CN201529849U - 激光双面同步加工系统 - Google Patents

Abstract

一种激光双面同步加工系统，包括激光器、中间位移台和被加工工件。被加工工件两侧为两束激光，分别作用于被加工工件的两个侧面。被加工工件两侧的激光束在同一直线上或相交在工件内部。两个激光束可以由两台激光器分别产生，或者由一台激光器经过分束器产生。切割图形输入电脑后，通过软件控制中间位移台按某个轨迹运动，完成切割加工。通过激光双面同步加工，其一次能够加工的厚度比单面加工的厚度能够增加1倍以上。与传统双面切割相比，无需翻面调整卡具，一次装卡即可完成加工，工件双面受到的热作用力较平衡，切割后残余应力小、热变形小，切割质量得到提高，实现了对各种超硬材料如PDC、PCBN及其复合片、陶瓷等的双面同步切割。

Description

激光双面同步加工系统

技术领域

本实用新型涉及激光双面同步加工系统。属于超硬材料加工行业技术领域。

背景技术

目前的激光加工设备大都如图1所示，激光头部垂直向下，加工方式都是单面加工或者双面不同步加工。单面加工可加工的总厚度约为双面加工的一半。双面不同步加工相对于双面同步加工，存在以下缺陷：

需要两次装夹被加工件，增加装夹时间，降低总体加工效率；

两次装夹易造成装夹误差，导致双面切割错位；

工作台的重复定位精度不够，在翻面切割时也会导致双面切割错位；

如果被加工工件两面的材料不一样，用同一激光器可能会造成加工部位损伤过大。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，提高加工效率，并减少人为原因和工作台重复定位精度不够造成的误差，本实用新型提出了激光双面同步加工系统。

一种激光双面同步加工系统，包括激光器、中间位移台和被加工工件。被加工工件两侧为两束激光，分别作用于被加工工件的两个侧面。被加工工件两侧的激光束在同一直线上或相交在工件内部。两个激光束可以由两台激光器分别产生，或者由一台激光器经过分束器产生。

中间位移台由导轨、丝杠、电机和控制装置组成。中间位移台由成T字结构的横轴位移台和纵轴位移台组成，其中纵轴位移台整体安装在横轴位移台上，装卡夹具固定在纵轴位移台上，被加工工件固定在装卡夹具上。位移台的控制装置由电脑、软件、控制卡和电机驱动器等组成。切割图形输入电脑后，通过软件控制中间位移台可按某个轨迹运动。在激光打开的情况下，可以完成按图形切割。

本实用新型所涉及的激光双面同步加工方法，可以采用前文所述的激光双面同步加工系统，其实现途径之一可以包含以下步骤：

步骤1把被加工工件通过工装卡具固定到中间位移台上；

步骤2根据被加工工件两侧的材料的性质调整相应的激光参数(一般来说，同一种材料则激光参数相同)；

步骤3根据切割加工要求，调整激光光路使其相向，或相交在工件内部；

步骤4分别调节两侧激光的参数(如激光功率、频率、脉冲宽度等)，使其均能切透对应一侧的材料，但不会对另一方的激光头造成损伤；

步骤5启动激光器和中间位移台控制系统，通过位移台的移动即可实现被加工工件的激光双面同步加工。

本实用新型的有益效果：

1通过激光双面同步加工，其一次能够加工的厚度比单面一次加工的厚度能够增加1倍以上。

2采用激光双面同步加工，与传统双面不同步切割相比，因无需翻面调整卡具和重复定位，一次装卡即可完成加工，可提高切割效率至少1倍以上；

3采用激光双面同步切割较薄材料时，和单面切割相比，当激光参数相同时，切割效率可提高6倍以上甚至可超过10倍(因激光切割的深度受速度影响很大。切割深度减小一半时，切割速度可提高多倍，有时甚至可以高10倍以上)；

4采用激光双面同步切割较薄材料时，和单面切割相比，可采用更小的激光功率，从而是切缝更窄、热损伤区域更小；

5通过调整两侧的激光束在同一直线上，保证双面切割时切缝平直、无错位。而双面不同步加工由于翻转工件或工作台重复定位精度不够而产生误差，常使双面切缝结合处不够平直，有细小错位现象。

6通过调整激光双面同步加工系统的激光器和光路的参数，在被加工工件的两侧得到不同加工能力和加工特性的两束激光，能同时加工两种不同的材料，提高加工效率和加工质量。该方法适用于大部分由不同材料组成的复合体，如PDC、PCBN复合片、CVD金刚石复合片等的高效、高质量切割加工。单面加工或双面不同步加工由于激光参数不便调整，同一激光参数无法针对复合体被加工件两侧不同的材料进行同时最优化，因而单面加工或双面不同步加工相对于双面同步切割，其切割质量和效率要低得多。

7激光双面同步切割，使工件双面受到的热作用力较平衡，切割后残余应力小、热变形小，切割质量得到提高。

8当两束激光脉冲同步时，两束激光分别切透两侧的材料后会在材料内部相交，使材料内部形成激光“通道”，可使切割面更加平直、锥度更小。

本实用新型实现了对各种超硬材料如PCD、PDC、PCBN复合片，以及陶瓷、硬质合金的双面同步切割，极大地提高了切割质量和切割效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为目前常规激光加工设备的简单结构示意图；

图2为本实用新型设备结构示意图；

图3本实用新型激光工作头和位移台的装配图示意图；

图4为利用分光棱镜将一束激光分成两束示意图；

图5为本激光加工系统整体结构示意图；

图6为本激光加工系统45°镜片反射聚焦系统结构示意图；

图7为本激光加工系统CCD监测系统结构示意图；

图8为本激光加工系统光纤传输聚焦系统结构示意图。

图中所标的1、2、3为激光头部，4为被加工的材料，5、6为两维(或三维以上)中间位移工作台。

具体实施方式

实施例1：如图5所示，一种激光双面同步加工系统，有中间位移工作台5，左激光加工机7、右激光加工机8，中间位移工作台5、6为X、Y两个相互垂直的移动工作台，X移动工作台与Y移动工作台分别由导轨、丝杠、电机和控制装置连接构成X、Y位置移动装置，X移动工作台与Y移动工作台成T字结构，在位于X移动工作台之上的Y移动工作台上固定有装卡夹具，左激光加工机7安装在中间工作台5的左侧，右激光加工机8安装在中间工作台5的右侧，左、右激光加工机7、8的激光束输出均指向中间工作台，左激光加工机7的激光器与右激光加工机8的激光束轴线位于同一直线上。其构造如图2所示。由两个激光头2、3发出的两束激光相向且在同一直线上。

此发明的应用能避免双面不同步加工中存在的翻面装夹误差和移动工作台台重复定位误差，且相对于单面加工或双面不同步加工有更高的加工效率，材料被加工部位的损伤也减小。

激光加工机的结构示意图见图5。

左、右激光加工机7、8由激光电源10供电，用冷水机11分别把左、右激光加工机7、8降温到一定温度区间，保证激光器2、3的连续稳定工作；导光聚焦系统通过光路过渡装置直接与激光器的激光输出端相连接，在导光聚焦系统上安装有与激光光路同轴的实时监测系统；

左、右激光加工机7、8固定在一个整体支架上。

本实用新型采用双激光头双面同步切割(图2、图3)，一次装卡即可切割原本需要翻面才能切割的超硬材料，降低了对工装卡具精度及操作人员技能的要求，可有效防止错位；双激光头又可采用不同类型的激光器及工艺参数对易分层、易崩口的PDC、PCBN复合片、CVDD复合刀头进行加工，使加工效率提高2倍以上，同时保证良好的切割质量。

实施例2：

左、右激光加工机7、8由两台独立的激光电源分别供电，同时用两台冷水机分别把左、右激光加工机7、8降温到一定温度区间，保证激光器的连续稳定工作。

导光聚焦系统通过光路过渡装置直接与激光器的激光输出端相连接，在导光聚焦系统上安装有与激光光路同轴的CCD监测系统；

CCD监测系统结构如图7，主要包括激光聚焦镜29、成像聚焦镜22、分划板(刻线玻璃片)23、摄像头22、显示器21等，监视器21与摄像头20线路连接。被加工工件4的被监测位置一般在激光焦点附件并以激光焦点为中心。其表面的反射可见光通过激光聚焦镜29变成平行光，通过成像聚焦镜22成像于分划板23表面与刻度线叠加，激光焦点位置成像则与分划板23刻线中心点重合。摄像头20摄取分划板23表面的图像并传输到显示器21上，从而实现同轴监测。

左、右两台激光器7、8固定在一个整体支架上。

导光聚焦系统主要包括导光部分(转折全反镜或光纤)、扩束镜和聚焦镜三部分以及其连接、调整用的各种器件。导光部分使激光束从激光器导出，使两束激光相向且同轴。扩束镜可扩大激光束直径，从而压缩聚焦光斑的尺寸。聚焦镜则使激光束聚焦于被加工件的表面附近或内部。

导光聚焦系统如图6所示，平行入射激光16、17经过45°全反镜14、15形成平行入射激光18、19再分别通过聚焦透镜12、13后，聚焦于被加工工件4。

光纤传输聚焦系统结构如图8所示，传输用光纤30、37经过扩束镜31、36形成平行入射激光32、35再分别通过聚焦透镜33、34后，聚焦于被加工工件4。

实施例3：一种激光双面同步加工方法，通过采用两台激光发生装置，或利用分光棱镜将同一台激光器激光束分成两束，来获得两束激光，如图4所示，也可通过使用不同分光棱镜来调整两束光的能量比。

采用必要的装置，例如光纤传输或反射镜转折，并通过激光准直调整，使两束激光相向且在同一直线上；

在两束激光光路上分别安装聚焦透镜，通过二维调整件保证聚焦透镜与激光束垂直，且光束中心与聚焦镜的中心重合；

通过调整使二维位移台两轴的移动方向平面与激光束的方向严格垂直或呈某一需要的倾斜角度；

将工装卡具安装在纵轴位移台面上，被加工工件安装在工装卡具上；

通过调整工装卡具，使工件表面与激光束垂直或呈某一需要的倾斜角度；

通过调整聚焦透镜距离工件的距离，使两束激光各自汇聚后的焦点位于被加工件的表面附近或内部；

按照设定好的工艺参数开始加工。

本实用新型采用双激光头进行双面同步切割，通过一系列针对工作台、光路的调整手段及方法，保证位移台系统、被加工工件、激光光束及焦点的相对关系及空间位置满足高精度加工的严格要求，从而可以保证良好的切割质量。

实施例4：一种激光双面同步加工方法，通过采用两台相对独立的激光发生装置，产生两束相对独立的激光输出，其中两台独立的激光发生装置可以根据被加工工件的情况分别由两个不同工艺参数的同种规格的脉冲或连续激光器、两个不同规格的脉冲或连续激光器、甚至两个不同规格不同工艺参数的脉冲和连续激光器组成。

通过调整两台激光器电源的电压、频率、脉宽等参数，采用双电源同步或异步输出等方式，在进行复合体的加工时使两台激光器工作在各自材料的最佳切割状态。

本实用新型采用双激光头进行双面同步切割，通过调整不同参数使两束激光的参数随被加工工件双面的材料进行优化调节，实现了复合体的高质量加工。

实施例5：激光加工机可选择目前的市售产品，如廊坊昊博金刚石有限公司生产的LCP30、LCP40、LCP80型激光加工机、或LCM30、LD05、LD10、LD30、LCQ40型激光加工机等；

X位置移动装置和Y位置移动装置可选择目前的市售产品，如步进电机驱动型位移控制装置、或伺服电机驱动型位移控制装置。

Claims (10)

1.一种激光双面同步加工系统，包括激光器、中间位移台和被加工工件；其特征是：被加工工件两侧为两束激光，分别作用于被加工工件的两个侧面；被加工工件两侧的激光束在同一直线上或相交在工件内部；两个激光束可以由两台激光器分别产生，或者由一台激光器经过分束器产生；

中间位移台由导轨、丝杠、电机和控制装置组成；中间位移台由成T字结构的横轴位移台和纵轴位移台组成，其中纵轴位移台整体安装在横轴位移台上，装卡夹具固定在纵轴位移台上，被加工工件固定在装卡夹具上；位移台的控制装置由电脑、软件、控制卡连接电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：有两束方向相对的激光，且两束激光位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：其激光束所在直线为水平，也可为竖直，或与水平成0-90度倾斜角。

4.根据权利要求1所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：两侧的激光可来源于两种不同类型的激光器、调整为相同或不同参数的同类型激光器或同一激光器经分光获得。

5.根据权利要求1或2所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：T字工作台的纵轴安装旋转装置或偏转装置，被加工工件安装在旋转装置或偏转装置上，实现旋转运动或偏转某一角度。

6.根据权利要求1或2所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：T字工作台的横轴坐落在另一与横轴运动方向垂直的平移台表面，以实现立体运动。

7.根据权利要求1或2所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：导光聚焦系统通过光路过渡装置直接与激光器的激光输出端相连接，在导光聚焦系统上安装有与激光光路同轴的实时监测系统；左、右两台激光器固定在一个整体支架上或分别固定在不同的支架上。

8.一种激光双面同步加工系统，其特征是：左激光加工机、右激光加工机的导光聚焦系统主要包括导光部分转折全反镜或光纤、扩束镜和聚焦镜三部分以及其连接、调整用的各种器件；导光部分使激光从激光器导出，使两束光相向同轴或成某一角度相交于工件内部；扩束镜扩大激光束直径，从而压缩聚焦光斑的尺寸；聚焦镜则使激光束聚焦于被加工件的表面附近或内部以实现加工。

9.根据权利要求8所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：左激光加工机、右激光加工机的导光聚焦系统的平行入射激光经过45°全反镜形成平行入射激光再分别通过聚焦透镜后，聚焦于被加工工件的表面附近或内部；

或导光聚焦系统的传输用光纤经过扩束镜形成平行入射激光再分别通过聚焦透镜后，聚焦于被加工工件的表面附近或内部。

10.根据权利要求8所述的一种激光双面同步加工系统，其特征是：在左激光加工机、右激光加工机的导光聚焦系统上安装有与激光光路同轴的CCD监测系统；监视器与摄像头线路连接。

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