一种动态轴镜架

摘要

本发明公开了一种动态轴镜架。该动态轴镜架包括镜筒主体、压圈、镜片和垫片，镜片和垫片置于镜筒主体中，并通过压圈固定，所述镜筒主体采用铝基复合材料加工而成，所述铝基复合材料由金属铝和增强体复合而成，其中铝元素的重量百分比在40％～95％，密度为1.8～3.5g/cm3，弹性模量在80～150GPa，导热率在100～200W/m·K。本发明通过铝与强度高、刚性好的材料进行复合，实现高弹性模量、高导热系数和低热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有良好的机械加工性能等；能够在原有镜架结构的基础上进一步减重，减小零件的壁厚，加工多孔结构，增加筋板结构，实现镜架重量减少和提高结构的表面积以提升散热性能，实现优异的综合性能，使得Z振镜镜架具有非常高的运动精度和平稳性。

权利要求

1.一种动态轴镜架，包括镜筒主体、压圈、镜片和垫片，镜片和垫片置于镜筒主体中，并通过压圈固定，其特征在于，在镜筒与其他部件连接处之外的部位加工出槽、孔或筋板结构，所述镜筒主体采用铝基复合材料加工而成，所述铝基复合材料由金属铝和增强体复合而成，其中铝元素的重量百分比在40％～95％，密度在1.8～3.5g/cm3之间，弹性模量在80～150GPa，导热率100～200W/m·K。

2.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述压圈和垫片采用所述铝基复合材料加工而成。

3.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述增强体为陶瓷或碳、硅、硼。

4.根据权利要求3所述的动态轴镜架，其特征在于，所述陶瓷为氧化物、碳化物、氮化物或硅化物。

5.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述增强体以颗粒、晶须或纤维的形式与铝基体复合。

6.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述铝基复合材料的密度达到理论密度的95％以上。

7.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述铝基复合材料采用粉末烧结、或熔炼以及喷射成形的方法制备。

8.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述铝基复合材料采用切削加工成型。

9.根据权利要求1所述的动态轴镜架，其特征在于，所述铝基复合材料采用3D打印直接制备出轻量化结构。

说明书

一种动态轴镜架

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光动态聚焦系统的动态轴镜架，属于激光技术领域。

背景技术

[0002] 激光加工技术近年来快速发展，以聚焦光斑扫描加工为核心的激光精细加工技术应用广泛。目前加工零件从简单的平面加工已经扩展到三维曲面加工。与传统二维激光加工相比，采用动态光学控制技术的三维动态聚焦系统能够实现在高端工业制造、电子、医疗和工艺品等领域的大幅面和三维曲面加工，可以取代传统的加工方法。

[0003] 动态聚焦系统主要由动态聚焦镜(Z振镜)、聚焦镜、X振镜和Y振镜等组成。在激光加工过程中Z振镜通过电机控制高速往复直线运动，X、Y振镜通过电机控制高速摆动，从而实现激光的动态聚焦和高速扫描，目前X、Y振镜通过摆动实现光束移动的线速度可以达到20000mm/s以上，而Z振镜速度通常要低于6000mm/s。Z振镜是实现激光聚焦位置动态调整的关键，目前它的运动速度是整个动态聚焦系统效率的瓶颈。

[0004] 动态聚焦运动涉及高效率、高精度、高稳定性的运动控制技术和驱动技术，对结构件的精度和结构材料的性能提出了非常高的要求。一般说来，振镜用结构件需满足以下要求：(1)高度轻量化：为降低运动惯量，减轻电机负载，提高运动效率、定位精度和稳定性，结构件普遍采用轻量化结构设计；(2)高形位精度：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有高的平面度、平行度、垂直度和形位精度；(3)高尺寸稳定性：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有极高的尺寸稳定性，不易产生应变，且导热系数高、热膨胀系数低，不易产生大的尺寸变形等。

[0005] 因此，Z振镜高速运动要求安装有光学镜片的镜架整体质量轻、运动惯量小、结构刚性好，以及高的导热性、低的热膨胀系数等，同时还要求镜架材料的加工性能好、结构紧凑。对镜架的要求非常高。常用的铜结构镜架质量太大，小功率电机无法实现高速运动，而采用铝合金镜架，质量大大减轻，但是铝合金硬度低、刚性差，高速运动过程中存在偏摆，稳定性不够，使用寿命短。铝合金的弹性模量一般＜70GPa，虽然通过添加合金元素热处理强化等手段能够大幅度提升材料的强度，但是铝合金材料自身的刚性难以得到明显提升，难以满足高速运动需求。

发明内容

[0006] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种密度低、刚性好，同时导热性、加工性能较好的动态轴镜架，以满足激光动态聚焦系统中动态轴的高速运动需求。

[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

[0008] 一种动态轴镜架，包括镜筒主体、压圈、镜片和垫片，镜片和垫片置于镜筒主体中，并通过压圈固定，所述镜筒主体采用铝基复合材料加工而成，所述铝基复合材料由金属铝3
和增强体复合而成，其中铝元素的重量百分比在40％～95％，密度在1.8～3.5g/cm之间，弹性模量在80～150GPa，导热率在100～200W/m.K。

[0009] 所述压圈和垫片可以采用所述铝基复合材料加工而成，也可以采用普通铝合金材料加工。

[0010] 优选地，所述增强体为氧化物、碳化物、氮化物或硅化物等陶瓷，或者为碳、硅或硼。

[0011] 优选地，所述增强体以颗粒、晶须或纤维的形式与铝基体复合。

[0012] 优选地，所述铝基复合材料的密度达到理论密度的95％以上。

[0013] 优选地，所述铝基复合材料采用粉末烧结、或熔炼以及喷射成形的方法制备。

[0014] 优选地，所述铝基复合材料采用切削加工成型，在镜筒与其他部件连接处之外的部位加工出槽、孔或筋板结构。

[0015] 优选地，所述铝基复合材料采用3D打印直接制备出轻量化结构。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 首先铝的密度轻、韧性好、导热性好、加工性能优异，但是弹性模量低、刚性差，通常铝及其合金材料的密度在2.7g/cm3左右，导热率通常在150W/m.K以上，但是其弹性模量一般要＜70GPa。单体碳、硅、硼以及氮化铝、碳化硅等陶瓷具有低的密度、高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，陶瓷材料的密度也比较轻，比如SiC导热率高达490W/m.K，AlN的导热率也达到了150W/m.K，Si的导热率也达到了150W/m.K。但是，这些材料往往具有极高的硬度和显著的脆性，精密加工难度大。

[0018] 通过铝与强度高、刚性好的材料进行复合，实现高弹性模量、高导热系数和低热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有良好的机械加工性能等；能够在原有镜架结构的基础上进一步减重，减小零件的壁厚，加工多孔结构，增加筋板结构，实现镜架重量减少和提高结构的表面积以提升散热性能，实现优异的综合性能，使得Z振镜镜架具有非常高的运动精度和平稳性。

附图说明

[0019] 图1为本发明的动态聚焦系统的结构示意图。

[0020] 图2为本发明的振镜镜架的组成示意图。

具体实施方式

[0021] 以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。

[0022] 图1所示为典型的激光动态聚焦系统结构，1为动态聚焦Z振镜镜架，里面装有聚焦镜片。图2为Z振镜镜架的组成示意图，11为压圈、13为镜片，12、14为镜片上下两个垫片，它们依次放置在镜筒15中，由压圈11通过螺纹拧紧将镜片13压实在镜筒15中，在镜筒筒身以及侧边与基座连接部位上可以加工各种孔和槽，16是加工出来的一种孔，用于减重和散热。镜筒由铝基复合材料加工而成，压圈、垫片等可以选择用铝基复合材料加工也可以用普通铝合金材料加工。

[0023] 对比例1

[0024] 普通A1合金材料镜架

[0025] 选用2024A1合金，密度约为2.7g/cm3，材料致密度达到100％，弹性模量为66GPa，热导率为177W/m·K，加工成镜筒，壁厚最薄为15mm，镜筒上不打孔开槽。加上压圈、垫片等，镜架整体重量为0.6kg。

[0026] 经测试，动态聚焦系统，高速运动线速度只能达到5500mm/s，电机速度再快时激光焦斑漂移，无法实现稳定工作。

[0027] 实施例1

[0028] A1-AlN复合材料镜架

[0029] 材料成分配比为A1-10wt.％AlN，在液态铝中加入A1N陶瓷颗粒，通过搅拌混匀后3
浇铸成型制备成颗粒增强铝基复合材料，该铝基复合材料的密度约为2.75g/cm ，无气孔、裂纹等缺陷，致密度达到98％以上，弹性模量达到95GPa，热导率约为160W/m.K，而且加工性能好。

[0030] 相对于铝合金材料而言，加工成镜筒壁厚减为12mm，镜筒上同时打孔开槽。加上铝合金压圈、垫片等，镜架整体重量为0.49kg，整体减重达18％，振镜高速运动线速度可达9000mm/s，保持动态聚焦系统稳定工作。

[0031] 实施例2

[0032] A1-15wt.％SiC复合材料镜架

[0033] 材料成分配比为A1-15wt.％SiC，采用铝合金粉末和SiC纤维材料，采用真空热压成型制备成纤维增强铝基复合材料，该铝基复合材料的密度约为2.77g/cm3，无气孔、裂纹等缺陷，致密度达到95％以上，弹性模量达到120GPa，热导率约为230W/m·K，而且机加工性能好。

[0034] 相对于铝合金材料而言，加工成镜筒壁厚减为10mm，镜筒上同时打孔开槽。加上铝合金压圈、垫片等，镜架整体重量为0.4kg，整体减重达33％，振镜高速运动线速度可达15000mm/s，保持动态聚焦系统稳定工作。

[0035] 实施例3

[0036] A1-28wt.％Si复合材料镜架

[0037] 材料成分配比为A1-30wt.％Si，采用铝粉和硅粉熔化后成液态，采用喷射沉积的方法制备颗粒增强铝基复合材料，该铝基复合材料的密度约为2.64g/cm3，无气孔、裂纹等缺陷，致密度达到98％以上，弹性模量达到90GPa，热导率约为110W/m.K，而且机加工性能好。

[0038] 相对于铝合金材料而言，加工成镜筒壁厚减为12mm，镜筒上同时打孔开槽。加上A1-30wt.％Si复合材料压圈、垫片等，镜架整体重量为0.42kg，整体减重达30％，振镜高速运动线速度可达10000mm/s，保持动态聚焦系统稳定工作。

[0039] 实施例4

[0040] 3D打印A1-30wt.％Si复合材料镜架

[0041] 材料成分配比为A1-30wt.％Si，采用铝硅预合金化粉末进行激光选区熔化工艺进行3D打印，镜筒的结构进一步减量化设计，采用多孔结构，筒身侧边添加筋板连接，材料无气孔、裂纹等缺陷，弹性模量达到85GPa，热导率约为150W/m·K。同时3D打印出A1-30wt.％Si复合材料压圈、垫片等。最终镜架整体重量为0.32kg，整体减重达47％，振镜高速运动线速度可达13000mm/s，保持动态聚焦系统稳定工作。

[0042] 本发明的动态轴镜架与已有技术相比具有以下积极效果：通过铝与强度高、刚性好的材料进行复合，实现高弹性模量、高导热系数和低热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有良好的机械加工性能等，能够在原有镜架结构的基础上进一步减重，减小零件的壁厚，加工多孔结构，增加筋板结构，实现镜架重量减少和提高结构的表面积以提升散热性能，实现优异的综合性能，使得Z振镜镜架具有非常高的运动精度和平稳性。