证了空心电主轴的高精度悬浮转动，并可以稳定地高精度地旋转，具备高转速、高精确度、无摩擦力、无磨损、不需要润滑油、有卓越的速度控制性能、结构紧凑、重量轻、振动小、噪声低、惯性小响应快等优点。

当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在液体动静压轴承上，该空心电主轴电机也称为液压空心电主轴电机。所述液体动静压轴承是指一种靠外部供给恒定压力油、在轴承内建立使电主轴从起动到停止始终悬浮高压静压承载油膜的轴承。所述液体动静压轴承具有没有磨损、使用寿命长、起动功率小、在极低（甚至为零）的速度下也能应用的特点。此外，这种轴承还有旋转精度高、油膜刚度大、能抑制油膜震荡等优点。所述液压空心电主轴电机，由于采用了液体动静压轴承，因此具备很高的刚度和阻尼，具备较高转速和使用寿命。

当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在电磁悬浮轴承上，该空心电主轴电机也称为磁浮空心电主轴电机。所述电磁悬浮轴承是一种利用电磁力将电主轴悬浮于空间实现非接触式支承的轴承,具有无摩擦、无需润滑、无油污染、能耗低、噪声小、寿命长等优点,特别适用于真空、超静室、高速等特殊环境中。所述磁浮空心电主轴电机，由于采用电磁悬浮轴承，因此具备高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控等优点。

当所述空心电主轴电机的空心电主轴安装在陶瓷轴承上，该空心电主轴电机也称为陶瓷轴承空心电主轴电机。所述陶瓷轴承是指轴承的滚动体使用陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈的轴承，陶瓷轴承标准化程度高，在满足一定转速的条件下，具备成本低结构简单的优点。所述陶瓷轴承空心电主轴电机的空心电主轴安装在陶瓷轴承上，该陶瓷轴承的转速在每分钟5000转以上。

所述光束运动轨迹成像放大模块2包括一放大倍率激光成像单元，根据理想光学系统的物像关系，成像放大倍率可调的激光成像单元可以采用三组或三组以上的透镜系统来实现无焦连续变倍成像与准直扩束的功能。三组透镜可以采用“正透镜—负透镜—正透镜”或“负透镜—正透镜—负透镜”等多种形式，例如可以设计第一组为固定组，第二组为移动变倍组，第三组为补偿组。在三组透镜组成的放大倍率可调的激光成像单元中，当第二组透镜相对其物点也即第一组透镜的像点移动时，其成像放大率随之而变化，由此产生的系统焦距变化由第三组透镜移动进行补偿。此时，如果第二组透镜的像点恰好与第三组的前焦点重合，则整个系统就是一个无焦光学系统，而且出射光束直径会随着这两组透镜的移动而不断变化。

本实施例的放大倍率激光成像单元为放大倍率可调的激光成像单元。该放大倍率可调的激光成像单元包括外壳205，依次串联并安装在外壳205内的第一凸透镜201、第一凹透镜202、第二凹透镜203和第二凸透镜204。其中，第一凸透镜201固定于壳体205内又称固定透镜组，第一凹透镜202称为变焦透镜组，第二凹透镜203和第二凸透镜204称为补偿透镜组，变焦透镜组和补偿透镜组的移动采用直线电机高速高精度驱动和定位锁定。当变焦透镜组相对于固定透镜组移动时，变焦透镜组与固定透镜组的等效焦距就连续改变，产生新的焦点A（图中未标示）。将补偿透镜组也设计成可移动的，当变焦透镜组移动到某一位置B（图中未标示）时，补偿透镜组也移动到相应的位置C（图中未标示），使新的焦点A（图中未标示）稳定在补偿透镜组的焦点上，组合成新的扩束比的扩束系统。在这里的变焦扩束系统采用相似于伽利略式的结构形式，将各组元定为正负透镜的组合，使激光束不能过分会聚，同时也缩短了系统的工作距离。同时，为了较好地校正球差、彗差以及带球差，并考虑到高能激光会对胶合面损伤而不宜采用胶合透镜，将变焦组和补偿组镜片设计成双分离式，通过选择光学透镜材料的种类和空气间隙的微量变化来校正像差。在一些情况下，为了降低成本，可以手动驱动变焦透镜组和补偿透镜组并机械锁定。

使用光束旋转调制子单元，可以采用小体积的透射光学元件，以减少透射光学元件的转动惯量以获得更好动平衡特性，有利于光束旋转调制单元获得更高转速，因而可以获得更高旋转精度和旋转转速的第一光束，但仍存在第一光束扫描运动轨迹的直径大小调整不方便等问题，通过光束运动轨迹成像放大模块对旋转直径小的第一光束光轴运动轨迹进行成像放大作用，可获得高速高精度大运动轨迹的第二光束，同时光束运动轨迹成像放大模块的不同倍率的成像放大作用可以改变第二光束的扫描运动轨迹大小。

所述激光聚焦与焦点切换模块3为振镜扫描聚焦单元，所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜31和扫描平场聚焦镜32。扫描平场聚焦镜32有普通平场扫描聚焦镜和远心扫描聚焦镜等类型，本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜。远心扫描聚焦镜的焦距为10至1000毫米，优选为100毫米，平场聚焦范围为5毫米×5毫米至500毫米×500毫米，优选为50毫米×50毫米。扫描振镜32包括第一振镜反射镜片313和第二振镜反射镜片312。

所述扫描振镜的第一振镜反射镜片313安装在扫描振镜的第一电机314的电机主轴315上。

所述扫描振镜的第二振镜反射镜片312安装在扫描振镜的第二电机的电机主轴311上。

所述待加工工件4为100微米厚度铜箔。

整个铜箔激光钻通孔的装置结构中的光路流程如下：入射光束5透过位于空心主轴空腔内的旋转平板石英玻璃101后得到第一光束6，所述第一光束6经电动可调放大倍率成像单元后得到第二光束7，第二光束7经扫描振镜31的第一振镜反射镜片313得到第一反射光束8，第一反射光束8经扫描振镜31的第二振镜反射镜片312得到第二反射光束9，第二反射光束9经远心扫描聚焦镜进行聚焦，得到聚焦光束10，聚焦光束10直接作用于待加工工件4。

所述入射光束5为直径优选为1毫米的入射光束,相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光（横向场强为高斯分布），脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为500千赫兹。

所述旋转平板石英玻璃101的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀532纳米增透膜，旋转平板石英玻璃3的激光入射面的法线与入射光束光轴角度为5度，在气浮空心主轴驱动下，旋转平板石英玻璃101可以绕入射光束5的光轴旋转，使得第一光束6光轴的运动轨迹成为以入射光束5为中心轴且直径为80微米的圆柱面。设计旋转平板石英玻璃101的激光入射面的法线与入射光束5光轴的夹角，改变旋转平板石英玻璃101的厚度，或者改变旋转光学元件的材料折射率或者形状，可以得到正锥面或者倒锥面的第一光束旋转轨迹。

第一光束6射入所述可调放大倍率成像单元。在第一光束6静止不动时，所述可调放大倍率成像单元就只起到可调倍率激光扩束器的功用，扩束倍率在2到12倍之间。在第一光束6绕入射光束5运动时，所述可调放大倍率成像单元不仅能起到可调倍率激光扩束器的功用，还能使第一光束6的运动轨迹的放大倍率变得可调，可调放大倍率也在2到12倍之间。当第一光束6光轴的运动轨迹为绕入射光束5的直径80微米的圆柱面时，第二光束7的光轴的运动轨迹为绕入射光束5的光轴的圆柱面截面直径在160微米到960微米之间。

扫描振镜31的两片反射镜片即第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束10的焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312再一次锁定不动，此时激光出光。以所述第一光束6光轴旋转轨迹为直径80微米圆柱面为例，所述可调放大倍率成像单元的成像放大倍率为12倍时，第二光束7光轴旋转轨迹为直径960微米圆柱面，第一反射光束8、第二反射光束9、聚焦光束10的光轴旋转轨迹为直径960微米圆柱面。聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出980微米的圆（聚焦光斑20微米）。通过电动动态调整可调放大倍率成像单元的成像放大倍率，可以达到动态改变聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出圆的直径大小。通过这种方法，可以在所述待加工工件4上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。

为了扩大加工幅面，还可以把所述待加工工件4置于移动平台上，这样可以实现大范围的激光加工，实践中激光加工扫描范围面积一般超过200毫米×200毫米的通常称为大面积。

本实施例中所述可调放大倍率成像单元，可以由若干固定放大倍率成像子单元替代，在需要的时候选择其中一种或者若干种串联固定放大倍率成像子单元构成可调放大倍率成像单元。

实施例2：

图2为氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构示意图，如图2所示：氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置包括光束传输方位控制模块1、光束运动轨迹成像放大模块2和激光聚焦与焦点切换模块3。本实施例中的光束运动轨迹成像放大模块2和激光聚焦与焦点切换模块3的结构与实施例1中的结构相同。

所述光束传输方位控制模块1包括光束偏移调制单元，该光束偏移调制单元包括两个串联的光束偏移子单元，即第一光束偏移单元112和第二光束偏移单元113。第一光束偏移单元112包括第一平板石英玻璃121和用于驱动所述第一平板石英玻璃121的第一电机（图中未示出），所述第一平板石英玻璃121安装在第一旋转轴122上，第一旋转轴122为第一电机的电机主轴，第一平板石英玻璃121围绕第一旋转轴122轴向旋转，且第一旋转轴122的轴向垂直于纸面。第二光束偏移单元113包括第二平板石英玻璃133和用于驱动所述第二平板石英玻璃133的第二电机131，所述第二平板石英玻璃133安装在第二旋转轴132上，第二旋转轴132为第二电机131的电机主轴。所述第二平板石英玻璃133可围绕第二旋转轴132轴向旋转。所述第一平板石英玻璃121以及第二平板石英玻璃133的折射率均为1.45，厚度均为3毫米，两面均镀有532纳秒的增透膜。

采用电机摆动透射平板光学元件，入射光束折射后就是第一光束，两者平移距离可达微米量级，但由于透射平板光学元件可以做到很小，因此电机可以用较高摆动频率摆动，可以获得微小位移高速运动的第一光束。

所述待加工工件4为500微米厚度氮化铝陶瓷。

整个氮化铝陶瓷激光铣削盲槽的装置结构中的光路流程如下：入射光束5经第一平板石英玻璃121得到透射光束11，透射光束11透过第二平板石英玻璃133后得到第一光束6，所述第一光束6经电动可调放大倍率成像单元2后得到第二光束7，第二光束7经扫描振镜31的第一振镜反射镜片313得到第一反射光束8，第一反射光束8经扫描振镜31的第二振镜反射镜片312得到第二反射光束9，第二反射光束9经远心扫描聚焦镜进行聚焦，得到聚焦光束10，聚焦光束10直接作用于待加工工件4。

所述入射光束5为直径为1毫米的入射光束,相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光（横向场强为高斯分布），脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为100千赫兹。

所述第一平板石英玻璃121和第二平板石英玻璃133的折射率为1.45，厚度3毫米，其两面均镀532纳米增透膜，所述第一平板石英玻璃121和第二平板石英玻璃133的摆动轴垂直不相交。

所述第一平板石英玻璃121可以绕垂直于纸面的第一摆动轴122摆动，使得第一平板石英玻璃121的激光入射表面法线与初始入射激光束5光束光轴之间的角度在0～1度范围内变化，使得透射光束11相对于入射光束5获得平行位移，偏移量在0～16微米范围内变化。

所述第二平板石英玻璃133的第二旋转轴132与第一平板石英121的第一摆动轴122空间垂直不相交，且均基本垂直于入射激光光束5。第二摆动轴132控制第二平板石英玻璃133摆动，使得第二石英平板玻璃133的激光入射表面法线与透射光束11的角度在0～1度范围之间变化，使得第一光束6相对于透射光束11获得相应平行位移，偏移量在0～16微米范围之间变化。

所述第一平板石英玻璃121与第二平板石英玻璃133的配合运动直接决定了第一光束6的运动轨迹，本实施例中第一光束6的运动范围为16微米×16微米的方形区域。且第一、第二平板光学元件的尺寸很小，摆动角度这么小，其摆动频率可以很高，且激光位移控制精度极高，这样获得高速高精度第一光束6的扫描效果。

第一光束6射入所述可调放大倍率成像单元。在第一光束6静止不动时，所述可调放大倍率成像单元就只起到可调倍率激光扩束器的功用，扩束倍率在2到12倍之间。在第一光束6绕入射光束5运动时，所述可调放大倍率成像单元不仅能起到可调倍率激光扩束器的功用，还能使第一光束6的运动轨迹的放大倍率可调，可调放大倍率也在2到12倍之间。当第一光束6光轴的运动轨迹为以入射光束5为中心轴且直径为16微米的圆柱面时，第二光束7的光轴的运动轨迹为绕入射光束5的光轴的圆柱面截面直径在32微米到190微米之间。

扫描振镜31的两片反射镜片即第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束10的焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312再一次锁定不动，此时激光出光。当所述第一光束6光轴旋转轨迹为直径16微米圆柱面，所述可调放大倍率成像单元的成像放大倍率为10倍时，第二光束7光轴旋转轨迹为直径160微米圆柱面，第一反射光束8、第二反射光束9、聚焦光束10的光轴旋转轨迹为直径160微米圆柱面。聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出190微米的圆（聚焦光斑30微米）。通过电动动态调整可调放大倍率成像单元的成像放大倍率，可以达到动态改变聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出圆的直径大小。通过这种方法，可以在所述待加工工件4上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。

有时候为了降低成本，可以采用放大倍率手动可调的放大倍率成像单元或者固定放大倍率成像单元。

本实施例情形，所述光束传输方位控制模块本身可以通过改变第一和第二平板石英玻璃的摆动来改变第一光束6的扫描轨迹的形状和大小，因此，很多情况下采用固定放大倍率成像单元即可，且由于激光扩束倍率保持不变，具备聚焦焦点大小保持不变的优点。

本实施例这种加工方式的好处是，利用了光束传输方位控制模块1精细扫描时的高速高精度的优点，配合光束运动轨迹成像放大模块2对第一光束6的激光扩束功能、第一光束6的运动轨迹放大功能，巧妙的实现了高速高精度动态扫描所需图形路径的功能。另外，利用了光束传输方位控制模块1精细反复填充扫描，形成较宽的激光扫描切割切缝，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工或者微小范围均匀快速填充扫描的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。

上述实施例中，平板光学元件的旋转主轴相互垂直的同时，理论上也需要与光束光轴垂直，实际使用中的安装误差可通过控制软件进行校正即可。

实施例3：

图3为实施例3低温共烧陶瓷激光钻孔的装置结构示意图，如图3所示：低温共烧陶瓷激光钻孔的装置包括光束传输方位控制模块1、光束运动轨迹成像放大模块2和激光聚焦与焦点切换模块3。本实施例中的光束运动轨迹成像放大模块2和激光聚焦与焦点切换模块3的结构与实施例1中的结构相同。

所述光束传输方位控制模块1包括光束偏移调制单元，该光束偏移调制单元包括两个串联的光束偏移子单元，即第一光束偏移单元和第二光束偏移单元，第一光束偏移单元包括第一平面反射镜103和用于驱动所述第一平面反射镜103运动（摆动或者平移）的第一压电陶瓷驱动系统（图中未示出），第二光束偏移单元包括第二平面反射镜104和用于驱动所述第二平面反射镜104运动（摆动或者平移）的第二压电陶瓷驱动系统（图中未示出）。

采用压电陶瓷驱动平面反射镜，对激光进行一维或者二维偏转反射，小角度下对激光光束反射调制能力可以做到10KHz甚至更高的频率，这种非常高的调制频率，使得第一光束扫描图形的速度非常快。

所述待加工工件4为200微米厚度低温共烧陶瓷。

整个低温共烧陶瓷激光钻孔的装置结构中的光路流程如下：入射光束5经第一平面反射镜103的反射得到一反射光束，该反射光束经第二平面反射镜104反射后得到第一光束6，第一光束6再经电动可调放大倍率成像单元后得到第二光束7，第二光束7经扫描振镜31的第一振镜反射镜片313得到第一反射光束8，第一反射光束8经扫描振镜31的第二振镜反射镜片312得到第二反射光束9，第二反射光束9经远心扫描聚焦镜进行聚焦，得到聚焦光束10，聚焦光束10直接作用于待加工工件4。

所述入射光束5为直径为1毫米的入射光束,相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光（横向场强为高斯分布），脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为500千赫兹。

所述第一平面反射镜103可以安装在至少一个压电元件或者电致伸缩元件上，特别是压电陶瓷上；压电元件特别是压电陶瓷元件的伸缩，使得第一反射镜角度偏转，使得第一平面反射镜103的反射光束的传输角度发生偏转。目前基本的压电陶瓷元件或者电致伸缩元件的伸缩频率可以做到吉赫兹(GHz)以上。这里采用20KHz伸缩频率压电陶瓷。

所述第二平面反射镜104可以安装在至少一个压电伸缩元件或者电致伸缩元件上，特别是压电陶瓷上；压电陶瓷元件的伸缩，使得第二平面反射镜104角度偏转，使得第一光束6的传输角度发生偏转。

所述第一平面反射镜103与第二平面反射镜104的摆动轴线相互垂直。第一平面反射镜103与第二平面反射镜104的摆动控制第一光束6的运动轨迹为任意路径的空间轨迹。例如控制第一光束运动轨迹为角度0.5度的圆锥面，第二平面反射镜104距离电动可调放大倍率成像单元的入射面距离10厘米，那么第一光束6的光束光轴在电动可调放大倍率成像单元的入射面的运动轨迹为直径60微米的圆。此时改变第二平面反射镜53距离电动可调放大倍率成像单元入射面的距离，或者改变第一光束6圆锥面运动轨迹的角度，可以改变第一光束6的光束光轴在电动可调放大倍率成像单元入射面的运动圆轨迹大小。

所述第一光束6射入所述可调放大倍率成像单元。在第一光束6静止不动时，所述可调放大倍率成像单元就只起到可调倍率激光扩束器的功用，扩束倍率在2到12倍之间。在第一光束6绕入射光束5运动时，可调放大倍率成像单元就不仅具有可调倍率激光扩束器的功用，还能使第一光束6的运动轨迹的放大倍率可调，可调放大倍率在2到12倍之间。

扫描振镜31的两片反射镜片即第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312相配合，每加工完毕一个孔，就把聚焦光束10的焦点移动到下一个位置，这种跳转过程中激光是闭光的；当所述第一振镜反射镜片313与第二振镜反射镜片312再一次锁定不动，此时激光出光。当第一光束6光轴的运动轨迹为顶点在第二平面反射镜104的圆锥面或者其他运动轨迹，第二光束7的光轴的运动轨迹为第一光束6运动轨迹经过可调放大倍率成像单元放大后的像，第一光束6的光束光轴在电动可调放大倍率成像单元入射面的运动轨迹为直径60微米的圆，电动可调放大倍率成像单元的放大倍率设定在10，第二光束7的光轴的运动轨迹从电动可调放大倍率成像单元55出射时截面直径在600微米。第一反射光束8、第二反射光束9、聚焦光束10的光轴旋转轨迹圆锥面。聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出所需直径的圆。通过电动动态调整可调放大倍率成像单元的成像放大倍率，可以达到动态改变聚焦光束10的焦点在待加工件4上划出圆的直径大小。通过这种方法，可以在所述待加工工件4上钻出所需要的不同孔径的通孔阵列。

有时候为了降低成本，可以采用放大倍率手动可调的放大倍率成像单元或者固定放大倍率成像单元。

本实施例情形，所述光束传输方位控制模块1本身可以通过改变第一和第二平面反射镜反射角度来改变第一光束1的扫描轨迹的形状和大小；改变第二平面反射镜104距离电动可调放大倍率成像单元入射面的距离，或者改变第一光束圆锥面运动轨迹的角度，也可以改变第一光束6的光束光轴在电动可调放大倍率成像单元入射面的运动圆轨迹大小。因此，很多情况下采用固定放大倍率成像单元即可，且由于激光扩束倍率保持不变，具备聚焦焦点大小保持不变的优点。

本实施例这种加工方式的好处是，利用了光束传输方位控制模块1精细扫描时的高速高精度的优点，配合光束运动轨迹成像放大模块对第一光束6的激光扩束功能、第一光束6的运动轨迹放大功能，巧妙的实现了高速高精度动态扫描所需图形路径的功能。另外，利用了光束传输方位控制模块1精细反复填充扫描，形成较宽的激光扫描切割切缝，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工或者微小范围均匀快速填充扫描的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。

上述实施例只是本发明的三个典型的应用，实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如激光聚焦与焦点切换模块可以采用二维线性移动平台结合激光静态成像聚焦的方式工作，微细空间的激光焦点微距切换可以用光束传输方位控制模块1输出的第一光束摆动完成等。

总之，本发明提出一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其重要特点是：利用了光束传输方位控制模块1精细扫描时的高速高精度的优点，配合光束运动轨迹成像放大模块2对第一光束的激光扩束功能和光轴运动轨迹成像放大功能，巧妙的实现了高速精细微动扫描和激光光轴运动轨迹成像放大两种方式的有机结合，实现激光高速高精度动态扫描所需图形路径的功能。另外，利用了光束传输方位控制模块1精细反复填充扫描，形成较宽的激光扫描切割切缝，用高斯激光实现平顶激光加工效果，同时保留高斯激光长焦深和高斯分布光强的激光加工特点等优点，非常适合于需要平顶激光加工或者微小范围均匀快速填充扫描的领域，加工效果优于平顶激光且控制非常简单。

对于光束旋转方式的光束传输方位控制模块1，手动或者电动放大倍率可调激光成像单元成功实现了高速旋转运动光束旋转直径在线不可调的问题。

采用振镜扫描聚焦单元，对激光焦点进行快速切换，大幅提高的激光加工幅面、加工效率与加工质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：包括光束传输方位控制模块、光束运动轨迹成像放大模块和光束聚焦与焦点切换模块；

所述光束传输方位控制模块用于对发射到其上的入射光束的传输方位进行调制，并将入射光束传输方位调制后形成的第一光束发射到位于所述光束传输方位控制模块出射该第一光束一侧的光束运动轨迹成像放大模块；

所述光束运动轨迹成像放大模块用于对从所述光束传输方位控制模块发送过来的第一光束的光轴运动轨迹进行成像放大并对所述第一光束进行扩束处理，以形成光轴运动轨迹扩大且扩束的第二光束，并将该第二光束发送给位于该光束运动轨迹成像放大模块出射该第二光束一侧的光束聚焦与焦点切换模块；

所述光束聚焦与焦点切换模块用于对从所述光束运动轨迹成像放大模块发送过来的第二光束进行聚焦，并控制激光焦点在不同加工单元之间进行切换或在一个加工单元处对激光焦点进行辅助运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述光束传输方位控制模块包括光束旋转调制单元和/或光束偏移调制单元。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述光束偏移调制单元包括一个或者多个串联的光束偏移调制子单元，所述光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或所述光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或所述光束偏移调制子单元包括声光调制器，通过改变声光调制器的驱动源的载波频率调节所述入射激光的布拉格光栅反射角，改变入射激光传输方向。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。

5.根据权利要求2所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述光束旋转调制单元包括一个或者至少两个串联的光束旋转调制子单元，所述光束旋转调制子单元包括透射光学元件及其旋转驱动装置，所述透射光学元件旋转驱动装置为空心主轴电机或电机皮带传动装置，

所述光束旋转调制子单元中的旋转透射光学元件安装在所述空心主轴电机主轴内，所述电机主轴为空心轴；

所述电机皮带传动装置，包括电机、主动轮、从动轮及套设在所述主动轮和从动轮上的同步带，所述电机安装在主动轮上，旋转透射光学元件固定安装在从动轮上。

6.根据权利要求5所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述空心主轴电机为气浮空心主轴电机或磁浮空心主轴电机或陶瓷轴承空心主轴电机。

7.根据权利要求6所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述旋转透射光学元件为楔形棱镜或透镜或平板光学元件或衍射体光栅或光楔。

8.根据权利要求5所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述光束旋转调制单元，包括至少两个串联的光束旋转调制子单元，所述光束旋转调制子单元各自独立旋转，所述光束旋转调制子单元的输出光束光轴沿着其入射光的光轴进行自转，后一入射光束旋转调制子单元的输出光束的光轴沿着前一入射光束旋转调制子单元的输出的光束的光轴进行公转，并且还沿着公转轨迹进行自转。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述光束运动轨迹成像放大模块包括至少一个放大倍率激光成像单元，所述放大倍率激光成像单元为放大倍率固定的激光成像单元或者放大倍率可调的激光成像单元。

10.根据权利要求9所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述放大倍率固定的激光成像单元包括多个串联的透镜以及用于固定该多个透镜的外壳；

所述放大倍率可调的激光成像单元包括外壳，安装于所述外壳内的多个串联的透镜以及改变透镜之间间距的驱动单元。

11.根据权利要求10所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述驱动单元为手动驱动单元或电动驱动单元。

12.根据权利要求11所述的一种用于激光加工的光束运动轨迹控制装置，其特征在于：所述激光聚焦与焦点切换模块为振镜扫描聚焦单元或平台移动静态成像聚焦单元，

所述振镜扫描聚焦单元包括扫描振镜和扫描平场聚焦镜，所述扫描平场聚焦镜对从所述光束运动轨迹成像放大模块输出的出射光进行聚焦，所述扫描振镜用于控制激光焦点在不同加工单元之间的高速切换，或在一个加工单元处，所述扫描振镜对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制；所述扫描平场聚焦镜为普通平场扫描聚焦镜或远心扫描聚焦镜；

所述平台移动静态成像聚焦单元包括静态成像聚焦镜和线性移动平台，所述静态成像聚焦镜用于对从所述光束运动轨迹成像放大模块输出的出射光进行成像聚焦，所述线性移动平台用于控制激光焦点在不同加工单元之间的切换，或在一个加工单元处，所述线性移动平台对激光焦点扫描运动进行辅助运动控制。

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