一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法

1.本发明涉及一种制孔方法，具体涉及一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法。


背景技术：

2.现有光楔式的激光螺旋扫描加工装置如图1所示，包括控制系统01、电机组02、平板玻璃03、上偏转光楔04、下偏转光楔05、激光器06、反射镜07和聚焦镜08；其中平板玻璃03、上偏转光楔04、下偏转光楔05、反射镜07和聚焦镜08组成激光螺旋扫描加工头；电机组02包括电机一、电机二和电机三；电机一用于驱动平板玻璃03，电机二用于驱动上偏转光楔04，电机三用于驱动下偏转光楔05。在加工过程中，激光器06发出激光光束通过反射镜07反射进入平板玻璃03，之后首先通过平板玻璃03的倾角变化实现光束的横向偏移，然后再通过上偏转光楔04及下偏转光楔05之间的相位夹角变化实现不同直径圆环的激光扫描轨迹，最终经聚焦镜08将光束聚焦于待加工零件表面上进行孔加工。
3.然而，现有光楔式的螺旋扫描激光装置通常仅能用于圆孔的加工，难以实现三角孔、方孔等的加工；现有扫描振镜、压电陶瓷等装置可以实现xy平面内任意位置的光束扫描，但无法精准调控光束空间姿态，难以实现不同孔型(正锥、倒锥、直孔)的加工；中国专利cn111805099a公开了一种基于区域调制技术的激光扫描装置及扫描方法实现了光束轨迹位置与激光器能量之间的协同控制，可以用于扇形、方形等异型孔的加工，但是其异型孔的锥度无法精准控制，难以实现高品质异型孔加工。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有装置对异型孔加工时，难以对异型孔非锥度进行精准控制，难以实现高品质异型孔加工的技术问题，而提供一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.步骤1、输入待加工异型孔的图形数据至激光螺旋扫描加工装置的控制系统；
8.步骤2、根据待加工异型孔的内切圆或外接圆直径和图形数据调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈倒锥、正锥或竖直状态；
9.步骤3、将待加工异型孔的预设加工参数输入至控制系统；
10.步骤4、控制激光螺旋扫描加工装置中的电机一、电机二和电机三分别以各自的预设转速旋转，控制激光光束以预设螺旋扫描轨迹进行扫描；
11.步骤5、由于激光光束按照预设螺旋扫描轨迹在边缘处的轨迹为圆形，为了实现异型孔的加工，在激光光束以预设螺旋扫描轨迹进行异型孔加工的过程中，通过控制系统实时解析激光光束的位置是否在待加工异型孔的加工范围内；如在，则开启激光螺旋扫描加
工装置中的激光器进行扫描；如不在，则不开启激光器；通过这种选择性开闭激光器的方式，在扫描至异型孔的轮廓边缘处时，可以按照异型孔的形状进行加工；
12.步骤6、控制激光螺旋扫描加工装置中的螺旋扫描激光加工头根据预设加工参数向下进给，并返回步骤4，对待加工异型孔的下一层进行加工，直至按照预设加工参数完成异型孔的加工。
13.进一步地，在步骤4中，所述预设螺旋扫描轨迹满足以下关系：
[0014][0015]
式中：x和y分别为激光光束在待加工零件上的坐标；θm为上偏转光楔和下偏转光楔相对旋转的角速度；θv为螺旋扫描角速度；α为上偏转光楔和下偏转光楔的楔角；n为上偏转光楔和下偏转光楔的折射率；f为聚焦镜的焦距；t为加工时刻。
[0016]
进一步地，所述θv＝251.3274rad/s，f＝100mm，n＝1.50899，α＝0.006rad，θm＝1.5708rad/s。
[0017]
进一步地，在步骤1中，所述图形数据包括待加工异型孔的点位坐标和类型。
[0018]
进一步地，所述待加工异形孔的类型为三角形倒锥孔，或三角形直孔；
[0019]
步骤2具体为：根据待加工异型孔的内切圆直径调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈倒锥或竖直状态。
[0020]
进一步地，所述待加工异型孔的类型为三角形正锥孔；
[0021]
步骤2具体为：根据待加工异型孔的外接圆直径调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈正锥状态。
[0022]
进一步地，在步骤3中，所述预设加工参数包括螺旋扫描轨迹的层数、螺旋扫描激光加工头的进给量、激光器的功率、脉冲重复频率。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明通过调节平板玻璃的倾角来调节输出激光光束的角度，从而实现待加工孔的锥度调节，实现异型孔锥度的精准控制；通过控制电机一、电机二和电机三分别以各自的预设速度转动，从而控制激光光束以预设螺旋扫描轨迹进行异型孔加工；并通过控制系统实时解析激光光束的加工位置，只在加工范围内控制激光器发出激光进行加工，从而实现不同大小异型孔的加工。
附图说明
[0025]
图1是现有激光螺旋扫描加工装置的结构示意图；
[0026]
图2是本发明实施例中激光光束为正锥状态的示意图；
[0027]
图3是本发明实施例中激光光束为倒锥状态的示意图；
[0028]
图4是本发明实施例中的螺旋扫描轨迹图。
[0029]
图中：01-控制系统，02-电机组，03-平板玻璃,04-上偏转光楔，05-下偏转光楔，06-激光器，07-反射镜，08-聚焦镜。
具体实施方式
[0030]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
[0031]
实施例一
[0032]
本实施例一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，包括以下步骤：
[0033]
步骤1、输入待加工异型孔的图形数据至激光螺旋扫描加工装置的控制系统01，该图形数据包括待加工异型孔的点位坐标和类型等数据信息；在本实施例中，以待加工异型孔的类型为三角形倒锥孔，或三角形直孔进行举例说明；
[0034]
步骤2、根据待加工异型孔的内切圆直径和图形数据调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃03的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈倒锥(参考图3)或竖直状态；其中倒锥状态用于加工三角形倒锥孔，竖直状态用于加工三角形直孔；
[0035]
步骤3、将待加工异型孔的预设加工参数输入至控制系统01，该预设加工参数包括螺旋扫描轨迹的层数、螺旋扫描激光加工头的进给量、激光器的功率、脉冲重复频率等；
[0036]
步骤4、控制激光螺旋扫描加工装置中的电机一、电机二和电机三分别以各自的预设转速旋转，控制激光光束以预设螺旋扫描轨迹(参考图4)进行扫描；
[0037]
预设螺旋扫描轨迹满足以下关系：
[0038][0039]
式中：x和y分别为激光光束在待加工零件上的坐标；θm为上偏转光楔04和下偏转光楔05相对旋转的角速度；θv为螺旋扫描角速度；α为上偏转光楔04和下偏转光楔05的楔角；n为上偏转光楔04和下偏转光楔05的折射率；f为聚焦镜08的焦距；t为加工时刻。
[0040]
具体的，在本实施例中，θv＝251.3274rad/s，f＝100mm，n＝1.50899，α＝0.006rad，θm＝1.5708rad/s。
[0041]
步骤5、在激光光束以预设螺旋扫描轨迹进行异型孔加工的过程中，通过控制系统01实时解析激光光束的位置是否在待加工异型孔的加工范围内；如在，则开启激光螺旋扫描加工装置中的激光器06进行扫描；如不在，则不开启激光器06；从而使得激光只对加工区域内进行加工，不对加工区域外进行加工，实现预设形状的异型孔轮廓边缘加工；
[0042]
步骤6、控制激光螺旋扫描加工装置中的螺旋扫描激光加工头根据预设加工参数向下进给，并返回步骤4，对待加工异型孔的下一层进行加工，直至按照预设加工参数完成异型孔加工。
[0043]
实施例二
[0044]
在本实施例中，待加工异型孔的类型为三角形正锥孔；与实施例一的不同之处在于，步骤2具体为：根据待加工异型孔的外接圆直径调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃03的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈正锥状态(参考图2)。其他步骤与实施例一相同。
[0045]
在本发明的其他实施例中，若待加工异型孔的类型为方形(或其他多边形、不规则弧形等异型)倒锥孔和方形直孔可以按照实施例一的步骤进行加工，若待加工异型孔的类型为方形正锥孔可按照实施例二的步骤进行加工。
[0046]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、输入待加工异型孔的图形数据至激光螺旋扫描加工装置的控制系统；步骤2、根据待加工异型孔的内切圆或外接圆直径和图形数据调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈倒锥、正锥或竖直状态；步骤3、将待加工异型孔的预设加工参数输入至控制系统；步骤4、控制激光螺旋扫描加工装置中的电机一、电机二和电机三分别以各自的预设转速转动，从而控制激光光束以预设螺旋扫描轨迹扫描，进行异型孔的加工；步骤5、在扫描过程中，通过控制系统实时解析激光光束的位置是否在待加工异型孔的加工范围内；如在，则开启激光螺旋扫描加工装置中的激光器进行扫描；如不在，则不开启激光器；步骤6、控制激光螺旋扫描加工装置中的螺旋扫描激光加工头根据预设加工参数向下进给，并返回步骤4，对待加工异型孔的下一层进行加工，直至按照预设加工参数完成异型孔的加工。2.根据权利要求1所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：在步骤4中，所述预设螺旋扫描轨迹满足以下关系：式中：x和y分别为激光光束在待加工零件上的坐标；θ
m
为上偏转光楔和下偏转光楔相对旋转的角速度；θ
v
为螺旋扫描角速度；α为上偏转光楔和下偏转光楔的楔角；n为上偏转光楔和下偏转光楔的折射率；f为聚焦镜的焦距；t为加工时刻。3.根据权利要求2所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：所述θ
v
＝251.3274rad/s，f＝100mm，n＝1.50899，α＝0.006rad，θ
m
＝1.5708rad/s。4.根据权利要求1-3任一所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：在步骤1中，所述图形数据包括待加工异型孔的点位坐标和类型。5.根据权利要求4所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：所述待加工异形孔的类型为三角形倒锥孔，或三角形直孔；步骤2具体为：根据待加工异型孔的内切圆直径调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈倒锥或竖直状态。6.根据权利要4所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：所述待加工异型孔的类型为三角形正锥孔；步骤2具体为：根据待加工异型孔的外接圆直径调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角，使得激光螺旋扫描加工装置输出的激光光束呈正锥状态。7.根据权利要求1-3任一所述的一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，其特征在于：在步骤3中，所述预设加工参数包括螺旋扫描轨迹的层数、螺旋扫描激光加工头的进给量、激光器的功率、脉冲重复频率。

技术总结
本发明涉及一种光束空间轨迹精密调控的异型孔加工方法，主要解决现有装置对异型孔加工时，难以对异型孔非锥度进行精准控制，难以实现高品质异型孔加工的技术问题。包括以下步骤：步骤1、输入待加工异型孔的图形数据；步骤2、根据待加工异型孔的内切圆或外接圆直径和图形数据调节激光螺旋扫描加工装置中平板玻璃的倾角；步骤3、输入待加工异型孔的预设加工参数；步骤4、控制激光光束以预设螺旋扫描轨迹进行扫描；步骤5、控制激光光束只在加工区域内打开，按照异型孔的形状进行加工；步骤6、控制螺旋扫描激光加工头根据预设加工参数向下进给，并返回步骤4，对待加工异型孔的下一层进行加工，直至完成异型孔的加工。直至完成异型孔的加工。直至完成异型孔的加工。


技术研发人员：李明 江浩
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/23