一種激光加工系統(tǒng)及其進(jìn)行激光加工的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光加工設(shè)備和方法技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種激光加工系統(tǒng)及 其進(jìn)行激光加工的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于激光技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，激光加工技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，經(jīng)過(guò) 40多年的發(fā)展，至今已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，目前被廣泛應(yīng)用于汽車、電 子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用前景十分的 廣闊。激光加工為無(wú)接觸加工，加工速度快，無(wú)噪聲，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜面型的高精度的加 工目的。且加工過(guò)程中無(wú)"道具"磨損，對(duì)工件無(wú)"切削力"。具體的應(yīng)用主要有：激光焊接， 激光打孔，激光切割，激光表面熱處理等。
[0003] 對(duì)于復(fù)雜工件的加工，通常情況下是結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)等，利用激光束易于導(dǎo)向、聚焦 和發(fā)散的特點(diǎn)，根據(jù)加工的要求，設(shè)計(jì)得到不同的光斑尺寸和密度。并通過(guò)外光路系統(tǒng)來(lái)改 變光束的方向，構(gòu)成各種加工系統(tǒng)，用于加工各種復(fù)雜元件。對(duì)于有特殊結(jié)構(gòu)的元件，往往 需要改變外光路系統(tǒng)進(jìn)而避開(kāi)不需要加工的部分。外光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于激光的加工影 響很大，而且一定程度上限制了加工的效率。
[0004] 對(duì)于工件的打孔，傳統(tǒng)的激光加工器由于其聚焦后具有較大的發(fā)散角，準(zhǔn)直度有 所降低，因此打出的孔壁會(huì)具有一定的傾斜角度，旋轉(zhuǎn)打孔雖然一定程度上解決了垂直度 的問(wèn)題，但是其加工效率低，穩(wěn)定性不高。
[0005] 所以，傳統(tǒng)的激光加工器存在對(duì)于復(fù)雜元件的加工效率低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種加工效率高、穩(wěn)定性好的激光 加工系統(tǒng)及其進(jìn)行激光加工的方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0008] 一種激光加工系統(tǒng)，包括框架、激光器、激光頭、第一固定架和反射鏡；
[0009] 所述框架包括橫梁和支撐梁，所述激光器固定連接在所述框架上；
[0010] 所述激光頭內(nèi)設(shè)有聚焦透鏡和雙軸晶體，所述聚焦透鏡和聚焦透鏡的焦點(diǎn)分別位 于所述雙軸晶體的兩側(cè)；
[0011] 所述第一固定架設(shè)于橫梁上，所述反射鏡和激光頭均與第一固定架固定連接，按 照激光傳輸路徑依次排列為：激光器、反射鏡、聚焦透鏡和雙軸晶體，所述激光器輸出的激 光與所述雙軸晶體的光軸平行。
[0012] 進(jìn)一步，所述激光加工系統(tǒng)還包括第二固定框架，所述第二固定架設(shè)于所述橫梁 上，所述反射鏡為3個(gè)，其中2個(gè)所述反射鏡與第二固定架固定連接，按照激光傳輸路徑依 次排列為：激光器、反射鏡、聚焦透鏡和雙軸晶體。
[0013] 進(jìn)一步，所述激光加工系統(tǒng)還包括2個(gè)伺服電機(jī)，所述橫梁上設(shè)有水平方向的第 一導(dǎo)軌，所述第一固定架內(nèi)側(cè)和第二固定架內(nèi)側(cè)均設(shè)有第一滑塊，所述第一滑塊與所述第 一導(dǎo)軌相配合，所述伺服電機(jī)分別固定連接于橫梁的兩端，所述伺服電機(jī)的軸分別與第一 固定架和第二固定架固定連接。
[0014] 進(jìn)一步，所述框架為"門"形，所述支撐梁為2個(gè)，所述支撐梁底部均設(shè)有第二導(dǎo)軌 和第二滑塊，所述第二導(dǎo)軌和所述第二滑塊相配合，所述第二導(dǎo)軌與所述第一導(dǎo)軌垂直，所 述伺服電機(jī)為4個(gè)，其中2個(gè)伺服電機(jī)的軸分別與所述支撐梁固定連接。
[0015] 進(jìn)一步，所述反射鏡表面鍍有對(duì)激光器輸出的激光高反射率的膜。
[0016] 進(jìn)一步，所述激光頭還包括變焦系統(tǒng)，所述變焦系統(tǒng)設(shè)置在所述雙軸晶體的一側(cè)， 所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)位于雙軸晶體和變焦系統(tǒng)之間。
[0017] 進(jìn)一步，所述變焦系統(tǒng)由共光軸設(shè)置的第一凸透鏡和第二凸透鏡組成。
[0018] 另，一種利用如上所述的激光加工系統(tǒng)進(jìn)行激光加工的方法，包括以下步驟：
[0019] (1)根據(jù)加工的需要，調(diào)節(jié)第一固定架的位置，確定光路長(zhǎng)度；
[0020] (2)由激光器輸出的激光依次經(jīng)過(guò)反射鏡反射后，將激光引入激光頭，得到入射光 束；
[0021] (3)入射光束透過(guò)聚焦透鏡后，得到會(huì)聚光束；
[0022] (4)會(huì)聚光束入射到雙軸晶體，入射時(shí)會(huì)聚光束與雙軸晶體光軸平行，透過(guò)雙軸晶 體后，得到瓶狀光束，所述瓶狀光束具有雙焦點(diǎn)，并且焦像平面處呈環(huán)形；
[0023] (5)利用瓶狀光束的焦點(diǎn)加工或者利用焦像平面的環(huán)形光束打孔。
[0024] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0025] 1、利用雙軸晶體的圓錐折射作用，將經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后的高斯光束轉(zhuǎn)變成為圓錐折 射光束，相比于傳統(tǒng)的高斯光束，在光束傳播方向上先后形成兩個(gè)焦點(diǎn)，且兩焦點(diǎn)之間光束 先發(fā)散成環(huán)形后再次匯聚，根據(jù)這樣的特性，利用空心環(huán)形部分繞過(guò)小尺寸的障礙物，后焦 點(diǎn)直接作用于工件加工面進(jìn)行加工，加工效率提高；
[0026] 2、利用雙軸晶體的圓錐折射作用，將經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后的高斯光束轉(zhuǎn)變成為圓錐折 射光束，在焦像平面處，環(huán)形光束的發(fā)散角幾乎為〇,即波矢方向發(fā)散角很小，用于激光切割 得到的孔垂直度較好，穩(wěn)定性高；
[0027] 3、利用變焦系統(tǒng)將瓶狀光束成像，根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一凸透鏡和第二凸透鏡之間的 距離，即可得到不同光場(chǎng)半徑的環(huán)形光束，適用于各種工件的加工，無(wú)需改變外光路系統(tǒng)， 加工效率高；
[0028] 4、采用第一固定架、第二固定架和框架可滑動(dòng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二維方向上移動(dòng)激光 頭，移動(dòng)后無(wú)需再調(diào)節(jié)反射鏡，提高加工效率；
[0029] 5、根據(jù)待加工工件的厚度、材質(zhì)等，調(diào)節(jié)第一固定架和第二固定架的位置，即調(diào)節(jié) 激光光路長(zhǎng)度，得到適合的激光能量，調(diào)節(jié)快速簡(jiǎn)便，提高加工效率，同時(shí)不破壞激光光路 的穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明的光束傳輸路線示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明的激光頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4為瓶狀光束照片。
[0034] 圖中：1一框架，11-橫梁，12-支撐梁，13-第一導(dǎo)軌，14-第二導(dǎo)軌，2-激光器， 3-激光頭，31-聚焦透鏡，32-雙軸晶體，33-第一凸透鏡，34-第二凸透鏡，35-瓶狀光 束，36-前焦點(diǎn)，37-焦像平面，38-后焦點(diǎn)，39-像面，4一第一固定架，5-第二固定架， 61一反射鏡，62-反射鏡，63-反射鏡，71-伺服電機(jī)，72-伺服電機(jī)，8-入射光束。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
[0036] 實(shí)施例一：
[0037] 如圖1和圖2所示，一種激光加工系統(tǒng)，包括框架1、激光器2、激光頭3、第一固定 架4、第二固定架5、反射鏡61、反射鏡62、反射鏡63、2個(gè)伺服電機(jī)71和2個(gè)伺服電機(jī)72 ; 所述框架1為"門"形，包括橫梁11和2個(gè)支撐梁12,所述激光器2固定連接在所述框架1 上。所述橫梁11上設(shè)有水平方向的第一導(dǎo)軌13,所述第一固定架4和第二固定架5均為 "工"形，第一固定架4和第二固定架5均橫跨于橫梁11上，所述第一固定架4內(nèi)側(cè)和第二 固定架5內(nèi)側(cè)均設(shè)有第一滑塊，所述第一滑塊與所述第一導(dǎo)軌13相配合，橫梁11為槽型結(jié) 構(gòu)，伺服電機(jī)72位于橫梁11的槽內(nèi)，所述伺服電機(jī)72的軸分別與第一固定架4和第二固 定架5固定連接，分別帶動(dòng)第一固定架4和第二固定架5沿第一導(dǎo)軌13移動(dòng)，反射鏡63和 激光頭3均與第一固定架4固定連接，反射鏡61和反射鏡62固定連接于第二固定架5的 一端。所述支撐梁12底部均設(shè)有第二導(dǎo)軌14和第二滑塊，所述第二導(dǎo)軌14和所述第二滑 塊相配合，所述第二導(dǎo)軌14與所述第一導(dǎo)軌13垂直，2個(gè)伺服電機(jī)71的軸分別與所述支撐 梁12固定連接，伺服電機(jī)72固定連接于工作臺(tái)上，伺服電機(jī)72帶動(dòng)框架1移動(dòng)。
[0038] 如圖3所示，所述激光頭3內(nèi)設(shè)有聚焦透鏡31、雙軸晶體32和變焦系統(tǒng)，所述變焦 系統(tǒng)設(shè)置在所述雙軸晶體32的一側(cè)，所述聚焦透鏡31的焦點(diǎn)位于雙軸晶體32和變焦系統(tǒng) 之間，所述聚焦透鏡31和其焦點(diǎn)分別位于所述雙軸晶體32的兩側(cè)；所述變焦系統(tǒng)由共光軸 設(shè)置的第一凸透鏡33和第二凸透鏡34組成。各個(gè)部件按照激光傳輸路徑依次排列為：激 光器1、反射鏡61、反射鏡62、反射鏡63、聚焦透鏡31、雙軸晶體32、第一凸透鏡33和第二 凸透鏡34。所述激光器2輸出的激光與所述雙軸晶體32的光軸平行。所述反射鏡61、反 射鏡62和反射鏡63表面均鍍有對(duì)激光器2輸出的激光高反射率的膜。
[0039] 激光器2為固體激光器或氣體激光器，發(fā)射的激光光束波長(zhǎng)范圍為全波段，激光 器的能量范圍，依據(jù)不同的加工方式需要選擇輸出能量，若是焦點(diǎn)加工需控制焦像平面處 的功率密度小于損傷閾值，若是焦像平面加工需提高輸出能量實(shí)現(xiàn)加工效果。
[0040] 另，本發(fā)明還提供一種利用如上所述的激光加工系統(tǒng)進(jìn)行激光加工的方法，包括 以下步驟：
[0041] (1)如圖2所示，根據(jù)加工的需要，調(diào)節(jié)第一固定架4和第二固定架5的位置，確定 光路長(zhǎng)度z = ，其中，I1S激光器2與反射鏡61的距尚，12為反射鏡61與反射 鏡62的距離，13為反射鏡62與反射鏡63的距離，1 4為反射鏡63與激光頭3的距離；
[0042] (2)由激光器2輸出的激光依次經(jīng)過(guò)反射鏡61、反射鏡62和反射鏡63反射后，將 激光引入激光頭3,得到入射光束8 ;
[0043] (3)入射光束8透過(guò)聚焦透