CN102248307A - 用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法，包括一台DPSS激光器、10倍扩束***、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、XYZ三维平移台和Z轴旋转台、辅助气体***、吸尘***、CCD视觉监测***和计算机控制***，旋转双光楔加工头适合直径小于几百微米的圆孔加工并可实现列阵微孔的加工；振镜扫描加工头适合于大于300微米圆孔的精密加工，还可以加工大至几十毫米的曲线图形。本发明突破了单一加工方式极限加工孔径范围和精度受器件性能和加工方式限制的局限性，满足了对不同极限孔径的紫外激光精细加工需求。该加工装置具有重复频率高、稳定性好、光束质量高、脉宽窄的优点。

Description

用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种通过精密切换旋转双光楔加工头和振镜扫描加工头的光路，特别涉及一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法，属于激光精细加工技术应用领域。

背景技术

近几年来，随着电子产品、微电子、生物医学设备元器件的小型化，紫外激光精细加工的需求日益增长，激光打微孔、切割、刻槽等加工在这些领域中的应用也越来越多。如生物医学设备通常工作在细胞水平，这意味着他们的构件孔、通道和其他零部件都是极小的，所加工的有些孔径在20至数百微米之间，孔径和相关尺寸的公差也在微米级，而零件的外形切割尺寸则在几毫米至数十毫米之间。先进的DPSS激光加工设备，使用紫外激光的脉冲能量加工小尺寸材料，其聚焦光斑尺寸极小，最小可达几个微米，具有切缝窄、切割速度快、热影响区小、材料变形小等优点，可精细切割圆孔和各种复杂形状的部件。

激光圆孔成型主要有五种方法：1、固定光束加工微孔，孔径由聚焦光斑决定，不可调节，孔形由光束质量决定，不可控。2、固定光束结合二维位移平台加工微孔或图形，孔径由平移台的行程决定，微孔精度受位移台精度和速度的影响。因为运动惯量很大，响应速度低，小孔边缘有明显的热效应引起的碳化层、熔化层，或在材料顶部存在堆积物的现象，因此不适合加工百微米直径的孔。3、固定光束结合旋转平台和一维位移平台加工圆孔，孔径调节由旋转轴和光轴中心的偏离量实现，孔径不受限制，孔型由高速旋转形成，精度较高，适合加工微孔。但由于工件随平台一起旋转，不适合较大零件和阵列孔的加工，且定位点难找。4、振镜扫描加工微孔或图形，由于振镜的高速响应，光束定位快，适合加工数量众多的列阵孔和各种图形，但受器件本身特征和精度限制，一般不适合加工300微米以下的孔，孔会变形。5、光束高速旋转，工件不动，孔径调节即激光束和微孔中心的偏离值由光学组件产生，实现微孔加工，孔形精度高，孔径可控性好，其最大极限孔径受光楔顶角限制，适合几百微米以下的高精度微孔成形。

上述微孔成形方法在孔径范围、孔形精度、加工速度、质量等方面都存在着一定的局限性，若要满足不同孔径、孔形、精度、列阵、高效率、高质量等要求，则必须配备多套紫外精细加工设备，成本则成倍增加。

发明内容

本发明目的是为了克服现有单一微孔成形方法在孔径范围、孔形精度、加工速度、质量等方面的局限性，以满足工业生产对不同极限孔径和精度的紫外激光精细加工需求。

本发明的技术方案是：一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，该装置包括一台DPSS激光器、10倍扩束镜、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、精度为微米量级的XYZ平移台和Z轴旋转台、工件吸附台、辅助气体***、吸尘***、CCD视觉监测***和计算机控制***；所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后至光路切换组件，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头，由计算机控制***控制高速电机旋转，并带动两光楔片一起旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合XY平移台改变工件位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件中的第一反射镜片反光至振镜扫描加工头，由计算机控制***控制振镜扫描加工头中的XY扫描镜，获得极限孔径300微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制***与DPSS激光器、旋转双光楔微孔加工头的高速电机、低速电机和直动气缸，振镜扫描加工头的XY扫描镜、CCD视觉监测***、XYZ平移台、辅助气体***相连接，DPSS激光器的参数、高速电机的转速、低速电机的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制***设置和控制。

所述的光路切换组件包括支架模块、45度斜面滑块、第一反射镜片、导向滑轨、第一压簧、连接块、定位板和限位销，所述第一反射镜片固定在45度斜面滑块的斜面上，45度斜面滑块和导向滑轨两轴平行，由连接块相连，与支架模块配合，在支架模块内进行往复运动，限位销固定在定位板上。

所述的旋转双光楔微孔加工头包括第二反射镜片、第一支承轴、第二支承轴、第一、第二两个光楔片、带轮传动***、齿轮传动***、高速电机、低速电机、第二压簧、直动气缸、与聚焦镜连接的气嘴， 两个完全相同的固定在第一支承轴和第二支承轴内的顶角为α的第一、第二两个光楔片互相平行放置，所述两个光楔片中心线与经第二反射镜片反射的入射光束的光轴同轴、第一支承轴和第二支承轴的旋转轴共轴，所述的DPSS激光器输出光束光路经10倍扩束镜扩束后直接至旋转双光楔微孔加工头，光束经第二反射镜片反射和两个光楔片折射后，经聚焦镜聚焦在偏离聚焦镜中心光轴0-R位置的焦面上，最大偏离量由光楔片的顶角α决定；所述的第一支承轴的下端面和第二支承轴的上端面加工有相同的端面齿，由压簧将两轴端面啮合，当两个支承轴的一个端面啮合时，高速电机通过带轮传动***驱动第一、第二两个支承轴共同旋转，实现光束旋转的微孔加工，所述直动气缸和第二两个支承轴相连接，当直动气缸启动时，直动气缸作用于第二支承轴，使其与第一支承轴脱离啮合，同时切入至齿轮传动***上，由低速电机驱动第二支承轴独立旋转，使两个光楔片产生相对的角位移，最小角位移值为支承轴端面啮合单个齿的细分角度，光束经两个光楔片折射后改变了光束的偏移量，且细分角度与孔径成一一对应的关系，当关闭直动气缸时，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴受到第二压簧的推力作用与第一支承轴重新啮合，当第一支承轴被驱动旋转时，两轴又共同旋转，从而改变加工孔径的大小，所述的两支承轴的端面齿数决定了孔径的调节精度，低速电机旋转的角度是两支承轴端面单个齿细分角度的整数倍，低速电机的旋转角度值由计算机控制***设定。

所述的振镜扫描加工头包括XY二维振镜扫描头、f –θ透镜。

一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，对不同极限尺寸的孔径进行加工的方法步骤如下：

当需要加工的极限孔径在20-300微米时：

1）将光路切换组件中的限位销插在45度斜面滑块上的限位孔内，第一反射镜不在光路之中，则DPSS激光器输出的光束经10倍扩束镜扩束后直接传输进入旋转双光楔加工头；

2）启动直动气缸，直动气缸的直线往复运动推动第二支承轴脱离第一支承轴的啮合面，并同时切入至齿轮传动***，在计算机控制***上设定与所需孔径相对应的低速电机的旋转角度值，由计算机控制***控制低速电机旋转相应的角度，通过齿轮传动***驱动第二支承轴也旋转相应的角度，使固定在第二支承轴内的第二光楔片相对第一光楔片产生相对的角位移，关闭直动气缸，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴由于第二压簧的推力作用脱离齿轮传动***，其上端面齿与第一支承轴的下端面重新啮合；

3）计算机控制***驱动Z轴平移台上下移动，通过CCD视觉监测***监测，将工件加工表面调在聚焦镜的焦面上；移动XY二维平移台，转动Z轴旋转台，通过CCD视觉监测***找到工件的微孔加工位置；

4）在计算机控制***上设置孔的行距、列距、行数、列数、高速电机的转速、DPSS激光器的激光参数、加工时间参数，同时开启辅助气体***和吸尘***，由计算机控制***控制高速电机旋转，通过带轮传动***，使第一和第二支承轴被驱动共同旋转，并控制DPSS激光器的激光输出和XY平移台的位移，实现所需孔径单个微孔或列阵微孔的加工；

当需要加工的极限孔径在300微米以上时：

1）将光路切换组件中的限位销拔出，安装有第一反射镜的45度斜面滑块上在压簧的预压力推动下精确定位在光路切换的位置，则DPSS激光器输出的光束经10倍扩束镜、光路切换组件中第一反射镜的反射，传输至振镜扫描加工头中的XY扫描镜上；

2）上下移动Z轴平移台，通过CCD视觉监测***视频监测，将工件的加工表面调在f –θ透镜的焦面上；移动XY平移台和Z轴旋转台，通过CCD视觉监测***确定工件的加工位置，同时开启吸尘***。由计算机控制***控制激光和XY扫描镜进行300微米以上圆孔和复杂图形的加工。

本发明的有益效果是：提供了一种可用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法，克服了单一微孔成形设备和方法在孔径范围、孔形精度、加工速度、质量等方面的局限性，可满足工业生产对不同孔径、孔形、精度、列阵、高效率、高质量等宽范围的紫外激光精细加工要求，极大降低了成本。

附图说明

图1 为紫外激光双光头精细加工装置原理图；

图2 为双光头加工光路示意图；

图3 为光路切换组件结构示意前视图；

图4为光路切换组件结构示意俯视图；

图5 为旋转双光楔微孔加工头示意图；

图6为两个支承轴端面啮合齿轮结构示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，由图1、图2、图4、图5、图6所示，一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特点是，该装置包括一台DPSS激光器1、10倍扩束镜2、光路切换组件3、旋转双光楔微孔加工头4、振镜扫描加工头5、精度为微米量级的XYZ平移台7、8、9和Z轴旋转台10、工件吸附台11、辅助气体***12、吸尘***14、CCD视觉监测***6和计算机控制***13；所述的DPSS激光器1输出光束经10倍扩束镜2扩束后至光路切换组件3，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头4，由计算机控制***13控制高速电机30旋转，并带动第一和第二光楔片27、28旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合XY平移台7、8改变工件15位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件3中的第一反射镜片18反光至振镜扫描加工头5，由计算机控制***13控制振镜扫描加工头5中的XY扫描镜37，获得极限孔径300微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制***13与DPSS激光器1、旋转双光楔微孔加工头4的高速电机30、低速电机32、直动气缸34、振镜扫描加工头5的XY扫描镜37、CCD视觉监测***6、XYZ平移台7、8、9和辅助气体***12相连接，DPSS激光器1的参数、高速电机30的转速、低速电机32的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制***13设置和控制。

由图3和图4所示，所述的光路切换组件3包括支架模块16、45度斜面滑块17、第一反射镜片18、导向滑轨19、第一压簧20、连接块21、定位板22和限位销23，所述第一反射镜片18固定在45度斜面滑块17的斜面上，45度斜面滑块17和导向滑轨19两轴平行，由连接块21相连，与支架模块16配合，在支架模块16内进行往复运动，限位销22固定在定位板22上。当光束直接传输至双光楔旋转微孔加工头4时，第一反射镜18远离光束，限位销23插在45度斜面滑块17上的限位孔24内，保证光路切换组件3不阻挡光路。当光路需要传输至振镜扫描加工头5时，拔出限位销23，由压簧20的预压力保证安装有第一反光镜的45度斜面滑块17始终精确定位在光路切换的位置，并将光束反射到振镜扫描加工头5的XY扫描镜片37上，经f –θ透镜38聚焦在工件15上，实现加工。

由图5、图6所示，所述的旋转双光楔微孔加工头4包括第二反射镜片39、第一支承轴25、第二支承轴26、第一、第二两个光楔片（27、28）、带轮传动***29、齿轮传动***31、高速电机30、低速电机32、第二压簧33、直动气缸34、与聚焦镜连接的气嘴36， 两个完全相同的固定在第一支承轴25和第二支承轴26内的顶角为α的第一、第二两个光楔片（27、28）互相平行放置，所述两个光楔片（27、28）中心线与经第二反射镜片39反射的入射光束的光轴同轴、第一支承轴25和第二支承轴26的旋转轴共轴，所述的DPSS激光器1输出光束经10倍扩束镜2扩束后直接至旋转双光楔微孔加工头4，光束经第二反射镜片39反射和两个光楔片（27、28）折射后经聚焦镜35聚焦在偏离聚焦镜中心光轴0-R位置的焦面上，最大偏离量由两个光楔片（27、28）的顶角α决定；所述的第一支承轴25的下端面和第二支承轴26的上端面加工有相同的端面齿，由第二压簧33将两轴端面啮合，当两个支承轴（25、26）的一个端面啮合时，高速电机30通过带轮传动***29驱动第一、第二支承轴（25、26）共同旋转，实现光束旋转的微孔加工，所述直动气缸34和第二支承轴26相连接，当直动气缸34启动时，直动气缸34作用于第二支承轴26，使其与第一支承轴25脱离啮合，同时切入至齿轮传动***31上，由低速电机32驱动第二支承轴26独立旋转，使两个光楔片（27、28）产生相对的角位移，最小角位移值为两个支承轴（25、26）端面啮合单个齿的细分角度，光束经两个光楔片（27、28）折射后改变了光束的偏移量，且细分角度与孔径成一一对应的关系，当关闭直动气缸34时，直动气缸34不再作用于第二支承轴26，则第二支承轴26受到第二压簧33的推力作用与第一支承轴25重新啮合，当第一支承轴25被驱动旋转时，两个支承轴（25、26）又共同旋转，从而改变加工孔径的大小，所述的两支承轴（25、26）的端面齿数决定了孔径的调节精度，低速电机32旋转的角度是两支承轴（25、26）端面单个齿细分角度的整数倍，低速电机32的旋转角度值由计算机控制***13设定。

由图2所示，所述的振镜扫描加工头5包括XY二维振镜扫描头37、f –θ透镜38。

一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，对不同极限尺寸的孔径进行加工的方法步骤如下：

当需要加工的极限孔径在20-300微米时：

1）将光路切换组件3中的限位销23插在45度斜面滑块17上的限位孔内，

第一反射镜17不在光路之中，则DPSS激光器1输出的光束经10倍扩束镜2扩束后直接传输进入旋转双光楔加工头4；

2）启动直动气缸34，直动气缸34的直线往复运动推动第二支承轴26脱离第一支承轴25的啮合面，并同时切入至齿轮传动***31，在计算机控制***13上设定与所需孔径相对应的低速电机32的旋转角度值，由计算机控制***13控制低速电机32旋转相应的角度，通过齿轮传动***31驱动第二支承轴26也旋转相应的角度，使固定在第二支承轴26内的第二光楔片28相对第一光楔片27产生相对的角位移，关闭直动气缸34，直动气缸34不再作用于第二支承轴26，则第二支承轴26由于第二压簧33的推力作用脱离齿轮传动***31，其上端面齿与第一支承轴25的下端面重新啮合；

3）计算机控制***13驱动Z轴平移台9上下移动，通过CCD视觉监测***6监测，将工件15加工表面调在聚焦镜35的焦面上；移动XY二维平移台8、9，转动Z轴旋转台10，通过CCD视觉监测***6找到工件15的微孔加工位置；

4）在计算机控制***13上设置孔的行距、列距、行数、列数、高速电机30的转速、DPSS激光器1的激光参数、加工时间参数，同时开启辅助气体***12和吸尘***14，由计算机控制***13控制高速电机30旋转，通过带轮传动***29，使第一和第二支承轴25、26被驱动共同旋转，并控制DPSS激光器1的激光输出和XY平移台7、8的位移，实现所需孔径单个微孔或列阵微孔的加工。

当需要加工的极限孔径在300微米以上时：

1）将光路切换组件3中的限位销23拔出，安装有第一反射镜18的45度斜面滑块17上在第一压簧20的预压力推动下精确定位在光路切换的位置，则DPSS激光器1输出的光束经10倍扩束镜2、光路切换组件3中第一反射镜18的反射，传输至振镜扫描加工头5中的XY扫描镜37上；

2）上下移动Z轴平移台9，通过CCD视觉监测***6视频监测，将工件15的加工表面调在f –θ透镜38的焦面上；移动XY平移台7、8和Z轴旋转台10，通过CCD视觉监测***6确定工件15的加工位置，同时开启吸尘***14。由计算机控制***13控制激光输出和XY扫描镜37进行300微米以上圆孔和复杂图形的加工。

Claims (5)

1.一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，该装置包括一台DPSS激光器、10倍扩束镜、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、精度为微米量级的XYZ平移台和Z轴旋转台、工件吸附台、辅助气体***、吸尘***、CCD视觉监测***和计算机控制***；所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后至光路切换组件，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头，由计算机控制***控制高速电机旋转，并带动两光楔片一起旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合XY平移台改变工件位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件中的第一反射镜片反光至振镜扫描加工头，由计算机控制***控制振镜扫描加工头中的XY扫描镜，获得极限孔径300微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制***与DPSS激光器、旋转双光楔微孔加工头的高速电机、低速电机和直动气缸，振镜扫描加工头的XY扫描镜、CCD视觉监测***、XYZ平移台、辅助气体***相连接，DPSS激光器的参数、高速电机的转速、低速电机的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制***设置和控制。

2.根据权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，所述的光路切换组件包括支架模块、45度斜面滑块、第一反射镜片、导向滑轨、第一压簧、连接块、定位板和限位销，所述第一反射镜片固定在45度斜面滑块的斜面上，45度斜面滑块和导向滑轨两轴平行，由连接块相连，与支架模块配合，在支架模块内进行往复运动，限位销固定在定位板上。

3.根据权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，所述的旋转双光楔微孔加工头包括第二反射镜片、第一支承轴、第二支承轴、第一、第二两个光楔片、带轮传动***、齿轮传动***、高速电机、低速电机、第二压簧、直动气缸、与聚焦镜连接的气嘴， 两个完全相同的固定在第一支承轴和第二支承轴内的顶角为α的第一、第二两个光楔片互相平行放置，所述两个光楔片中心线与经第二反射镜片反射的入射光束的光轴同轴、第一支承轴和第二支承轴的旋转轴共轴，所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后直接至旋转双光楔微孔加工头，光束经第二反射镜片反射和两个光楔片折射后，经聚焦镜聚焦在偏离聚焦镜中心光轴0-R位置的焦面上，最大偏离量由光楔片的顶角α决定；所述的第一支承轴的下端面和第二支承轴的上端面加工有相同的端面齿，由第二压簧将两轴端面啮合，当两个支承轴的一个端面啮合时，高速电机通过带轮传动***驱动第一、第二两个支承轴共同旋转，实现光束旋转的微孔加工，所述直动气缸和第二支承轴相连接，当直动气缸启动时，直动气缸作用于第二支承轴，使其与第一支承轴脱离啮合，同时切入至齿轮传动***上，由低速电机驱动第二支承轴独立旋转，使两个光楔片产生相对的角位移，最小角位移值为支承轴端面啮合单个齿的细分角度，光束经两个光楔片折射后改变了光束的偏移量，且细分角度与孔径成一一对应的关系，当关闭直动气缸时，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴受到压簧的推力作用与第一支承轴重新啮合，当第一支承轴被驱动旋转时，两轴又共同旋转，从而改变加工孔径的大小，所述的两支承轴的端面齿数决定了孔径的调节精度，低速电机旋转的角度是两支承轴端面单个齿细分角度的整数倍，低速电机的旋转角度值由计算机控制***设定。

4.根据权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，所述的振镜扫描加工头包括XY二维振镜扫描头、f –θ透镜。

5.如权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，对不同极限尺寸的孔径进行加工的方法步骤如下：

当需要加工的极限孔径在20-300微米时：

1）将光路切换组件中的限位销插在45度斜面滑块上的限位孔内，第一反射镜不在光路之中，则DPSS激光器输出的光束经10倍扩束镜扩束后直接传输进入旋转双光楔加工头；

2）启动直动气缸，直动气缸的直线往复运动推动第二支承轴脱离第一支承轴的啮合面，并同时切入至齿轮传动***，在计算机控制***上设定与所需孔径相对应的低速电机的旋转角度值，由计算机控制***控制低速电机旋转相应的角度，通过齿轮传动***驱动第二支承轴也旋转相应的角度，使固定在第二支承轴内的第二光楔片相对第一光楔片产生相对的角位移，关闭直动气缸，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴由于第二压簧的推力作用脱离齿轮传动***，其上端面齿与第一支承轴的下端面重新啮合；

3）计算机控制***驱动Z轴平移台上下移动，通过CCD视觉监测***监测，将工件加工表面调在聚焦镜的焦面上；移动XY二维平移台，转动Z轴旋转台，通过CCD视觉监测***找到工件的微孔加工位置；

4）在计算机控制***上设置孔的行距、列距、行数、列数、高速电机的转速、DPSS激光器的激光参数、加工时间参数，同时开启辅助气体***和吸尘***，由计算机控制***控制高速电机旋转，通过带轮传动***，使第一和第二支承轴被驱动共同旋转，并控制DPSS激光器的激光输出和XY平移台的位移，实现所需孔径单个微孔或列阵微孔的加工；

当需要加工的极限孔径在300微米以上时：

1）将光路切换组件中的限位销拔出，安装有第一反射镜的45度斜面滑块上在压簧的预压力推动下精确定位在光路切换的位置，则DPSS激光器输出的光束经10倍扩束镜、光路切换组件中第一反射镜的反射，传输至振镜扫描加工头中的XY扫描镜上；

2）上下移动Z轴平移台，通过CCD视觉监测***视频监测，将工件的加工表面调在f –θ透镜的焦面上；移动XY平移台和Z轴旋转台，通过CCD视觉监测***确定工件的加工位置，同时开启吸尘***，由计算机控制***控制激光和XY扫描镜进行300微米以上圆孔和复杂图形的加工。

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