CN112475638B - 一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法，所述系统包括发射激光光束的激光器，在激光器的输出端以预设角度设置有二维光束偏转装置，二维光束偏转装置能够进行转动以使入射的激光光束发生微小偏折；在二维光束偏转装置的反射方向依次同轴设置有第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，第一轴锥透镜和第二轴锥透镜顶角相背且间距可调，聚焦透镜正对于加工平台。该激光微孔加工系统利用轴锥透镜的旋转对称特性，在加工过程中无需光学元件的机械转动，增加了系统的机械稳定性，提高了微孔加工精度。

Description

一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法。

背景技术

航空涡轮叶片工作环境温度一般在2000k以上，且根据测算，航空涡轮机进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比相应的提高10％，因此，发动机叶片所能承受的工作温度直接影响发动机的性能。随着材料技术的发展，航空叶片能够承受的温度有了很大提高，但是单靠材料耐受温度的提高不足以满足人们对大推力发动机的迫切要求，因此航空叶片多采用气膜孔冷却的方法来提高航空叶片的耐受温度。一般气膜孔为直径在300-500um的小孔，气膜孔的传统加工方法为电火花加工，其加工过程会在孔壁形成大量重铸层和微裂纹，这是影响航空发动机性能和使用寿命的主要因素。

随着超短激光技术的日渐成熟，飞秒激光器的应用越来越广泛，激光器的性能大幅提升，输出功率不断提高，其超快和超短特性使得激光加工技术有了质的改变，成为超精细机械加工领域必不可少的加工手段。超快激光加工过程主要是将激光光束聚焦在极小的范围内以达到较高的能量密度，在高能量强度和超短的脉冲持续时间下，激光与物质的相互作用能够以极快的速度将能量注入很小的范围，瞬间内高能量积累，使电子的吸收和运动方式发生变化，能够避免激光能量的线性吸收和能量的转移扩散影响，避免加工时的热效应，从而没有微裂纹和重铸层的产生。因此，超短脉冲用于超精细切割和打孔可以得到很好的加工质量。

目前，激光加工多采用光束扫描来实现微孔加工，主要通过高速电机带动位移光楔达到光束平移的目的，通过光束入射姿态的改变完成不同锥度微孔加工，通过改变光楔的位置来改变加工孔的孔径及孔的锥度，或者采用平移模块加光束扫描模块实现不同锥度孔的加工。该方法主要问题在于需要通过机械旋转来实现光束的高速扫描，其可加工的孔型较为单一，主要为圆孔，且改变锥度及孔径时需要改变两个光楔的位移，对机械稳定性要求较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，包括发射激光光束的激光器，其中，

在所述激光器的输出端以预设角度设置有二维光束偏转装置，所述二维光束偏转装置能够进行转动以使入射的激光光束发生偏折；

在所述二维光束偏转装置的反射方向依次同轴设置有第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，所述第一轴锥透镜和所述第二轴锥透镜顶角相背且间距可调，所述聚焦透镜正对于加工平台。

在本发明的一个实施例中，所述第一轴锥透镜的底角大于所述第二轴锥透镜的底角。

在本发明的一个实施例中，所述激光微孔加工系统还包括第一驱动器，被配置成用于驱动所述二维光束偏转装置转动，以调节经反射的激光光束的偏折角度。

在本发明的一个实施例中，所述激光微孔加工系统还包括第二驱动器，被配置成在加工倒锥型微孔或异形微孔时调节所述第一轴锥透镜与所述第二轴锥透镜的间距。

在本发明的一个实施例中，所述激光微孔加工系统还包括电连接所述第一驱动器和所述第二驱动器的控制器，所述控制器被配置成在加工倒锥型微孔或异形微孔时，根据所述倒锥型微孔或异形微孔的尺寸和锥度数据生成实际加工轨迹参数，基于所述实际加工轨迹参数产生控制信号，以控制所述第一驱动器和所述第二驱动器的运行。

在本发明的一个实施例中，所述激光微孔加工系统还包括光束整形装置，设置在所述激光器与所述二维光束偏转装置之间的光轴上，被配置成将所述激光器发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑。

在本发明的一个实施例中，所述光束整形装置包括沿光轴相互正交设置的第一柱面镜和第二柱面镜，其中，所述第一柱面镜和所述第二柱面镜能够分别绕光轴旋转。

在本发明的一个实施例中，所述激光微孔加工系统还包括第三驱动器，被配置成用于驱动所述第一柱面镜和所述第二柱面镜转动。

本发明的另一方面提供了一种基于轴锥透镜的激光微孔加工方法，所述方法利用上述实施例中任一项所述激光微孔加工系统执行，所述方法包括：

根据待加工微孔的尺寸和锥度数据进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数；

基于所述实际加工轨迹参数产生控制信号，控制所述二维光束偏转装置的偏转并调节所述第一轴锥透镜与所述第二轴锥透镜的间距，使得光束经所述二维光束偏转装置后的位置和经所述第二轴锥透镜后的位置分别位于反射光轴的两侧；

控制激光器发射激光光束，并使激光光束依次通过二维光束偏转装置、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，以进行逐层微孔加工。

在本发明的一个实施例中，在控制激光器发射激光光束，并使激光光束依次通过二维光束偏转装置、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，以进行逐层微孔加工之前，还包括：

利用光束整形装置将所述激光器发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的激光微孔加工系统利用轴锥透镜的旋转对称特性，在加工过程中无需光学元件的机械转动，避免因为机械转动而造成的机械磨损，同时增加了该激光微孔加工系统的机械稳定性，提高了打孔精度。

2、该激光微孔加工系统和方法的激光扫描速度只与二维光束偏转装置有关，配合高速的二维光束偏转装置，可以达到非常高的扫描速率，且可以通过控制二维光束偏转角度实现异形孔的一次加工，相比传统分开加工的方式而言，加工效率大大提升。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的光路原理图；

图2是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光束整形装置的工作原理示意图；

图5是利用本发明实施例基于轴锥透镜的激光微孔加工系统进行微孔加工的微孔尺寸解析示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工方法的流程图。

附图标记说明：

1-激光器；2-二维光束偏转装置；3-第一轴锥透镜；4-第二轴锥透镜；5-聚焦透镜；6-加工平台；7-第一驱动器；8-第二驱动器；9-控制器；10-光束整形装置；101-第一柱面镜；102-第二柱面镜；11-第三驱动器。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于轴锥透镜的激光微孔加工系统和方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的光路原理图。该激光微孔加工系统包括发射激光光束的激光器1，在激光器1的输出端以预设角度设置有二维光束偏转装置2，二维光束偏转装置2可以是扫描振镜等能够实现光束二维反射偏转的装置，从激光器1发射处的激光光束通过二维光束偏转装置2的反射和转动在与激光器1发射方向垂直的方向上进行二维偏折；在二维光束偏转装置2的反射方向依次设置有第一轴锥透镜3、第二轴锥透镜4和聚焦透镜5，其中，第一轴锥透镜3和第二轴锥透镜4顶角相背且间距可调，聚焦透镜5正对于加工平台6。

具体地，激光器1发射的激光光束的光轴与二维光束偏转装置2的反射面呈预设角度设置，优选地为45°。这样，来自激光器1的激光光束经过二维光束偏转装置2反射，偏转90°，在激光光束的反射点中心位置形成一个反射光轴，第一轴锥透镜3、第二轴锥透镜4和聚焦透镜5依次设置在该反射光轴上。在本实施例中，二维光束偏转装置2为二维光束偏转反射镜。

二维光束偏转装置2能够进行预设角度的转动，以给激光光束一个微小的偏角，使得加工过程中经二维光束偏转装置2反射的激光光束始终要保持偏移到反射光轴的另一侧。也就是说，如图1所示，在加工过程中，经二维光束偏转装置2反射的激光光束与反射光轴呈β的夹角，并且保证反射的激光光束始终入射在第一轴锥透镜3的锥面上。需要说明的是，夹角β的大小与待加工孔的尺寸有关，可以通过二维光束偏转装置2的转动进行调节。该激光微孔加工系统的激光扫描速度只与二维光束偏转装置有关，通过配合高速的二维光束偏转装置，可以达到非常高的扫描速率，提高激光器的利用率，实现较高的打孔效率，而不像现有技术中受惯性量更大的光楔或平板玻璃的运动限制。

第一轴锥透镜3和第二轴锥透镜4通过其特殊的旋转对称结构，可以在各个方向上给激光光束相同的偏折方向，使得通过二维光束偏转装置2的转动能够控制激光光束进行扫描。二维光束偏转装置2反射的激光光束经第一轴锥透镜3和第二轴锥透镜4偏转后，与反射光轴的夹角θ在各个方向上都是固定不变的。需要说明的是，第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4之间的距离决定了激光光束与反射光轴的偏移量，这样通过调节两块轴锥透镜的距离可以完成不同锥度的孔的加工。

进一步地，不同底角角度的轴锥透镜对光束的偏折是不一样的，为了减少系统的长度，优选地，第一轴锥透镜3的底角α₁大于第二轴锥透镜4的底角α₂，这样激光光束将有一个较大的偏转角，从而能够保证激光光束在第二轴锥透镜4上足够偏移量的情况下，尽量缩短第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4之间的间距，进而缩短整个激光微孔加工系统的总体长度。通过第一轴锥透镜3的底角α₁与第二轴锥透镜4的底角α₂相互配合得当，能够保证到达加工平台6的出射光束的偏转角度及偏移位移达到加工要求。

更进一步地，如图1所示，根据第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的折射角计算公式，可以得到下列角度关系：

r＝f*θ，

其中，n表示轴锥透镜的折射率，f表示聚焦透镜5的焦距，r表示加工孔的半径。可以通过控制偏转角度β来控制激光的扫描半径值，也就是说，可以通过控制二维光束偏转装置2的转动得到可变的加工孔半径。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的结构示意图。该激光微孔加工系统还包括第一驱动器7，第一驱动器7被配置成用于驱动二维光束偏转装置2转动，以调节经反射的激光光束的偏折角度。

该激光微孔加工系统还包括第二驱动器8，第二驱动器8被配置成用于在加工倒锥型微孔或异形微孔时驱动第一轴锥透镜3和\或第二轴锥透镜4的移动，以调节第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距。第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距决定了待加工孔的锥度，尤其是在加工倒锥型微孔或异形微孔时，通过控制第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距，可以加工出具有不同锥度的微孔。优选地，在本实施例中，第一轴锥透镜3固定不动，第二驱动器8能够驱动第二轴锥透镜4移动，从而调节第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距。

进一步地，该激光微孔加工系统还包括电连接第一驱动器7和第二驱动器8的控制器9，控制器9被配置成在加工倒锥型微孔或异形微孔时，根据所述倒锥型微孔或异形微孔的尺寸和锥度数据生成实际加工轨迹参数和光束偏移量，基于该实际加工轨迹参数和光束偏移量产生控制信号，控制第二驱动器8调节第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距，改变加工光束偏移量，以满足待加工孔的锥度要求，并控制第一驱动器7按照每层的加工孔径值r使二维光束偏转装置2转到至相对的β角，从而使得激光光束完成输入待加工孔的轨迹控制。

此外，本实施例的激光微孔加工系统还包括上位控制显示系统(附图中未示出)。控制器9能够接收第一驱动器7和第二驱动器8的实时反馈信号，从而获取整个装置的实时加工状态；接收来自上位控制显示系统的控制指令，调用自身高速轨迹算法，按照矢量解析的方法生成实时扫描轨迹控制信号，与第一驱动器7和第二驱动器8的状态信号形成闭环控制，最终将控制信号输出给各个驱动器，并将装置状态实时上传给上位控制显示系统。

由于轴锥透镜为旋转对称体，激光器1发射的激光光束形成的为圆形光斑，因此当光束入射到轴锥透镜表面时会发生变形，当两个轴锥透镜的底角不相等时，由两个轴锥镜折射后的光束聚焦后的光斑质量较差，会对加工有一定的影响。请参见图3和图4，图3是本发明实施例提供的另一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种光束整形装置的工作原理示意图。为了解决这个问题，本实施例的激光微孔加工系统还包括光束整形装置10，光束整形装置10设置在激光器1与二维光束偏转装置2之间的光轴上，用于将激光器1发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑。具体地，光束整形装置10包括沿光轴方向相互正交设置的第一柱面镜101和第二柱面镜102，其中，第一柱面镜101和第二柱面镜102能够分别绕光轴方向旋转，并且通过旋转两个柱面镜使线光斑沿光轴旋转。通过控制使得第一柱面镜101和第二柱面镜102的旋转与二维光束偏转装置2的转动位置同步，可以使光束变形达到最小，使得加工质量达到最佳。在其他实施例中，光束整形装置10还可以具有其他的适当构造，如鲍威尔棱镜。

此外，该激光微孔加工系统还包括第三驱动器11，第三驱动器11被配置成用于在控制器9的控制下驱动第一柱面镜101和第二柱面镜102转动。第一柱面镜101和第二柱面镜102在转动过程中始终保持相互正交且与二维光束偏转装置位置同步。

以下通过加工异型孔为例来进一步说明基于轴锥透镜的激光微孔加工系统的工作过程。

异形孔加工的具体流程如下：

1)向控制器9中导入待加工异形孔模型，控制器9解析模型坐标，记录异形孔各层的形状参数。

2)控制器9根据待加工孔的各层的形状参数进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数。

由于该激光微孔加工系统在微孔加工过程中是逐层加工的，因此，在加工之前，控制器9对待加工孔进行分层，并根据各层的形状参数进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数，如图5所示。

3)控制器9根据实际加工轨迹参数，控制第一驱动器7运行，第一驱动器7进而驱动二维光束偏转装置2转动，以调节经反射的激光光束的偏折角度；同时控制第二驱动器8运行，第二驱动器8进而驱动第二轴锥透镜4移动，以调节第一轴锥透镜3与第二轴锥透镜4的间距，实现竖向进给，从而进行异形孔逐层加工直至完成加工。

本实施例的激光微孔加工系统利用轴锥透镜的旋转对称特性，在加工过程中无需光学元件的机械转动，避免因为机械转动而造成的机械磨损，同时增加了该激光微孔加工系统的机械稳定性，提高了打孔精度。该激光微孔加工系统的激光扫描速度只与二维光束偏转装置有关，配合高速的二维光束偏转装置，可以达到非常高的扫描速率，且可以通过控制二维光束偏转角度实现异形孔的一次加工，相比传统分开加工的方式而言，加工效率大大提升。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了一种基于轴锥透镜的激光微孔加工方法，所述方法利用实施例一所述激光微孔加工系统执行。请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于轴锥透镜的激光微孔加工方法的流程图。该方法包括：

S1：根据待加工微孔的尺寸和锥度数据进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数。

具体地，通过上位控制显示系统向控制器中导入待加工孔模型，控制器解析模型坐标，记录待加工孔各层的形状参数。随后，控制器根据待加工孔的各层的形状参数进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数。

S2：基于所述实际加工轨迹参数产生控制信号，控制所述二维光束偏转装置的偏转并调节所述第一轴锥透镜与所述第二轴锥透镜的间距，使得光束经所述二维光束偏转装置后的位置和经所述第二轴锥透镜后的位置分别位于反射光轴的两侧；

S3：控制激光器发射激光光束，并使激光光束依次通过二维光束偏转装置、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，以进行逐层微孔加工。

具体地，控制器根据实际加工轨迹参数，控制第一驱动器运行，第一驱动器进而驱动二维光束偏转装置转动，以调节激光光束的反射角度；同时控制第二驱动器运行，第二驱动器进而驱动第二轴锥透镜移动，以调节第一轴锥透镜与第二轴锥透镜的间距，实现竖向进给，从而进行倒锥形微孔或异形孔逐层加工，直至完成加工。

进一步地，在步骤S3之前还包括：

利用光束整形装置将所述激光器发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑。

具体地，光束整形装置设置在激光器与二维光束偏转装置的光轴上。本实施例的光束整形装置包括沿光轴方向相互正交设置的第一柱面镜和第二柱面镜，其中，第一柱面镜和第二柱面镜能够分别绕光轴方向旋转，并且通过旋转两个柱面镜使线光斑沿光轴旋转。通过协同控制第一柱面镜和第二柱面镜的旋转及二维光束偏转装置的转动速度，可以使光束变形达到最小，从而不影响光束的聚焦过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，其特征在于，包括发射激光光束的激光器(1)，其中，

在所述激光器(1)的输出端以预设角度设置有二维光束偏转装置(2)，所述二维光束偏转装置(2)能够进行转动以使入射的激光光束发生偏折；

在所述二维光束偏转装置(2)的反射方向依次同轴设置有第一轴锥透镜(3)、第二轴锥透镜(4)和聚焦透镜(5)，所述第一轴锥透镜(3)和所述第二轴锥透镜(4)顶角相背且间距可调，所述聚焦透镜(5)正对于加工平台(6)；

所述激光微孔加工系统还包括光束整形装置(10)，设置在所述激光器(1)与所述二维光束偏转装置(2)之间的光轴上，被配置成将所述激光器(1)发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑；

所述光束整形装置(10)包括沿光轴相互正交设置的第一柱面镜(101)和第二柱面镜(102)，其中，所述第一柱面镜(101)和所述第二柱面镜(102)能够分别绕光轴旋转；

所述激光微孔加工系统还包括第三驱动器(11)，被配置成用于驱动所述第一柱面镜(101)和所述第二柱面镜(102)转动。

2.根据权利要求1所述的基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，其特征在于，所述第一轴锥透镜(3)的底角大于所述第二轴锥透镜(4)的底角。

3.根据权利要求1所述的基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，其特征在于，还包括第一驱动器(7)，被配置成用于驱动所述二维光束偏转装置(2)转动，以调节经反射的激光光束的偏折角度。

4.根据权利要求3所述的基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，其特征在于，还包括第二驱动器(8)，被配置成在加工倒锥型微孔或异形微孔时调节所述第一轴锥透镜(3)与所述第二轴锥透镜(4)的间距。

5.根据权利要求4所述的基于轴锥透镜的激光微孔加工系统，其特征在于，还包括电连接所述第一驱动器(7)和所述第二驱动器(8)的控制器(9)，所述控制器(9)被配置成在加工倒锥型微孔或异形微孔时，根据所述倒锥型微孔或异形微孔的尺寸和锥度数据生成实际加工轨迹参数，基于所述实际加工轨迹参数产生控制信号，以控制所述第一驱动器(7)和所述第二驱动器(8)的运行。

6.一种基于轴锥透镜的激光微孔加工方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1-5中任一项所述激光微孔加工系统执行，所述方法包括：

根据待加工微孔的尺寸和锥度数据进行矢量解析，生成实际加工轨迹参数；

基于所述实际加工轨迹参数产生控制信号，控制所述二维光束偏转装置的偏转并调节所述第一轴锥透镜与所述第二轴锥透镜的间距，使得光束经所述二维光束偏转装置后的位置和经所述第二轴锥透镜后的位置分别位于反射光轴的两侧；

控制激光器发射激光光束，并使激光光束依次通过二维光束偏转装置、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，以进行逐层微孔加工。

7.根据权利要求6所述的基于轴锥透镜的激光微孔加工方法，其特征在于，在控制激光器发射激光光束，并使激光光束依次通过二维光束偏转装置、第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，以进行逐层微孔加工之前，还包括：

利用光束整形装置将所述激光器发射的圆形激光光斑整形为绕光轴旋转的线形激光光斑。

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