CN112756797A - 一种高精度激光雕刻方法 - Google Patents

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安永刚
田新锋
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Abstract

本发明涉及一种激光雕刻方法，尤其为一种高精度激光雕刻方法。解决传统激光雕刻过程存在的加工深度不均匀及激光器出光、关光响应时间对零件尺寸的影响问题。本发明在路径规划时预先考虑到载物平台的加减速时间以及激光器、IO模块的响应时间，在原有的路径上增加了减速轨迹以及出、关光响应轨迹，因此根据更新后的路径加工出的产品深度均匀性好，不存在由于脉冲重叠率太高而导致起点和终点加工深度较深、加工质量差的问题，同时考虑到激光器和IO模块的响应时间提高了尺寸加工精度。该方法特别适用于不规则图形雕刻工艺。

Description

一种高精度激光雕刻方法
技术领域
本发明涉及一种激光雕刻方法，尤其为一种高精度激光雕刻方法。
背景技术
随着光电技术的飞速发展，激光加工技术应用范围越来越广泛，对加工精度的要求也越来越高。
激光雕刻工作原理是利用高能量的激光束照射在材料表面，一小部分的激光反射，大部分的光线通过材料表面，在材料内转化为热能，对材料加热，由于材料的热效应，材料被充足功率密度的激光束照射，达到材料表面熔化和汽化的温度，使材料汽化或熔化，形成所需目标图案。
传统激光雕刻过程中，首先根据目标图案生成雕刻路径，然后控制载物平台根据雕刻路径运动，确保激光在雕刻区域内部进行填充。如图1所示，在T1至T4时刻完成某一路径的雕刻。在T1至T2时刻，载物平台加速运动至激光雕刻速度；T2至T3时刻，平台以激光雕刻速度匀速运动；T3至T4时刻，平台从激光雕刻速度开始减速直至停止。在T1至T2时刻，因平台运动速度较慢，还未达到激光雕刻速度，所以激光重叠率高，导致在此段时刻内，加工深度较深；在T2至T3时刻，平台以激光雕刻速度匀速运动，因此，在此段时刻内的加工深度保持一致；在T3至T4时刻，平台减速运动，激光重叠率高，去除的材料多，导致在此段时刻内，加工深度也较深。因此，在整个T1至T4加工时刻内，起点和终点的加工深度要大于目标加工深度，导致深度精度较低。
如图2，当需要在产品表面加工一个不规则槽，利用传统激光雕刻方法，对于通用的CAM软件在生成加工路径时，直接根据不规则槽图案***轮廓填充生成加工路径。载物平台按照加工路径进行运行，图2中虚线线条为载物平台运行轨迹。可以以其中一条虚线线条为例，进行说明：当加工虚线线条的起始位置时，此时载物平台处于加速运动，还未到达激光雕刻速度，因此在起始位置处，激光重叠率高去除的材料多，导致加工深度较深。同理在靠近终点位置处，载物平台处于减速运动，激光重叠率高而去除的材料多，导致加工深度也较深，使得最终加工图案的深度不均匀。激光开光和关光同样对加工精度有影响，激光器出光、关光响应时间会影响加工零件的尺寸，迟开光，会导致零件尺寸变小，早开光，导致零件尺寸变大。
发明内容
为了解决传统激光雕刻过程存在的加工深度不均匀及激光器出光、关光响应时间对零件尺寸的影响问题，本发明提供一种新的激光雕刻方法，根据加工参数调节理论加工路径，获得实际加工路径，使得整个加工路径上的加工深度相等，获得较高的加工精度，同时消除激光器出光、关光响应时间对零件尺寸的影响。
本发明的技术方案是提供一种高精度激光雕刻方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、导入雕刻图案Dxf文件；
步骤2、设置加工参数，其中加工参数包括：激光雕刻速度、激光器功率、重频、激光器开光和关光响应时间、填充距离、载物平台加速度和载物平台减速度；
步骤3、根据Dxf文件生成理论加工路径，结合理论加工路径以及加工参数，计算实际加工路径，根据实际加工路径，进而生成加工G代码；
a、确定激光器出光位置N1；
N1A1＝Vt2
其中，A1为待加工区域的起始位置，N1位于A1位置之前，V为激光雕刻速度，t2为激光开光响应时间；
b、确定载物平台的启动位置；
P0P1＝1/2at2；
其中，P0位置为载物平台的启动位置，P1位置位于激光出光位置N1之前，P0位置之后，a为载物平台加速度，t＝V/a，V为激光雕刻速度；
c、确定激光器关光位置N2；
N2A2＝Vt3
其中，A2为待加工区域的终止位置，N2位于A2位置之前，V为激光雕刻速度，t3为激光关光响应时间；
步骤4、开始加工；
在加工过程中，针对不同的加工路径，实时更新载物平台的启动位置、激光出光位置及激光关光位置。
本发明的有益效果是：
本发明在路径规划时预先考虑到载物平台的加减速时间以及激光器、IO模块的响应时间，在原有的路径上增加了减速轨迹以及出、关光响应轨迹，因此根据更新后的路径加工出的产品深度均匀性好，不存在由于脉冲重叠率太高而导致起点和终点加工深度较深、加工质量差的问题，同时考虑到激光器和IO模块的响应时间提高了尺寸加工精度。该方法特别适用于不规则图形雕刻工艺。
附图说明
图1为传统激光雕刻过程中，雕刻时间与载物平台运行速度图；
图2为传统激光雕刻过程生成的加工路径图；
图3为本发明确定的实际加工路径示意图；
图4为本发明加工不规则槽时的实际加工路径示意图；
图5为本发明加工不规则槽时的实际加工路径中各个位置点的位置关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图3，假设待加工区域为A1、A2之间的直线区域，则传统的路径规划软件生成的雕刻路径，使得载物平台从A1点开始启动运行，至A2点停止；激光从A1点出光，A2点关光。但由于载物平台启动时，需要一段时间的加速，才能达到激光雕刻速度，以及激光器开关光响应时间的存在导致在A1和A2点加工的深度大于目标加工深度。
本发明对传统的路径规划软件进行改进，生成的雕刻路径，使得载物平台在A1位置前的P0位置处即开始启动，P0点的位置需要确保：当载物平台运行至N1点前，其速度已达到激光雕刻速度；使得在N1位置处，激光器出光；使得在N2位置处，激光器关光；使得载物平台运行至A2位置时，停止运行载物平台，经减速一定距离至P2位置时，完全停止运行。
图3中，N1点对应激光器出光位置，根据激光器开光响应时间可以计算，激光器在N1点处出光，载物平台刚好运行到A1处，此时在A1和A2之间为匀速运动，当到达N2位置时关闭激光器，当激光器停止出光时，刚好载物平台运行到A2处，此时平台减速运行到P2处。
利用本发明的方法，对图4中的图案进行加工，具体包括以下过程：
1)导入雕刻图案Dxf文件；
2)设置加工参数，其中加工参数主要包括：激光雕刻速度、激光器功率、重频、激光器开光关光响应时间、填充距离、载物平台加速度和载物平台减速度；
3)根据Dxf文件生成理论加工路径，结合理论加工路径以及加工参数，计算实际加工路径，根据实际的每一段加工路径，进而生成相应的加工G代码；
计算实际加工路径时需要确定以下数据：
a、确定载物平台的启动位置；
确定距理论加工路径的起点位置多远距离时，启动载物平台，即确定图5中P0的位置；P0的位置需满足：使得载物平台到达N1位置时，速度已加速至激光雕刻速度，其中N1位于A1位置之前。
图中P0P1段为加速阶段，P1A1段为匀速阶段，通过下式计算P0P1段的长度：
t＝V/a；P0P1＝1/2*a*t2
式中a为载物平台加速度，V为设置的激光雕刻速度，均为已知条件。因此可以计算出P0P1段的长度。
b、确定激光出光位置；
确定距理论加工路径的起点位置多远距离时，开启激光，即图5中N1的位置。
P1N1段内载物平台以激光雕刻速度匀速运动，通过CAM软件设置为匀速阶段。N1A1之间为开光阶段，N1处使用IO触发激光出光，但由于激光器以及IO的延时激光真正会在A1处出光，可以将激光器以及IO的延时时间定义为激光开光延时时间t2。因此，N1A1＝V*t2。
c、确定激光关光位置；
确定距理论加工路径的终点位置多远距离时，关闭激光，即图5中N2的位置。
N2A2为激光关光距离，激光其器在N2处关闭，但由于延时会在A2处真正关闭，且A2点刚好是加工终点位置。设激光关光响应时间为t3，则N2A2＝Vt3，A2P2＝1/2*a*t3 2。
4：开始加工；
图4与图5为采用本发明方法产生的规划路径，P0为载物平台起点位置，P1为载物平台速度加到设置值即激光雕刻速度，P2为载物平台停止位置，图中水平线为平台运行路径，深色点为激光开光位置，浅色点为激光关光位置。
在加工过程中，针对不同的加工路径，实时更新载物平台的启动位置、激光出光位置以及激光关光位置。
从图中可以看到，在需要雕刻的区域平台的运行速度均匀，此时加工槽的深度一致性比较好。

Claims (1)

1.一种高精度激光雕刻方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、导入雕刻图案Dxf文件；
步骤2、设置加工参数，其中加工参数包括：激光雕刻速度、激光器功率、重频、激光器开光和关光响应时间、填充距离、载物平台加速度和载物平台减速度；
步骤3、根据Dxf文件生成理论加工路径，结合理论加工路径以及加工参数，计算实际加工路径，根据实际加工路径，进而生成加工G代码；
a、确定激光器出光位置N1；
N1A1＝Vt2
其中，A1为待加工区域的起始位置，N1位于A1位置之前，V为激光雕刻速度，t2为激光开光响应时间；
b、确定载物平台的启动位置；
P0P1＝1/2at2；
其中，P0位置为载物平台的启动位置，P1位置位于激光出光位置N1之前,P0位置之后，a为载物平台加速度，t＝V/a，V为激光雕刻速度；
c、确定激光器关光位置N2；
N2A2＝Vt3
其中，A2为待加工区域的终止位置，N2位于A2位置之前，V为激光雕刻速度，t3为激光关光响应时间；
步骤4、开始加工；
在加工过程中，针对不同的加工路径，实时更新载物平台的启动位置、激光出光位置及激光关光位置。
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