一種旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的旋轉(zhuǎn)光束組鉆孔系統(tǒng)及鉆孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光鉆孔加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的旋轉(zhuǎn)光束組鉆孔系統(tǒng)及鉆孔方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的激光鉆孔，在一個鉆孔位置上的鉆孔，基本都是從激光光源的脈沖重復(fù)頻率的提高、激光光束整形、光束掃描的速度的提高幾個方面考慮，對于激光光源的脈沖重復(fù)頻率的提高，已經(jīng)從當(dāng)初幾十千赫茲提升到一兆赫茲或者更高;激光光束整形則被更多人嘗試，主要是平頂光斑的應(yīng)用;光束掃描已經(jīng)從振鏡掃描提升到電光掃描、聲光掃描、高速旋轉(zhuǎn)掃描等，但是電光掃描與聲光掃描在器件的熱穩(wěn)定性變化帶來的掃描位置精度的變化方面面臨一些困難，高速旋轉(zhuǎn)掃描不能夠解決掃描孔徑的變化。不論如何，在于一個具體的微孔鉆孔，上述思路一致圍繞激光光源、激光光束變換、激光光速旋轉(zhuǎn)掃描這個思路進(jìn)行，這是一種串行思維模式，是局限在“單車道”上面解決問題，本發(fā)明跳出串行思維模式，采用了并行思維模式，即“多車道”思維模式，從時間與空間兩個空間考慮解決不同孔徑的陣列微孔特別是陣列盲孔的高速掃描問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的旋轉(zhuǎn)光束組鉆孔系統(tǒng)及鉆孔方法，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:
[0005]—方面，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的旋轉(zhuǎn)光束組鉆孔系統(tǒng)，包括包括激光器組、激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組、激光合束器、振鏡掃描平場聚焦模塊、激光鉆孔同步控制模塊和待加工工件；
[0006]所述激光器組，包括至少一個激光器，用于發(fā)射兩束或兩束以上的鉆孔激光束；
[0007]所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組，包括兩個或兩個以上的激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器，每一個激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器對應(yīng)一束鉆孔激光束，每一個所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器，用于對對應(yīng)的鉆孔激光束進(jìn)行運(yùn)動空間調(diào)制，獲得對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束，并入射激光合束器，其中，每一束旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束的光軸與該旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束的旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的夾角大于O弧度小于20毫弧度；
[0008]所述激光合束器，用于對入射的多束旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束進(jìn)行合束，輸出旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組，其中，合束后的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組內(nèi)的多束旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束光軸空間旋轉(zhuǎn)對稱軸之間空間平行(含同軸)或者近似平行(含近似同軸)，所述近似平行(含近似同軸)是指所述旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組內(nèi)各旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束間的光軸旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的空間夾角小于I毫弧度；
[0009]所述振鏡掃描平場聚焦模塊，包括掃描振鏡和掃描平場聚焦鏡，所述旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組入射掃描振鏡后輸出振鏡掃描光束組，所述振鏡掃描光束組入射掃描平場聚焦鏡，獲得旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組，其中，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組內(nèi)各激光焦點(diǎn)中心的運(yùn)動軌跡為同心圓或者近似同心圓，所述近似同心圓是指旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組內(nèi)各激光焦點(diǎn)中心運(yùn)動圓形軌跡的圓心離散度小于50微米，所述同心圓或者近似同心圓的直徑小于300微米;所述掃描振鏡，用于控制振鏡掃描光束組高速切換進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組在待加工工件的不同加工孔位之間進(jìn)行高速切換，或者，用于在待加工工件的一個加工孔位對旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組進(jìn)行輔助運(yùn)動調(diào)制；
[0010]所述激光鉆孔同步控制模塊，用于控制所述激光器組、激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組和振鏡掃描平場聚焦模塊之間協(xié)同動作。
[0011]其中，所述激光器組，包括至少一個激光器，如果是一臺激光器，指該激光束輸出光束可以分束為多光束，可以由所述激光鉆孔同步控制模塊直接控制激光器開關(guān)光，或者采用外調(diào)制光開關(guān)分別控制每一束光束的開關(guān)光，所述外調(diào)制光開關(guān)也由所述激光鉆孔同步控制模塊控制。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:多束鉆孔激光束經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)調(diào)制并進(jìn)行激光合束后，輸出旋轉(zhuǎn)對稱軸線空間平行(含同軸)或者近似平行(含近似同軸)的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組，經(jīng)過振鏡掃描平場聚焦模塊，在待加工工件上形成旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組，旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組內(nèi)各激光焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軌跡為同心圓或者近似同心圓，激光聚焦焦點(diǎn)組從時間與空間兩個維度對待加工工件的同一加工孔位進(jìn)行加工，成倍提高激光鉆孔效率，結(jié)合振鏡掃描將激光聚焦焦點(diǎn)組在孔與孔之間進(jìn)行高速位置切換等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效高精度高質(zhì)量激光群孔鉆孔。
[0013]平行的激光束經(jīng)相同角度入射平場聚焦鏡，在入射角度與位置處于平場聚焦鏡入射范圍內(nèi)時，所有平行激光束的聚焦焦點(diǎn)空間重合，從光學(xué)的另一個角度看，可以把所有平行光束看做一束激光束，經(jīng)過聚焦后焦點(diǎn)當(dāng)然只有一個;經(jīng)相同角度入射平場聚焦鏡，在入射角度與位置處于平場聚焦鏡入射范圍內(nèi)時，所有旋轉(zhuǎn)對稱軸平行(含同軸)或者近似平行(含近似同軸)的激光束的聚焦焦點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為同心圓或者近似同心圓；因此，所有上述旋轉(zhuǎn)激光束組可以對同一待加工的孔(特別是盲孔)進(jìn)行加工，從時間與空間兩個方面直接成倍提高微孔加工速度，時間上是指這些鉆孔激光束同時或者先后對同一孔進(jìn)行加工，空間上是指這些鉆孔激光束的聚焦聚焦焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軌跡是同心圓或者近似同心圓，都在一個孔位范圍內(nèi)對同一孔進(jìn)行加工。這是本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)。不同的光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制方式的組合，又體現(xiàn)出除了加工效率以外的更多的群孔盲孔加工的優(yōu)越性。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以作如下改進(jìn)。
[0015]進(jìn)一步的，所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器為聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器或壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡或電流計驅(qū)動反射鏡或電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件或者電流計擺動折射棱鏡光學(xué)元件中的任意一種或多種的串聯(lián)組合。
[0016]所述任意一種或多種的串聯(lián)組合是指種類而言，對于透射光束偏擺調(diào)制方式或者反射光束偏擺調(diào)制方式而言，要形成旋轉(zhuǎn)的光束，至少需要兩個元件串聯(lián)，即聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器或壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡或電流計驅(qū)動反射鏡或擺動折射棱鏡光學(xué)元件需要至少兩件串聯(lián)使用才可以實(shí)現(xiàn)光束旋轉(zhuǎn)。
[0017]進(jìn)一步的，還包括激光擴(kuò)束器組，所述激光擴(kuò)束器組包括兩只或兩只以上的激光擴(kuò)束器，所述鉆孔激光束組內(nèi)的每一束鉆孔激光束對應(yīng)一只激光擴(kuò)束器；
[0018]當(dāng)所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器為聲光偏轉(zhuǎn)器或電光偏轉(zhuǎn)器或壓電陶瓷驅(qū)動反射鏡或電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件或電流計擺動折射棱鏡光學(xué)元件中的任意一種或多種的串聯(lián)組合時，所述激光擴(kuò)束器組位于所述激光器組和激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組之間，用于對激光器組發(fā)射的多束鉆孔激光束進(jìn)行擴(kuò)束;或者，所述激光擴(kuò)束器組位于激光旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組和激光合束器之間，用于對多束旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束進(jìn)行擴(kuò)束;或者，所述激光擴(kuò)束器組位于激光合束器和所述掃描平場聚焦模塊之間，用于對合束后的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組進(jìn)行擴(kuò)束；
[0019]當(dāng)所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器為電流計驅(qū)動反射鏡時，所述激光擴(kuò)束器組位于激光旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組和激光合束器之間，用于對多束旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束進(jìn)行擴(kuò)束;或者，所述激光擴(kuò)束器組位于激光合束器和所述掃描平場聚焦模塊之間，用于對合束后的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組進(jìn)行擴(kuò)束。
[0020]所述進(jìn)一步的有益效果為:激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組調(diào)制鉆孔激光束的旋轉(zhuǎn)全角角度處于振鏡高頻掃描區(qū)間，使得振鏡具備最高的往返掃描頻率，經(jīng)過擴(kuò)束倍率為N倍的激光擴(kuò)束器的旋轉(zhuǎn)擺動角度壓縮，擴(kuò)束后的旋轉(zhuǎn)激光束的旋轉(zhuǎn)擺角變?yōu)閿U(kuò)束器入射光束旋轉(zhuǎn)擺角的N分之一，這樣，宏觀的高速掃描振鏡高頻往返掃描經(jīng)過所述擴(kuò)束器后獲得精細(xì)角度分辨率的微觀高速掃描，既能夠提高掃描頻率，又獲得精細(xì)角度掃描分辨率，非常適合于激光精密微加工。
[0021 ]類似的思想是鉆孔激光束擴(kuò)束以后，電流計驅(qū)動折射棱鏡光學(xué)元件掃描鉆孔激光束，由于擺動折射棱鏡光學(xué)元件，透射的激光束擺動角度可以減少為棱鏡擺動角度的十分之一甚至千分之一，如此可以使得電流計工作在最佳掃描頻率范圍內(nèi)獲得最快掃描頻率，使得高速電流計的宏觀掃描加工變?yōu)槲⒂^掃描加工。激光擴(kuò)束器的位置不同，對鉆孔激光束光軸旋轉(zhuǎn)全角設(shè)計時也會有所改變，因為激光擴(kuò)束器有旋轉(zhuǎn)角度壓縮功能，光束旋轉(zhuǎn)角度壓縮率理論上為擴(kuò)束器的倍率。
[0022]進(jìn)一步，當(dāng)所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組為電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件和電流計驅(qū)動反射鏡的并聯(lián)組合，或者所述激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器組為電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件和電流計驅(qū)動折射棱鏡光學(xué)元件的并聯(lián)組合時，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組內(nèi)激光焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)形成的同心圓或者近似同心圓軌跡中，中心的圓形軌跡由電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件對透射鉆孔激光束旋轉(zhuǎn)形成，其他的圓形軌跡由電流計驅(qū)動反射鏡對反射的鉆孔激光束旋轉(zhuǎn)形成或者電流計驅(qū)動折射棱鏡光學(xué)元件對透射的鉆孔激光束旋轉(zhuǎn)形成。
[0023]所述進(jìn)一步的有益效果為:旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組內(nèi)各激光聚焦焦點(diǎn)運(yùn)動形成的同心圓軌跡中，中心圓形軌跡曲線的曲率太大，電流計驅(qū)動反射鏡方式，即傳統(tǒng)振鏡電機(jī)驅(qū)動振鏡鏡片方式的激光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制器無法完成高速的掃描，即使電流計驅(qū)動反射鏡低速旋轉(zhuǎn)調(diào)制鉆孔激光束，也存在用多邊形無限接近圓形的擬合過程，光束旋轉(zhuǎn)調(diào)制效率低，效果也不好，因此中心圓形軌跡曲線避免采用振鏡掃描(電流計驅(qū)動反射鏡方式)，而該中心圓形軌跡由電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡光學(xué)元件對透射鉆孔激光束旋轉(zhuǎn)掃描，所獲得的圓形軌跡曲線平滑，如此一來，振鏡掃描外圍同心圓軌跡，具備柔性掃描能力，可以掃描多圈同心圓軌跡，而電主軸電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描中心同心圓軌跡，所掃描軌跡曲線光滑無比，這是一種非常完美的光束掃描組合。
[0024]進(jìn)一步的，在所述激光合束器與所述振鏡掃描平場聚焦模塊之間串入激光折射掃描模塊，所述激光折射掃描模塊，包括兩個或者兩個以上串聯(lián)的透明棱鏡光學(xué)元件，每一個透明棱鏡光學(xué)元件安裝在對應(yīng)的振鏡電機(jī)主軸上，用于在振鏡電機(jī)的驅(qū)動下進(jìn)行擺動，以調(diào)整合束后的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組的偏移角度變化量，以及在所述激光鉆孔同步控制模塊的控制下，對合束后的旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束組進(jìn)行復(fù)合掃描運(yùn)動。
[0025]所述進(jìn)一步的有益效果為:安裝光學(xué)元件的電機(jī)主軸擺動同樣的角度，折射棱鏡光學(xué)元件對透射光束的偏擺角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反射鏡對反射光束的偏擺角度，因此采用激光折射掃描模塊，可以極大的提高光束偏擺復(fù)合運(yùn)動的精度，所述激光鉆孔同步控制模塊控制所述激光折射掃描模塊對透射光束進(jìn)行復(fù)合偏擺運(yùn)動，解決原有孔徑不可連續(xù)調(diào)整問題。
[0026]進(jìn)一步的，還包括加熱與清洗激光器;所述加熱與清洗激光器設(shè)置于所述激光合束器之前，用于發(fā)射加熱與清洗激光束；
[0027]所述加熱與清洗激光束經(jīng)激光合束器進(jìn)入所述振鏡掃描平場聚焦模塊時，其光軸與任一旋轉(zhuǎn)鉆孔激光束的光軸旋轉(zhuǎn)對稱軸之間的夾角小于I毫弧度;所述加熱與清洗激光束經(jīng)過所述振鏡掃描平場聚焦模塊聚焦后獲得激光加熱與清洗光斑，其中，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組的運(yùn)動軌跡處于該激光加熱與清洗光斑范圍內(nèi)；
[0028]當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組對待加工工件進(jìn)行掃描鉆孔時，所述激光加熱與清洗激光光斑在所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組出光前或出光時對掃描鉆孔區(qū)域進(jìn)行時空同步的激光加熱與清洗預(yù)處理;或者，在所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組出光時或關(guān)光后后對掃描鉆孔區(qū)域進(jìn)行時空同步的激光照射清洗。
[0029]所述進(jìn)一步的有益效果為:所述時空同步，指在對待加工工件的具體孔位鉆孔時，在空間上，所述激光加熱與清洗光斑與激光平場聚焦鏡以及待加工工件相對靜止，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組與待加工工件相對運(yùn)動，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組僅限于在所述激光加熱與清洗光斑范圍內(nèi)掃描鉆孔，所述激光加熱與清洗光斑與所述聚焦焦點(diǎn)組運(yùn)動軌跡在空間上是包含與被包含的關(guān)系；在時間上，所述鉆孔旋轉(zhuǎn)激光束聚焦焦點(diǎn)組與所述激光加熱與清洗光斑相配合加工時，所述兩類激光出光時序可以根據(jù)鉆孔加工工藝的需要進(jìn)行調(diào)整，所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組對待加工工件進(jìn)行掃描鉆孔時，所述激光加熱與清洗光斑可在所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組出光前或者出光時對掃描鉆孔區(qū)域進(jìn)行時空同步激光預(yù)處理，包括但不限于激光加熱或者激光清洗或者激光毛化，也可以在所述旋轉(zhuǎn)激光聚焦焦點(diǎn)組出光時或者關(guān)光后對掃描鉆孔區(qū)域進(jìn)行時空同步激光照射清洗。其好處是，一方面在激光密集鉆孔領(lǐng)域引入了時空同步激光加熱與清洗以及激光毛化，提高了鉆孔激光束的鉆孔效率，也提高了鉆孔質(zhì)量;另一方面，也并沒有因為引入激光預(yù)處理與清洗光束而增加了激光鉆孔期間激光聚焦系統(tǒng)與待加工材料的相對運(yùn)動工時，因為所述兩束激光激光焦點(diǎn)在鉆孔位置是時空同步的，所述加熱與清洗激光只要出光，激光焦點(diǎn)就覆蓋了所述鉆孔激光束焦點(diǎn)的運(yùn)動輪廓范圍，可以實(shí)時進(jìn)行空間同步激光清洗。
[0030]所述清洗指激光清洗，是指采用加熱與清洗激光束照射工