[實用新型]一種大型復雜曲面動態聚焦激光加工系統

有效

• 申請號: 201821036796.6
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN208391288U
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 段軍;張軍軍;張菲;曾曉雁
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70;B23K26/082;B23K26/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本實用新型屬于激光加工技術領域，并具體公開了一種大型復雜曲面動態聚焦激光加工系統，其包括多軸聯動機床和激光掃描裝置，多軸聯動機床用于對待激光加工的大型復雜曲面進行定位，并帶動大型復雜曲面運動到激光掃描裝置的掃描范圍內或者帶動激光掃描裝置運動使大型復雜曲面位于激光掃描裝置的掃描范圍內；激光掃描裝置用于發射激光束至大型復雜曲面以對大型復雜曲面進行激光快速三維掃描加工。本實用新型可實現各種曲率的大型復雜曲面的高效率、高精度的激光三維動態掃描加工。

技術領域

本實用新型屬于激光加工技術領域，更具體地，涉及一種大型復雜曲面動態聚焦激光加工系統。

背景技術

隨著航空航天和微電子技術的飛速發展，為了滿足某些特殊的表面性能要求，往往需要在導彈的雷達罩、航天器固面天線反射器、三維模塑互聯器件等大型復雜曲面零部件表面上制作各種功能性的復雜圖形結構。然而這些大型復雜曲面零部件一般是由復合材料/金屬膜層、硬質合金或陶瓷等不同體系材料組成，如何高精度、高質量、高效率地在其表面加工各種功能性的復雜圖形成為新的挑戰。

激光加工技術具有非接觸、加工精度高、速度快、熱影響區域小、柔性程度好、可加工材料廣泛、易于與數控系統結合等特點，特別適合難加工材料(超脆、超軟、超硬、超薄)以及復雜曲面零部件表面復雜圖形的加工。目前，用于復雜曲面零部件激光三維加工的技術方案主要有以下幾種：

一是基于五軸聯動機床的聚焦式激光三維加工，五軸聯動數控機床具有任意空間插補定位能力，利用激光束替換傳統的刀具能夠實現復雜曲面三維加工功能，通過五軸聯動機床對加工路徑上所有的插補點進行定位，確保入射激光束的光軸始終垂直于被加工工件表面，因此具有較高的加工精度。但由于慣性太大，頻繁啟動和加工速度極慢，導致其加工效率極低，存在高精度和高效率難以同時兼容的問題。

二是基于“3+2”軸的三維激光投影式振鏡掃描加工，掃描振鏡通過電機控制x、y軸兩個鏡片的偏轉實現聚焦激光束在二維平面的高速掃描，具有輸出力矩大、轉動慣量小、響應時間短、加速度高、掃描速度快、定位精度高等優良特性，通過與3軸聯動數控機床的集成，實現復雜曲面三維加工功能，與基于五軸聯動機床的聚焦式激光三維加工相比，該方案可以大幅度提高加工的效率。例如，專利CN200910061324.5公開的一種多功能激光加工設備，將二維振鏡安裝在Z軸移動機構上與XY軸直線電機共同構成“3+2”軸數控激光加工機床，通過控制Z軸移動機構調節焦點在Z方向的位置，實現三維精密加工。專利CN201010115968.0公開的一種自由曲面上的投影式激光刻蝕方法，基于“3+2”軸加工系統，根據焦深將離散點云模型描述的待加工自由曲面劃分為不同的子塊，并將子塊內的加工圖形向XY平面進行平行投影，XY軸負責各子塊的定位，通過Z軸配合二維振鏡實現投影加工圖形的快速掃描。雖然基于“3+2”軸的三維激光投影式振鏡掃描加工設備結構簡單，但其只能沿單一方向進行整體投影，當加工曲面曲率較大時，子塊劃分的數量急劇增加，導致3軸聯動數控機床頻繁啟停定位，同樣嚴重影響了加工效率；同時造成聚焦光斑變形增大，功率密度減小，加工尺寸精度和質量的一致性變差。因此，該方案只適合加工曲率不大的復雜曲面。

三是基于“5+3”軸投影式振鏡掃描激光三維加工，如專利CN201110048935.3公開的一種適用于復雜曲面的激光加工方法及裝置，其通過對復雜曲面劃分曲面片并根據右手準則建立曲面片坐標系，使得曲面片坐標系內任意點的法線正方向與Z軸的夾角小于90度，且曲面片內加工圖形沿Z軸方向平行投影所得圖形的尺寸小于振鏡掃描范圍，同時根據焦深對曲面片進行分層，進而控制五軸機床，使掃描聚焦透鏡鏡面中心處的法線方向與曲面片的Z軸重合，通過三坐標振鏡掃描式激光加工頭對投影加工圖形進行掃描加工。該方案不僅可以加工各種曲率的復雜曲面；且通過建立曲面片將大曲率復雜曲面轉化為小曲率，減小了子塊劃分的數量，進而降低Z軸移動機構對焦次數，有效的提高了加工的效率。但該方案仍存在著局限性，當曲面片的劃分范圍較大，聚焦光斑容易變形增大，導致聚焦光斑能量密度減小，影響加工精度質量，同時焦點的調節方法依靠Z軸移動機構的機械升降完成，并受加工頭重量和電機響應以及分層高度的限制，加工效率無法進一步提升。