CN105033470B - 一种锥度可控的高质量钻孔加工设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，沿激光照射方向线路依次包括：一光束旋转模组；一聚焦透镜；一第一楔形光学玻璃基板和一第二楔形光学玻璃基板，转动装置，所述转动装置连接于所述第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板；其中，激光依次通过所述光束旋转模组、聚焦透镜、第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板对激光光束进行聚焦及动态扫描之后作用于待加工件，并且，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板受控所述转动装置转动，以改变激光照射线路。本发明的加工装置，模组结构简单，可与常规激光加工集成，易于制作，成本低，光路调节变得容易。能够快速实现零锥度和倒锥钻孔的高质量加工。

Description

一种锥度可控的高质量钻孔加工设备及方法

技术领域

本发明涉及激光加工装置技术领域，尤其涉及一种锥度可控的高质量钻孔加工设备及方法。

背景技术

激光加工的基本原理就是将激光聚焦在材料表面，使激光与材料的相互作用，激光光束的高斯分布以及激光与物体相互作用的机制，激光与材料作用后在物体上形成正锥形激光钻孔。

现有技术中，使用高斯光束加工，要实现零锥度或倒锥沟槽加工，激光光束要倾斜入射到样品表面。有两种基本的办法：一种是倾斜样品，另外一种是倾斜激光光束。倾斜样品会给加工带来很大的不方便。因此倾斜激光光束的方发被广泛采用。目前解决这类问题的方法都有其不足之处。首先，价格高，因为特殊的光学模组很难与常规的激光加工系统集成，必须单独使用。其二，系统复杂，使用多个光学器件，要达到加工的要求，需要两套对两轴piezo-振镜或Gavo-振镜。其三，调节难度大，由于此特殊光学模组的位置在透镜之前，因此任何偏差会导致在焦点出的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现零锥度和倒锥沟槽的激光加工装置，用于解决现有技术中零锥度激光加工装置集成不方便，加工过程复杂的问题。同时，通过一光束旋转模组来实现光束的自转或公转，以获得更高的激光钻孔质量及钻孔效率。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：

本发明的一种锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，沿激光照射方向线路依次包括：一光束旋转模组；一聚焦透镜；一第一楔形光学玻璃基板和一第二楔形光学玻璃基板，转动装置，所述转动装置连接于所述第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板；其中，激光依次通过所述光束旋转模组、聚焦透镜、第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板对激光光束进行聚焦及动态扫描之后作用于待加工件，并且，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板受控所述转动装置转动，以改变激光照射线路。

其中，所述的光束旋转模组自转或沿一中心轴公转。

其中，所述的光束旋转模组与聚焦透镜之间还设有一激光反射装置，以改变激光光束照射角度。

其中，所述的激光反射装置为一平面反射镜。

其中，所述的激光反射装置由第一振镜和第二振镜组成。

其中，所述的第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板的厚度为1至10毫米。

其中，所述的楔形光学玻璃基板的转动装置为一振镜电机。

一种采用如如上任意一项锥度可控的高质量钻孔加工设备的加工方法，其包括以下步骤：

第一步，将待加工件的加工位对准激光光束，开启外部激光装置发射激光；

第二步，同步启动所述光束旋转模组、第一楔形光学玻璃基板、第二楔形光学玻璃基板以及机台；其中，光束旋转模组沿激光光束垂直方向转动，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板分别沿相互垂直的轴转动。机台沿平面横向和纵向移动，以使激光在待加工件上扫描。

其中，所述机台固定不动。

与现有技术相比，该发明解决现有特殊的光学模组的不足之处，具体体现在：

由于楔形光学模组放在聚焦透镜的后方，可与常规的激光加工系统集成，提高适用性，从而大大降低设备制备成本。使用两个毫米量级厚的楔形光学玻璃片，不占有大的空间，尤其当使用短焦距透镜时所允许的短的工作距离。由于此楔形光学模组放在聚焦透镜的后方，因此此楔形光学模组的光路的调节不会影响聚焦透镜前的光路，光学调节变得系相对容易。此楔形光学镜片可放在振镜电机上以实现快速入射角度调节。两个楔形光学镜片彼此协调可以达到所需要加工形状和锥度。另外，采用光束旋转模组装置可以实现光束在加工过程中的旋转，解决了光束偏振方向对激光钻孔质量的影响，而且可以通过光束公转改变钻孔路径，加快钻孔效率，改善钻孔质量。除此之外，在需要微孔(微米量级)加工时可以只采用光束旋转来实现加工，不需要平台或振镜运动，提高钻孔质量。

附图说明

图1为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的第一实施方式结构图；

图2为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的楔形光学玻璃基板连接转动装置的结构示意图；

图3为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的第二实施例的结构示意图；

图4为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的零锥度结构图；

图5为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的倒锥沟槽结构图；

图6为本发明锥度可控的高质量钻孔加工设备的光学旋转模组部分结构示意图。

具体实施方式

以下参考附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

请参阅图1至附图5，本发明一种锥度可控的高质量钻孔加工设备，有一激光发射装置，沿激光照射方向线路依次包括：一光束旋转模组1；一聚焦透镜3；一第一楔形光学玻璃基板41；一第二楔形光学玻璃基板42；其中，激光依次通过所述光束旋转模组1、聚焦透镜3、第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42作用于待加工件，并且，所述的第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42受控转动装置，从而改变激光照射线路，从而实现钻孔加工。

其中，所述的光束旋转模组采用自转或绕着一中心公转。在所述的光束旋转模组与一马达装置连接带动其转动，光束旋转装置可以调节旋转半径，即可以实现光束自转或以一给定半径旋转。从而减少激光因偏振导致钻孔质量不高的问题，同时，可以通过光束公转实现钻孔加工路线的改变，以获得更高效的钻孔加工。且在钻微孔(微米量级)时，可以直接通过光束的公转实现钻孔，无需设计加工路径，无需平台和振镜运动，使得激光钻孔效率更高、质量更高。请参阅附图1，附图1为第一实施例的结构示意图，从图中可见，该锥度可控的高质量钻孔加工设备包括：一激光发射装置，从该激光发射装置发射的出激光光束的线路上依次设有：一动态可调节的透镜1，一平面反射镜2，该平面反射镜2为激光反射装置的其中一种结构。经过所述平面反射镜2反射之后的激光光束改变直线出射方向，弯折之后的激光光束进入设于所述平面反射镜2后方的一聚焦透镜3，所述聚焦透镜3的后方设有一第一楔形光学玻璃基板41，所述第一楔形光学玻璃基板41的一侧通过一连接件连接于一转动装置，通过所述转动装置带动所述第一楔形光学玻璃基板41的在X-Z平面内绕Z轴高速转动，由所述第一楔形光学玻璃基板41的楔形结构对激光光束进行折射，从而动态改变激光光束的雕刻位置。同时，所述的第一楔形光学玻璃基板41的正后方还设有一第二楔形光学玻璃基板42，并且，所述的第二楔形光学玻璃基板42的一侧也连接有一转动装置，通过该转动装置的带动使第二楔形光学玻璃基板42转动，通过楔形结构改变激光光束的前进线路，从而改变激光光束雕刻的位置。激光光束随着楔形光学玻璃基板41、41装置的运动，从而实现了再待加工件上加工出任意锥度的孔，包括无锥度和倒锥度的孔。一待加工件5位于所述第二楔形光学玻璃基板42的后方，通过同时调节第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42的转动，实现在待加工件5上的钻孔50的加工。其中，所述的光束旋转模组1，用于旋转激光光束，可实现光束的自转及公转，确保聚焦光斑的质量，从而获得更高的钻孔质量。同时，可以通过光束公转实现钻孔加工路线的改变，以获得更高效的钻孔加工。且在钻微孔(微米量级)时，可以直接通过光束的公转实现钻孔，无需设计加工路径，更高效、质量更高。所述的第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板的厚度为1毫米至10毫米。优选的，所述的楔形光学玻璃基板及光束旋转模组的转动装置为一振镜电机。所述的光速旋转模组由一马达带动。

请参阅附图2，其为第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42上个连接有一转动装置411和421的结构示意图，以及其中一种激光光束经过所述第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42时。从附图中可见，所述的第一楔形光学玻璃基板41在转动装置的带动下沿X-Z平面内绕Z轴转动，而第二楔形光学玻璃基板42在转动装置的带动下沿Y-Z平面绕Z轴转动，所述的X-Y-Z坐标轴即为笛卡尔坐标轴，其中所述的转动装置411和转动装置421的转轴所在的直线相互呈90度垂直。

请参阅附图3，其为本发明的一种锥度可控的高质量钻孔加工设备的另一实施方式的结构示意图。其与第一实施例的区别在于，所述的激光反射装置，即在第一实施例中的平面反射镜2，由一振镜装置组成，包括第一振镜21和第二振镜22，其中，所述的第一振镜在X-Y平面内绕Z轴转动，所述的第二振镜Y-Z平面内绕X轴转动，或者说，第一振镜21的转动轴和第二振镜22的转动轴相互垂直。其中，所述的待加工件5放置于一机台6上，所述机台6可沿X-Y轴移动。其他结构部分与第一实施例完全相同，再次不予以赘述。

请参阅附图4，其为采用第一实施例的锥度可控的高质量钻孔加工设备的加工方法，其包括如下步骤：

第一步，将待加工件的加工位对准激光光束，开启外部激光装置发射激光；

第二步，同步启动所述光束旋转模组、第一楔形光学玻璃基板、第二楔形光学玻璃基板以及机台；其中，光束旋转模组转动，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板分别沿相互垂直的轴转动，机台沿平面横向和纵向移动，以使激光在待加工件上扫描。即，第一楔形光学玻璃基板41沿X-Z面内绕Z轴转动，第二楔形光学玻璃基板42沿Y-Z面内绕Z轴转动，机台6沿X-Y方向移动，直至加工完成。

同时，在加工过程中，动态可调的透镜装置通过自转或公转来实现光束的旋转，改善光束质量。以保证获得更高的钻孔质量，避免激光本身偏振方向对钻孔加工的影响。同时，可以通过光束公转实现钻孔加工路线的改变，以获得更高效的钻孔加工。且在钻微孔(微米量级)时，可以直接通过光束的公转实现钻孔，无需设计加工路径，更高效、质量更高。

请参阅附图5，另一种锥度可控的高质量钻孔加工的方法，其包括如下步骤：

第一步，将待加工件的加工位对准激光光束，开启外部激光装置发射激光；

第二步，同步启动所述光束旋转模组、第一楔形光学玻璃基板、第二楔形光学玻璃基板以及机台；其中，光束旋转模组转动，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板分别沿相互垂直的轴转动，机台沿平面横向和纵向移动，以使激光在待加工件上扫描。所述的光束旋转模组1开始转动，启动第一振镜21，第二振镜22，第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42以及机台6使其旋转，对待加工件5进行扫描直至加工完成。

同时，在加工过程中，动态可调的透镜装置通过自转或公转来实现光束的旋转，改善光束质量。以保证获得更高的钻孔质量，避免激光本身偏振方向对钻孔加工的影响。

其中，上述第二种方法中，第三步的，机台6不与所述光束旋转模组1、第一振镜21，第二振镜22，第一楔形光学玻璃基板41和第二楔形光学玻璃基板42同步转动，同样可实现加工。

使用上述的一套模组或方法可以达到控制锥度的要求实现锥度可控的不同形状的钻孔，如圆孔，方孔，异性孔等。

请参阅附图6，其为光学旋转模组1的组成结构示意图，该光学旋转模组1包括：光学镜片11，传送带12和电机13，其中，光学镜片11呈圆柱状，其侧壁上套装传送带12，在电机13的带动下，随传送带12传动转动。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，沿激光照射方向线路依次包括：一光束旋转模组；一聚焦透镜；一第一楔形光学玻璃基板和一第二楔形光学玻璃基板，转动装置，所述转动装置连接于所述第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板；其中，激光依次通过所述光束旋转模组、聚焦透镜、第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板对激光光束进行聚焦及动态扫描之后作用于待加工件，并且，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板受控所述转动装置转动，以改变激光照射线路其中，所述的光束旋转模组可以自转或沿一中心轴公转。

2.如权利要求1所述的锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，所述的光束旋转模组与聚焦透镜之间还设有一激光反射装置，以改变激光光束照射角度。

3.如权利要求2所述的锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，所述的激光反射装置为一平面反射镜。

4.如权利要求2所述的锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，所述的激光反射装置由第一振镜和第二振镜组成。

5.如权利要求1所述的锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，所述的第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板的厚度为1至10毫米。

6.如权利要求1所述的锥度可控的高质量钻孔加工设备，其特征在于，所述的楔形光学玻璃基板的转动装置为一振镜电机。

7.一种采用如权利要求1至6任意一项锥度可控的高质量钻孔加工设备的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将待加工件的加工位对准激光光束，开启外部激光装置发射激光；

第二步，同步启动所述光束旋转模组、第一楔形光学玻璃基板、第二楔形光学玻璃基板以及机台；其中，光束旋转模组沿Y轴方向转动，第一楔形光学玻璃基板和第二楔形光学玻璃基板分别沿相互垂直的轴转动，机台沿平面横向和纵向移动，以使激光在待加工件上扫描。

8.如权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述第二步中的机台也可以是固定不动的。