CN104475971B - 一种分束激光多工位分时切割机及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分束激光多工位分时切割机及加工方法。所述切割机包括平台、激光光源、入射机构、激光振镜、分束机构、加工头、十字移动平台和任务控制系统；所述十字移动平台上安装若干工位，每个工位上安装多个加工头；激光光源出射激光经入射机构导入激光振镜，激光振镜出射激光经分束机构分别导入同一工位上的多个加工头中；一个工位中的物料加工完后，任务控制系统控制激光振镜使激光导入另一工位的加工头中。本发明利用光学能量分配和工业智能化控制分时相结合的方式，协调分配激光多头加工，实现激光多工位分时分能量加工，大大提升了效率，并提高了加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工设备领域，特别是一种分束激光多工位分时切割机。本发明还涉及物料的分束激光多工位分时加工方法。
背景技术
显示行业玻璃基片是一种超薄、大幅面的特种玻璃材料，它是构成显示面板的关键元件。显示玻璃基片的质量好坏，直接决定了其后相关应用产品(如液晶电视、液晶显示器、手机屏)的生产成本和市场价值。常规的切割玻璃基片加工方法是采用金刚石砂轮片或硬质合金轮划线切割的机械切割方式；用该方法切割，不可避免的会在玻璃表面产生碎屑，需要增加清洗、打磨等后续流程；同时，在基片表面清洗工序中，微小碎粒屑还可能造成对玻璃表面的损伤；另外，传统的机械切割方法由于惯性大，切割小圆弧时效率低下。随着对加工精度的要求越来越高，提高效率、降低生产成本是每个生产厂家必须考虑的问题，机械加工越来越难以适应现代工业的要求，为了提高玻璃基片的成品率，节约原材料成本，方便扩大产能，一种快速、高效、洁净的玻璃基片切割技术是十分必要的。
目前，激光加工已逐步取代机械加工成为常用的显示玻璃等材料的加工方式，但当前工业单头激光切割机仍然效率较低，特别是在精细切割小圆弧时存在速度慢、效果差的问题。激光加工需要一种切割更灵活、速度更快、精度更高的高效激光切割机。
发明内容
为克服现有技术的不足，针对现有激光单头加工效率较低的特点，本发明提供了一种分时分能量的多头激光加工装置和加工方法，采用任务控制系统协调控制加工和上料工序，并利用分光分时原理，充分利用激光的能量，同时控制多个加工头，极大的提高了加工效率。
根据本发明的一方面，提供了一种分束激光多工位分时切割机，包括平台、激光光源、入射机构和加工头，所述平台上固定有平台支架；该分时切割机还包括激光振镜、分束机构、十字移动平台和任务控制系统，其中，所述激光光源的出射激光通过所述入射机构导入所述激光振镜中；所述激光振镜安装在所述平台支架上，激光振镜内包括X轴扫描头、Y轴扫描头和扫描驱动控制器；所述十字移动平台安装在所述平台上，其上固定有若干工位，每个所述工位中安装有所述分束机构和若干所述加工头，所述加工头与分束机构的出射分束激光一一对应，出射分束激光导入相应的加工头中；所述激光光源和扫描驱动控制器的控制端连接所述任务控制系统。
优选的，所述入射机构由偏转反射镜和光束整形器组成，所述偏转反射镜固定在所述平台上，激光光源的出射激光经偏转反射镜偏转后射入光束整形器，光束经整形后导入所述激光振镜。
优选的，所述分时切割机还包括与所述激光振镜固定连接的多个CCD摄像头，所述CCD摄像头位于所述激光振镜下方并随激光振镜整体移动。
优选的，所述分时切割机还包括连接每个所述工位的自动加料机构，所述自动加料机构控制端连接任务控制系统。
优选的，所述分束机构包括分光镜和分束反射镜，每束入射分光镜的激光出射为两束分束激光，使用所述分束反射镜偏转所述分束激光光路至所需方向。
更优选的，所述分束激光光路中还设置有衰减器。
优选的，所述任务控制系统由设定器、数字控制器、位置检测机构和执行机构组成，其中所述设定器连接数字控制器，向所述数字控制器传输加工目标数据；所述位置检测机构采集所述工位上的物料位置信号，其信号端连接所述数字控制器；所述数字控制器连接执行机构，数字控制器根据控制算法进行数据处理并将结果传输给所述执行机构，所述任务控制系统由执行机构发出控制指令。
更优选的，所述位置检测机构为光栅尺。
根据本发明的另一方面，提供了一种分束激光多工位分时加工的方法，包括以下步骤：
步骤1：将加工目标数据输入任务控制系统，任务控制系统进行数据处理后输出控制指令；
步骤2：根据任务控制系统控制指令，通过扫描驱动控制器控制激光振镜出射方向，再将出射激光分束后，控制各分束激光使其焦点均定位在一个工位中各待加工物料的加工初始位置；
步骤3：通过任务控制系统控制激光光源发出激光并入射至所述激光振镜，同时扫描驱动控制器驱动激光振镜进行扫描动作，按照任务控制系统给出的加工数据完成物料加工；
步骤4：一个工位的物料加工完成后，任务控制系统发出控制指令，通过扫描驱动控制器控制改变激光振镜出射方向，使分束激光焦点定位在另一工位中待加工物料的加工初始位置，重复步骤3完成该工位的物料加工；
步骤5：重复步骤4直至全部物料加工完毕。
优选的，所述方法中，当一个工位的物料加工完成后，撤下加工后的物料，由任务控制系统控制自动加料机构在该工位中加入新的物料。
优选的，所述方法中使用多个摄像头采集待加工物料图像，利用物料图像的像素点的位置与工件在工位上的坐标的对应关系设定加工轨迹数据，该加工轨迹数据作为步骤1中所述加工目标数据输入所述任务控制系统。
优选的，所述方法在切割玻璃时，将所述分束激光焦点初始定位于玻璃下表面，扫描驱动控制器控制激光焦点根据切割进度在玻璃厚度方向逐步上移，直至切割完毕。
使用本发明装置和方法具有以下效果：
1.本发明利用光学能量分配和工业智能化控制分时相结合的方式，使得激光能量得到充分利用，实现了激光多头加工的协调分配，同一时间完成多件工件的加工，大大提升了效率，并提高了加工质量。目前采用4头分时分能量同时切割时，与传统单头切割相比，效率提高2.5倍以上；
2.本发明创新设计了直线加圆弧的切割方法，采用激光振镜结合平台移动的切割方式。小圆弧采用振镜切割，因振镜重量小，切割速度快、精度高，大的加工图形通过载物平台直线移动切割。本发明解决了目前工业激光切割机切割小的圆弧速度慢、效果差的问题；
3.采用振镜控制激光入射不同的工位，工位上的物料加工完毕后自动加料，实现不同工位同时进行加工和加料，省去加工后等待加料的时间，进一步提高加工效率；
4.创新了玻璃切割工艺，采用背切法把激光焦点调到玻璃下表面，每切一周，激光上移一点，使切割过程中玻璃的残渣向下掉，改善了切割效果。
附图说明
图1为本发明分束激光多工位分时切割机结构立体图；
图2为本发明切割机光路示意图；
图3为本发明切割机控制系统连接示意图；
图4为本发明分束光路衰减器示意图。
其中：
1、平台；11、平台支架；2、激光光源；3、入射机构；31、偏转反射镜；32、光束整形器；4、激光振镜；41、扫描驱动控制器；5、加工头；6、十字移动平台；7、任务控制系统；8、分束机构；81、分光镜；82、分束反射镜；83、衰减器；9、CCD摄像头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种分束激光多工位分时切割机，包括平台1，激光光源2，入射机构3，激光振镜4，加工头5，十字移动平台6，分束机构8，分光镜81，分束反射镜82以及CCD摄像头9。激光光源2、入射机构3、十字移动平台6安装在平台1上，CCD摄像头9通过螺栓安装于所述激光振镜4的下方，分光镜81和分束反射镜82安装于十字移动平台6上。十字移动平台6在直线电机的控制下，可在X、Y方向移动，控制精度为10μm。
如图3所示，激光光源2发出激光，偏转反射镜31和分束反射镜82用于调整光路，激光振镜4的使用可以减轻整个加工装置的重量，并提高加工速度。十字移动平台6由直线电机控制，直线电机的信号端连接任务控制系统7。任务控制系统7由设定器、数字控制器、输入通道(位置检测)、后向通道(执行机构)四部分组成。数字控制器是任务控制系统的核心部件，它由硬件电路和程序两部分组成，主要完成对位置信号的采集，数据处理及运动控制。扫描驱动控制器41在任务控制系统7的作用下偏转激光振镜4的角度，使激光振镜位于需要的位置进行加工。
分光镜81可以在激光能量较大的情况下，分成两束激光同时在两个加工头5进行加工，既不浪费激光能量，也可以提高加工效率。然而，激光能量分配时往往出现激光能量分配差别较大。在激光粗加工的时候，能量分配相差1％，体现不出加工的差异，在显示玻璃加工这类精密微加工中，需要能量每路激光能量相差不到0.1％，通常分光镜分光误差在0.5-1％之间，所以在分光镜中间插入衰减器，如图4所示，利用功率计精密测量每路激光的能量，直到相差0.1％。如此，用能量均衡的两路激光加工的两套工件，可以保证其加工质量的一致性。
CCD摄像头9用于拍摄工件并生成图像像素点与所述十字移动平台6的坐标对应。被加工的工件的通过CCD摄像头9的拍摄生成CCD图象的像素点的位置，与工件在十字移动平台11的坐标形成对应关系，这种对应关系通过CCD摄像头9反馈至任务控制系统7，通过任务控制系统7生成加工轨迹，方便任务控制系统7控制加工头5进行加工操作。CCD摄像头一般使用双摄像或者四摄像定位，定位速度控制在0.1秒之内。
同时，本发明提供了一种分时分能量激光加工的方法，如图1、图2所示，激光光源2在任务控制系统7的控制下发出激光，经过偏转反射镜31进入光束整形器32，经过光束整形后进入激光振镜4，激光振镜4在扫描驱动控制器41的作用下，偏转到如图2所述的位置A，激光在分束反射镜82的作用下调整光路，通过分光镜81分成两束激光，分别输入两个加工头5，同时对两个工件进行加工。激光在位置A进行加工操作的同时，可以在如图2所示的位置B进行手动加料工序。加料工序可以手动加料，亦可以自动加料，自动加料时，可以将自动加料系统与任务控制系统7相连，实现加料、加工全自动控制。当激光在位置A加工完毕，位置A的加工头5给任务控制系统7反馈信号，任务控制系统控制扫描驱动控制器41带动激光振镜4偏转到位置B，对位置B的工件进行加工，同时，在位置A进行加料工序。如此往复，直至所有工件加工完毕。
这种分时分能量加工方法，成功解决了多头加工的协调分配，大大提高了效率，并可以将这种方法运用激光焊接、激光熔覆等多种场合，配合任务控制系统的精密控制，实现全自动化、高效率的加工方式。
应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种分束激光多工位分时切割机，包括平台(1)、激光光源(2)、入射机构(3)和加工头(5)，所述平台(1)上固定有平台支架(11)，其特征在于：还包括激光振镜(4)、分束机构(8)、十字移动平台(6)和任务控制系统(7)，其中：
所述激光光源(2)的出射激光通过所述入射机构(3)导入所述激光振镜(4)中；
所述激光振镜(4)安装在所述平台支架(11)上，激光振镜(4)内包括X轴扫描头、Y轴扫描头和扫描驱动控制器(41)；
所述十字移动平台(6)安装在所述平台(1)上，其上固定有若干工位，每个所述工位中安装有所述分束机构(8)和若干所述加工头(5)，所述加工头(5)与分束机构(8)的出射分束激光一一对应，出射分束激光导入相应的加工头(5)中；
所述激光光源(2)和扫描驱动控制器(41)的控制端连接所述任务控制系统(7)，设置任务控制系统(7)控制所述激光振镜(4)和十字移动平台(6)联动，使十字移动平台(6)按照加工图形整体形状进行二维平移，同时控制激光振镜(4)进行细部圆弧加工。
2.根据权利要求1所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：所述入射机构(3)由偏转反射镜(31)和光束整形器(32)组成，所述偏转反射镜(31)固定在所述平台(1)上，激光光源(2)的出射激光经偏转反射镜(31)偏转后射入光束整形器(32)，光束经整形后导入所述激光振镜(4)。
3.根据权利要求1所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：还包括与所述激光振镜(4)固定连接的多个CCD摄像头(9)，所述CCD摄像头(9)位于所述激光振镜(4)下方并随激光振镜(4)整体移动。
4.根据权利要求1所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：还包括连接每个所述工位的自动加料机构，所述自动加料机构控制端连接任务控制系统(7)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：所述分束机构(8)包括分光镜(81)和分束反射镜(82)，每束入射分光镜(81)的激光出射为两束分束激光，使用所述分束反射镜(82)偏转所述分束激光光路至所需方向。
6.根据权利要求5所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：所述分束激光光路中还设置有衰减器(83)。
7.根据权利要求1至4任一项所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：所述任务控制系统(7)由设定器、数字控制器、位置检测机构和执行机构组成，其中所述设定器连接数字控制器，向所述数字控制器传输加工目标数据；所述位置检测机构采集所述工位上的物料位置信号，其信号端连接所述数字控制器；所述数字控制器连接执行机构，数字控制器根据控制算法进行数据处理并将结果传输给所述执行机构，所述任务控制系统(7)由执行机构发出控制指令。
8.根据权利要求7所述的分束激光多工位分时切割机，其特征在于：所述位置检测机构为光栅尺。
9.一种分束激光多工位分时加工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将加工目标数据输入任务控制系统(7)，任务控制系统(7)进行数据处理后输出控制指令；
步骤2：根据任务控制系统(7)控制指令，通过扫描驱动控制器(41)控制激光振镜(4)出射方向，再将出射激光分束后，控制各分束激光使其焦点均定位在一个工位中各待加工物料的加工初始位置；
步骤3：通过任务控制系统(7)控制激光光源(2)发出激光并入射至所述激光振镜(4)，同时扫描驱动控制器(41)驱动激光振镜(4)进行扫描动作，按照任务控制系统(7)给出的加工数据完成物料加工；
步骤4：一个工位的物料加工完成后，任务控制系统(7)发出控制指令，通过扫描驱动控制器(41)控制改变激光振镜(4)出射方向，使分束激光焦点定位在另一工位中待加工物料的加工初始位置，重复步骤3完成该工位的物料加工；
步骤5：重复步骤4直至全部物料加工完毕；
采用上述步骤切割玻璃时，将所述分束激光焦点初始定位于玻璃下表面，扫描驱动控制器(41)控制激光焦点根据切割进度在玻璃厚度方向逐步上移，直至切割完毕。
10.根据权利要求9所述的分束激光多工位分时加工方法，其特征在于：当一个工位的物料加工完成后，撤下加工后的物料，由任务控制系统(7)控制自动加料机构在该工位中加入新的物料。
11.根据权利要求9至10任一项所述的分束激光多工位分时加工方法，其特征在于：使用多个摄像头采集待加工物料图像，利用物料图像的像素点的位置与工件在工位上的坐标的对应关系设定加工轨迹数据，该加工轨迹数据作为步骤1中所述加工目标数据输入所述任务控制系统(7)。
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