一种微激光辅助加工的光路调控装置

1.本发明属于微激光辅助加工技术领域，更具体地，涉及一种微激光辅助加工的光路调控装置。


背景技术：

2.随着航空航天、深海探测等领域的飞速发展，玻璃、陶瓷、半导体等各式硬脆性光学材料因其优异的物理、化学性能而受到广泛关注，但其具有硬度大、断裂韧性小等特性，导致这些材料难以进行超精密加工。
3.原位激光辅助加工是新型的适用于硬脆性光学材料的加工方式，工件材料在激光束局部加热的条件下，工件材料特性发生改变，明显地为工件硬度显著降低，使得材料能更好的塑性去除，在加工过程中，由于工件的软化，加工状态由传统的“硬碰硬”变为“软碰硬”，从而减少了刀具与工件的接触应力，降低刀具磨损。但对于复合材料，不同材料组成对激光的吸收量不同，使得材料本身不同相之间硬度变化趋势不同，在加工过程中存在硬度突变，使得应力发生高频的改变，造成了严重的加工缺陷和刀具崩碎破坏。因此在单一激光辅助加工的基础上，提出了复合场加工，为了满足多场耦合，适应多种刀具和辅助加工装置，需要对原位激光进行自主调控，实现聚焦位置的改变。
4.然而，传统的微激光辅助加工装置多会用红光指示光确定对焦位置与状态，激光通路所用透镜均为不镀膜，使得红光波长与激光波长都只有80％左右的透过率，导致激光能量损耗(反射)和干扰。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微激光辅助加工的光路调控装置，在不改变聚焦位置的前提下，能实现对焦后用镀膜透镜实现激光聚焦，有效减少激光能量损耗(反射)，提升抗干扰能力以及抗紫外线能力。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种微激光辅助加工的光路调控装置，其特征在于，包括控制机构和两轴微动机构，所述两轴微动机构上固定设有z轴调节机构，所述z轴调节机构上安装有透镜组合对焦机构和离焦调控机构，其中，
7.所述透镜组合对焦机构，包括旋转控制组件和多个等间距排列设置的透镜组件，各透镜组件中均含有不镀膜透镜和与所述不镀膜透镜的曲率半径和透镜类型相同的镀膜透镜；在外部微激光辅助加工装置进行激光对焦调整时，控制机构用于根据微激光辅助加工装置的耦合场和外部刀具的位置发送第一控制信号，所述旋转控制组件用于根据第一控制信号控制合适组合的透镜组件中的不镀膜透镜旋转到工作位置，进入到激光的传播区域，同时旋转控制组件还用于在对焦调整完成后，根据控制机构发送的第二控制信号控制合适组合的透镜组件中不镀膜透镜和镀膜透镜的位置更换；
8.所述离焦调控机构，用于在合适组合的透镜组件中的不镀膜透镜旋转到工作位置时，根据所述控制机构发送的第三控制信号带动所述透镜组合对焦机构沿所述激光的光路
方向移动，使激光聚焦在所述刀具的刃口处；
9.所述z轴调节机构，用于在所述激光对焦调整前，实现所述透镜组合对焦机构的上下移动；所述两轴微动机构，用于在所述激光对焦调整前，用于利用逆压电效应实现所述透镜组合对焦机构在高度和侧向方向上的微量移动，并结合所述上下移动，保证所述透镜组合对焦机构中的透镜位置与激光光束同轴度。
10.本发明提供的微激光辅助加工的光路调控装置，包括透镜组合对焦机构，可根据微激光辅助加工装置的耦合场和刀具的位置进行透镜的组合，可大幅提升聚焦点变焦能力；同时在焦点调整的过程中，两轴微动机构、z轴调节机构和离焦调控机构组成的三个方向上的精密位移调控机构能够实现定量调节，将调整数值更加量化；且在调整后，在不改变聚焦焦点的前提下，将不镀膜透镜转换成镀膜透镜，可提高激光的透过率，进而减少激光能量损耗(反射)，提升抗干扰能力以及抗紫外线能力。
11.在其中一个实施例中，所述合适组合的透镜组件根据所述透镜组合对焦机构中各透镜组件中透镜的曲率半径、各透镜组件的间距以及各透镜组件中透镜的类型进行确定，且确定的合适组合中的各透镜组件的透镜类型包括平凸透镜和平凹透镜。
12.在其中一个实施例中，所述旋转控制组件包括透镜安装底座及安装在所述透镜安装底座上的多个旋转控制部件，各旋转控制部件对应与各透镜组件相连；
13.其中，各旋转控制部件均包括透镜安装板、旋转支架、抬升电机、调整齿轮、调整齿条、第一丝杆和旋转电机，所述控制机构分别与各旋转控制部件中的旋转电机和抬升电机电相连，各旋转控制部件中的旋转支架等间距排列设置在所述透镜安装底座上；
14.在同一旋转控制部件中，透镜安装板通过铰链安装在旋转支架上，旋转支架的转轴上固定设有调整齿轮，调整齿轮与调整齿条啮合连接，调整齿条与第一丝杆螺纹相连，第一丝杆与旋转电机的输出轴传动相连，旋转电机用于根据控制机构发送的第一控制信号带动透镜安装板旋转运动；且在同一旋转控制部件中，透镜安装板内设有滑动板，各透镜组件中的不镀膜透镜和镀膜透镜同轴对应设置在各旋转控制部件中的滑动板上，抬升电机的输出轴与滑动板的底板相连，抬升电机用于根据控制机构发送的第二控制信号带动滑动板上下运动，实现透镜组件中不镀膜透镜和镀膜透镜的位置更换。
15.在其中一个实施例中，各旋转控制部件均还包括透镜限位架，各透镜限位架对应设置在各透镜安装板的旋转方向上，用于固定非使用状态的透镜安装板。
16.在其中一个实施例中，所述两轴微动机构包括凹形底座和柔性机构，所述凹形底座的两侧板上部对应开设有卡槽，所述柔性机构采用桥式放大结构，所述柔性机构通过预紧螺栓固定设置在所述凹形底座的凹形内，所述柔性机构的上方设有u形位移板和柔性机构压电陶瓷，所述u形位移板通过连接螺杆与所述柔性机构压电陶瓷固定相连，所述u形位移板的四个边角位置处均设有一纵向压电陶瓷，四个纵向压电陶瓷的上方设有一平台顶板，所述平台顶板的两侧对应卡设在所述凹形底座两侧板的卡槽内，所述z轴调节机构固定设置在所述平台顶板上。
17.在其中一个实施例中，所述z轴调节机构包括调整架底座、z轴调整板、安装背板和双头螺柱；
18.其中，所述调整板底座固定安装在所述两轴微动机构上，所述安装背板垂直固定在所述调整架底座上，所述安装背板上方设有所述双头螺柱，所述z轴调整板通过双头螺柱
滑动设置在所述安装背板上，通过更改所述双头螺柱两端的面积比和牙距比，可实现所述z轴调节机构上透镜组合对焦机构的上下移动。
19.在其中一个实施例中，所述离焦调控机构包括离焦底座、导轨、离焦顶板、离焦滑块、第二丝杆、离焦电机和变速箱；
20.其中，所述导轨安装在所述离焦底座上，所述离焦顶板设于所述导轨上，所述离焦顶板的上方固定设置所述透镜组合对焦机构，所述离焦顶板下方安装所述离焦滑块，所述离焦滑块与所述第二丝杆配合连接，所述离焦电机通过变速箱将动力传递到所述第二丝杆上，所述离焦电机用于根据所述控制机构发送的第三控制信号通过驱动所述第二丝杆的旋转，带动透镜组合对焦机构沿所述激光的光路方向移动，使激光聚焦在所述刀具的刃口处。
21.在其中一个实施例中，所述镀膜透镜采用波长为1064nm的镀膜透镜。
22.在其中一个实施例中，所述镀膜透镜采用氧化铝的镀膜透镜。
附图说明
23.图1是本发明一实施例提供的微激光辅助加工的光路调控装置的结构示意图；
24.图2是本发明一实施例提供的透镜组合对焦机构的结构示意图；
25.图3是本发明一实施例提供的两轴微动机构的整体结构示意图；
26.图4是图3中两轴微动机构的正视图；
27.图5是本发明一实施例提供的离焦调控机构的结构示意图；
28.图6是本发明一实施例提供的z轴调节机构的结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.为实现微激光辅助加工装置的激光空间调控，本发明提出了一种微激光辅助加工的光路调控装置，能够在保证激光聚焦位置不变的情况下，将普通透镜(不镀膜透镜)换成镀膜透镜，可有效提高激光的透过率，进而减少激光能量损耗(反射)，提升抗干扰能力以及抗紫外线能力。同时为使本发明提供的光路调控装置适用多种场合以及多种类型微激光辅助加工装置的耦合，本发明在激光聚焦位置空间调控上还设置有三个方向上的精密位移调控机构。
31.如图1所述，本发明提供的微激光辅助加工的光路调控装置包括控制机构10、透镜组合对焦机构20和三个方向上的精密位移调控机构，这三个方向上的精密位移调控机构分别为两轴微动机构30、z轴调节机构40和离焦调控机构50。
32.其中，本实施例提供的透镜组合对焦机构20包括旋转控制组件和多个等间距排列设置的透镜组件，各透镜组件中均含有不镀膜透镜和与不镀膜透镜的曲率半径和透镜类型相同的镀膜透镜，各透镜组件中透镜曲率半径可设为不同或相同，透镜类型分为平凸透镜和平凹透镜两种。
33.本实施例提供的透镜组合对焦机构20中旋转控制组件的作用为：在外部微激光辅助加工装置进行激光对焦调整时，即采用可见红光进行对焦时，控制机构10用于根据微激
光辅助加工装置的耦合场和外部刀具的位置发送第一控制信号，旋转控制组件根据第一控制信号控制合适组合的透镜组件中的不镀膜透镜旋转到工作位置，进入到激光的传播区域。同时旋转控制组件还用于在对焦调整完成后，根据控制机构10发送的第二控制信号控制控制合适组合的透镜组件中不镀膜透镜和镀膜透镜的位置更换，以实现激光透过率的进一步提高，减少激光的能量损失。优选地，各透镜组件中的镀膜透镜可采用高折射率的镀膜材料，比如氧化铝等，来有效提高激光的透过率。
34.具体地，合适组合的透镜组件可根据透镜组合对焦机构中各透镜组件中透镜的曲率半径、各透镜组件的间距以及各透镜组件中透镜的类型进行确定，且确定的合适组合中的各透镜组件的透镜类型包括平凸透镜和平凹透镜，可使激光从平面入射能够减少反射造成的能量损耗，有效提高穿过透镜后的激光质量。
35.本实施例提供的离焦调控机构50，用于在合适组合的透镜组件中的不镀膜透镜旋转到工作位置时，根据控制机构10发送的第三控制信号带动透镜组合对焦机构20沿激光的光路方向移动，使激光聚焦在刀具的刃口处。
36.在激光对焦调整前，本实施例提供的z轴调节机构40用于实现透镜组合对焦机构20的上下移动，且本实施例提供的两轴微动机构30则用于利用逆压电效应实现透镜组合对焦机构20在高度和侧向方向上的微量移动，并结合z轴调节机构40的上下移动，保证透镜组合对焦机构20中的透镜位置与激光光束同轴度。
37.本实施例提供的微激光辅助加工的光路调控装置，包括透镜组合对焦机构20，可根据微激光辅助加工装置的耦合场和刀具的位置进行透镜的组合，可大幅提升聚焦点变焦能力；同时在焦点调整的过程中，两轴微动机构30、z轴调节机构40和离焦调控机构50组成的三个方向上的精密位移调控机构能够实现定量调节，将调整数值更加量化；且在调整后，在不改变聚焦焦点的前提下，将不镀膜透镜转换成镀膜透镜，可提高激光的透过率，进而减少激光能量损耗(反射)，提升抗干扰能力以及抗紫外线能力。
38.在一个实施例中，旋转控制组件包括透镜安装底座21及安装在透镜安装底座11上的多个旋转控制部件，各旋转控制部件对应与各透镜组件相连。
39.其中，如图2所示，各旋转控制部件均包括透镜安装板22、旋转支架23、调整齿轮24、调整齿条25、第一丝杆26、旋转电机27和抬升电机28，控制机构10分别与各旋转控制部件中的旋转电机27和抬升电机28电相连，各旋转控制部件中的旋转支架23等间距排列在透镜安装底座22上。
40.在同一旋转控制部件中，透镜安装板22通过铰链安装在旋转支架23上，旋转支架23的转轴上固定设有调整齿轮24，调整齿轮24与调整齿条25啮合连接，调整齿条25与第一丝杆26螺纹相连，第一丝杆26与旋转电机27的输出轴传动相连，旋转电机27用于根据控制机构10发送的第一控制信号带动透镜安装板22旋转运动，调整透镜组件中的不镀膜透镜旋转到工作位置，进入到激光的传播区域。
41.且在同一旋转控制部件中，透镜安装板22内设有滑动板，各透镜组件中的不镀膜透镜和镀膜透镜同轴对应设置在各旋转控制部件中的滑动板上，抬升电机28的输出轴与滑动板的底板相连，抬升电机28用于根据控制机构10发送的第二控制信号带动滑动板上下运动，实现透镜组件中不镀膜透镜和镀膜透镜的位置更换。
42.对于此模块，其具体工作流程如下：一般情况，透镜安装板22为水平状态，即未使
用，根据不同的聚焦距离，选择不同的平凹凸透镜进行组合能实现不同的聚焦距离。在选择了所要使用的凹凸透镜之后，利用控制机构10控制对应旋转控制部件中的旋转电机27，带动相应透镜安装板22旋转运动，使相应透镜安装板22旋转至竖直状态。当相应透镜安装板22处于竖直状态后，第一步，由于在进行激光对焦调整时，需要先使用可见红光进行对焦，因此需使用普通透镜进行对焦测试，而普通透镜与镀膜透镜均固定在滑动板上，故需利用控制机构10控制抬升电机28带动滑动板上下移动，将普通透镜处于激光通路中(对应图2中的第二个圆孔)；第二步，当使用红光对焦完成后，利用控制机构10控制抬升电机28带动滑动板上下移动，滑动板向上移动，此时镀膜透镜处于激光通路中(对应图2中的第二个圆孔)，这时可利用镀膜透镜大幅度提升激光的透射率，有效减少能量损失，提高激光质量。优选地，镀膜透镜可采用波长为1064nm的专用镀膜透镜。
43.进一步地，各旋转控制部件均还可包括透镜限位架29，各透镜限位架29对应设置在各透镜安装板22的旋转方向上，用于固定非使用透镜组件，即未处于工作位置的透镜安装板22。
44.在一个实施例中，本发明提供的两轴微动机构30、z轴调节机构40和离焦调控机构50主要是为了实现各透镜组件中透镜中心的调节，当透镜中心与微激光辅助加工装置中的光纤激光器的中心有错位时，会使聚焦点变大，无法进行聚焦，当然也可以利用这一特性实现聚焦斑点直径的变化，针对不同加工材料选择不同的聚焦直径。
45.具体地，参见图3和图4，本实施例提供的两轴微动机构30包括凹形底座31和柔性机构32，凹形底座31的两侧板上部对应开设有卡槽31a，柔性机构32采用桥式放大结构，柔性机构32的一端通过预紧螺栓33固定设置在凹形底座31的凹形内，柔性机构32的上方设有u形位移板34和柔性机构压电陶瓷35，u形位移板34通过连接螺杆36与柔性机构压电陶瓷35固定相连，u形位移板34的四个边角位置处均设有一纵向压电陶瓷37，四个纵向压电陶瓷37的上方设有一平台顶板38，平台顶板38上固定设置z轴调节机构40，平台顶板38的两侧对应卡设在凹形底座31两侧板的卡槽内，平台顶板38两侧的厚度小于卡槽31a的深度，分别平台顶板38的侧向和高度方向上的移动。
46.本实施例提供的两轴微动机构30实现侧向和高度方向的调节的工作原理为：(1)利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过在压电陶瓷两端施加一定频率的交变电压，压电陶瓷会产生相对应的形变。当需要实现侧向方向的调节时，可向柔性机构压电陶瓷35的两端施加一定频率的交流电压，使其发生形变，由于柔性机构压电陶瓷35的下方设有柔性机构32，柔性机构32会依靠自身的弹性形变将柔性机构压电陶瓷35的微位移进一步放大，实现侧向位移范围扩大，增加装置的使用范围。需要说明的是，柔性机构32的一端通过预紧螺栓33固定设置在凹形底座31的凹形内，使柔性机构32一端无法移动，而将两端伸缩量在未固定一端表现。(2)当需要实现高度方向的调节时，可向纵向压电陶瓷37的两端施加一定频率的交流电压，使其发生形变，通过纵向压电陶瓷37上下运动带动平台顶板38在凹形底座31的卡槽内上下运动，保证了透镜与光纤激光器的同轴度。
47.本实施例提供的两轴微动机构30采用驱动压电陶瓷，拥有应力大、响应快、形变量能够通过电场精准控制等优点，压电陶瓷运动精度可达微米甚至亚微米精度，具有高分辨率(位移控制精度小于0.01μm)、结构简单、控制自由度高、负载大(约为3.9kn/cm2)、响应速度快(10μs)、轻型化等特点。
48.具体地，参见图5，本实施例提供的离焦调控平台50包括离焦底座51、导轨52、离焦顶板53、离焦滑块54、第二丝杆55、离焦电机56和变速箱57。其中，导轨52安装在离焦底座51上，离焦顶板53设于导轨52上，离焦顶板53的上方固定设置透镜组合对焦机构20，离焦顶板53下方安装离焦滑块54，离焦滑块54与第二丝杆55配合连接，离焦电机56通过变速箱57将动力传递到第二丝杆55上，离焦电机56用于根据控制机构10发送的第三控制信号通过驱动第二丝杆55的旋转，带动透镜组合对焦机构20沿激光的光路方向移动，使激光聚焦在刀具的刃口处。
49.具体地，参见图6，本实施例提供的z轴调节机构40包括调整架底座41、z轴调整板42、安装背板43和双头螺柱44。其中，调整板底座41固定安装在两轴微动机构30上，安装背板43垂直固定在调整架底座41上，安装背板43的上方设有双头螺柱44，z轴调整板42通过双头螺柱44滑动设置在安装背板43上，通过更改双头螺柱44两端的面积比和牙距比，可实现两轴微动机构30上透镜组合对焦机构20的上下移动。
50.本实施例提供的z轴调节机构40可利用变直径双头螺栓44，通过直径的变化使得可以使z轴调整板42上下移动，z轴调整板42还可设置两个u形孔，可根据实际情况安装螺栓，实现z轴调整板42的预紧。
51.为更清楚地说明本发明，以下结合具体实施例进行相应说明：
52.在使用本装置前，将微激光辅助加工装置安装于两轴微动机构30的一侧，通过前期计算保证初始的同轴度。安装两轴微动机构30时只需要考虑侧向位置与高度，在国标加工误差的范围内。通过调控柔性机构压电陶瓷35与纵向压电陶瓷37使平台顶板38移动，平台顶板38与两轴微动机构30中的凹形底座31通过卡槽31a连接，可有效保证位移中的平行度。
53.z轴调节机构40中的调整板底座41下方通过螺栓与两轴微动机构30中的平台顶板38固定相连，z轴调整板42设有两个u形孔，利用弹簧螺栓进行预紧，调节使可减少预紧力，通过旋转安装背板43上方的双头螺柱44，由于双头螺柱44两端直径不同，通过更改双头螺柱两端面积比、牙距比，可自主设计运动行程比例。
54.待装置位置调整到合适位置时，然后通过自身耦合场加工、刀具位置选择合适组合的透镜组件，合适组合的透镜组件根据透镜组合对焦机构20中各透镜组件中透镜的曲率半径、各透镜组件的间距以及各透镜组件中透镜的类型进行确定，以下举例说明：
55.外部微激光辅助加工装置中的光纤激光器经过修整透镜原始聚焦距离为160mm，该修整透镜是曲率半径为160的双凸透镜，为原始聚焦距离，此时并未加任何场辅助装备，能够将原位激光聚焦在金刚石刀具处，并将能量汇集在刀刃。为了适应多场复合辅助切削加工，需要对原位激光聚焦距离进行调控。以本装置为例，设置三个透镜组件实现焦距的精准调控其中，透镜组距离光纤激光器的最近距离为40～80mm，为了适应多聚焦段的选择，同时配合新加的复合切削装备，需要对对焦距离进行适当的延长。第一个透镜组件中的不镀膜透镜和镀膜透镜均选用平凸透镜，第二个透镜组件和第三个透镜组件中的不镀膜透镜和镀膜透镜均选用平凹透镜，且各透镜组件之间的间隔距离为20mm。选择平凹透镜与平凸透镜的原因是：激光从平面入射能够减少反射造成的能量损耗，提高穿过透镜后的激光质量。而对于装置设计，第一个平凸透镜的曲率半径为50mm，第二个平凹透镜的曲率半径为30mm，第三个平凹透镜的曲率半径为45mm。对于此种连接方式可得到以下数据(以1代表“开”，0代
表“合”)，透镜组件配合时最大最小聚焦距离如下表1：
56.表1
[0057][0058][0059]
本组合能够在短焦距微量调节，以及长焦距大范围调节，能够实现不同焦段的激光聚焦效果。可在相应焦段选择透镜组合。本发明专利不局限透镜半径如上选择，安装透镜拥有一定的灵活度。
[0060]
确定透镜组合后，可利用控制机构10控制对应旋转控制部件中的旋转电机27，带动相应透镜安装板22旋转运动，使相应透镜安装板22旋转至竖直状态，并通过控制抬升电机28带动滑动板上下移动，将普通透镜处于激光通路中。进而通过控制离焦电机56通过驱动第二丝杆55，在第二丝杆55的作用下离焦滑块54开始滑动，离焦滑块54带动透镜组合对焦机构20整体移动，通过功率计测定对焦位置。待对焦完成后，利用控制机构10控制抬升电机28带动滑动板上下移动，滑动板向上移动，使镀膜透镜进入到激光光路中。
[0061]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。