三轴一点式振镜系统的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，具体地说，是一种三轴一点式振镜系统。

背景技术：

目前市面上使用的传统二维振镜，由于机械结构和控制工艺的限制，激光在经过xy镜片反射时，在x和y两个向量分量会有不同，当y振镜摆动时，入射光在扫描透镜中心射出，当x振镜摆动时，入射光在沿着y振镜片轴向的一条线段上射入扫描透镜，造成xy两个分量有效加工距离不一，xy通过透镜的折射畸变不同，造成在工作面xy分量的功率一致性和线速度比率都不相同，从而聚焦光斑在xy分量失真，很难达到高精密的激光微加工要求。同时，传统的二维振镜有效工作区域较小且聚焦光斑从中心到边缘因为入射点的偏移造成焦斑的一致性差，工作幅面边缘加工效果差。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明披露了一种三轴一点式振镜系统，通过镜片光路补偿设计和相应的机械结构运动控制，实现振镜式大幅面低失真的激光加工。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种三轴一点式振镜系统，包括工作台面，与工作台面平行设置的位于工作台面上方的零件安装台面，零件安装台面上安装有x工作模组和y工作模组，x工作模组数量有两个设定为x1工作模组和x2工作模组，x1工作模组和x2工作模组垂直于工作台面，y工作模组平行与工作台面，x1工作模组包括x1振镜电机和x1振镜片，x2工作模组包括x2振镜电机和x2振镜片，y工作模组y振镜电机和y振镜片，零件安装台面上还安装有场镜，场镜位于y振镜片正下方，还包括光纤耦合器，光纤耦合器通过夹具安装在安装台面上。

本发明的进一步改进，x1工作模组、x2工作模组和y工作模组的外部套装有一个密闭装置，该密封装置的上部设置有底板用来固定x1工作模组和x2工作模组，该密封装置与光纤耦合器相对的一面设置有两个大小一样的用来调试的调试孔，调试孔上设置有封盖堵头，该密封装置在固定y工作模组的一面设置有一个与y振镜电机平行的调试孔，调试孔上设置有封盖堵头，该密封装置与场镜通过转接环相连。

本发明的进一步改进，底板上设置有一个电机隔环用来垫高x2振镜电机，保证x2振镜片在设计高度上。

本发明的进一步改进，x1工作模组、x2工作模组和y工作模组与该密封装置通过螺钉固定，螺钉采用内六角圆柱头螺钉。

本发明的进一步改进，x1工作模组和x2工作模组中心轴线平行且在同一平面上，x1工作模组和y工作模组中心轴线相互垂直。

本发明的进一步改进，x1振镜片的中心到x2振镜片的中心连线距离等于x2振镜片的中心到y振镜片中心连线距离。

本发明的进一步改进，场镜采用f-theta场镜，可以改变光束位置，使光束聚焦。

在上述技术方案中，光路总轨迹过程如下：首先平行光从光纤耦合器处发生，照射到x1振镜片，通过x1振镜片反射照射到x2振镜片，再通过y振镜片偏转照射到场镜，场镜将平行光聚焦后照射到工作台面进行表面加工。

各零部件之间的相对位置精度保证关系如下：光纤耦合器与x1振镜片之间的相对位置通过夹具保证；x1振镜电机和x1振镜片组成的x1工作模组、x2振镜电机和x2振镜片组成的x2工作模组、y振镜电机和y振镜片组成的y工作模组，x1工作模组和x2工作模组中心轴线平行且在同一平面上，x2工作模组和y工作模组中心轴线相互垂直，x1工作模组、x2工作模组、y工作模组之间的相对位置精度通过底板保证。场镜和底板之间相对位置精度通过转接环保证。

本发明的有益效果：本发明与传统的2d振镜相比，更大的视野简化了较大部件的处理。整个视场上的最小光斑失真最小化了最高质量激光加工零件的加工变化。空气和水冷却选项可提供热稳定性并提高长期准确性。通过配置不同镀膜波段的镜片，可以兼容多款激光波段。通过光学补偿设计，增加了振镜的有效数值孔径，有效加工面积是同规格型号的2d振镜的2-3倍，光斑质量可细30%-40%左右。同时目前市面上的前聚焦和后聚焦振镜大多配的是传统的2d振镜，该系统可以作为子模块，兼容设计入市面上大多的前聚焦与后聚焦3d振镜系统，整体提升设备加工的效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的设计原理示意图一。

图3是本发明的设计原理示意图二。

图4是本发明的设计原理示意图三。

图5是本发明带有密闭装置的结构示意图。

图6是本发明安装调试示意图一。

图7是本发明安装调试示意图二。

图8是本发明安装调试示意图三。

图9是本发明安装调试示意图四。

图中，1-x2振镜电机，2-x1振镜电机，3-x2振镜片，4-y振镜电机，5-y振镜片，6-x1振镜片，7-光纤耦合器，8-场镜，9-光路，10-夹具，11-工作台面，12-电机隔环，13-底板，14-封盖堵头，15-转接环，6-感光片，17-调光工装架，18-调光工装架保护盖，19-螺钉。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，一种三轴一点式振镜系统，包括工作台面11，与工作台面11平行设置的位于工作台面上方的零件安装台面，零件安装台面上安装有x工作模组和y工作模组，x工作模组数量有两个设定为x1工作模组和x2工作模组，x1工作模组和x2工作模组垂直于工作台面，y工作模组平行与工作台面，x1工作模组包括x1振镜电机2和x1振镜片6，x2工作模组包括x2振镜电机1和x2振镜片3，y工作模组y振镜电机4和y振镜片5，零件安装台面上还安装有场镜8，场镜8位于y振镜片5正下方，还包括光纤耦合器7，光纤耦合器7通过夹具10安装在安装台面上。

如图5所示，x1工作模组、x2工作模组和y工作模组的外部套装有一个密闭装置，该密封装置的上部设置有底板13用来固定x1工作模组和x2工作模组，该密封装置与光纤耦合器7相对的一面设置有两个大小一样的用来调试的调试孔，调试孔上设置有封盖堵头14，该密封装置在固定y工作模组的一面设置有一个与y振镜电机平行的调试孔，调试孔上设置有封盖堵头14，该密封装置与场镜通过转接环15相连。

在本实施例中，底板13上设置有一个电机隔环12用来垫高x2振镜电机1，保证x2振镜片3在设计高度上；x1工作模组、x2工作模组和y工作模组与该密封装置通过螺钉19固定，螺钉19采用内六角圆柱头螺钉；x1工作模组和x2工作模组中心轴线平行且在同一平面上，x1工作模组和y工作模组中心轴线相互垂直；x1振镜片6的中心到x2振镜片3的中心连线距离等于x2振镜片3的中心到y振镜片5中心连线距离；场镜8采用f-theta场镜，可以改变光束位置，使光束聚焦。

本实施例的主要原理设计实现过程如下：整套系统加工区域为工作台面11，加工面积为4a²（2a乘以2a），定义平面p1为一参考基准面，具体xy坐标定义见图1。x1振镜片6的中心到x2振镜片3的中心连线为距离f1，x2振镜片3的中心到y振镜片5的中心连线为距离f2，机械零件设计保证f1=f2，光在f1和f2行程传递时，对于x1振镜片6和x2振镜片3，光程和镜片摆角的乘积值是定值。即x1振镜片6沿b（a）旋转一定角度，x2振镜片3沿d（c）方向同步旋转且角速度是x1振镜片6两倍时，光始终打在y振镜片5中心，只是光路会由于x2振镜片3与x1振镜片6同步摆动角度的不同，导致光路与y振镜片5的入射夹角会不同。初始状态时，x1振镜片6镜面与基准面p1在z轴方向夹角成45度，x2振镜片3与x1振镜片6平行，y振镜片5与基准面p1在x轴方向夹角成45度，此时光从场镜8中心沿z方向竖直射出，如图中光路9所示。当出光从（0，0）坐标落在（a，0）位置时，x1振镜片6沿b方向旋转β角度至极限位置，x2振镜片3沿d方向旋转2倍β角度至极限位置，旋转过程中，x2振镜片3和x1振镜片6同步旋转，且满足x2振镜片3的角速度是x1振镜片6角速度的2倍关系，见图2（坐标关系以图1-1为准）。当出光是落在平面x轴最大位置、y轴零位时，x1振镜片6沿a方向旋转β角度至极限位置，x2振镜片3沿c方向旋转2倍β角度至极限位置，旋转过程中，x2振镜片3和x1振镜片6同步旋转，且x2振镜片3的角速度是x1振镜片6角速度的2倍关系，见图3（坐标关系以图1为准）。y振镜片5的旋转是控制光在加工区域y轴的位置，当光落在如图3所示位置时，y振镜片5沿e方向旋转到极限位置，激光加工点落在坐标（-a，a），见图4所示位置（坐标关系以图1为准）。

终上所述，要使x1振镜片6与x2振镜片3始终同步则需保证数学关系式s1：（f1+f2）xω1=f2xω2（x1振镜片6的中心到x2振镜片3的中心连线为距离f1，x2振镜片3的中心到y振镜片5的中心连线为距离f2；ω1为x1振镜片6的旋转角速度，ω2为x2振镜片3的旋转角速度）。该设计通过电路板联动控制x1振镜片6、x2振镜片3、y振镜片5的动作摆角可实现光路在工作平面的任意位置聚焦。

三轴一点式振镜系统安装调试方法如下：第一步，将三轴振镜座和连接底板13固定在可靠台面上，光纤耦合器7通过光纤耦合器夹具10与三轴振镜座和连接底板13连接在一起，此时将调光工装架17旋入三轴振镜座和连接底板13中，光纤耦合器7出光，在调光工装架17槽口放入感光片16，观测光纤耦合器7出光是否在中心位置。再将调光工装架17旋出，将另一头旋入，在调光工装架17槽口放入感光片16，两次分别观测调光工装架17表面的“十”字成像是否均分，利用两点一直线原理，用来检测判断激光耦合器出光的同轴度，如图6所示。第二步，第一步检测合格后，将x1振镜电机2与x1振镜片6组合的x1工作模组装入三轴振镜座和连接底板13，将调光工装架17按图示7所示两种情形依次旋入三轴振镜座和连接底板13，给x1工作模组上电，电机自锁回中性零位，光纤耦合器7出光，旋转x1振镜电机2，使感光片16两次“十”字成像均分，合格后锁紧螺钉19，见图7，此步用来校正x1工作模组位置。第三步，第二步检测合格后，将x2振镜电机1与x2振镜片3组合的x2工作模组装入三轴振镜座和连接底板13，将调光工装架17按图示8所示两种情形依次旋入三轴振镜座和连接底板13，x1轴和x2轴模块上电，电机自锁回中性零位，光纤耦合器7出光，旋转x2振镜电机1，使感光片16两次“十”字成像均分，合格后锁紧对应螺钉，见图2-3，此步用来校正x2工作模组位置。第四步，将前面装配好的整体固定预校准好的主梁平台上，将y振镜电机4与y振镜片组合的y工作模组装入三轴振镜座和连接底板13，给x1工作模组、x2工作模组、y工作模组上电，电机自锁回中性零位。通过沿g或h方向旋转y振镜电机4，观测出光最终落在预先校准好的工作台面11的中心点上，见图9。综上，调试合格。测试完毕后，拆除工装件，用封盖堵头14封堵调试工艺孔。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。