專利名稱：激光雙面同步加工系統(tǒng)及加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光雙面同步加工系統(tǒng)及加工方法。屬于超硬材料加工行業(yè)技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前的激光加工設(shè)備大都如圖1所示，激光頭部垂直向下，加工方式都是單 面加工或者雙面不同步加工。單面加工可加工的總厚度約為雙面加工的一半。
雙面不同步加工相對(duì)于雙面同步加工，存在以下缺陷
需要兩次裝夾被加工件，增加裝夾時(shí)間，降低總體加工效率； 兩次裝夾易造成裝夾誤差，導(dǎo)致雙面切割錯(cuò)位； 工作臺(tái)的重復(fù)定位精度不夠，在翻面切割時(shí)也會(huì)導(dǎo)致雙面切割錯(cuò)位； 如果被加工工件兩面的材料不一樣，用同一激光器可能會(huì)造成加工部位損傷過大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，提高加工效率，并減少人為原因和工作臺(tái) 重復(fù)定位精度不夠造成的誤差，本發(fā)明提出了激光雙面同步加工系統(tǒng)及加工方法。
一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，包括激光器、中間位移臺(tái)和被加工工件。被 加工工件兩側(cè)為兩束激光，分別作用于纟皮加工工件的兩個(gè)側(cè)面。 一皮加工工件兩 側(cè)的激光束在同 一直線上或相交在工件內(nèi)部。兩個(gè)激光束可以由兩臺(tái)激光器分 別產(chǎn)生，或者由一臺(tái)激光器經(jīng)過分束器產(chǎn)生。中間位移臺(tái)由導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)和控制裝置組成。中間位移臺(tái)由成T字結(jié)
構(gòu)的橫軸位移臺(tái)和縱軸位移臺(tái)組成，其中縱軸位移臺(tái)整體安裝在橫軸位移臺(tái)上， 裝卡夾具固定在縱軸位移臺(tái)上，被加工工件固定在裝卡夾具上。位移臺(tái)的控制 裝置由電腦、軟件、控制卡和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。切割圖形輸入電腦后，通過 軟件控制中間位移臺(tái)可按某個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)。在激光打開的情況下，可以完成按圖 形切割。
本發(fā)明所涉及的激光雙面同步加工方法，可以采用前文所述的激光雙面同步
加工系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)途徑之一可以包含以下步驟
步驟1把被加工工件通過工裝卡具固定到中間位移臺(tái)上；
步驟2根據(jù)被力。工工件兩側(cè)的材料的性質(zhì)調(diào)整相應(yīng)的激光參數(shù)(一般來說，
同 一種材料則激光參數(shù)相同)；
步驟3根據(jù)切割加工要求，調(diào)整激光光路使其相向，或相交在工件內(nèi)部； 步驟4分別調(diào)節(jié)兩側(cè)激光的參數(shù)(如激光功率、頻率、脈沖寬度等)，使其均
能切透對(duì)應(yīng)一側(cè)的材料，但不會(huì)對(duì)另一方的激光頭造成損傷；
步驟5啟動(dòng)激光器和中間位移臺(tái)控制系統(tǒng)，通過位移臺(tái)的移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)一皮加
工工件的激光雙面同步加工。 本發(fā)明的有益效果
1 通過激光雙面同步加工，其一次能夠加工的厚度比單面一次加工的厚度能夠 增加1倍以上。
2 采用激光雙面同步加工，與傳統(tǒng)雙面不同步切割相比，因無需翻面調(diào)整卡具 和重復(fù)定位， 一次裝卡即可完成加工，可提高切割效率至少l倍以上；
3 釆用激光雙面同步切割較薄材料時(shí)，和單面切割相比，當(dāng)激光參數(shù)相同時(shí)，切割效率可提高6倍以上甚至可超過10倍(因激光切割的深度受速度影響很大。切割深度減小一半時(shí)，切割速度可提高多倍，有時(shí)甚至可以高10倍 以上)；4 采用激光雙面同步切割較薄材料時(shí)，和單面切割相比，可采用更小的激光功 率，從而是切縫更窄、熱損傷區(qū)域更??；5 通過調(diào)整兩側(cè)的激光束在同一直線上，保證雙面切割時(shí)切縫平直、無錯(cuò)位。 而雙面不同步加工由于翻轉(zhuǎn)工件或工作臺(tái)重復(fù)定位精度不夠而產(chǎn)生誤差，常 使雙面切縫結(jié)合處不夠平直，有細(xì)小錯(cuò)位現(xiàn)象。6 通過調(diào)整激光雙面同步加工系統(tǒng)的激光器和光路的參數(shù)，在被加工工件的兩 側(cè)得到不同加工能力和加工特性的兩束激光，能同時(shí)加工兩種不同的材料， 提高加工效率和加工質(zhì)量。該方法適用于大部分由不同材料組成的復(fù)合體， 如PDC、 PCBN復(fù)合片、CVD金剛石復(fù)合片等的高效、高質(zhì)量切割加工。單面 加工或雙面不同步加工由于激光參數(shù)不便調(diào)整，同一激光參數(shù)無法針對(duì)復(fù)合 體被加工件兩側(cè)不同的材料進(jìn)行同時(shí)最優(yōu)化，因而單面加工或雙面不同步加 工相對(duì)于雙面同步切割，其切割質(zhì)量和效率要低得多。7 激光雙面同步切割，使工件雙面受到的熱作用力較平衡，切割后殘余應(yīng)力小、 熱變形小，切割質(zhì)量得到提高。8 當(dāng)兩束激光脈沖同步時(shí)，兩束激光分別切透兩側(cè)的材料后會(huì)在材料內(nèi)部相 交，使材料內(nèi)部形成激光"通道"，可使切割面更加平直、錐度更小。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種超硬材料如PCD、 PDC、 PCBN復(fù)合片，以及陶瓷、硬質(zhì) 合金的雙面同步切割，極大地提高了切割質(zhì)量和切割效率。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1為目前常規(guī)激光加工設(shè)備的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明激光工作頭和位移臺(tái)的裝配圖示意圖；圖4為利用分光棱鏡將一束激光分成兩束示意圖；圖5為本激光加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本激光加工系統(tǒng)45。鏡片反射聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本激光加工系統(tǒng)CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本激光加工系統(tǒng)光纖傳輸聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所標(biāo)的1、 2、 3為激光頭部，4為被加工的材料，5、 6為兩維(或三 維以上)中間位移工作臺(tái)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:如圖5所示， 一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，有中間位移工作臺(tái)5， 左激光加工機(jī)7、右激光加工機(jī)8，中間位移工作臺(tái)5、 6為X、 Y兩個(gè)相互垂直 的移動(dòng)工作臺(tái)，X移動(dòng)工作臺(tái)與Y移動(dòng)工作臺(tái)分別由導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)和控制裝 置連接構(gòu)成X、 Y位置移動(dòng)裝置，X移動(dòng)工作臺(tái)與Y移動(dòng)工作臺(tái)成T字結(jié)構(gòu)，在 位于X移動(dòng)工作臺(tái)之上的Y移動(dòng)工作臺(tái)上固定有裝卡夾具，左激光加工機(jī)7安 裝在中間工作臺(tái)5的左側(cè)，右激光加工機(jī)8安裝在中間工作臺(tái)5的右側(cè)，左、 右激光加工機(jī)7、 8的激光束輸出均指向中間工作臺(tái)，左激光加工機(jī)7的激光器 與右激光加工機(jī)8的激光束軸線位于同一直線上。其構(gòu)造如圖2所示。由兩個(gè) 激光頭2、 3發(fā)出的兩束激光相向且在同一直線上。此發(fā)明的應(yīng)用能避免雙面不同步加工中存在的翻面裝夾誤差和移動(dòng)工作臺(tái) 臺(tái)重復(fù)定位誤差，且相對(duì)于單面加工或雙面不同步加工有更高的加工效率，材料^皮加工部位的損傷也減小。激光加工機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。左、右激光加工機(jī)7、 8由激光電源10供電，用冷水機(jī)ll分別把左、右激 光加工機(jī)7、 8降溫到一定溫度區(qū)間，保證激光器2、 3的連續(xù)穩(wěn)定工作；導(dǎo)光 聚焦系統(tǒng)通過光路過渡裝置直接與激光器的激光輸出端相連接，在導(dǎo)光聚焦系 統(tǒng)上安裝有與激光光路同軸的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；左、右激光加工機(jī)7、 8固定在一個(gè)整體支架上。本發(fā)明采用雙激光頭雙面同步切割(圖2、圖3), —次裝卡即可切割原本需 要翻面才能切割的超硬材料，降低了對(duì)工裝卡具精度及操作人員技能的要求， 可有效防止錯(cuò)位；雙激光頭又可采用不同類型的激光器及工藝參數(shù)對(duì)易分層、 易崩口的PDC、 PCBN復(fù)合片、CVDD復(fù)合刀頭進(jìn)行加工，使加工效率提高2倍以 上，同時(shí)保證良好的切割質(zhì)量。實(shí)施例2:左、右激光加工機(jī)7、 8由兩臺(tái)獨(dú)立的激光電源分別供電，同時(shí)用兩臺(tái)冷水機(jī) 分別把左、右激光加工機(jī)7、 8降溫到一定溫度區(qū)間，保證激光器的連續(xù)穩(wěn)定工作。導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)通過光路過渡裝置直接與激光器的激光輸出端相連接，在導(dǎo)光 聚焦系統(tǒng)上安裝有與激光光路同軸的CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7,主要包括激光聚焦鏡29、成像聚焦鏡22、分劃板 (刻線玻璃片)23、攝像頭22、顯示器21等，監(jiān)視器21與攝像頭20線路連接。 被加工工件4的被監(jiān)測(cè)位置一般在激光焦點(diǎn)附件并以激光焦點(diǎn)為中心。其表面 的反射可見光通過激光聚焦鏡29變成平行光，通過成像聚焦鏡22成像于分劃 板23表面與刻度線疊加，激光焦點(diǎn)位置成像則與分劃板23刻線中心點(diǎn)重合。10，從而實(shí)現(xiàn)同軸監(jiān)觀'J。 左、右兩臺(tái)激光器7、 8固定在一個(gè)整體支架上。導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)主要包括導(dǎo)光部分(轉(zhuǎn)折全反鏡或光纖)、擴(kuò)束鏡和聚焦鏡三 部分以及其連接、調(diào)整用的各種器件。導(dǎo)光部分使激光束從激光器導(dǎo)出，使兩 束激光相向且同軸。擴(kuò)束鏡可擴(kuò)大激光束直徑，從而壓縮聚焦光斑的尺寸。聚 焦鏡則使激光束聚焦于被力口工件的表面附近或內(nèi)部。導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)如圖6所示，平行入射激光16、 17經(jīng)過45°全反鏡14、 15形成 平行入射激光18、 19再分別通過聚焦透鏡12、 13后，聚焦于被加工工件4。光纖傳輸聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，傳輸用光纖30、 37經(jīng)過擴(kuò)束鏡31、 36形 成平行入射激光32、 35再分別通過聚焦透鏡33、 34后，聚焦于被加工工件4。實(shí)施例3: —種激光雙面同步加工方法，通過采用兩臺(tái)激光發(fā)生裝置，或利 用分光棱鏡將同一臺(tái)激光器激光束分成兩束，來獲得兩束激光，如圖4所示， 也可通過使用不同分光棱鏡來調(diào)整兩束光的能量比。采用必要的裝置，例如光纖傳輸或反射鏡轉(zhuǎn)折，并通過激光準(zhǔn)直調(diào)整，使兩 束激光相向且在同一直線上；在兩束激光光路上分別安裝聚焦透鏡，通過二維調(diào)整件保證聚焦透鏡與激光 束垂直，且光束中心與聚焦鏡的中心重合；通過調(diào)整使二維位移臺(tái)兩軸的移動(dòng)方向平面與激光束的方向嚴(yán)格垂直或呈某一需要的傾斜角度；將工裝卡具安裝在縱軸位移臺(tái)面上，^皮加工工件安裝在工裝卡具上；通過調(diào)整工裝卡具，使工件表面與激光束垂直或呈某一需要的傾斜角度； 通過調(diào)整聚焦透鏡距離工件的距離，使兩束激光各自匯聚后的焦點(diǎn)位于被力口工件的表面附近或內(nèi)部；
按照設(shè)定好的工藝參數(shù)開始加工。
本發(fā)明采用雙激光頭進(jìn)行雙面同步切割，通過一系列針對(duì)工作臺(tái)、光路的調(diào) 整手段及方法，保證位移臺(tái)系統(tǒng)、被加工工件、激光光束及焦點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系及 空間位置滿足高精度加工的嚴(yán)格要求，從而可以保證良好的切割質(zhì)量。
實(shí)施例4: 一種激光雙面同步加工方法，通過采用兩臺(tái)相對(duì)獨(dú)立的激光發(fā)生 裝置，產(chǎn)生兩束相對(duì)獨(dú)立的激光輸出，其中兩臺(tái)獨(dú)立的激光發(fā)生裝置可以根據(jù) 被加工工件的情況分別由兩個(gè)不同工藝參數(shù)的同種規(guī)格的脈沖或連續(xù)激光器、
兩個(gè)不同規(guī)格的脈沖或連續(xù)激光器、甚至兩個(gè)不同規(guī)i格不同工藝參數(shù)的脈沖和 連續(xù)激光器組成。
通過調(diào)整兩臺(tái)激光器電源的電壓、頻率、脈寬等參數(shù)，采用雙電源同步或異 步輸出等方式，在進(jìn)行復(fù)合體的加工時(shí)使兩臺(tái)激光器工作在各自材料的最佳切 割狀態(tài)。
本發(fā)明采用雙激光頭進(jìn)行雙面同步切割，通過調(diào)整不同參數(shù)使兩束激光的 參數(shù)隨被加工工件雙面的材料進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合體的高質(zhì)量加工。
實(shí)施例5:激光加工機(jī)可選擇目前的市售產(chǎn)品，如廊坊昊博金剛石有限公 司生產(chǎn)的LCP30、 LCP40、 LCP8G型激光加工機(jī)、或LC固、LD05、 LDIO、 LD30、 LCQ40型激光加工機(jī)等；
X位置移動(dòng)裝置和Y位置移動(dòng)裝置可選擇目前的市售產(chǎn)品，如步進(jìn)電^/L驅(qū) 動(dòng)型位移控制裝置、或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)型位移控制裝置。
權(quán)利要求
1.一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，包括激光器、中間位移臺(tái)和被加工工件；其特征是被加工工件兩側(cè)為兩束激光，分別作用于被加工工件的兩個(gè)側(cè)面；被加工工件兩側(cè)的激光束在同一直線上或相交在工件內(nèi)部；兩個(gè)激光束可以由兩臺(tái)激光器分別產(chǎn)生，或者由一臺(tái)激光器經(jīng)過分束器產(chǎn)生；中間位移臺(tái)由導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)和控制裝置組成；中間位移臺(tái)由成T字結(jié)構(gòu)的橫軸位移臺(tái)和縱軸位移臺(tái)組成，其中縱軸位移臺(tái)整體安裝在橫軸位移臺(tái)上，裝卡夾具固定在縱軸位移臺(tái)上，被加工工件固定在裝卡夾具上；位移臺(tái)的控制裝置由電腦、軟件、控制卡和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是有兩束方向相對(duì)的激光，且兩束激光位于同一直線上。
3. 4艮據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是其激光束所在直線為水平，也可為豎直，或與水平成0-90度傾斜角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是兩側(cè)的激光可來源于兩種不同類型的激光器、調(diào)整為相同或不同參數(shù)的同類型激光器或同一激光器經(jīng)分光獲得。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是T字工作臺(tái)的縱軸安裝旋轉(zhuǎn)裝置或偏轉(zhuǎn)裝置，；故加工工件安裝在旋轉(zhuǎn)裝置或偏轉(zhuǎn)裝置上，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或偏轉(zhuǎn)某一角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是T字工作臺(tái)的橫軸坐落在另一與橫軸運(yùn)動(dòng)方向垂直的平移臺(tái)表面，以實(shí)現(xiàn)立體運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)通過光路過渡裝置直接與激光器的激光輸出端相連接，在導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)上安裝有與激光光路同軸的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；左、右兩臺(tái)激光器固定在一個(gè)整體支架上或分別固定在不同的支架上。
8、 一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是左激光加工機(jī)、右激光加工機(jī)的導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)主要包括導(dǎo)光部分轉(zhuǎn)折全反鏡或光纖、擴(kuò)束鏡和聚焦鏡三部分以及其連接、調(diào)整用的各種器件；導(dǎo)光部分使激光從激光器導(dǎo)出，使兩束光相向同軸或成某一角度相交于工件內(nèi)部；擴(kuò)束鏡擴(kuò)大激光束直徑，從而壓縮聚焦光斑的尺寸；聚焦鏡則使激光束聚焦于被加工件的表面附近或內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)加工。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是左激光加工機(jī)、右激光加工機(jī)的導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)的平行入射激光經(jīng)過45。全反鏡形成平行入射激光再分別通過聚焦透鏡后，聚焦于被加工工件的表面附近或內(nèi)部；或?qū)Ч饩劢瓜到y(tǒng)的傳輸用光纖經(jīng)過擴(kuò)束鏡形成平行入射激光再分別通過聚焦透鏡后，聚焦于被加工工件的表面附近或內(nèi)部。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種激光雙面同步加工系統(tǒng)，其特征是在左激光加工機(jī)、右激光加工機(jī)的導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)上安裝有與激光光路同軸的CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；監(jiān)視器與攝像頭線路連接，平行入射激光經(jīng)過45。全反鏡形成平行入射激光再通過聚焦透鏡后，聚焦于被加工工件的表面附近或內(nèi)部；在被加工工件的被監(jiān)測(cè)部位的圖像經(jīng)過聚焦透鏡放大并投影于分化板，經(jīng)過成像系統(tǒng)進(jìn)入攝像頭，再由監(jiān)視器監(jiān)測(cè)。
11. 一種激光雙面同步加工方法，含其特征是有以下步驟步驟1;把被加工工件通過工裝卡具固定到中間位移臺(tái)上；步驟2;根據(jù)被加工工件兩側(cè)的材料的性質(zhì)調(diào)整相應(yīng)的激光參數(shù)( 一般來說，同 一種材料則激光參數(shù)相同)；步驟3;根據(jù)切割要求，調(diào)整激光光路使其相向，或相交在工件內(nèi)部；步驟4;調(diào)節(jié)兩臺(tái)激光器的激光參數(shù)(如激光功率)，使其均能切透對(duì)應(yīng)一側(cè)的材料，但不會(huì)對(duì)另一方的激光頭造成損傷；步驟5;啟動(dòng)激光器和中間位移臺(tái)控制系統(tǒng)，通過位移臺(tái)的移動(dòng)即實(shí)現(xiàn)#1加工工件的激光雙面同步加工。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種激光雙面同步加工方法，其特征是利用分光棱鏡將同一臺(tái)激光器激光束分成兩束，來獲得兩束激光，通過使用不同分光棱鏡來調(diào)整兩束光的能量比；切割圖形輸入電腦后，通過軟件控制中間位移臺(tái)按某個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)；在激光打開的情況下，完成按圖形切割。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種激光雙面同步加工方法，其特征是采用光纖傳輸或反射鏡轉(zhuǎn)折，并通過激光準(zhǔn)直調(diào)整，使兩束激光相向且在同一直線上；在兩束激光光路上分別安裝聚焦透鏡，通過二維調(diào)整件保證聚焦透鏡與激光束垂直，且光束中心與聚焦鏡的中心重合。
全文摘要
一種激光雙面同步加工系統(tǒng)及加工方法，包括激光器、中間位移臺(tái)和被加工工件。被加工工件兩側(cè)為兩束激光，分別作用于被加工工件的兩個(gè)側(cè)面。被加工工件兩側(cè)的激光束在同一直線上或相交在工件內(nèi)部。兩個(gè)激光束可以由兩臺(tái)激光器分別產(chǎn)生，或者由一臺(tái)激光器經(jīng)過分束器產(chǎn)生。切割圖形輸入電腦后，通過軟件控制中間位移臺(tái)按軌跡運(yùn)動(dòng)，完成切割加工。通過激光雙面同步加工，其一次能夠加工的厚度比單面加工的厚度能夠增加1倍以上。與傳統(tǒng)雙面切割相比，無需翻面調(diào)整卡具，一次裝卡即可完成加工，工件雙面受到的熱作用力較平衡，切割后殘余應(yīng)力小、熱變形小，切割質(zhì)量得到提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種超硬材料如PDC、PCBN及其復(fù)合片、陶瓷等的雙面同步切割。
文檔編號(hào)B23K26/38GK101658979SQ20091018022
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者李世界, 港 郭, 陳繼鋒 申請(qǐng)人:廊坊昊博金剛石有限公司