[发明专利]一种螺旋扫描激光加工头的控制方法

说明书

本发明提出了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，解决了现有螺旋扫描激光加工装置的加工精度低、加工效率低的问题。该方法包括以下步骤：步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度；步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；步骤三、多轴控制系统根据所选择的协同控制模式，驱动多个电机带动光学元件旋转；步骤四、多轴控制系统实时读取各电机当前的位置，并以任一光楔的电机位置为基准位置，其它电机根据该基准位置实时进行调整，从而实现激光螺旋扫描装置在高速旋转下的微孔精密制造。

技术领域

本发明属于激光精密制造领域，具体涉及一种螺旋扫描激光加工头的控制方法。

背景技术

在激光加工领域，微孔的加工方式主要分为三类：冲击钻孔、旋切钻孔和螺旋扫描钻孔。从效率和加工质量方面而言，激光螺旋扫描加工方式对于加工大深径比、高质量的微孔具有显著的优势。目前常见的激光螺旋扫描加工装置通常由多个光学元件组合而成,通过协同运动实现激光的螺旋扫描轨迹，具体的结构形式包括四光楔、双光楔加平板玻璃以及双光楔等几种模式。其中，四光楔和双光楔加平板玻璃的方式均包含了光束偏移及光束偏转模块，因此能够实现微孔加工的锥度控制；双光楔只具备光束偏转模块，不具备微孔锥度控制功能。因此，前者的螺旋扫描激光加工装置具有孔型加工精度高、应用灵活等特点，能够满足多种微孔的加工要求。

根据螺旋扫描激光加工装置在光学原理以及结构上的特点，为了实现激光螺旋扫描功能，需要对多组光学元件进行协同控制。目前主要采用“主-从”控制方式，分别将光束偏移模块以及光束偏转模块设置为“主动元件”和“从动元件”，使光束偏转模块在高速旋转运动中跟随光束偏移模块的相位，以此实现各个光学组件之间的协同运动，达到控制光束螺旋扫描的目的。该控制方式的缺点为：由于光束偏转模块通常由两个光楔组成，分别由两个电机进行驱动，因此在螺旋扫描激光加工装置高速旋转过程中，为了实现图1所示的XY平面内，激光束垂直于微孔孔壁的要求(经实验证实，光束与微孔孔壁如不垂直会影响微孔孔型精度且加工效率低)，光束偏转模块的两个光楔必须以光束偏移模块为基准，根据其当前相位做到精确“跟随”。

如图2a所示，△θ为光束偏转模块中光楔1与光楔2相对于光束偏移模块的相位夹角，在加工过程中，两个光楔必须跟随光束偏移模块运动并保持特定的相对位置关系，但是目前技术水平下由于整个加工装置的动态响应性、结构的制造及装调精度等问题，作为基准的光学元件在高速旋转下指令位置与实际位置必然会出现偏差，因此该控制方式在螺旋扫描激光加工装置高速旋转过程中光学元件之间的“跟随”精度不易保证，从而限制了微孔的孔型精度及加工效率。具体如图3a所示,现有控制方法以平板玻璃为跟随基准，当其相位角度出现θ偏差时两个光楔相对于平板玻璃的相位角度分别为-α/2-θ以及α/2-θ，此时理想的平板玻璃位置应为-α/2+α/2＝0，与当前平板玻璃位置偏差为θ。

发明内容

为解决现有螺旋扫描激光加工装置的加工精度低、加工效率低的问题，本发明提出了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，通过该方法提升了现有螺旋扫描激光加工头的多光学组件的协同控制精度，为高精度及高效率的微孔孔型激光制造提供了保障。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种螺旋扫描激光加工头的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、多轴控制系统发送位置及速度指令至驱动单元，驱动单元根据指令驱动各电机带动光学元件开始以同一速度V旋转，多轴控制系统读取各电机的运转速度，直至各电机的速度值达到稳定状态，即速度值稳定不变；

步骤二、根据加工需求选择多个光学元件之间的协同控制模式；

判断光学元件之间的相位夹角△θ是否随时间t变化，如变化，则激光加工轨迹为螺旋线，即变孔径扫描；如无变化，则激光加工轨迹为一定直径的圆环，即定孔径扫描；