一种五维激光扫描加工装置及方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种五维激光扫描加工装置及方法。


背景技术：

2.五维激光扫描加工装置利用其自身的光机电设备实现光束在空间的多维度变化，得到复杂的空间光轨迹。
3.传统的激光加工设备通常需要与机械臂、数控机床等组成多轴激光加工系统，完成某些复杂零部件的高效精细加工，这种方式虽然能实现某些复杂零部件加工，但其主要靠数控机床的多轴运动能力，在加工过程中由于机床的多轴运动的误差限制加工精度与质量，并且机床加工速度慢、连续启停造成的磨损误差影响了原本激光加工技术的高速、高效性。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种五维激光扫描加工装置及方法，可实现光束在xyz平面以及两倾角α、β的变化，倾角α是指聚焦光束与光轴的夹角向外发散的状态，倾角α是指聚焦光束与光轴的夹角向内汇聚的状态。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种五维激光扫描加工装置，包括激光发射装置、扩束模块4、平面扫描模块6和聚焦模块5，所述激光发射装置用于发出激光束1，扩束模块4用于将激光束1的光束半径扩大，扩束后更有利于激光聚焦，汇聚成更小尺寸的光斑，同时也更容易减小像差，然后进入平面扫描模块6，所述平面扫描模块6是由两成一定角度的两反射镜组成，通过两反射镜的不断偏转实现光束在xy平面的扫描，激光束通过平面扫描模块6后最终进入聚焦模块5汇聚成理想的光斑。
7.在激光束1水平方向末端设置转折光路模块2，所述转折光路模块2用于使激光束1进行90
°
偏转后进入偏移模块3，偏移模块3用于使激光束1再次发生90
°
偏转让其沿着水平方向进入扩束模块4。
8.所述激光束1通过壳体7上的通光孔沿着水平方向进入壳体7内部，转折光路模块2、偏移模块3、扩束模块4、聚焦模块5、平面扫描模块6安装在壳体7内部。
9.所述激光束1实现五维空间的变化是由转折光路模块2、偏移模块3、扩束模块4、聚焦模块5、平面扫描模块6共同决定，其中xy平面的扫描主要由平面扫描模块6的运动导致，z平面的焦点的移动主要是扩束模块4与聚焦模块5的共同作用，而聚焦光束与光轴夹角α、β的调控是多个模块的组合运动导致的。
10.所述转折光路模块2包括一个镜片壳体与一个反射镜片组成，其中反射镜片与水平进入的激光束1成45
°
放置，镜片壳体的作用不仅能安装反射镜片，同时具备对反射镜片有
±2°
的调整功能，使安装后的镜片能将光束反射并垂直入射到偏移模块3。
11.所述偏移模块3包括电机连接板31，偏移移动组32，导轨33，反射镜壳体34，平移板
35，控制电机36；
12.所述电机连接板31通过螺栓孔与壳体7相连，固定在壳体7的内部，电机连接板31上通过轴承、卡环在x轴方向安装固定导轨33，同时通过螺纹孔与控制电机36和偏移移动组32相连，控制电机36另一端的螺纹孔与平移板35相连，平移板35上安装反射镜壳体34，同时反射镜壳体34安装在导轨33上。
13.所述偏移模块3中的反射镜壳体34中装有一成45
°
放置的反射镜片。
14.所述偏移模块32主要是旋转电机321、镜壳322、光楔卡环323，光楔一324，光楔二325，光楔卡环326；
15.光楔一324与光楔二325成平行的状态通过光楔卡环322与光楔卡还236安装在镜壳322中，其中光楔一324的楔边与光楔卡环322的楔边相切，光楔二325的楔边与与光楔卡环236的楔边相切，并且光楔一324的楔边与光楔二325的楔边相互平行；镜壳322固定在旋转电机321上，与旋转电机321同轴，旋转电机321转动时，会带动光楔一324与光楔二325旋转，由于平行双光楔的特性，会使经过的激光束1产生沿着x轴的偏移。
16.所述扩束模块4主要包括电机安装架41、小齿轮42、大齿轮43、驱动电机44、齿轮安装杆45、长曲柄46、短曲柄47、左限位块48、移动镜壳49、高精度水平导轨490、右限位块491、固定镜壳492、固定镜壳493；
17.所述电机安装架41通过螺钉固定在壳体7内部，其形状成u型，其上安装有齿轮安装杆45与驱动电机44，驱动电机44的输出端安装了大齿轮43，大齿轮43与小齿轮42啮合，小齿轮42固定在齿轮安装杆45上，齿轮安装杆45上固定有长曲柄46，长曲柄46与短曲柄47的一端铰接，短曲柄47的另一端与移动镜壳49铰接，当齿轮安装杆45旋转时通过曲柄带动移动镜壳49在高精度水平导轨490移动，高精度水平导轨490固定在壳体7上，两端有左限位块48与右限位块491进行限位，限位块也固定在壳体7的内部，同时固定镜壳492与固定镜壳493均固定在壳体7内部。
18.所述长曲柄46的一端连接齿轮安装杆45，将驱动电机44的转动传递给短曲柄47，而短曲柄47与移动镜壳49铰接带动移动镜壳49往复移动，齿轮安装杆45、长曲柄46、短曲柄47、移动镜壳49组成了曲柄滑块机构，将驱动电机44的转动转变为移动镜壳49的移动。为了保证移动镜壳往复运动的高速度与高精度，高精度水平导轨490可以有效减小往复运动的摩擦，保证运动的高速。
19.所述平面扫描模块5包括x电机51，电机固定架52、y电机53、x反射镜55、y反射镜54；
20.所述电机固定架52固定在壳体7内部，x电机53与y电机54固定在电机固定架52上，成90
°
并且有一定距离，x电机53输出端安装有x反射镜、y电机53上安装有y反射镜54，当电机旋转时便会带动反射镜片旋转，使通过的激光束1在xy两个平面发生偏转。
21.一种五维激光扫描加工装置的使用方法，包括以下步骤；
22.激光束1沿着与壳体7平行的方向进入壳体7内部，经过转折光路模块2将激光束1偏转90
°
入射到偏移模块3后激光束1再次偏转90
°
与入射光方向保持一致进入到扩束模块4，随后进入平面扫描模块6，再经过聚焦模块5实现激光聚焦；
23.保持其他各部件的初始位置不变，通过x电机51调控x反射镜55、同时通过y电机53调控y反射镜54，使进入到平面扫描模块6中的激光束在x反射镜55与y反射镜54的作用下实
现在xy平面扫描；
24.z维度的变化主要来自于扩束模块4，通过移动镜壳49内安装一球面透镜，随着移动镜壳49沿着高精度导轨490的往复运动，使最终经过聚焦模块5汇聚的激光束沿着z轴上下移动，其中移动镜壳49由短曲柄47带动，电机安装架41、长曲柄46，短曲柄47，移动镜壳49组成一曲柄滑块机构，长曲柄46由驱动电机带动大齿轮43转动，并通过齿轮啮合带动小齿轮42运动，小齿轮42带动齿轮安装杆45转动，由于长曲柄46安装在齿轮安装杆45上，因此同时带动长曲柄46开始转动；
25.α、β的调控是由几个模块的共同作用，由于转折光路模块2与偏移模块3的作用，激光束1进入转折模块2后发生两次偏转，后依旧沿着z轴方向进入偏移模块3，由于反射镜壳34沿着x轴上下移动导致激光束沿着z轴产生一定量的偏移，随后进入偏移模块3，由于光楔一324与光楔二325平行放置的作用，会让激光束沿着光轴z轴平行出射，但是当控制电机321带动着光楔一324与光楔二325一起旋转时，激光束也会绕着z轴开始旋转，然后激光束进入扩束模块4，平面扫描模块6，根据偏移的原理扩束模块4与平面扫描模块6的共同作用让激光束产生相应的偏角α、β。
26.本发明的有益效果：
27.本发明可以调节激光束在五个维度甚至多个维度的变化，从而实现聚焦光斑在空间的复杂运动轨迹；
28.当需要加工某些复杂的微结构，如异型孔、异形槽等，可以通过调控多维激光加工头的每个模块，通过模块间的联合运动实现光斑的复杂空间轨迹，完成复杂微结构的加工，相对于与机床组合的加工方式，这种方式更加高效快截。
29.本发明直接控制激光的空间多维度变化，在原本的xyz的三维空间的基础上，增加两偏转角α、β，达到五维甚至多维空间的变化，利用空间光束的多维度变化能力完成复杂结构的高效精细加工。
附图说明：
30.图1是本发明的结构简图。
31.图2是光束偏移模块分解图。
32.图3是光束偏移模块中偏移移动组的分解图。
33.图4是光束扩束模块的分解图。
34.图5平面扫描模块分解图。
具体实施方式
35.下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
36.如图1至图5所示：一种多维激光扫描加工装置，所述激光束1通过壳体7上的通光孔沿着水平方向进入壳体7内部，首先经过转折光路模块2发生90
°
偏转，使光进入偏移模块3，偏移模块3使激光束1再次发生90
°
偏转让其沿着水平方向进入扩束模块4，扩束模块4将激光束1的光束半径扩大到一定倍数，然后进入平面扫描模块6，最终进入聚焦模块5汇聚成理想的光斑，激光束1在壳体7中传导的过程由控制系统8进行控制，通过对相应模块的控制实现激光束在五维空间的变化。
37.所述激光束1通过壳体7上的通光孔沿着水平方向进入壳体7内部，首先经过转折光路模块2发生90
°
偏转，使光进入偏移模块3，偏移模块3使激光束1再次发生90
°
偏转让其沿着水平方向进入扩束模块4，扩束模块4将激光束1的光束半径扩大到一定倍数，然后进入平面扫描模块6，最终进入聚焦模块5汇聚成理想的光斑，激光束1在壳体7中传导的过程由控制系统8进行控制，通过对相应模块的控制实现激光束在五维空间的变化。
38.多维激光加工头在实际加工中，其具有光间光束多维度变化的能力，通过各个模块的相互配合可以实现激光在xyz平面及两倾斜角α、β的变化，相比于传统的激光加工设备，其具有足够的自由度，能实现光束在多维空间的轨迹变化，无需多轴数控机床控制额外的自由度，避免机床加工精度低、速度慢的弊端，充分发挥超快激光加工的优势。
39.如图2、图3所示，所述偏移模块3包括电机连接板31，偏移移动组32，导轨33，反射镜壳体34，平移板35，控制电机36；
40.所述电机连接板31通过螺栓孔与壳体7相连，固定在壳体7的内部，电机连接板31上通过轴承、卡环在x轴方向安装固定导轨33，同时通过螺纹孔与控制电机36和偏移移动组32相连，控制电机36另一端的螺纹孔与平移板35相连，平移板35上安装反射镜壳体34，同时反射镜壳体34安装在导轨33上。
41.所述偏移模块3中的反射镜壳体34中装有一成45
°
放置的反射镜片。
42.激光束1经过转折光路模块2后沿着x负方向垂直进入偏移模块3，偏移模块3中的反射镜壳体34中装有一成45
°
放置的反射镜片，根据反射镜特性，可以将激光束1反射到沿着z轴方向进入扩束模块4，其中控制电机36旋转时会带动平移板35沿着x轴往复运动，同时反射镜壳体34与平移板35沿着导轨34在x轴往复运动，因此反射镜壳体34中的反射镜的移动会导致光束偏离z轴一定的距离进入偏移模块32；
43.所述偏移模块32主要是旋转电机321、镜壳322、光楔卡环323，光楔一324，光楔二325，光楔卡环326；
44.光楔一324与光楔二325成平行的状态通过光楔卡环322与光楔卡还236安装在镜壳322中，其中光楔一324的楔边与光楔卡环322的楔边相切，光楔二325的楔边与与光楔卡环236的楔边相切，并且光楔一324的楔边与光楔二325的楔边相互平行；镜壳322固定在旋转电机321上，与旋转电机321同轴，旋转电机321转动时，会带动光楔一324与光楔二325旋转，由于平行双光楔的特性，会使经过的激光束1产生沿着x轴的偏移。
45.如图4所示：所述扩束模块4主要包括电机安装架41、小齿轮42、大齿轮43、驱动电机44、齿轮安装杆45、长曲柄46、短曲柄47、左限位块48、移动镜壳49、高精度水平导轨490、右限位块491、固定镜壳492、固定镜壳493；
46.所述电机安装架41通过螺钉固定在壳体7内部，其形状成u型，其上安装有齿轮安装杆45与驱动电机44，驱动电机44的输出端安装了大齿轮43，大齿轮43与小齿轮42啮合，小齿轮42固定在齿轮安装杆45上，当驱动电机44旋转时，带动大齿轮43旋转，依据齿轮啮合的原理，带动小齿轮42运动，随即带动齿轮安装杆45旋转，齿轮安装杆45上固定有长曲柄46，长曲柄46与短曲柄47的一端铰接，短曲柄47的另一端与移动镜壳49铰接，当齿轮安装杆45旋转时通过曲柄带动移动镜壳49在高精度水平导轨490移动，高精度水平导轨490固定在壳体7上，两端有左限位块48与右限位块491进行限位，限位块也固定在壳体7的内部，同时固定镜壳492与固定镜壳493均固定在壳体7内部。
47.如图5所示：所述平面扫描模块5包括x电机51，电机固定架52、y电机53、x反射镜55、y反射镜54；
48.所述电机固定架52固定在壳体7内部，x电机53与y电机54固定在电机固定架52上，成90
°
并且有一定距离，x电机53输出端安装有x反射镜、y电机53上安装有y反射镜54，当电机旋转时便会带动反射镜片旋转，使通过的激光束1在xy两个平面发生偏转。
49.本发明的工作原理：五维激光扫描加工装置实现的原理，如图1所示，激光束1沿着与壳体7平行的方向进入壳体7内部，经过转折光路模块2将激光束1偏转90
°
入射到偏移模块3后激光束1再次偏转90
°
与入射光方向保持一致进入到扩束模块4，随后进入平面扫描模块6，再经过聚焦模块5实现激光聚焦；
50.保持其他各部件的初始位置不变，通过x电机51调控x反射镜55、同时通过y电机53调控y反射镜54，使进入到平面扫描模块6中的激光束在x反射镜55与y反射镜54的作用下实现在xy平面扫描；
51.z维度的变化主要来自于扩束模块4，如图4所示，主要是移动镜壳49内安装一球面透镜，随着移动镜壳49沿着高精度导轨490的往复运动，使最终经过聚焦模块5汇聚的激光束沿着z轴上下移动，其中移动镜壳49由短曲柄47带动，电机安装架41、长曲柄46，短曲柄47，移动镜壳49组成一曲柄滑块机构，长曲柄46由驱动电机带动大齿轮43转动，并通过齿轮啮合带动小齿轮42运动，小齿轮42带动齿轮安装杆45转动，由于长曲柄46安装在齿轮安装杆45上，因此同时带动长曲柄46开始转动；
52.α、β的调控是由几个模块的共同作用，其中主要是由于转折光路模块2与偏移模块3的作用，如图2所示，激光束1进入转折模块2后发生两次偏转，后依旧沿着z轴方向进入偏移模块3，由于反射镜壳34沿着x轴上下移动导致激光束沿着z轴产生一定量的偏移，随后进入偏移模块3，如图3所示，由于光楔一324与光楔二325平行放置的作用，会让激光束沿着光轴z轴平行出射，但是当控制电机321带动着光楔一324与光楔二325一起旋转时，激光束也会绕着z轴开始旋转，然后激光束进入扩束模块4，平面扫描模块6，根据偏移的原理扩束模块4与平面扫描模块6的共同作用让激光束产生相应的偏角α、β。

技术特征：
1.一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，包括激光发射装置、扩束模块(4)、平面扫描模块(6)和聚焦模块(5)，所述激光发射装置用于发出激光束(1)，扩束模块(4)用于将激光束(1)的光束半径扩大，然后进入平面扫描模块(6)，平面扫描模块是由两成一定角度的两反射镜组成，通过两反射镜的不断偏转实现光束在xy平面的扫描，激光束通过平面扫描模块(6)后最终进入聚焦模块(5)汇聚成理想的光斑。2.根据权利要求1所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，在激光束(1)水平方向末端设置转折光路模块(2)，所述转折光路模块(2)用于使激光束(1)进行90
°
偏转后进入偏移模块(3)，偏移模块(3)用于使激光束(1)再次发生90
°
偏转让其沿着水平方向进入扩束模块(4)；所述激光束(1)实现五维空间的变化是由转折光路模块(2)、偏移模块(3)、扩束模块(4)、聚焦模块(5)、平面扫描模块(6)共同决定，其中xy平面的扫描主要由平面扫描模块(6)的运动导致，z平面的焦点的移动主要是扩束模块(4)与聚焦模块(5)的共同作用，而聚焦光束与光轴夹角α、β的调控是多个模块的组合运动导致的。3.根据权利要求1所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述激光束(1)通过壳体(7)上的通光孔沿着水平方向进入壳体(7)内部，转折光路模块(2)、偏移模块(3)、扩束模块(4)、聚焦模块(5)、平面扫描模块(6)安装在壳体(7)内部。4.根据权利要求3所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述转折光路模块(2)包括一个镜片壳体与一个反射镜片组成，其中反射镜片与水平进入的激光束(1)成45
°
放置，镜片壳体的作用不仅能安装反射镜片，同时具备对反射镜片有
±2°
的调整功能，使安装后的镜片能将光束反射并垂直入射到偏移模块(3)。5.根据权利要求4所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述偏移模块(3)包括电机连接板(31)，偏移移动组(32)，导轨(33)，反射镜壳体(34)，平移板(35)，控制电机(36)；所述电机连接板(31)通过螺栓孔与壳体(7)相连，固定在壳体(7)的内部，电机连接板(31)上通过轴承、卡环在x轴方向安装固定导轨(33)，同时通过螺纹孔与控制电机(36)和偏移移动组(32)相连，控制电机(36)另一端的螺纹孔与平移板(35)相连，平移板(35)上安装反射镜壳体(34)，同时反射镜壳体(34)安装在导轨(33)上；所述偏移模块(3)中的反射镜壳体(34)中装有一成45
°
放置的反射镜片。6.根据权利要求5所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述偏移模块(32)包括旋转电机(321)、镜壳(322)、光楔卡环(323)，光楔一(324)，光楔二(325)，光楔卡环(326)；光楔一(324)与光楔二(325)成平行的状态通过光楔卡环(322)与光楔卡还(236)安装在镜壳(322)中，其中光楔一(324)的楔边与光楔卡环(322)的楔边相切，光楔二(325)的楔边与与光楔卡环(236)的楔边相切，并且光楔一(324)的楔边与光楔二(325)的楔边相互平行；镜壳(322)固定在旋转电机(321)上，与旋转电机(321)同轴，旋转电机(321)转动时，会带动光楔(324)与光楔(325)旋转，由于平行双光楔的特性，会使经过的激光束(1)产生沿着x轴的偏移。7.根据权利要求1所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述扩束模块(4)包括电机安装架(41)、小齿轮(42)、大齿轮(43)、驱动电机(44)、齿轮安装杆(45)、长曲柄
(46)、短曲柄(47)、左限位块(48)、移动镜壳(49)、高精度水平导轨(490)、右限位块(491)、固定镜壳(492)、固定镜壳(493)；所述电机安装架(41)通过螺钉固定在壳体(7)内部，其形状成u型，其上安装有齿轮安装杆(45)与驱动电机(44)，驱动电机(44)的输出端安装了大齿轮(43)，大齿轮(43)与小齿轮(42)啮合，小齿轮(42)固定在齿轮安装杆(45)上，齿轮安装杆(45)上固定有长曲柄(46)，长曲柄(46)与短曲柄(47)的一端铰接，短曲柄(47)的另一端与移动镜壳(49)铰接，当齿轮安装杆(45)旋转时通过曲柄带动移动镜壳(49)在高精度水平导轨(490)移动，高精度水平导轨(490)固定在壳体(7)上，两端有左限位块(48)与右限位块(491)进行限位，限位块也固定在壳体(7)的内部，同时固定镜壳(492)与固定镜壳(493)均固定在壳体(7)内部。8.根据权利要求7所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述长曲柄(46)的一端连接齿轮安装杆(45)，将驱动电机(44)的转动传递给短曲柄(47)，而短曲柄(47)与移动镜壳(49)铰接带动移动镜壳(49)往复移动，齿轮安装杆(45)、长曲柄(46)、短曲柄(47)、移动镜壳(49)组成了曲柄滑块机构，将驱动电机(44)的转动转变为移动镜壳(49)的移动。9.根据权利要求1所述的一种多维激光扫描加工装置，其特征在于，所述平面扫描模块(5)包括x电机(51)，电机固定架(52)、y电机(53)、x反射镜(55)、y反射镜(54)；所述电机固定架(52)固定在壳体(7)内部，x电机(53)与y电机(54)固定在电机固定架(52)上，成90
°
并且有一定距离，x电机(53)输出端安装有x反射镜、y电机(53)上安装有y反射镜(54)，当电机旋转时便会带动反射镜片旋转，使通过的激光束(1)在xy两个平面发生偏转。10.根据权利要求1-9任一项所述的一种五维激光扫描加工装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤；激光束(1)沿着与壳体(7)平行的方向进入壳体(7)内部，经过转折光路模块(2)将激光束1偏转90
°
入射到偏移模块(3)后激光束(1)再次偏转90
°
与入射光方向保持一致进入到扩束模块(4)，随后进入平面扫描模块(6)，再经过聚焦模块(5)实现激光聚焦；保持其他各部件的初始位置不变，通过x电机(51)调控x反射镜(55)、同时通过y电机(53)调控y反射镜(54)，使进入到平面扫描模块(6)中的激光束在x反射镜(55)与y反射镜(54)的作用下实现在xy平面扫描；z维度的变化主要来自于扩束模块(4)，通过移动镜壳(49)内安装一球面透镜，随着移动镜壳(49)沿着高精度导轨490的往复运动，使最终经过聚焦模块(5)汇聚的激光束沿着z轴上下移动，其中移动镜壳(49)由短曲柄(47)带动，电机安装架(41)、长曲柄(46)，短曲柄(47)，移动镜壳(49)组成一曲柄滑块机构，长曲柄(46)由驱动电机带动大齿轮(43)转动，并通过齿轮啮合带动小齿轮(42)运动，小齿轮(42)带动齿轮安装杆(45)转动，由于长曲柄(46)安装在齿轮安装杆(45)上，因此同时带动长曲柄(46)开始转动；α、β的调控是由几个模块的共同作用，由于转折光路模块(2)与偏移模块(3)的作用，激光束(1)进入转折模块(2)后发生两次偏转，后依旧沿着z轴方向进入偏移模块(3)，由于反射镜壳(34)沿着x轴上下移动导致激光束沿着z轴产生一定量的偏移，随后进入偏移模块(3)，由于光楔一(324)与光楔二(325)平行放置的作用，会让激光束沿着光轴z轴平行出射，但是当控制电机(321)带动着光楔一(324)与光楔二(325)一起旋转时，激光束也会绕着z轴开始旋转，然后激光束进入扩束模块(4)，平面扫描模块(6)，根据偏移的原理扩束模块(4)
与平面扫描模块(6)的共同作用让激光束产生相应的偏角α、β。

技术总结
本发明公开了一种多维激光扫描加工装置及方法，包括水平设置的激光束，在激光束水平方向末端设置转折光路模块，所述转折光路模块用于使激光束进行90


技术研发人员：赵万芹 李凯林 梅雪松 刘斌 孙铮 段文强 王文君 崔健磊 凡正杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/9