CN112059434A - 一种激光加工设备及锥度改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工设备，包括激光器模块、光路模块、激光扫描模块、精密运动平台、对准模块和控制单元。本发明还公开了基于上述激光加工设备的锥度改善方法，包括三个步骤。本发明的激光加工设备和锥度改善方法，通过运动台在竖直面向内一定角度的弧摆运动，对激光的加工工艺进行优化，可以有效改善激光加工中的锥度问题，提高待加工物料的加工质量，和通过光路优化，改变光斑特性的方法相比，可以减小***设计的复杂度，降低***开发成本。

Description

一种激光加工设备及锥度改善方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工设备及锥度改善方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

激光加工是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。

结合图4所示，针对现有的激光加工工艺，能量分布为高斯分布的激光束，在到达工作面后，由于其光斑特性，激光束对待加工物料的加工剖面进行切割后，在加工剖面容易形成一定的加工锥度，造成被加工物料的上下加工面的切割深度不一致，影响了加工质量。现有技术多采用优化光路改变光斑特性的方法改善加工面的锥度，需要增加部件，开发成本高也增加了***的复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光加工设备，能够用于改善物料加工面的锥度，提高物料的加工质量。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种激光加工设备，它包括：

激光器模块，产生加工所用的激光束；

光路模块，用于对激光束进行整形以及改变激光束的传播路径，所述激光束经过所述光路模块后入射至激光扫描模块；

激光扫描模块，用于按照待加工物料的扫描路径调整所述激光束，使得所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描；

精密运动平台，包括运动控制器和运动台，所述运动控制器用于控制运动台在竖直平面内的弧摆运动，所述运动台用于放置待加工物料；

对准模块，用于观测所述运动台竖直面内的弧摆运动位置；

控制单元，包括上位机和与它连接的扫描控制器，所述上位机分别与对准模块及运动控制器相连接，所述扫描控制器分别与激光器模块及激光扫描模块相连接，用于控制激光器模块及激光扫描模块。

进一步，所述激光器模块为飞秒激光器，所述激光束为高斯激光。

进一步，所述光路模块包括整形扩束单元和光束切换单元，所述整形扩束单元用于调节所述激光束的平行度和光斑大小，所述光束切换单元用于改变所述激光束的传播路径。

进一步，所述光束切换单元包括沿依次布设的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜。

进一步，所述激光扫描模块包括扫描振镜和聚焦透镜，用于将所述激光束聚焦到待加工物料表面。

进一步，所述对准模块为相机检测单元。

进一步，所述运动台在竖直面内弧摆运动的行程为±10°，定位精度为±30urad，双向重复定位精度为±5urad。

本发明还提出了一种基于上述的激光加工设备的锥度改善方法，包括以下步骤：

S1、激光器模块发射出激光束，激光束进入光路模块中的整形扩束单元，整形扩束单元将激光束调整到加工所需直径后进入光束切换单元；

S2、激光束经过光束切换单元中的多个反射镜反射后进入激光扫描模块中；

S3、所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径调整激光束，使得所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描。

进一步，所述步骤S3包括步骤S31和步骤S32：

S31、首先将运动台调整到竖直面内的正向指定位置，通过对准模块的观测，对运动台的垂向自由度位置和竖直面内的正向弧摆位置进行微调，在所述运动台到达理想位置后，所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的首次扫描；

S32、完成首次扫描后，再将运动台调整到竖直面内的负向指定位置，通过对准模块的观测，对运动台的垂向自由度位置和竖直面内的负向弧摆位置进行微调，在所述运动台到达理想位置后，所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的二次扫描。

进一步，步骤S31的首次扫描和步骤S32的二次扫描，分别对应待加工物料的不同扫描区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的激光加工设备和锥度改善方法，通过运动台在竖直面向内一定角度的弧摆运动，对激光的加工工艺进行优化，可以有效改善激光加工中的锥度问题，提高待加工物料的加工质量，和通过光路优化，改变光斑特性的方法相比，可以减小***设计的复杂度，降低***开发成本。

2、本发明激光加工设备中的对准模块，可将观测到的运动台的弧摆运动位置传输给上位机，接着上位机对运动控制器发出指令，由运动控制器实现对运动台的位置进行微调。

附图说明

图1为本发明激光加工设备一实施例的结构示意图；

图2为本发明所涉及的光路模块的结构示意图；

图3为本发明所涉及的运动台弧摆运动示意图；

图4为现有技术加工物料的激光切割剖面图；

图5为本发明所涉及的待加工物料在竖直面内的正向加工剖面图；

图6为本发明所涉及的待加工物料在竖直面内的负向加工剖面图；

图7为本发明所涉及的待加工物料在锥度改善后的加工剖面图；

图8为本发明所涉及的待加工物料沿周线进行双侧扫描的示意图；

图9为本发明所涉及的待加工物料沿圆弧进行双侧扫描的示意图；

图10为本发明所涉及的待加工物料沿周线进行单侧扫描的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。

结合图1所示，一种激光加工设备，包括激光器模块130、光路模块200、激光扫描模块140、精密运动平台、对准模块400和控制单元。

所述激光器模块130产生加工所用的激光束，激光器模块130优选为飞秒激光器，所述激光束为高斯激光。所述光路模块200用于对激光束进行整形以及改变激光束的传播路径，所述激光束经过所述光路模块200后入射至激光扫描模块。所述激光扫描模块140用于按照待加工物料的扫描路径调整所述激光束，使得所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描。所述精密运动平台包括运动控制器150和运动台500，所述运动控制器150用于控制运动台500在竖直平面内的弧摆运动，所述运动台500用于放置待加工物料。所述对准模块400用于观测所述运动台500竖直面内的弧摆运动位置，对准模块400优选为相机检测单元。所述控制单元包括上位机110和与它连接的扫描控制器120，所述上位机110分别与对准模块400及运动控制器150相连接，所述扫描控制器120分别与激光器模块130及激光扫描模块140相连接，用于控制激光器模块130及激光扫描模块140。

如图2所示，所述光路模块200包括整形扩束单元201和光束切换单元A，所述整形扩束单元201用于调节所述激光束的平行度和光斑大小，所述光束切换单元A用于改变所述激光束的传播路径。所述光束切换单元A包括沿依次布设的第一反射镜202、第二反射镜203、第三反射镜204和第四反射镜205。

继续参考图1，所述激光扫描模块140包括扫描振镜141和聚焦透镜142，用于将所述激光束聚焦到待加工物料表面。

一种基于上述激光加工设备的锥度改善方法，包括以下步骤：

S1、激光器模块130发射出激光束，激光束进入光路模块200中的整形扩束单元201，整形扩束单元201将激光束调整到加工所需直径后进入光束切换单元；

S2、激光束经过光束切换单元中的多个反射镜反射后进入激光扫描模块140中；

S3、所述激光扫描模块140按照待加工物料的扫描路径调整激光束，所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描。

步骤S3具体包括步骤S31和步骤S32：

S31、首先将运动台500调整到竖直面内的正向指定位置，通过对准模块400的观测，对运动台500的垂向自由度位置和竖直面内的正向弧摆位置进行微调，在所述运动台500到达理想位置后，所述激光扫描模块140按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的首次扫描；

S32、完成首次扫描后，再将运动台500调整到竖直面内的负向指定位置，通过对准模块400的观测，对运动台的垂向自由度位置和竖直面内的负向弧摆位置进行微调，在所述运动台500到达理想位置后，所述激光扫描模块140按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的二次扫描。

首次扫描和步骤S32的二次扫描，分别对应待加工物料的不同扫描区域。

如图3所示，所述运动台在竖直面内弧摆运动的行程角

为20°(±10°)，定位精度为±30urad，双向重复定位精度为±5urad。

图4为传统工艺加工物料激光切割剖面图，加工物料600在经过加工后会在加工剖面形成一定角度的锥度面700。

图5和图6分别为加工物料的正向加工及负向加工剖面示意图，运动台500的弧摆运动角度为θ，该角度下，运动台工作面内的光斑处于焦面位置。运动台处于竖直面内的正向加工位置时，加工物料的左剖面610处的锥度会增大，右剖面620处的锥度得到了有效的改善。运动台处于竖直面内的负向位置时，加工物料的右剖面620处的锥度会增大，左剖面610处的锥度得到了有效的改善。

如图7所示，在完成待加工物料的首次扫描和二次扫描后，加工物料的剖面的正向和负向锥度都得到了有效的改善。

如图8和9所示，分别对应待加工物料沿直线和沿圆弧进行双侧扫描，所述加工物料的线宽为d，光斑直径为n，相邻两光斑的圆心距离为f，加工过程中，首次扫描和二次扫描的光斑的重叠率为m，光斑直径和加工物料切割的最小线宽之间存在以下关系：

d≥2n-f

光斑重叠率满足：

如图10所示，对应待加工物料的首次扫描或二次扫描下光斑沿扫描路径方向的移动示意图，相邻两光斑的圆心距离为h，重叠率为e，光斑重叠率满足：

以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光加工设备，其特征在于，它包括：

激光器模块，产生加工所用的激光束；

光路模块，用于对激光束进行整形以及改变激光束的传播路径，所述激光束经过所述光路模块后入射至激光扫描模块；

激光扫描模块，用于按照待加工物料的扫描路径调整所述激光束，使得所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描；

精密运动平台，包括运动控制器和运动台，所述运动控制器用于控制运动台在竖直平面内的弧摆运动，所述运动台用于放置待加工物料；

对准模块，用于观测所述运动台竖直面内的弧摆运动位置；

控制单元，包括上位机和与它连接的扫描控制器，所述上位机分别与对准模块及运动控制器相连接，所述扫描控制器分别与激光器模块及激光扫描模块相连接，用于控制激光器模块及激光扫描模块。

2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：

所述激光器模块为飞秒激光器，所述激光束为高斯激光。

3.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：

所述光路模块包括整形扩束单元和光束切换单元，所述整形扩束单元用于调节所述激光束的平行度和光斑大小，所述光束切换单元用于改变所述激光束的传播路径。

4.根据权利要求3所述的激光加工设备，其特征在于：

所述光束切换单元包括沿依次布设的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜。

5.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：

所述激光扫描模块包括扫描振镜和聚焦透镜，用于将所述激光束聚焦到待加工物料表面。

6.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：

所述对准模块为相机检测单元。

7.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于：

所述运动台在竖直面内弧摆运动的行程为±10°，定位精度为±30urad，双向重复定位精度为±5urad。

8.一种基于权利要求1至权7任一项所述的激光加工设备的锥度改善方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激光器模块发射出激光束，激光束进入光路模块中的整形扩束单元，整形扩束单元将激光束调整到加工所需直径后进入光束切换单元；

S2、激光束经过光束切换单元中的多个反射镜反射后进入激光扫描模块中；

S3、所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径调整激光束，所述激光束按照扫描路径对待加工物料进行扫描。

9.根据权利要求8所述的锥度改善方法，其特征在于：

所述步骤S3包括步骤S31和步骤S32：

S31、首先将运动台调整到竖直面内的正向指定位置，通过对准模块的观测，对运动台的垂向自由度位置和竖直面内的正向弧摆位置进行微调，在所述运动台到达理想位置后，所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的首次扫描；

S32、完成首次扫描后，再将运动台调整到竖直面内的负向指定位置，通过对准模块的观测，对运动台的垂向自由度位置和竖直面内的负向弧摆位置进行微调，在所述运动台到达理想位置后，所述激光扫描模块按照待加工物料的扫描路径，完成对待加工物料的二次扫描。

10.根据权利要求9所述的锥度改善方法，其特征在于：

步骤S31的首次扫描和步骤S32的二次扫描，分别对应待加工物料的不同扫描区域。

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