專利名稱：一種多功能激光加工設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及到一種多功能激光加工設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前激光加工方式和設(shè)備主要分為兩種第一種激光加工方式是激光束通過(guò)聚焦透鏡，固定激光聚焦束在被加工工件表面，移動(dòng)兩維或三維工作臺(tái)或固定工作臺(tái)，或通過(guò)兩維或三維導(dǎo)光系統(tǒng)來(lái)移動(dòng)激光聚焦束對(duì)工件表面進(jìn)行兩維或三維加工。另外，在進(jìn)行精加工時(shí)，可以增設(shè)定位系統(tǒng)，精確測(cè)量出伸縮變形量的尺寸，切割時(shí)自動(dòng)予以校正。第一種激光加工方式由于其工作臺(tái)或?qū)Ч庀到y(tǒng)的定位精度和重復(fù)精度可達(dá)1微米或更高，同時(shí)采用短焦距透鏡可獲得1微米或更小的激光聚焦光斑，取得較窄的刻線寬度和鉆孔直徑，且確保聚焦光斑在整個(gè)加工幅面上的一致性，因此可獲得很高的細(xì)微加工精度。此外，這種激光加工方式通常具有一個(gè)與激光聚焦束同軸或非同軸的加工噴嘴，加入高壓惰性氣體，起著排渣和冷卻以及保護(hù)聚焦透鏡的作用或加入氧氣，起著助燃提高加工效率作用。但該方法最大的缺陷是加工速度較慢，其原因是三維工作臺(tái)或三維導(dǎo)光系統(tǒng)質(zhì)量較大，快速加工和變換方向以及啟^/停止時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性和震動(dòng)，導(dǎo)致較大的誤差，尤其是在加工曲率半徑較小的曲線時(shí)，加工速度因慣性原因下降，使激光束與加工物質(zhì)的相互作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱影響區(qū)增大，無(wú)法獲得較高的加工質(zhì)量。此外，加工速度較慢將影響激光加工效率，這也是在工業(yè)應(yīng)用中所要考慮的重要指標(biāo)之一 。
第二種激光加工方式是激光束通過(guò)一個(gè)由xy兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)和
掃描聚焦透鏡(如平常聚焦鏡或遠(yuǎn)心掃描透鏡)組成的激光掃描頭垂直指向加工工件。xy兩維掃描振鏡系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)工件進(jìn)行平面成型加工。通常采用由兩維或三維工作臺(tái)和掃描振鏡系統(tǒng)共同執(zhí)行加工，提高激光加工的靈活性，滿足大幅面和三維加工的需要。該加工方式也可以通過(guò)增設(shè)定位系統(tǒng)，精確測(cè)量出伸縮變形量的尺寸，切割時(shí)自動(dòng)予以校正來(lái)提高加工精度。這種激光加工方式的優(yōu)點(diǎn)是掃描振鏡控制系統(tǒng)具有輸出力矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快(可達(dá)0.5毫秒以下)等優(yōu)點(diǎn)。不但可以快速加工，提高加工效率，而且在加工曲率半徑較小的曲線時(shí)，因掃描速度較快，使激光束與加工物質(zhì)的相互作用時(shí)間短，減小熱影響區(qū)而獲得較好的加工質(zhì)量和較高加工效率。但其缺點(diǎn)首先是精度較差，重復(fù)精度一般為8毫弧度。其次是掃描光束偏離光軸時(shí)，會(huì)引起光束質(zhì)量不好。為克服此缺點(diǎn)，通常設(shè)計(jì)成通光孔徑較大的長(zhǎng)焦距透鏡來(lái)進(jìn)行聚焦，但會(huì)導(dǎo)致刻線較寬。此外，聚焦光班直徑在掃描范圍內(nèi)的不一致會(huì)導(dǎo)致刻線寬度或打孔直徑不一致。最后因無(wú)法采用與激光聚焦束同軸的加工噴嘴而不具有排渣和冷卻或助燃提高加工效率功能。所有這些缺陷也會(huì)導(dǎo)致精細(xì)微加工精度和質(zhì)量變差。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上兩種激光加工方式所具有的缺陷，充分利用它們的長(zhǎng)處，本發(fā)明提供了一種多功能激光加工設(shè)備，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)二種激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增強(qiáng)了激光加工能力。
本發(fā)明提供的一種多功能激光加工設(shè)備，包括依次位于同一光路上的激光器、光束整形模塊、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、導(dǎo)光系統(tǒng)、聚焦透鏡和噴嘴，Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在xy 二維工作臺(tái)上方，聚焦透鏡和噴嘴安裝在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)上；其特征在于光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)活動(dòng)安裝在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)上還固定有兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)和掃描聚焦透鏡，光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
4位于導(dǎo)光系統(tǒng)和聚焦透鏡之間，兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)位于光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的出射光路上，掃描聚焦透鏡位于兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)的出射光路上。
本發(fā)明提供的另一種多功能激光加工設(shè)備，包括依次位于同一光路上的激光器、光束整形模塊、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)和掃描聚焦透鏡，三維工作臺(tái)位于掃描聚焦透鏡的的出射光路上；其特征在于，在光束準(zhǔn)直系統(tǒng)和兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)之間活動(dòng)安裝有光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，聚焦透鏡和噴嘴依次固定在光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的出射光路上，由光束準(zhǔn)直系統(tǒng)出來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡和噴嘴出射到所述三維工作臺(tái)上。
本發(fā)明的基本原理是采用光路轉(zhuǎn)換技術(shù)將上述兩種激光加工方式結(jié)合在一起，利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)來(lái)互補(bǔ)各自缺陷。對(duì)于精度要求較高但加工速度要求不高以及曲線的曲率半徑較大的激光加工(例如電阻、電容和電感以及薄膜傳感器的激光微調(diào)，單晶硅、藍(lán)寶石和陶瓷的精密劃片或劃割等)，通過(guò)光路轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)第一種激光加工方式進(jìn)行激光加工處理；對(duì)于精度要求不高但速度要求較高以及曲線的曲率半徑較小的激光加工(例如各種幾何形狀的柔性電路切割，刻槽和開覆蓋膜窗口等)，通過(guò)光路轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)第二種激光加工方式進(jìn)行激光加工處理。因此，與上述的兩種方法相比，多功能激光加工設(shè)備具有如下的優(yōu)點(diǎn)
1. 采用光路轉(zhuǎn)換技術(shù)，將第一種和第二種激光加工方式結(jié)合于一體，提高了激光加工的靈活性和應(yīng)用范圍。
2. 僅增加光路轉(zhuǎn)換元件就可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行上述的兩種激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增強(qiáng)了激光加工能力。


圖1為帶兩維工作臺(tái)的本發(fā)明設(shè)備的具體實(shí)施第二種激光加工方式時(shí)
的結(jié)構(gòu)示意圖2為帶兩維工作臺(tái)的本發(fā)明設(shè)備的具體實(shí)施第一種激光加工方式時(shí) 的結(jié)構(gòu)示意圖3為帶三維工作臺(tái)的本發(fā)明設(shè)備的具體實(shí)施第一種激光加工方式時(shí) 的結(jié)構(gòu)示意圖4為帶三維工作臺(tái)的本發(fā)明設(shè)備的具體實(shí)施第二種激光加工方式時(shí) 的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明設(shè)備是采用一個(gè)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將上述第一種激光加工方式和第 二種激光加工方式結(jié)合為一體，達(dá)到一機(jī)多功能，實(shí)現(xiàn)同臺(tái)設(shè)備上能進(jìn)行 精度要求高但速度要求不高和精度要求不高但速度要求高的激光加工功能 的目的。
下面通過(guò)借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說(shuō)明 性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。 實(shí)例1:
如圖1所示，激光加工設(shè)備包括激光器l、光束整形模塊2、光束準(zhǔn)直
系統(tǒng)3、導(dǎo)光系統(tǒng)4、光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5、兩維全反掃描振鏡6、掃描聚焦透 鏡7、聚焦透鏡8、噴嘴9、 xy兩維工作臺(tái)10、加工工件13和Z軸移動(dòng)機(jī) 構(gòu)14，其中光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5、兩維全反掃描振鏡6、掃描聚焦透鏡7、聚焦 透鏡8和噴嘴9組成一體，固定于z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)14上，隨著z軸上下移動(dòng) 來(lái)調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)在z軸方向的位置，并與xy兩維工作臺(tái)IO—起實(shí)現(xiàn)三維 立體加工。
Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)14通常包括布置在Z軸方向的導(dǎo)軌、滑塊與電機(jī)組成， 由電機(jī)帶動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌在Z軸方向上、下移動(dòng)。
在進(jìn)行精加工時(shí)，本設(shè)備還可以增設(shè)定位系統(tǒng)12，定位系統(tǒng)12通常由CCD攝像頭組成,具有自動(dòng)坐標(biāo)系的標(biāo)定功能與坐標(biāo)系變換功能,能精確測(cè) 量出加工工件的兩維伸縮變形量的尺寸，提供給兩維全反掃描振鏡6的控 制系統(tǒng)，切割時(shí)自動(dòng)予以校正，確保激光束行走軌跡與被加工工件上的軌跡 重合。定位過(guò)程可以自動(dòng)一次性地完成也可以手動(dòng)逐步完成。
各構(gòu)成部件的功能可參考圖1來(lái)論述。激光器1發(fā)出激光束，經(jīng)光束 整形模塊2整形，改變激光光束模式的能量分布來(lái)提高鉆孔或刻蝕質(zhì)量。 被整形的激光束進(jìn)入光束準(zhǔn)直系統(tǒng)3，將激光束直徑放大和準(zhǔn)直成平行光 束，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)4將激光束輸入光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5。光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5是由 激光全反鏡組成，其功能是改變激光束的方向。當(dāng)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5插入光 路中，激光束經(jīng)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5被改變方向，進(jìn)入xy兩維掃描振鏡系統(tǒng)6， 經(jīng)掃描聚焦透鏡7匯聚到固定在兩維工作臺(tái)10上的工件13表面上。其激 光加工原理見圖1所示，xy兩維掃描振鏡系統(tǒng)和兩維工作臺(tái)10在計(jì)算機(jī) 程序軟件的控制下運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件13進(jìn)行x-y 二維平面快速激光掃描切割、 劃片或鉆孔加工，完成掃描場(chǎng)范圍的加工后，xy兩維工作臺(tái)10在x-y二維 平面移動(dòng)一定距離，重復(fù)以上加工過(guò)程，直到該平面層加工完畢?；蛘哂?計(jì)算機(jī)程序軟件控制xy兩維掃描振鏡系統(tǒng)和z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)14移動(dòng)，對(duì)工 件實(shí)施三維加工，從而實(shí)現(xiàn)激光加工第二種激光加工方式。
當(dāng)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5從光路中取出，即光路導(dǎo)光轉(zhuǎn)換組件只包括導(dǎo)光系 統(tǒng)4時(shí)，激光束將直接投入聚焦透鏡8。經(jīng)聚焦透鏡8聚焦后，通過(guò)同軸噴 嘴10匯聚于工件表面上(見圖2所示)，由計(jì)算機(jī)的控制xy兩維工作臺(tái)10 進(jìn)行兩位平面加工，或控制xy兩維工作臺(tái)10和z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)14對(duì)固定在 工作臺(tái)10上的工件13實(shí)施三維精密微加工，從而實(shí)現(xiàn)激光加工第一種激 光加工方式。
光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的插入和取出可以采用自動(dòng)控制或人工控制方法實(shí)施。 實(shí)例2:如圖3所示，激光加工設(shè)備包括激光器l、光束整形模塊2、光束準(zhǔn)直 系統(tǒng)3、光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5、兩維全反掃描振鏡6、掃描聚焦透鏡7、聚焦透 鏡8、噴嘴9、三維工作臺(tái)20、定位系統(tǒng)12和加工工件13。
激光器l發(fā)出激光束，經(jīng)光束整形模塊2整形，進(jìn)入光束準(zhǔn)直系統(tǒng)3， 將激光束直徑放大和準(zhǔn)直成平行光束，再經(jīng)過(guò)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5，改變激光束 的方向，投入聚焦透鏡8，經(jīng)聚焦透鏡8聚焦后，通過(guò)同軸噴嘴10匯聚于 工件表面上，由計(jì)算機(jī)的控制三維工作臺(tái)20對(duì)固定在工作臺(tái)20上的工件 13實(shí)施兩維或三維微加工，從而實(shí)現(xiàn)激光加工第一種激光加工方式。
當(dāng)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5從光路中取出時(shí)，激光束直接進(jìn)入xy兩維掃描振鏡 系統(tǒng)6，經(jīng)掃描聚焦透鏡7匯聚到固定在三維工作臺(tái)20上的工件13表面 上(見圖4所示)。xy兩維掃描振鏡系統(tǒng)和三維工作臺(tái)20在計(jì)算機(jī)程序 軟件控制下運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件13進(jìn)行x-y 二維平面或三維立體快速激光掃描或 鉆孔加工，完成掃描場(chǎng)范圍的加工后，三維工作臺(tái)20在x-y二維平面移動(dòng) 一定距離，重復(fù)以上加工過(guò)程，直到該平面層或立體加工完畢。從而實(shí)現(xiàn) 激光加工第二種激光加工方式。
光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)5的插入和取出可以采用自動(dòng)控制或人工控制方法實(shí)施。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā) 明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是 采用本發(fā)明的技術(shù)方案和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改，都落入本發(fā)明 保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種多功能激光加工設(shè)備，包括依次位于同一光路上的激光器(1)、光束整形模塊(2)、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)、導(dǎo)光系統(tǒng)(4)、聚焦透鏡(8)和噴嘴(9)，Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)安裝在xy二維工作臺(tái)(10)上方，聚焦透鏡(8)和噴嘴(9)安裝在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)上；其特征在于光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)活動(dòng)安裝在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)上，在Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)上還固定有兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)(6)和掃描聚焦透鏡(7)，光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)位于導(dǎo)光系統(tǒng)(4)和聚焦透鏡(8)之間，兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)(6)位于光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的出射光路上，掃描聚焦透鏡(7)位于兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)(6)的出射光路上。
2、 一種多功能激光加工設(shè)備，包括依次位于同一光路上的激光器(l)、 光束整形模塊(2)、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)、兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)(6)和掃描聚焦 透鏡(7)，三維工作臺(tái)(20)位于掃描聚焦透鏡(7)的)的出射光路上；其特征在 于，在光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)和兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)(6)之間活動(dòng)安裝有光路轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)(5)，聚焦透鏡(8)和噴嘴(9)依次固定在光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)的出射光路 上，由光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)出來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(5)后經(jīng)過(guò)聚焦透鏡 (8)和噴嘴(9)出射到所述三維工作臺(tái)(20)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多功能激光加工設(shè)備，其特征在于在 噴嘴(9)和掃描聚焦透鏡(7)之間安裝有定位系統(tǒng)(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能激光加工設(shè)備，該設(shè)備包括依次位于同一光路上的激光器、光束整形模塊、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、兩維全反掃描振鏡系統(tǒng)和掃描聚焦透鏡，工作臺(tái)位于掃描聚焦透鏡的出射光路上；其特征在于該設(shè)備還包括活動(dòng)安裝的光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，聚焦透鏡和噴嘴依次安裝在光路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的出射光路上。工作臺(tái)可以采用三維工作臺(tái)，或者由二維工作臺(tái)與Z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，該系統(tǒng)還可以增設(shè)定位系統(tǒng)，以便于精加工。本發(fā)明設(shè)備采用光路轉(zhuǎn)換技術(shù)，將兩種激光加工方式結(jié)合于一體，提高了激光加工的靈活性和應(yīng)用范圍。該設(shè)備僅增加或取出光路轉(zhuǎn)換元件就可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行兩種激光加工方式，不但降低成本，提高效率，而且增強(qiáng)了激光加工能力。
文檔編號(hào)B23K26/42GK101518855SQ20091006132
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者曾曉雁, 李祥友, 軍 段, 王澤敏, 胡乾午 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)