CN103197509B - 一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法，其装置包括带动工件进行连续旋转的旋转主轴、激光器、带动激光器进行前后移动的轴向移动小车、对激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在垂直移动托板上的激光束投射方向调整件；其方法包括以下步骤：一、回转面三维模型建立；二、机械结构控制参数确定；三、激光器控制参数确定；四、需加工工件外表面处理；五、工件及激光器安装；六、曝光成像。本发明设计合理、投入成本低、使用操作简便且使用效果好、应用范围广，能有效解决传统回转面化学蚀刻方法存在图形精度差、重复精度低、加工效率低下、废品率高、复杂回转面无法加工等问题。

Description

一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法

技术领域

本发明属于化学蚀刻加工技术领域，尤其是涉及一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法。

背景技术

在现代加工技术领域中，材料表面上图形的化学蚀刻加工是一种被广泛应用的技术手段，如印刷电路板、标牌铭牌的加工制造等。其中，传统化学蚀刻加工的基本流程大致如下：

第一步、底片制版：用光绘机或照排机制作需要蚀刻图形的照相底片；

第二步、感光胶涂敷：在材料表面上涂敷感光抗蚀胶或粘贴感光抗蚀膜；

第三步、底片粘贴：由于底片是平面材料，无法紧密贴附在工件的曲面表面上，因而必需根据底片的曲率大小将底片剪裁成小片，再粘贴在工件的曲面表面上；

第四步、晒版曝光：将晒版灯放置在工件周围，对其曝光晒版，再经显影、定影，形成需加工图形的抗蚀掩模图形；

第五步、蚀刻：用化学溶液对材料表面蚀刻、清洗，并形成所需图形。

实际使用过程中，化学蚀刻技术具有图形精度高、重复性好、工艺简单以及成本低廉等优点，因此得到了广泛的应用。但上述传统的化学蚀刻技术基本上局限于对材料平面的蚀刻加工。而对于三维立体曲面上的图形，传统的化学蚀刻技术往往无能为力，其三维立体曲面上加工图形的实际应用情形逐渐增多，典型的应用如带通雷达罩。由于雷达罩本身是由复合材料制造的三维立体曲面，且需在雷达罩表面加工出频率选择金属图形。雷达罩表面为回转曲面，具体为抛物面或椭球面。

在三维立体曲面上加工图形时，传统的化学蚀刻中在已涂敷感光抗蚀胶的立体曲面上贴敷照相底片，成为现有加工技术中的难点。由于照相底片是平面胶片，无法与立体曲面紧密贴合，必须根据曲面不同区域的曲率大小，将将胶片裁剪成大小不等的若干块进行拼接、粘贴。因而，实际操作过程中，上述传统化学蚀刻方法存在以下主要严重缺陷，有时甚至不可操作：

第一、图形精度差：由于需要将胶片进行手工拼接、定位、粘贴，图形拼接精度极低，不能满足高精度图形的加工需求；

第二、重复精度低：大量小胶片的手工拼接、粘贴，产生累计误差，造成产品的重复性、一致性偏差；

第三、效率低下，成本高且废品率高：由于胶片的拼接、粘贴需手工操作，且一次性使用，生产效率极低，废品率高，成本高；

第四、复杂曲面或复杂图形无法加工：对于复杂曲面，须将胶片分割成非常小面积的胶片，以致于完全无法实现。而复杂、高精度图形更加不可操作。

综上，三维立体曲面上进行高精度复杂图形的化学蚀刻一直是加工技术的难点，没有很好的加工手段，不能满足现代工业特别是军事工业的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、加工制作方便且投入成本较低、使用操作简便、使用效果好的回转面用激光旋转直接曝光成像装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：包括带动工件进行连续旋转的旋转主轴、所述工件旋转的同时对其外表面上所涂覆的感光材料涂层进行曝光处理并获得曝光成像图形的激光器、带动激光器沿旋转主轴的中心轴线方向进行前后移动的轴向移动小车、对激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在所述垂直移动托板上且对激光器所发出激光光束的投射方向进行调整的激光束投射方向调整件，所述旋转主轴的一端与驱动电机的动力输出轴进行传动连接，且所述工件安装在旋转主轴的另一端上，所述激光器安装在所述激光束投射方向调整件上；所述工件的外表面为普通回转面或变线回转面；所述普通回转面为由同一条母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述普通回转面的母线为直线或曲线；所述变线回转面为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线为直线或曲线；所述旋转主轴与工件的回转轴呈同轴布设，所述轴向移动小车位于工件下方，且激光器位于工件的一侧；所述垂直移动托板安装在轴向移动小车上；所述轴向移动小车包括移动小车和对所述移动小车进行驱动的小车驱动机构，所述垂直移动托板包括带动激光器沿与旋转主轴中心轴线相垂直的方向进行上下移动的托板且带动所述托板进行上下移动的托板驱动机构，所述激光束投射方向调整件由投射方向调整驱动机构进行驱动，所述移动小车与小车驱动机构之间、所述托板与托板驱动机构之间以及所述激光束投射方向调整件与投射方向调整驱动机构之间均通过传动机构进行传动连接，所述小车驱动机构、托板驱动机构、投射方向调整驱动机构、驱动电机和激光器均由控制主机进行控制，所述小车驱动机构、托板驱动机构、投射方向调整驱动机构、驱动电机和激光器均与控制主机相接。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：所述激光器包括前后两端均开口的外壳、安装在外壳内的激光管、位于激光管后侧且对激光管进行卡装的激光管压圈、位于激光管正前方的第一孔径光阑、位于第一孔径光阑正前方的聚焦透镜和位于聚焦透镜正前方的第二孔径光阑，所述激光管压圈、第一孔径光阑、聚焦透镜和第二孔径光阑均安装在外壳内。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：所述旋转主轴呈水平向布设。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：所述激光束投射方向调整件为带动激光器在水平面上进行左右转动的旋转夹头。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：还包括水平底座，所述水平底座上设置有供所述移动小车在水平方向上进行前后移动的移动轨道。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：还包括对所述轴向移动小车的移动位置进行实时检测的位置检测单元和对旋转主轴的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元，所述位置检测单元和旋转角度检测单元均与控制主机相接。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：所述激光管压圈、激光管、第一孔径光阑、聚焦透镜和第二孔径光阑均呈同轴布设；所述激光器还包括对激光管进行驱动控制的驱动控制器、对激光管的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器的光电检测单元、对激光管的输出功率进行手动调节的调节电路和与驱动控制器相接的电源模块，所述光电检测单元和调节电路均与驱动控制器相接；所述驱动控制器通过控制信号输入接口与控制主机相接。

上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是：所述激光管为半导体激光器L1，所述光电检测单元为光电二极管D1，所述调节电路为可变电位器VR1，所述驱动控制器为控制芯片Maxim3263；

所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻R1后半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，半导体激光器L1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、控制简便、生产效率高且曝光成像图形精度高、图形质量易于控制的回转面用激光旋转直接曝光成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、回转面三维模型建立：当工件的外表面为普通回转面时，所述控制主机记录回转形成所述普通回转面的母线的几何函数，并根据所述普通回转面的母线的几何函数构建出所述普通回转面的三维模型；当工件的外表面为变线回转面时，所述控制主机记录回转形成所述变线回转面过程中各回转角度所采用母线的几何函数，并根据各回转角度所采用母线的几何函数构建出所述变线回转面的三维模型；

步骤二、机械结构控制参数确定：实际进行曝光处理过程中，激光器由先至后分多次进行曝光处理，轴向移动小车由先至后分多次进行向前移动，且激光器的各次曝光处理过程与轴向移动小车的各次向前移动过程交替进行；每一次轴向移动小车向前移动过程中，所述旋转主轴均停止旋转，与此同时激光器停止向外发射激光光束；每一次轴向移动小车向前移动到位后，旋转主轴开始旋转，且旋转主轴旋转过程中，激光器在控制主机的控制作用下在需进行曝光处理的曝光位置启动并向外发射激光光束；待旋转主轴旋转一周后，激光器同步完成一次曝光处理过程，之后轴向移动小车开始进行下一次向前移动；

当工件的外表面为普通回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器所发出激光光束的投射方向和激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距均保持不变；所述控制主机根据步骤一中所建立的所述普通回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中所述托板的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度进行确定；

当工件的外表面为变线回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器所发出激光光束的投射方向随回转角度的变化进行相应调整，且所述激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距s保持不变；所述控制主机根据步骤一中所建立的所述变线回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中各回转角度对应的托板的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度分别进行确定；

与此同时，每一次曝光处理过程中，所述控制主机根据本次曝光处理过程中激光器所发出激光光束在旋转主轴中心轴线方向上的宽度d，确定轴向移动小车下一次向前移动时的移动距离L且L=d；并且，所述控制主机根据预先设定的旋转主轴的旋转角速度w，确定轴向移动小车前后两次向前移动之间的间隔时间Δt且

步骤三、激光器控制参数确定：所述控制主机根据步骤一中所建立的回转面三维模型，并结合需加工图形，对工件外表面上的所有曝光位置进行确定；

步骤四、需加工工件外表面处理：在工件的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层；

步骤五、工件及激光器安装：将工件安装在旋转主轴上，并将激光器安装在所述激光束投射方向调整件上；

步骤六、曝光成像：在控制主机的控制作用下，完成需加工图形的曝光成像过程；

且曝光成像过程中，所述控制主机根据步骤二中所确定的机械结构控制参数对小车驱动机构、托板驱动机构、投射方向调整驱动机构和驱动电机分别进行控制；与此同时，控制主机结合步骤三中所确定工件外表面上的所有曝光位置和预先设定的激光器的输出功率，对曝光成像过程中激光器输出激光光束的时间和所输出激光光束的功率进行控制。

上述方法，其特征是：步骤四中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用回转面用激光旋转直接曝光成像装置的结构简单、设计合理、加工制作方便、投入成本较低且使用操作方便、使用效果好。

2、所采用回转面用激光旋转直接曝光成像装置的机械结构设计合理且控制操作简易，主要由旋转主轴和轴向移动小车两部分组成，需进行曝光成像处理的工件安装在旋转主轴上，工件的回转轴与旋转主轴呈同轴布设，旋转主轴在电机的带动下以指定速度匀速旋转，并及时反馈旋转角度信号。实际进行曝光成像处理时，轴向移动小车、垂直移动托板和旋转夹头，保证激光器所输出的激光光束与工件表面的曝光位置恒距、垂直且匀速渐进地沿回转轴方向进行移动。工件以回转轴的旋转和激光光束沿回转轴的移动两个方向的机械运动相结合，完成对普通回转面或变线回转面的激光旋转直接曝光成像的扫描工作。

3、控制系统设计合理且接线方便、控制过程简易，通过控制主机对旋转主轴、轴向移动小车、垂直移动托板和旋转夹头进行协调控制，使得曝光处理过程中激光器与工件外表面上相应曝光位置之间的距离始终保持恒定，并且激光器所输出激光光束的投射方向始终与工件外表面上相应曝光位置的曝光表面相垂直；与此同时，控制主机对激光器的输出功率和输出时间进行控制。

4、曝光成像方法设计合理，以受控的激光光束对需加工工件外表面上已涂敷的感光抗蚀胶直接进行三维立体曝光，本发明以旋转主轴驱动具有外表面为普通回转面或变线回转面且的加工工件做旋转运动，并以受控的沿工件轴线方向向前渐进移动的激光束对工件外表面上已涂敷的感光抗蚀胶直接进行三维立体曝光；在旋转和轴向移动的共同作用下，激光光束完成对涂敷在工件外表面上的感光抗蚀胶的曝光成像过程，形成抗蚀图形掩膜；之后，再进行化学蚀刻加工，制造出高精度金属图形镀层，是一种回转面用高精度图形加工新方法，它将传统金属镀层图形加工工艺中的制版与晒版工序合并为激光立体直接曝光成像工艺，解决了现有制版工艺中存在的多种缺点，且本发明相应具有以下优点：①以激光直接曝光代替用照相底片晒版，省去底片制版、底片粘贴及晒版曝光工序，并且能有效解决平面底片与曲面表面紧密贴合的难题；②减少底片的图形复制误差，提高图形蚀刻的精度和重复精度，且本发明曝光成像后的图形精度高，重复精度高；③工艺简单，操作简便，生产效率高，成本低廉且成品率高；④以激光直接曝光方式提高回转面工件金属图形蚀刻的可行性，可用于各种复杂回转面图形的直接曝光，尤其适用于在三维立体回转面上进行高精度复杂图形制作过程，有效解决了三维立体回转面上难以制版、晒版的瓶颈，使传统的化学蚀刻在回转面图形的加工领域充分发挥其优势，是对传统的化学蚀刻中制版、晒版技术的革新，使这种类型的高精度复杂图形的加工成为可能，提供了广泛的应用前景。

5、本发明所采用激光器的光学系统工作性能稳定、可靠且使用成本低、可操作性强，能将激光器输出的能量最大限度地聚集在一个规定尺寸的光点内，同时尽量减少光点以外的杂散光的能量，以获得最佳的曝光效果。以激光二极管为光源的激光器是一种较为简单、传统的光学结构，所输出的激光光束为一个直径很小光强极大的光点，对回转面的感光涂层进行曝光。同时，调节光阑直径可调整曝光光点直径。另外，所采用的激光器经标定、校准后可长期使用。

6、适用范围广，本发明能应用于外表面为普通回转面或变线回转面表面的产品制作过程，特别是采用传统技术和工艺已无法胜任的精美图形制作过程，如天线罩体等。

综上所述，本发明设计合理、投入成本低、使用操作简便且使用效果好、应用范围广，能有效解决传统回转面化学蚀刻方法存在图形精度差、重复精度低、加工效率低下、废品率高、复杂回转面无法加工等多种实际问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明回转面用激光旋转直接曝光成像装置的使用状态参考图。

图2为本发明回转面用激光旋转直接曝光成像装置的电路原理框图。

图3为本发明激光器的结构示意图。

图4为本发明激光器的电路原理图。

图5为本发明回转面用激光旋转直接曝光成像方法的流程框图。

图6为本发明所加工普通回转面的结构示意图。

图7为本发明所加工变线回转面的结构示意图。

附图标记说明:

1—工件；                     2—旋转主轴；                 3—激光器；

3-1—外壳；                   3-2—激光管；                 3-3—激光管压圈；

3-4—第一孔径光阑；           3-5—聚焦透镜；               3-6—第二孔径光阑；

3-7—驱动控制器；             3-8—光电检测单元；           3-9—调节电路；

3-10—电源模块；              4—轴向移动小车；             4-1—小车驱动机构；

5-1—托板驱动机构；           5-2—托板；                   6—主轴支架；

7—驱动电机；                 8—旋转夹头；

8-1—投射方向调整驱动机构；                                   9—控制主机；

10—水平底座；             11—导轨；                         12—控制信号输入接口；

13—位置检测单元；         14—旋转角度检测单元。

具体实施方式

如图1、图2所示的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，包括带动工件1进行连续旋转的旋转主轴2、所述工件1旋转的同时对其外表面上所涂覆的感光材料涂层进行曝光处理并获得曝光成像图形的激光器3、带动激光器3沿旋转主轴2的中心轴线方向进行前后移动的轴向移动小车4、对激光器3与工件1外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在所述垂直移动托板上且对激光器3所发出激光光束的投射方向进行调整的激光束投射方向调整件，所述旋转主轴2的一端与驱动电机7的动力输出轴进行传动连接，且所述工件1安装在旋转主轴2的另一端上，所述激光器3安装在所述激光束投射方向调整件上。所述工件1的外表面为普通回转面或变线回转面；所述普通回转面为由同一条母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述普通回转面的母线为直线或曲线。所述变线回转面为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线为直线或曲线。所述旋转主轴2与工件1的回转轴呈同轴布设，所述轴向移动小车4位于工件1下方，且激光器3位于工件1的一侧。所述垂直移动托板安装在轴向移动小车4上。所述轴向移动小车4包括移动小车和对所述移动小车进行驱动的小车驱动机构4-1，所述垂直移动托板包括带动激光器3沿与旋转主轴2中心轴线相垂直的方向进行上下移动的托板5-2且带动所述托板5-2进行上下移动的托板驱动机构5-1，所述激光束投射方向调整件由投射方向调整驱动机构8-1进行驱动，所述移动小车与小车驱动机构4-1之间、所述托板5-2与托板驱动机构5-1之间以及所述激光束投射方向调整件与投射方向调整驱动机构8-1之间均通过传动机构进行传动连接，所述小车驱动机构4-1、托板驱动机构5-1、投射方向调整驱动机构8-1、驱动电机7和激光器3均由控制主机9进行控制，所述小车驱动机构4-1、托板驱动机构5-1、投射方向调整驱动机构8-1、驱动电机7和激光器3均与控制主机9相接。

本实施例中，所述旋转主轴2呈水平向布设。所述托板5-2为在竖直方向上进行上下移动的平板。

本实施例中，所述激光束投射方向调整件为带动激光器3在水平面上进行左右转动的旋转夹头8。

实际使用时，所述激光束投射方向调整件也可以采用能带动激光器3在水平面上进行左右转动的其它类型调整件。

同时，本发明所述的回转面用激光旋转直接曝光成像装置，还包括水平底座10，所述水平底座10上设置有供所述移动小车在水平方向上进行前后移动的移动轨道。本实施例中，所述旋转主轴2通过轴承安装在主轴支架6上，且所述水平底座10与主轴支架6组装为一体。

本实施例中，所述移动轨道包括两道呈平行布设且布设在同一水平面上的导轨11。

实际使用时，所述移动轨道也可以采用其它类型的平移轨道。

本实施例中，本发明所述的回转面用激光旋转直接曝光成像装置，还包括对所述轴向移动小车4的移动位置进行实时检测的位置检测单元13和对旋转主轴2的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元14，所述位置检测单元13和旋转角度检测单元14均与控制主机9相接。

实际使用过程中，所述水平底座10承载本发明所述回转面用激光旋转直接曝光成像装置的所有机械结构，所述旋转主轴2与导轨11呈平行布设，所述工件1同轴安装在旋转主轴2上，且旋转主轴2以预先设定的旋转速度进行恒速旋转。所述轴向移动小车4安装在导轨11上，且曝光处理时旋转主轴2每转动一周，轴向移动小车4便向前移动激光器3的一个激光光点的距离，所述旋转主轴2的旋转动作和轴向移动小车4的向前移动相配合完成激光光束的扫描过程。为保证曝光点落在激光束聚焦的焦点上，在扫描的同时，所述垂直移动托板迅速调整激光器3与工件1外表面上相应曝光位置之间的距离，使得激光器3与工件1外表面上相应曝光位置之间的距离始终保持恒定。另外，为使得激光器3的激光光束输出角度始终与工件1外表面上相应曝光位置的曝光表面相垂直，则通过旋转夹头8对激光器3所发出激光光束的投射方向进行适时调整，以确保成像质量。

如图3所示，所述激光器3包括前后两端均开口的外壳3-1、安装在外壳3-1内的激光管3-2、位于激光管3-2后侧且对激光管3-2进行卡装的激光管压圈3-3、位于激光管3-2正前方的第一孔径光阑3-4、位于第一孔径光阑3-4正前方的聚焦透镜3-5和位于聚焦透镜3-5正前方的第二孔径光阑3-6，所述激光管压圈3-3、第一孔径光阑3-4、聚焦透镜3-5和第二孔径光阑3-6均安装在外壳3-1内。

本实施例中，所述激光管压圈3-3、激光管3-2、第一孔径光阑3-4、聚焦透镜3-5和第二孔径光阑3-6均呈同轴布设。所述激光器3还包括对激光管3-2进行驱动控制的驱动控制器3-7、对激光管3-2的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器3-7的光电检测单元3-8、对激光管3-2的输出功率进行手动调节的调节电路3-9和与驱动控制器3-7相接的电源模块3-10，所述光电检测单元3-8和调节电路3-9均与驱动控制器3-7相接。所述驱动控制器3-7通过控制信号输入接口12与控制主机9相接。

实际安装时，所述激光管3-2通过激光管压圈3-3被牢固安装在外壳3-1内，激光管3-2所发出的激光光束经第一孔径光阑3-4消杂光，之后再经聚焦透镜3-5聚焦光束，最后经第二孔径光阑3-6对光束再次消杂光后，激光束将在激光器3的前方聚焦成微小的光点，该光点将用于对感光材料涂层的曝光，其精度和强度至关重要。

结合图4，本实施例中，所述激光管3-2为半导体激光器L1，所述光电检测单元3-8为光电二极管D1，所述调节电路3-9为可变电位器VR1，所述驱动控制器3-7为控制芯片Maxim3263。

本实施例中，所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻R1后半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，半导体激光器L1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口12即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

实际使用过程中，控制芯片Maxim3263用于连接电源、接收控制主机9的控制信号以驱动半导体激光器L1，控制激光输出能量的大小和通断，其中半导体激光器L1为波长405nm的半导体激光器，可变电位器VR1用于调节半导体激光器L1上位输出功率，光电二极管D1监测半导体激光器L1的输出亮度。J1是控制接口，输入控制芯片Maxim3263用的155mpbs高速差模控制信号。

另外，结合图6，所述普通回转面是由同一条固定的母线绕回转轴回转所形成的曲面，其母线为固定的直线或固定的平滑连续曲线，所述普通回转面中所有垂直于回转轴的切面均为圆形。如图7所示的变线回转面，且其为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线随回转角度的不同而变化，也就是说其母线不是一条固定的线条，所述变线回转面中垂直于回转轴的切面不一定为圆形，且回转形成所述变线回转面的母线是直线或平滑连续曲线，所述变线回转面中垂直于回转轴的切面形状为平滑连续封闭曲线。

本实施例中，所述工件1的外表面为变线回转面。实际使用时，也可以采用本发明所述的回转面用激光旋转直接曝光成像装置为外表面为普通回转面的工件1进行曝光成像处理。

如图5所示的一种回转面用激光旋转直接曝光成像方法，包括以下步骤：

步骤一、回转面三维模型建立：当工件1的外表面为普通回转面时，所述控制主机9记录回转形成所述普通回转面的母线的几何函数，并根据所述普通回转面的母线的几何函数构建出所述普通回转面的三维模型；当工件1的外表面为变线回转面时，所述控制主机9记录回转形成所述变线回转面过程中各回转角度所采用母线的几何函数，并根据各回转角度所采用母线的几何函数构建出所述变线回转面的三维模型。

实际进行建模时，所述控制主机9采用CAD软件，便可建立回转面三维模型。

步骤二、机械结构控制参数确定：实际进行曝光处理过程中，激光器3由先至后分多次进行曝光处理，轴向移动小车4由先至后分多次进行向前移动，且激光器3的各次曝光处理过程与轴向移动小车4的各次向前移动过程交替进行；每一次轴向移动小车4向前移动过程中，所述旋转主轴2均停止旋转，与此同时激光器3停止向外发射激光光束；每一次轴向移动小车4向前移动到位后，旋转主轴2开始旋转，且旋转主轴2旋转过程中，激光器3在控制主机9的控制作用下在需进行曝光处理的曝光位置启动并向外发射激光光束；待旋转主轴2旋转一周后，激光器3同步完成一次曝光处理过程，之后轴向移动小车4开始进行下一次向前移动。

当工件1的外表面为普通回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器3所发出激光光束的投射方向和激光器3与工件1外表面上对应曝光点之间的间距均保持不变；所述控制主机9根据步骤一中所建立的所述普通回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器3与工件1外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中所述托板5-2的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度进行确定。

当工件1的外表面为变线回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器3所发出激光光束的投射方向随回转角度的变化进行相应调整，且所述激光器3与工件1外表面上对应曝光点之间的间距s保持不变；所述控制主机9根据步骤一中所建立的所述变线回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器3与工件1外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中各回转角度对应的托板5-2的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度分别进行确定。

与此同时，每一次曝光处理过程中，所述控制主机9根据本次曝光处理过程中激光器3所发出激光光束在旋转主轴2中心轴线方向上的宽度d，确定轴向移动小车4下一次向前移动时的移动距离L且L=d。并且，所述控制主机9根据预先设定的旋转主轴2的旋转角速度w，确定轴向移动小车4前后两次向前移动之间的间隔时间Δt且

本实施例中，所述控制主机9还需根据预先设定的轴向移动小车4每次向前移动时的移动时间t，确定轴向移动小车4下一次向前移动的速度v且

步骤三、激光器控制参数确定：所述控制主机9根据步骤一中所建立的回转面三维模型，并结合需加工图形，对工件1外表面上的所有曝光位置进行确定。

步骤四、需加工工件外表面处理：在工件1的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层。

本实施例中，所述感光材料涂层为感光胶涂层，具体是感光抗蚀胶涂层。

步骤五、工件及激光器安装：将工件1安装在旋转主轴2上，并将激光器3安装在所述激光束投射方向调整件上。

步骤六、曝光成像：在控制主机9的控制作用下，完成需加工图形的曝光成像过程。

且曝光成像过程中，所述控制主机9根据步骤二中所确定的机械结构控制参数对小车驱动机构4-1、托板驱动机构5-1、投射方向调整驱动机构8-1和驱动电机7分别进行控制；与此同时，控制主机9结合步骤三中所确定工件1外表面上的所有曝光位置和预先设定的激光器3的输出功率，对曝光成像过程中激光器3输出激光光束的时间和所输出激光光束的功率进行控制。

本实施例中，实际进行曝光处理过程中，所述激光器3与工件1外表面上相应曝光位置之间的距离始终保持恒定，并且所述激光器3所输出激光光束的投射方向始终与工件1外表面上相应曝光位置的曝光表面相垂直。

实际使用过程中，所述激光器3所发出激光光束的波长在375nm～435nm范围内进行调整，且所述激光器3的输出功率在50毫瓦～500毫瓦范围内进行调整。并且，所述轴向移动小车4的移动速度在0.5m/s～2.5m/s范围内进行调整。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：包括带动工件(1)进行连续旋转的旋转主轴(2)、所述工件(1)旋转的同时对其外表面上所涂覆的感光材料涂层进行曝光处理并获得曝光成像图形的激光器(3)、带动激光器(3)沿旋转主轴(2)的中心轴线方向进行前后移动的轴向移动小车(4)、对激光器(3)与工件(1)外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在所述垂直移动托板上且对激光器(3)所发出激光光束的投射方向进行调整的激光束投射方向调整件，所述旋转主轴(2)的一端与驱动电机(7)的动力输出轴进行传动连接，且所述工件(1)安装在旋转主轴(2)的另一端上，所述激光器(3)安装在所述激光束投射方向调整件上；所述工件(1)的外表面为普通回转面或变线回转面；所述普通回转面为由同一条母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述普通回转面的母线为直线或曲线；所述变线回转面为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线为直线或曲线；所述旋转主轴(2)与工件(1)的回转轴呈同轴布设，所述轴向移动小车(4)位于工件(1)下方，且激光器(3)位于工件(1)的一侧；所述垂直移动托板安装在轴向移动小车(4)上；所述轴向移动小车(4)包括移动小车和对所述移动小车进行驱动的小车驱动机构(4-1)，所述垂直移动托板包括带动激光器(3)沿与旋转主轴(2)中心轴线相垂直的方向进行上下移动的托板(5-2)且带动所述托板(5-2)进行上下移动的托板驱动机构(5-1)，所述激光束投射方向调整件由投射方向调整驱动机构(8-1)进行驱动，所述移动小车与小车驱动机构(4-1)之间、所述托板(5-2)与托板驱动机构(5-1)之间以及所述激光束投射方向调整件与投射方向调整驱动机构(8-1)之间均通过传动机构进行传动连接，所述小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)、驱动电机(7)和激光器(3)均由控制主机(9)进行控制，所述小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)、驱动电机(7)和激光器(3)均与控制主机(9)相接；还包括对所述轴向移动小车(4)的移动位置进行实时检测的位置检测单元(13)和对旋转主轴(2)的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元(14)，所述位置检测单元(13)和旋转角度检测单元(14)均与控制主机(9)相接。

2.按照权利要求1所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：所述激光器(3)包括前后两端均开口的外壳(3-1)、安装在外壳(3-1)内的激光管(3-2)、位于激光管(3-2)后侧且对激光管(3-2)进行卡装的激光管压圈(3-3)、位于激光管(3-2)正前方的第一孔径光阑(3-4)、位于第一孔径光阑(3-4)正前方的聚焦透镜(3-5)和位于聚焦透镜(3-5)正前方的第二孔径光阑(3-6)，所述激光管压圈(3-3)、第一孔径光阑(3-4)、聚焦透镜(3-5)和第二孔径光阑(3-6)均安装在外壳(3-1)内。

3.按照权利要求1或2所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：所述旋转主轴(2)呈水平向布设。

4.按照权利要求3所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：所述激光束投射方向调整件为带动激光器(3)在水平面上进行左右转动的旋转夹头(8)。

5.按照权利要求3所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：还包括水平底座(10)，所述水平底座(10)上设置有供所述移动小车在水平方向上进行前后移动的移动轨道。

6.按照权利要求2所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：所述激光管压圈(3-3)、激光管(3-2)、第一孔径光阑(3-4)、聚焦透镜(3-5)和第二孔径光阑(3-6)均呈同轴布设；所述激光器(3)还包括对激光管(3-2)进行驱动控制的驱动控制器(3-7)、对激光管(3-2)的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器(3-7)的光电检测单元(3-8)、对激光管(3-2)的输出功率进行手动调节的调节电路(3-9)和与驱动控制器(3-7)相接的电源模块(3-10)，所述光电检测单元(3-8)和调节电路(3-9)均与驱动控制器(3-7)相接；所述驱动控制器(3-7)通过控制信号输入接口(12)与控制主机(9)相接。

7.按照权利要求6所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于：所述激光管(3-2)为半导体激光器L1，所述光电检测单元(3-8)为光电二极管D1，所述调节电路(3-9)为可变电位器VR1，所述驱动控制器(3-7)为控制芯片Max im3263；

所述控制芯片Max im3263的OUT+管脚经电阻R1后半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Max im3263的IP in管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，半导体激光器L1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Max im3263的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Max im3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Max im3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Max im3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Max im3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Max im3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Max im3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Max im3263的Oadj管脚相接，控制芯片Max im3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Max im3263的Oadj管脚相接，控制芯片Max im3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Max im3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口(12)即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Max im3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Max im3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

8.一种利用如权利要求1所述装置对回转面进行激光旋转直接曝光成像的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、回转面三维模型建立：当工件(1)的外表面为普通回转面时，所述控制主机(9)记录回转形成所述普通回转面的母线的几何函数，并根据所述普通回转面的母线的几何函数构建出所述普通回转面的三维模型；当工件(1)的外表面为变线回转面时，所述控制主机(9)记录回转形成所述变线回转面过程中各回转角度所采用母线的几何函数，并根据各回转角度所采用母线的几何函数构建出所述变线回转面的三维模型；

步骤二、机械结构控制参数确定：实际进行曝光处理过程中，激光器(3)由先至后分多次进行曝光处理，轴向移动小车(4)由先至后分多次进行向前移动，且激光器(3)的各次曝光处理过程与轴向移动小车(4)的各次向前移动过程交替进行；每一次轴向移动小车(4)向前移动过程中，所述旋转主轴(2)均停止旋转，与此同时激光器(3)停止向外发射激光光束；每一次轴向移动小车(4)向前移动到位后，旋转主轴(2)开始旋转，且旋转主轴(2)旋转过程中，激光器(3)在控制主机(9)的控制作用下在需进行曝光处理的曝光位置启动并向外发射激光光束；待旋转主轴(2)旋转一周后，激光器(3)同步完成一次曝光处理过程，之后轴向移动小车(4)开始进行下一次向前移动；

当工件(1)的外表面为普通回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器(3)所发出激光光束的投射方向和激光器(3)与工件(1)外表面上对应曝光点之间的间距均保持不变；所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的所述普通回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器(3)与工件(1)外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中所述托板(5-2)的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度进行确定；

当工件(1)的外表面为变线回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器(3)所发出激光光束的投射方向随回转角度的变化进行相应调整，且所述激光器(3)与工件(1)外表面上对应曝光点之间的间距s保持不变；所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的所述变线回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器(3)与工件(1)外表面上对应曝光点之间的间距s，对每一次曝光处理过程中各回转角度对应的托板(5-2)的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度分别进行确定；

与此同时，每一次曝光处理过程中，所述控制主机(9)根据本次曝光处理过程中激光器(3)所发出激光光束在旋转主轴(2)中心轴线方向上的宽度d，确定轴向移动小车(4)下一次向前移动时的移动距离L且L＝d；并且，所述控制主机(9)根据预先设定的旋转主轴(2)的旋转角速度w，确定轴向移动小车(4)前后两次向前移动之间的间隔时间Δt且 $\mathrm{\Δt}=\frac{2\mathrm{\π}}{w};$

步骤三、激光器控制参数确定：所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的回转面三维模型，并结合需加工图形，对工件(1)外表面上的所有曝光位置进行确定；

步骤四、需加工工件外表面处理：在工件(1)的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层；

步骤五、工件及激光器安装：将工件(1)安装在旋转主轴(2)上，并将激光器(3)安装在所述激光束投射方向调整件上；

步骤六、曝光成像：在控制主机(9)的控制作用下，完成需加工图形的曝光成像过程；

且曝光成像过程中，所述控制主机(9)根据步骤二中所确定的机械结构控制参数对小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)和驱动电机(7)分别进行控制；与此同时，控制主机(9)结合步骤三中所确定工件(1)外表面上的所有曝光位置和预先设定的激光器(3)的输出功率，对曝光成像过程中激光器(3)输出激光光束的时间和所输出激光光束的功率进行控制。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤四中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。