本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置及方法。
背景技术：
激光打孔是激光加工技术的一项重要应用，涉及众多领域，如：航空航天、汽车工业、医疗和化工等。随着这些领域对微孔和群孔的加工质量要求不断提高，激光打孔将会具有越来越大的优势和地位。
激光打孔具有精度高、效率高、无刀具损耗等诸多优势，但是对于高精密设备上的孔，其对孔的锥度和内壁质量要求非常高，如航空发动机上的气膜冷却孔，其锥度如果太大将会降低气体在内部的流动性进而直接影响气膜孔的冷却性能，从而不能满足使用要求。
针对上述情况，中国专利cn20161035099.2提出在工件下方放置激光反射装置和反射调节机构，当激光束穿过通孔后落到反射装置上与反射调节机构相互配合来消除锥度，我们都知道，激光在焦点处的能量密度最大，当激光通过通孔时其能量密度已经衰减，到达反射装置用于再加工的能量将大打折扣，反射的激光能量密度恐不能对材料进行去除。中国专利cn20171073269.7提出通过可旋转夹具将工件在第一次激光打孔后绕孔的x方向旋转180°，进行二次加工去除锥度，此方法需要确保被加工的孔的中心在旋转轴x上，这对群孔加工是不利的且对加工定位的精度要求极高，尤其对微孔加工，难以实现精确定位。
技术实现要素：
本发明针对上述发明中的不足，提供了一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的方法，该方法通过使激光有一定的入射角加工孔，对孔内壁多余材料进行去除，进而提高孔的内壁之类及减小锥度，通过旋转单元控制激光对孔内壁进行均匀加工实现无锥度孔。同时，本发明还提供了一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，该方法基于装置得以实现上述功能。
为达此目的，本发明采用下述技术方案：
一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，包括底座，所述底座上方垂直设置有左定位支撑板和右定位支撑板，两根角度旋转定位轴分别垂直安装在左定位支撑板和右定位支撑板上，所述角度旋转定位轴的末端位置设置有轴上夹具装置，两个所述夹具装置用于支撑工件，并通过夹紧装置夹紧；两根所述角度旋转定位轴可相对左定位支撑板和右定位支撑板旋转；所述底板下方开设有第一旋转导轨，旋转轴一端可在第一旋转导轨内旋转，旋转轴另一端垂直焊接在齿轮上，齿轮在外力的驱动下旋转；支撑轴用于支撑底板，且支撑轴设置在旋转轴的旋转中心位置处；所述旋转轴绕第一旋转导轨旋转时，可使底板倾斜。
进一步的，所述左定位支撑板上设置有角度刻度板，角度刻度板包括外角度刻度板和内角度刻度板；所述角度刻度板中心位置处设置有角度旋转定位轴，角度旋转定位轴上设置有外角度指针和内角度指针，通过拨动外角度指针或者内角度指针可使角度旋转定位轴旋转，从而工件相对位置变化。
进一步的，所述角度旋转定位轴可伸缩，从而适用不同的工件尺寸。
进一步的，所述齿轮设置在旋转单元底座上，旋转单元底座上开设有螺栓定位孔，通过螺栓将旋转单元底座定位固定。
进一步的，所述旋转单元底座上方开设有第二旋转导轨，在齿轮的带动下，旋转轴可绕着第二旋转导轨旋转。
进一步的，所述支撑轴焊接在旋转单元底座上，且支撑轴置于第二旋转导轨的中心位置。
进一步的，所述夹紧装置包括压板、开在夹紧装置上的螺栓孔和梯形块；所述轴上夹具装置包括梯形定位槽和支撑台；工件的两端分别置于两个所述支撑台上，所述梯形定位槽与梯形块卡接配合，在螺栓孔对应位置处，夹具装置上也开设有孔，通过螺栓将夹具装置和夹紧装置连接固定在一起，通过压板夹紧工件。
进一步的，所述轴上夹具装置与角度旋转定位轴为一体设计。
进一步的，还包括激光系统，激光系统对工件提供能量，通过改变激光系统中激光辐照在工件上的位置，从而改善孔的加工质量；所述激光系统包括激光器系统，激光器系统发出的激光经过半波片、偏光片、平面反光镜、二向色镜、振镜头后辐照在工件上，电脑用来控制激光器系统。
一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的方法，包括如下步骤：
步骤一：将工件装夹在移动平台上的轴上夹具装置上，使用螺栓对夹紧装置上的螺栓孔进行夹紧固定；
步骤二：根据所需要的加工角度调整角度控制单元上的外角度指针及内角度指针来确定工件的倾斜角度；
步骤三：开始激光打孔，打开激光系统，使振镜头沿着z轴方向向下进给，配合ccd镜头的影像中心对工件待加工区域进行对焦；激光从激光系统发出经过半波片、偏光片对光的筛选过滤优化及快门到达平面反光镜和二向色镜，最终通过振镜头里的聚焦透镜后，使光束聚焦在工件表面进行通孔加工；
步骤四：在激光加工孔的同时，通过速度控制单元对齿轮及旋转轴的速度以及激光环切的速度进行控制，使旋转轴速度与激光环切的速度保持一致，有利于孔内壁加工质量的改善及锥度的减小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中角度旋转定位轴可伸缩，从而实现了多尺寸工件的加工。
2.本发明通过旋转定位轴从而改变工件的相对位置，在加工过程中，通过齿轮带动旋转轴旋转改变工件相对位置，从而精确控制工件需要倾斜的角度；同时，可以使旋转轴速度与激光环切的速度保持一致，有利于孔内壁加工质量的改善及锥度的减小。
3.本发明通过控制下方旋转单元齿轮的旋转速度，使旋转轴沿着旋转导轨进行连续稳定的旋转，使激光有一定的入射角度加工孔的内壁，更好的去除多余的材料，达到改善内壁加工质量及减小锥度的作用且旋转单元旋转轴的速度与激光环切速度相同。
4.通过设计轴上夹具装置和夹紧装置，使得工件能稳定的加持在旋转定位轴上。
附图说明
图1为本发明激光打孔装置结构示意图；
图2为本发明激光系统示意图；
图3为本发明角度刻度盘及角度指针的结构示意图；
图4为本发明轴上夹具装置和夹紧装置的结构示意图；
图5为本发明为可伸缩角度旋转定位轴及轴上夹具装置结构示意图；
图6为本发明涉及到的旋转单元结构示意图；
图7为本发明旋转单元速度控制示意图。
附图标记如下：
1-底座、2-左定位支撑板、3-角度刻度盘、4-外角度指针、5-内角度指针、6-角度旋转定位轴、7-轴上夹具装置、8-夹紧装置、10-右定位支撑板、11-支撑轴、12-旋转轴、13-齿轮、14-旋转单元底座、15-螺栓定位孔、16-旋转导轨、21-激光器系统、22-半波片、23-偏光片、24-快门、25-平面反光镜、26-二向色镜、27-ccd镜头、28-振镜头、29-工件、210-移动平台、211-电脑、212-五轴运动系统、3.1-外角度刻度盘、3.2-内角度刻度盘、7.1-梯形定位槽、7.2-支撑台、8.1-压板、8.2-筋板、8.3-梯形块、8.4-螺栓孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，包括底座1，所述底座1上方垂直设置有左定位支撑板2和右定位支撑板10，两根角度旋转定位轴6分别垂直安装在左定位支撑板2和右定位支撑板10上，所述角度旋转定位轴6的末端位置设置有轴上夹具装置7，两个所述夹具装置7用于支撑工件29，并通过夹紧装置8夹紧；两根所述角度旋转定位轴6可相对左定位支撑板2和右定位支撑板10旋转；所述底板1下方开设有第一旋转导轨，旋转轴12一端可在第一旋转导轨内旋转，旋转轴12另一端垂直焊接在齿轮13上，齿轮13在外力的驱动下旋转；支撑轴11用于支撑底板1，且支撑轴11设置在旋转轴12的旋转中心位置处；所述旋转轴12绕第一旋转导轨旋转时，可使底板1倾斜。
该种结构设计可以实现工件位置的相对运动，从而可以实现激光对任意孔的加工，同时，通过工件位置的相对变化，激光辐照工件要加工位置也会发生变化，这样就能减缓常规激光加工过程中锥形孔，孔内毛刺严重的问题。
其中，所述左定位支撑板2上设置有角度刻度板3，角度刻度板3包括外角度刻度板3.1和内角度刻度板3.2；所述角度刻度板3中心位置处设置有角度旋转定位轴6，角度旋转定位轴6上设置有外角度指针4和内角度指针5，通过拨动外角度指针4或者内角度指针5可使角度旋转定位轴6旋转，从而工件相对位置变化；所述角度旋转定位轴6可伸缩，从而适用不同的工件尺寸。
所述齿轮13设置在旋转单元底座14上，旋转单元底座14上开设有螺栓定位孔15，通过螺栓将旋转单元底座14定位固定；所述旋转单元底座14上方开设有第二旋转导轨16，在齿轮13的带动下，旋转轴12可绕着第二旋转导轨16旋转；所述支撑轴11焊接在旋转单元底座14上，且支撑轴11置于第二旋转导轨16的中心位置。
上述结构的设计使得底板在支撑轴的支撑的同时，也能实现底板在旋转轴的作用下相对地面角度的变化，从而改变了工件相对位置，为提高工件上加工位置的加工精度准备了条件。
所述夹紧装置8包括压板8.1、开在夹紧装置8上的螺栓孔8.4和梯形块8.3；所述轴上夹具装置7包括梯形定位槽7.1和支撑台7.2；工件29的两端分别置于两个所述支撑台7.2上，所述梯形定位槽7.1与梯形块8.3卡接配合，在螺栓孔8.4对应位置处，夹具装置7上也开设有孔，通过螺栓将夹具装置7和夹紧装置8连接固定在一起，通过压板8.1夹紧工件29。通过设计轴上夹具装置和夹紧装置，使得工件能稳定的加持在旋转定位轴上。
轴上夹具装置7与角度旋转定位轴6为一体设计，使工件位置更加稳定。
具体的，结合附图对本发明做进一步的描述：
结合图1，一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，包括底座1、左定位支撑板2、右定位支撑板10、角度刻度板3、外角度指针4、内角度指针5、角度旋转定位轴6、轴上夹具装置7、夹紧装置8、支撑轴11、旋转轴12、齿轮13、旋转单元底座14、螺栓定位孔15和旋转导轨16；底座1上方安装定位左支撑板2及右支撑板10，所述角度刻度板3安装在左定位支撑板2的侧壁上；所述外角度指针4、内角度指针5安装在角度旋转定位轴6与轴上夹具装置7及夹紧装置8安装在左定位支撑板2中心；所述支撑轴11安装在旋转单元底座14与底座1之间，支撑轴11一端焊死在旋转单元底座14上；所述旋转轴12安装在齿轮13上沿着旋转导轨16旋转且一端焊死在齿轮上；所述螺栓定位孔15用于旋转单元底座14的定位固定。
结合图2，所述激光加工系统包括激光器系统21、半波片22、偏光片23、快门24、平面反光镜25、二向色镜26、ccd镜头27、振镜头28、工件29、移动平台210、电脑211、五轴运动系统212；首先配合ccd镜头27的影像中心对工件待加工区域进行对焦；所述激光系统21发出激光经过半波片22、偏光片23对光的筛选过滤优化，经平面反光镜24反射，最终通过振镜头28里的聚焦透镜后，使光束聚焦在工件29表面进行通孔加工。
结合图3，所述角度刻度盘3包括外角度刻度盘3.1、内角度刻度盘3.2、外角度指针4及内角度指针5，根据所需要的加工角度，通过调整外角度指针4与内角度指针5进行控制，外角度刻度盘一刻度为一度，内刻度盘一刻度为六十分之一度，通过相互配合精确到所需要加工的角度。
结合图4，所述夹紧装置8包括压板8.1、螺栓孔8.4、筋板8.2和梯形块8.3，使梯形块8.3嵌入梯形定位固定槽7.1来进行定位，用螺栓通过螺栓孔8.4连接上下加紧单元进行夹紧，筋板8.2用来改善夹具受力状态，防止夹具经长期使用导致变形；压板8.1用来压紧工件和支撑台7.2。结合图5，所述可伸缩的角度旋转定位轴6与轴上夹具装置7相比，通过可伸缩的角度旋转定位轴增加了夹具在轴向上的移动用来满足不同尺寸工件的加工需要；
结合图6，所述支撑轴11安装在旋转单元底座14与底座1之间，支撑轴11的一端焊死在旋转单元底座14上；所述旋转轴12安装在齿轮13上沿着旋转导轨16旋转且一端焊死在齿轮13上；所述螺栓定位孔15用于旋转单元底座14的定位固定；
结合图7，所述旋转单元的速度控制主要包括对齿轮的旋转速度及激光环切速度的控制，使两者速度相同。使激光有一定的入射角度加工孔的内壁，更好的去除多余的材料，达到改善内壁加工质量及减小锥度的作用。
所述的一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置及方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将待加工工件29装夹在移动平台210上的轴上夹具装置7上，使用螺栓穿过夹紧装置8上的螺栓孔8.4对工件进行夹紧固定。
步骤二：根据所需要的加工角度通过调整角度控制单元上的外角度指针4及内角度指针5来确定工件29的倾斜角度。
步骤三：激光打孔过程，开启激光系统21，使振镜头28沿着z轴方向向下进给，配合ccd镜头27的影像中心对工件待加工区域进行对焦。激光从激光系统21发出经过半波片22、偏光片23对光的筛选过滤优化，经平面反光镜25反射，最终通过振镜头28里的聚焦透镜后，使光束聚焦在工件29表面进行通孔加工。
步骤四：在激光加工孔的同时，通过速度控制单元对齿轮13的速度以及激光环切的速度进行控制，使其速度保持一致，将更有利于孔内壁加工质量的改善及锥度的减小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)上方垂直设置有左定位支撑板(2)和右定位支撑板(10)，两根角度旋转定位轴(6)分别垂直安装在左定位支撑板(2)和右定位支撑板(10)上，所述角度旋转定位轴(6)的末端位置设置有轴上夹具装置(7)，两个所述夹具装置(7)用于支撑工件(29)，并通过夹紧装置(8)夹紧；两根所述角度旋转定位轴(6)可相对左定位支撑板(2)和右定位支撑板(10)旋转；
所述底板(1)下方开设有第一旋转导轨，旋转轴(12)一端可在第一旋转导轨内旋转，旋转轴(12)另一端垂直焊接在齿轮(13)上，齿轮(13)在外力的驱动下旋转；支撑轴(11)用于支撑底板(1)，且支撑轴(11)设置在旋转轴(12)的旋转中心位置处；所述旋转轴(12)绕第一旋转导轨旋转时，可使底板(1)倾斜。
2.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述左定位支撑板(2)上设置有角度刻度板(3)，角度刻度板(3)包括外角度刻度板(3.1)和内角度刻度板(3.2)；所述角度刻度板(3)中心位置处设置有角度旋转定位轴(6)，角度旋转定位轴(6)上设置有外角度指针(4)和内角度指针(5)，通过拨动外角度指针(4)或者内角度指针(5)可使角度旋转定位轴(6)旋转，从而工件相对位置变化。
3.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述角度旋转定位轴(6)可伸缩，从而适用不同的工件尺寸。
4.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述齿轮(13)设置在旋转单元底座(14)上，旋转单元底座(14)上开设有螺栓定位孔(15)，通过螺栓将旋转单元底座(14)定位固定。
5.根据权利要求4所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述旋转单元底座(14)上方开设有第二旋转导轨(16)，在齿轮(13)的带动下，旋转轴(12)可绕着第二旋转导轨(16)旋转。
6.根据权利要求4所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述支撑轴(11)焊接在旋转单元底座(14)上，且支撑轴(11)置于第二旋转导轨(16)的中心位置。
7.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述夹紧装置(8)包括压板(8.1)、开在夹紧装置(8)上的螺栓孔(8.4)和梯形块(8.3)；所述轴上夹具装置(7)包括梯形定位槽(7.1)和支撑台(7.2)；工件(29)的两端分别置于两个所述支撑台(7.2)上，所述梯形定位槽(7.1)与梯形块(8.3)卡接配合，在螺栓孔(8.4)对应位置处，夹具装置(7)上也开设有孔，通过螺栓将夹具装置(7)和夹紧装置(8)连接固定在一起，通过压板(8.1)夹紧工件(29)。
8.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，所述轴上夹具装置(7)与角度旋转定位轴(6)为一体设计。
9.根据权利要求1所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置，其特征在于，还包括激光系统，激光系统对工件(29)提供能量，通过改变激光系统中激光辐照在工件(29)上的位置，从而改善孔的加工质量；所述激光系统包括激光器系统(21)，激光器系统(21)发出的激光经过半波片(22)、偏光片(23)、平面反光镜(25)、二向色镜(26)、振镜头(28)后辐照在工件(29)上，电脑(211)用来控制激光器系统(21)。
10.根据权利要求1至9任一项所述的改变激光入射角度来改善任意角度孔的加工质量的装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将工件(29)装夹在移动平台(210)上的轴上夹具装置(7)上，使用螺栓对夹紧装置(8)上的螺栓孔(8.4)进行夹紧固定；
步骤二：根据所需要的加工角度调整角度控制单元上的外角度指针(4)及内角度指针(5)来确定工件(29)的倾斜角度；
步骤三：开始激光打孔，打开激光系统(21)，使振镜头(28)沿着z轴方向向下进给，配合ccd镜头(27)的影像中心对工件待加工区域进行对焦；激光从激光系统(21)发出经过半波片(22)、偏光片(23)对光的筛选过滤优化及快门(24)到达平面反光镜(25)和二向色镜(26)，最终通过振镜头(28)里的聚焦透镜后，使光束聚焦在工件(29)表面进行通孔加工；
步骤四：在激光加工孔的同时，通过速度控制单元对齿轮(13)及旋转轴(12)的速度以及激光环切的速度进行控制，使旋转轴(12)速度与激光环切的速度保持一致，有利于孔内壁加工质量的改善及锥度的减小。
技术总结