CN113042882A - 一种密集点状三维激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密集点状三维激光加工装置，包括X方向平移导轨、工作平台、设置在工作平台一侧的机床、设置在工作平台另一侧的固定板、以及设置在机床上的激光器，所述X方向平移导轨的一端安装在机床上，另一端安装在固定板上，所述的工作平台安装在X方向平移导轨上，且工作平台上设有激光密集点状激光加工头。本发明提供的密集点状三维激光加工装置，采用连续高功率激光器作为加工光源，加工头为多个，实现多头加工，激光功率得到充分利用，具有很快的加工速度。采用多棱镜和分光机构进行分光，将连续高功率的激光束分为多路脉冲激光输出，激光能量利用效率高，成本低，使用寿命长。

Description

一种密集点状三维激光加工装置

技术领域

本发明涉及机床加工领域，尤其是涉及一种密集点状三维激光加工装置。

背景技术

激光是一种受激辐射相干的光源，具有良好的相干性，高亮度，准直性等优点。利用激光对零件进行表面加工，物体表面的物理结构，化学特性和金相结构都会改变，从而改变物体表面的耐腐蚀性，抗磨损性和抗疲劳性等。基于此，研究人员研发了激光表面硬化，激光表面熔覆，激光表面合金化，、激光冲击硬化和激光非晶化等技术。这些技术在制造领域应用得到了非常广泛的应用。虽然激光表面处理技术具有很好的应用前景，但是由于在加工过程中需要确保激光光斑面积很小，从而保持很高的功率，这就限制了激光加工的效率。

针对加工效率低的问题，一些研究人员采用多套激光器同时加工提升加工效率，这种方案极大的提高了应用成本。另外一种提高加工效率的方法是增大激光光斑的面积，为了确保加工效果，需要提高激光器的整体功率，而激光器随着功率的上升，价格也逐渐升高，增加了成本。另外一种提高加工效率的方法是优化加工路线，减少不必要的时间，从而提高加工效率，但是这种方法对机床的定位精度要求很高，同时也对激光头运动的加速度也有很高的要求，而且提升空间有限。现在常用的方法是在激光头处设计振镜，利用振镜控制光束的移动，但是这种方法还是一个聚焦点进行加工，效率提升有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密集点状三维激光加工装置，以解决现有技术中激光密集点状激光加工技术加工效率偏低的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种密集点状三维激光加工装置，包括X方向平移导轨、工作平台、设置在工作平台一侧的机床、设置在工作平台另一侧的固定板、以及设置在机床上的激光器，所述X方向平移导轨的一端安装在机床上，另一端安装在固定板上，所述的工作平台安装在X方向平移导轨上，且工作平台上设有激光密集点状激光加工头。

进一步的，所述激光密集点状激光加工头在工作平台上沿Z方向移动，所述X方向与Z方向垂直。

进一步的，所述机床上设有Y方向平移导轨，所述X方向平移导轨的两端分别安装在Y方向平移导轨和固定板上，且所述X方向、Y方向、Z方向相互垂直。

进一步的，所述工作平台的下方设有传送装置，该传送装置包括平行设置的多个转动辊，所述转动辊的一端安装在机床上，另一端安装在固定板上，且转动辊与X方向平移导轨平行设置。

进一步的，所述激光密集点状激光加工头包括多棱镜结构、设置在多棱镜结构右侧的前分光镜、对称设置在前分光镜两侧的两个后分光镜、以及设置在多棱镜结构和前分光镜之间的准直镜，所述前分光镜的右侧还对称设有两个聚焦头，所述的两个聚焦头并排设置。

进一步的，所述前分光镜包括对称设置的两个反射镜，该前分光镜将准直镜准直的光均匀的分成两份，分光后的光分别通过对称设置在前分光镜两侧的后分光镜。

进一步的，所述多棱镜机构包括多棱镜和驱动多棱镜旋转的电机，当多棱镜顺时针旋转时，反射光在准直镜处由上到下依次扫描，准直镜将由多棱镜反射过来的光准直。

进一步的，所述后分光镜包括两个相同的反射镜，通过调整两个反射镜的夹角，使激光通过后分光镜后形成不平行存在一定角度的两束激光，实现再次分光，再次分光后的光束通过聚焦镜形成两个聚焦点。

进一步的，所述后分光镜的反射镜放置在角度位移器上，通过调整反射镜的倾斜角度，实现不同聚焦点阵列的输出；当反射镜的角度为0时，聚焦点呈现一条线排列。

进一步的，所述聚焦头包括聚焦镜和设置在聚焦镜前方的楔形棱镜，平行光通过楔形棱镜后再通过聚焦镜形成两个聚焦点，实现再次分光。

本发明实施例具有如下优点：

1、本发明实施例提供一种密集点状三维激光加工装置，采用连续高功率激光器作为加工光源，加工头为多个，实现多头加工，激光功率得到充分利用，具有很快的加工速度。

2、采用多棱镜和分光机构进行分光，将连续高功率的激光束分为多路脉冲激光输出，激光能量利用效率高，成本低，使用寿命长。

3、采用连续的高功率激光器(CO₂激光器，YAG激光器，光纤激光器)。技术成熟。

4、双光头聚焦，两个聚焦头并排放置，同步调整焦距，可以使得每个聚焦头输出的光的性能几乎相同，加工效果一致。

5、每个聚焦头里输出的光束数量多于1个，聚焦成的聚焦点数量多于1个，与原来的一个聚焦头聚焦1个光束相比，提高了聚焦头利用率，降低了聚焦头的个数，降低了成本，简化了结构。

6、同一个聚焦头中的聚焦点之间的横向间距的精密调整方式。通过控制分光机构中的后端反射镜之间的夹角或者在聚焦头中添加特定角度的楔形透镜，精密控制聚焦点的横向间距，提高加工效率。

7、两个聚焦头的聚焦点之间横向间距的精密调整。调整两个聚焦头之间的聚焦点距离，实现不同加工精度的要求，可以扩大设备的应用场景。

8、多棱镜转速与零件传送速度之间的控制匹配。多棱镜的转速越快，零件传送速度越快，加工速度就越快，加工效率得到很大提高。

9、加工过程中，一次实现多个聚焦点输出，加工速度得到提高。

10、可以实现聚焦头和被加工零件的相对三维运动，实现三维加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1提供的密集点状三维激光加工装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例1提供的密集点状三维激光加工装置的结构示意图之二；

图3为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中激光密集点状激光加工头的结构示意图；

图4为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中前分光镜的结构示意图；

图5a和图5b为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中后分光镜调节示意图之一；

图6a和图6b为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中后分光镜调节示意图之一；

图7为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中带有楔形透镜的聚焦头示意图；

图8为本发明提供的密集点状三维激光加工装置中不带有楔形透镜的聚焦头示意图；

附图标记说明：1-激光器，2-机床，201-Y方向平移导轨，202-X方向平移导轨，203-转动辊，204-固定板，3-小型零件，4-工作平台，5-激光密集点状激光加工头，501-多棱镜结构，502-准直镜，503-前分光镜，504-后分光镜，5041-反射镜，5042-角度位移器，505-聚焦头，5051-楔形棱镜，5052-聚焦镜，6-大型零件。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种密集点状三维激光加工装置，包括X方向平移导轨202、工作平台4、设置在工作平台4一侧的机床2、设置在工作平台4另一侧的固定板、以及设置在机床2上的激光器1，所述X方向平移导轨202的一端安装在机床2上，另一端安装在固定板204上，所述的工作平台4安装在X方向平移导轨202上，且工作平台4上设有激光密集点状激光加工头5。

优选的，所述激光密集点状激光加工头5在工作平台4上沿Z方向移动，所述X方向与Z方向垂直。

当用于小型零件3加工时，所述机床2上设有Y方向平移导轨201，所述X方向平移导轨202的两端分别安装在Y方向平移导轨201和固定板204上，且所述X方向、Y方向、Z方向相互垂直。

当用于大型零件6加工时，所述工作平台4的下方设有传送装置，该传送装置包括平行设置的多个转动辊203，所述转动辊203的一端安装在机床2上，另一端安装在固定板204上，且转动辊203与X方向平移导轨202平行设置。

当对零件进行加工时，所述工作平台4可以控制激光密集点状激光加工头5进行Z方向运动，运动距离与零件形状适配，确保聚焦点在零件表面即可。

优选的，所述激光密集点状激光加工头5包括多棱镜结构501、设置在多棱镜结构501右侧的前分光镜503、对称设置在前分光镜503两侧的两个后分光镜504、以及设置在多棱镜结构501和前分光镜503之间的准直镜502，所述前分光镜503的右侧还对称设有两个聚焦头505，所述的两个聚焦头505并排设置。

优选的，所述前分光镜503包括对称设置的两个反射镜5041，该前分光镜503将准直镜502准直的光均匀的分成两份，分光后的光分别通过对称设置在前分光镜503两侧的后分光镜504。

优选的，所述多棱镜机构501包括多棱镜和驱动多棱镜旋转的电机，当多棱镜顺时针旋转时，反射光在准直镜502处由上到下依次扫描，准直镜502将由多棱镜反射过来的光准直。

优选的，所述后分光镜504包括两个相同的反射镜5041，通过调整两个反射镜5041的夹角，使激光通过后分光镜504后形成不平行存在一定角度的两束激光，实现再次分光，再次分光后的光束通过聚焦镜5052形成两个聚焦点。所述后分光镜504的反射镜5041放置在角度位移器5042上，通过调整反射镜5041的倾斜角度，实现不同聚焦点阵列的输出；当反射镜5041的角度为0时，聚焦点呈现一条线排列。

优选的，所述聚焦头505包括聚焦镜5052和设置在聚焦镜5052前方的楔形棱镜5051，平行光通过楔形棱镜5051后再通过聚焦镜5052形成两个聚焦点，实现再次分光。

以下结合附图对本发明进行详细说明，激光密集点状激光加工头如图3所示，多棱镜机构501，包括多棱镜和带动多棱镜旋转的高速电机，在多棱镜顺时针旋转时，反射光在准直镜502由上到下依次扫描，准直镜502将由多棱镜反射过来的光准直，尺寸大小需要确保在多棱镜旋转的过程中，扫描形成的反射光均通过准直镜502，前分光镜503由两个反射镜5041组成如图4，两个反射镜5041之间的夹角成β角度，它的作用是将由准直镜502准直的光均匀的分成两份，实现第一次分光。分光之后的光分别通过后分光镜504，每个后分光镜504分别由两个相同的反射镜5041组成，如图6所示，两个反射镜5041之间成一定的角度θ，这个角度可以控制改变，从而确保激光通过后分光镜504后，形成不平行存在一定角度的两束激光，实现第二次分光，通过分光的激光光束，在通过聚焦镜5052之后，形成两个聚焦点，聚焦点的距离为fθ，f为聚焦镜的焦距。同时如图5，后分光镜504的反射镜5041也放置在角度位移器5042上，可以通过调整反射镜5041的倾斜角度，实现不同聚焦点阵列的输出，在反射镜5041倾斜角度为0时，聚焦点呈现一条线排列，在反射镜5041倾斜角度不为0时，聚焦点呈现锯齿状态排列。如图7所示，在聚焦镜5052前装楔形棱镜5051，一束平行光，通过楔形棱镜5051后，再通过聚焦镜5052，可以形成两个聚焦点，实现了再次分光，可以预见的是由于通过后分光镜504形成了不平行的两束光，通过带有楔形棱镜5051的聚焦头505以后，会形成4个聚焦点。在楔形棱镜5051的棱与激光扫描的方向平行的时候，会形成并排的4个点，呈2*2分布，在楔形棱镜5051的棱与激光扫描方向垂直的时候，会形成线状的4个点，呈1*4分布，在楔形棱镜5051的棱与激光扫描方向不垂直也不平行的时候，会形成锯齿状分布。

在对零件加工的过程中，两个聚焦头505并排放置，可以同步调整焦距，实现相同的加工效果。并且可以通过调整后分光镜504两个反射镜5041的角度，楔形棱镜5051的角度，实现一个聚焦头505，多个聚焦点，不同整列的输出。并且同一个聚焦头505的聚焦点的距离可以通过控制后分光镜504的角度和楔形棱镜5051的角度实现精密控制。

待加工的零件静止放置在加工台上如图1或者由传送装置带着进行Y方向的运动如图2所示。图1中，机床2上的工作平台4可以做三维运动，其运动由机床2控制。工作台的运动速度控制需要与多棱镜转速匹配，达到最优的加工效果即可。图2中，机床2上的工作平台可以做垂直于Y方向的二维运动，其运动由数控机床2控制，零件可以在传送装置作用下，做Y方向的运动，其运动由数控机床2控制，实现三维加工。

工作台的运动速度控制需要与多棱镜转速匹配，达到最优的加工效果即可。

如图3所示，示例中使用了两个聚焦头505，可以通过改变后分光镜504两个反射镜5041之间的距离和聚焦头505之间的距离，实现两个聚焦头505聚焦点之间的间距的调整。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种密集点状三维激光加工装置，其特征在于：包括X方向平移导轨、工作平台、设置在工作平台一侧的机床、设置在工作平台另一侧的固定板、以及设置在机床上的激光器，所述X方向平移导轨的一端安装在机床上，另一端安装在固定板上，所述的工作平台安装在X方向平移导轨上，且工作平台上设有激光密集点状激光加工头。

2.根据权利要求1所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述激光密集点状激光加工头在工作平台上沿Z方向移动，所述X方向与Z方向垂直。

3.根据权利要求2所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述机床上设有Y方向平移导轨，所述X方向平移导轨的两端分别安装在Y方向平移导轨和固定板上，且所述X方向、Y方向、Z方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述工作平台的下方设有传送装置，该传送装置包括平行设置的多个转动辊，所述转动辊的一端安装在机床上，另一端安装在固定板上，且转动辊与X方向平移导轨平行设置。

5.根据权利要求1所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述激光密集点状激光加工头包括多棱镜结构、设置在多棱镜结构右侧的前分光镜、对称设置在前分光镜两侧的两个后分光镜、以及设置在多棱镜结构和前分光镜之间的准直镜，所述前分光镜的右侧还对称设有两个聚焦头，所述的两个聚焦头并排设置。

6.根据权利要求5所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述前分光镜包括对称设置的两个反射镜，该前分光镜将准直镜准直的光均匀的分成两份，分光后的光分别通过对称设置在前分光镜两侧的后分光镜。

7.根据权利要求5所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述多棱镜机构包括多棱镜和驱动多棱镜旋转的电机，当多棱镜顺时针旋转时，反射光在准直镜处由上到下依次扫描，准直镜将由多棱镜反射过来的光准直。

8.根据权利要求5所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述后分光镜包括两个相同的反射镜，通过调整两个反射镜的夹角，使激光通过后分光镜后形成不平行存在一定角度的两束激光，实现再次分光，再次分光后的光束通过聚焦镜形成两个聚焦点。

9.根据权利要求8所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述后分光镜的反射镜放置在角度位移器上，通过调整反射镜的倾斜角度，实现不同聚焦点阵列的输出；当反射镜的角度为0时，聚焦点呈现一条线排列。

10.根据权利要求5所述的密集点状三维激光加工装置，其特征在于：所述聚焦头包括聚焦镜和设置在聚焦镜前方的楔形棱镜，平行光通过楔形棱镜后再通过聚焦镜形成两个聚焦点，实现再次分光。

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