一種基于擺角壓縮的精密激光加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于擺角壓縮的精密激光加工裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光微加工日新月異，激光光源、外光路、視覺定位、振鏡、線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等配套資 源越來越完善。在微加工光束空間控制方面，線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以高精度運(yùn)動(dòng)，但是由于慣性 很大，運(yùn)動(dòng)范圍很小，運(yùn)動(dòng)速度與加速度上不去，振鏡有很快的光束掃描能力，但是，振鏡在 進(jìn)行精細(xì)掃描的時(shí)候，例如進(jìn)行50微米以下的掃描運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，為了保障掃描的精度，掃描 頻率就上不去，目前最高掃描速度CPS不超過125，即采用160mm焦距的平場(chǎng)掃描鏡每秒鐘掃 描1mm線段不超過125個(gè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于擺角壓縮的精密激光加工裝置，適合 于激光精細(xì)微加工。
[0004] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0005] -方面，本發(fā)明提供了一種基于擺角壓縮的精密激光加工裝置，包括高速掃描振 鏡、光束擺角壓縮模塊、角度切換振鏡、光束平場(chǎng)聚焦模塊以及振鏡實(shí)時(shí)控制模塊；
[0006] 所述高速掃描振鏡，用于對(duì)發(fā)射到其上的入射光束進(jìn)行角度調(diào)制，且將角度調(diào)制 后的第一光束輸出至位于所述高速掃描振鏡出射該第一光束一側(cè)的光束擺角壓縮模塊，其 中，所述角度范圍為0.2~40毫弧度；
[0007] 所述光束擺角壓縮模塊，用于對(duì)第一光束進(jìn)行擴(kuò)束以及擺角幅度壓縮，以形成光 軸擺角幅度縮小的第二光束，且將該第二光束傳輸至位于該光束擺角壓縮模塊出射該第二 光束一側(cè)的角度切換振鏡；
[0008] 所述角度切換振鏡，用于對(duì)所述第二光束進(jìn)行角度切換控制，并將角度切換后的 第三光束入射至光束平場(chǎng)聚焦模塊；
[0009] 所述光束平場(chǎng)聚焦模塊，用于對(duì)所述第三光束進(jìn)行聚焦，以形成聚焦?fàn)顟B(tài)的第四 光束，并將該第四光束入射至待加工材料表面進(jìn)行激光加工；
[0010] 所述振鏡實(shí)時(shí)控制模塊，分別與高速掃描振鏡以及振鏡實(shí)時(shí)控制模塊連接，用于 采用同一時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)實(shí)時(shí)控制所述高速掃描振鏡對(duì)入射光束的角度調(diào)制以及角度切換 振鏡對(duì)第二光束的角度切換，使得所述高速掃描振鏡和角度切換振鏡實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作。
[0011] 本發(fā)明的有益效果為:通過高速掃描振鏡對(duì)入射光束進(jìn)行角度調(diào)制，使高速掃描 振鏡工作在最佳掃描頻率范圍內(nèi)獲得最快掃描頻率，經(jīng)光束擺角壓縮模塊壓縮光束擺動(dòng)角 度幅度獲得精細(xì)掃描角度分辨率，再經(jīng)角度切換振鏡和光束平場(chǎng)聚焦模塊配合進(jìn)行大面積 掃描聚焦，振鏡實(shí)時(shí)控制模塊實(shí)時(shí)控制高速掃描振鏡和角度切換振鏡，形成超精細(xì)、高速、 大面積、多振鏡實(shí)時(shí)同步掃描精密微加工效果，非常符合實(shí)際激光加工的需求。
[0012] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以作如下改進(jìn)。
[0013] 進(jìn)一步的，所述高速掃描振鏡包括至少兩套空間交叉放置的高速掃描振鏡單元， 每一套所述高速掃描振鏡單元包括高速掃描振鏡反射鏡以及用于控制該高速掃描振鏡反 射鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的高速掃描振鏡電機(jī)；
[0014] 所述高速掃描振鏡單元由振鏡打標(biāo)卡輸出電壓信號(hào)控制高速掃描振鏡單元鏡片 的擺動(dòng)角度，即高速掃描振鏡單元反射鏡擺動(dòng)角度是由高速掃描振鏡單元以外的板卡信號(hào) 控制。
[0015] 所述角度切換振鏡包括至少兩套空間交叉放置的切換振鏡單元，每一套所述切換 振鏡單元包括切換振鏡反射鏡以及用于控制該切換振鏡反射鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的切換振鏡電機(jī)。
[0016] 進(jìn)一步的，所述振鏡實(shí)時(shí)控制模塊包括中央處理器CPU單元和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門 陣列FPGA單元；
[0017] 所述CPU單元，用于根據(jù)FPGA單元反饋的受控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及所處空間坐標(biāo) 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并將實(shí)時(shí)計(jì)算后的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給所述FPGA單元；
[0018] 所述FPGA單元，用于根據(jù)所述控制數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，控制受控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
[0019] 其中，所述受控對(duì)象包括所述高速掃描振鏡和角度切換振鏡。
[0020] 所述進(jìn)一步的有益效果為:采用振鏡實(shí)時(shí)控制模塊進(jìn)行高速掃描振鏡和角度切換 振鏡的協(xié)調(diào)控制，使兩者實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)工作，兩者之間不存在相互等待，實(shí)現(xiàn)高速高效的激光微 加工。
[0021 ]進(jìn)一步的，所述空間交叉放置是指空間正交放置。
[0022]進(jìn)一步的，所述高速掃描振鏡每秒掃描字符數(shù)大于500。
[0023]所述進(jìn)一步的有益效果為：尚速掃描振鏡的掃描頻率尚，可以提尚后續(xù)激光加工 效率。
[0024] 進(jìn)一步的，所述光束擺角壓縮模塊為角度壓縮率固定或者角度壓縮率可調(diào)的光束 擺角壓縮模塊。
[0025] 所述進(jìn)一步的有益效果為:光束擺角壓縮模塊的壓縮率可以固定，也可以調(diào)節(jié)，實(shí) 現(xiàn)方式靈活。
[0026] 進(jìn)一步的，當(dāng)所述光束擺角壓縮模塊的角度壓縮率固定時(shí)，所述光束擺角壓縮模 塊包括外殼以及安裝于所述外殼內(nèi)的多個(gè)串聯(lián)的透鏡；
[0027] 當(dāng)所述光束擺角壓縮模塊的角度壓縮率可調(diào)時(shí)，所述光束擺角壓縮模塊包括外 殼、安裝于所述外殼內(nèi)的多個(gè)串聯(lián)的透鏡以及調(diào)節(jié)所述多個(gè)透鏡之間間距的驅(qū)動(dòng)單元。
[0028] 進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)單元為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元或者電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元。
[0029]進(jìn)一步的，所述光束擺角壓縮模塊的角度壓縮率為5%~20%。
[0030] 所述進(jìn)一步的有益效果為:將光束擺角幅度壓縮到一個(gè)合適的幅度，既能實(shí)現(xiàn)激 光的快速加工，也能夠?qū)崿F(xiàn)超精細(xì)、高速以及大幅度掃描加工。
[0031] 進(jìn)一步的，所述光束擺角壓縮模塊的光束入口距離所述高速掃描振鏡小于300毫 米。
[0032] 所述進(jìn)一步的有益效果為:縮短光束擺角壓縮模塊的光束入口與高速掃描振鏡的 距離，有利于減少第一光束在光束擺角壓縮模塊的光束入口的位移，從而減少后續(xù)激光聚 焦像差，有利于后續(xù)激光聚焦質(zhì)量。
[0033] 進(jìn)一步，所述高速掃描振鏡為共振振鏡。共振振鏡是一款小巧、高頻的掃描振鏡， 其標(biāo)稱頻率可達(dá)3938或7910Hz，甚至更高。共振振鏡的鏡片擺動(dòng)是由共振振鏡本身共振驅(qū) 動(dòng)的，鏡片的共振使得照射其上的激光光束進(jìn)行擺動(dòng)。該共振振鏡由兩根旋轉(zhuǎn)棒構(gòu)成，可在 相反相位上形成共振。這種扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生相同或相反的扭矩，并在其連接的外殼上抵消。 理論上來說，這種機(jī)械振動(dòng)能消除所有外接的振動(dòng)。為了使不穩(wěn)定性降到最低，旋轉(zhuǎn)棒頂端 鏡片的扭轉(zhuǎn)慣量必須與振鏡轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)慣量相同。因此共振振鏡能在4KHz和8KHz頻率下分別 達(dá)到20和15度的掃描角度。美國(guó)CTI公司生產(chǎn)的共振振鏡，可以輸出振鏡擺角相位同步信 號(hào)，可以動(dòng)態(tài)改變共振振鏡鏡片擺角大小，擁有速度反饋，使振幅更為穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，無 易損部件，低功耗，散發(fā)熱量少，體積小巧，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此很適合一些領(lǐng)域的激光光束掃 描。
[0034] 進(jìn)一步，所述光束平場(chǎng)聚焦模塊為普通平場(chǎng)掃描聚焦鏡或者遠(yuǎn)心平場(chǎng)掃描聚焦 鏡，所述普通平場(chǎng)掃描聚焦鏡或者遠(yuǎn)心平場(chǎng)掃描聚焦鏡對(duì)光束進(jìn)行聚焦后，激光光束焦點(diǎn) 在平場(chǎng)掃描聚焦鏡焦平面上的移動(dòng)距離與平場(chǎng)掃描聚焦鏡焦距成正比，與平場(chǎng)掃描聚焦鏡 入口光束和平場(chǎng)掃描聚焦鏡光軸夾角成正比，一旦平場(chǎng)掃