CN106808086A - 多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法和加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法和加工系统，涉及激光加工领域。通过提供了轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，激光系统中的部分结构必须移动到理想的切割线的部分体现在相交的区域正入射激光的焦点上，其中，理想的切割线的部分是每一个位置的切割路径；在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次；在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。使得进行加工的时候能够在现有技术的基础上提高效率和降低损耗。

Description

多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法和加 工系统

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体而言，涉及多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法和加工系统。

背景技术

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。

在激光加工领域，激光切割是一个受人关注的技术，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，完成对材料的切割。激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。

用高精度和高质量的玻璃或水晶等脆性材料制成的二维或三维工件，如蓝宝石或陶瓷等，是一个挑战，也是一个技术难点。

制造商、加工商现在越来越多地使用三维的消费电子设备的脆性材料制成的三维基板和切割的基板，以满足所需的工业设计要求。处理这些基板上的激光系统是具有挑战性的。虽然已经取得了一些尝试的成果，但依旧没有人能够很好的处理这些材料，特别是在提高质量或避免过大损耗上采取措施。

综上，相关技术中的激光切割方法制造质量较差，且损耗较大。

发明内容

本发明的目的在于提供轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，以提高激光加工效率。

第一方面，本发明实施例提供了多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，包括：

激光系统中的部分结构必须移动到理想的切割线的部分体现在相交的区域正入射激光的焦点上，其中，理想的切割线的部分是每一个位置的切割路径；

在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次；

在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括激光系统中，部分结构必须定位和移动的激光入射角保持在90°±10°在切割位置。

第二方面，本发明实施例还提供了应用如第一方面所述的方法的第一种加工系统，包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如第一方面所述的方法。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征，和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

结合第二方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，还包括多轴定位系统结合直线和旋转运动，这样体现在三维曲面上的任何一点，可以提出这样的激光束入射垂直于10个点的接触点的表面。

结合第二方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括运行在基板上的激光束入射，在周围的点或在基板内的激光束入射垂直于碲表面。

结合第二方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，还包括将利用三个直线轴指定的X，Y和Z和两个旋转轴，指定A和C轴都可以在不同的组合处，以位置变换或分裂达到预期效果。

结合第二方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括：

(a)基板是在一个平台上，安装在4轴(X，Y，A和C)，激光技术，安装在单轴(Z)，分开运动但配合X，Y轴，a轴和c轴；

(b)的基板上的一个平台，是安装在2轴(X和Y)而举行的激光技术，安装在3轴(A，C，Z)，分别移动但配合A和C轴；

(C)的基板上的一个平台，是安装在2轴举行(A和C)，激光技术，安装在3轴(X，Y，Z)，分头行动但配合A和C轴；

(d)该基板是在一个安装在所有5个轴的堆栈上的平台上(x，y，z，a和c)。

第三方面，本发明还提供了应用如第一方面所述的方法的第二种加工系统，包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如第一方面所述的方法；

并且，机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：作为基板，无论是作为一个数组的单个部分或多个部分构图都要到一个单一的大基板上，

在这种情况下，运动平台的轴线分割使得衬底线性移动，在前部的激光头安装在剩余的4轴上。

本发明实施例提供的轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，采用方法步骤设计的改进，与现有技术中的没有人能够很好的处理这些材料，特别是在提高质量或避免过大损耗上采取措施相比，其通过提供了轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，并且激光系统中的部分结构必须移动到理想的切割线的部分体现在相交的区域正入射激光的焦点上，其中，理想的切割线的部分是每一个位置的切割路径；在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次；在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。使得进行加工的时候能够在现有技术的基础上提高效率和降低损耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法的基本流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法的图1方法所使用到的第一种结构图；

图3示出了本发明实施例所提供的轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法的图1方法所使用到的第二种结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

制造业大多数使用的是数控的，有线锯的和研磨车床的组合来制造这些零件。这个过程是缓慢的，并且需要多个步骤来制造零件，同时一个正常的工厂可能需要几百台机器来处理零件。这种方法是昂贵的，属于劳动密集型加工生产。

一些制造商已经尝试开发激光加工这些零件的机器。这些机器通常只能切割二维零件，质量低。在基板成型过程中建立和实施的设计规则很少，以确保零件与激光加工机兼容。此外，目前在这些机器中创建的零件，必须经过研磨加工，以达到所需的尺寸公差和质量。

为了有效地处理这些零件，建立了几个设计规则。按照这些设计规则，需要在该运动平台上达到一定精准度，处理这些零件和位置时，主要体现在入射激光束上。本申请公开了多轴运动的配置需要处理这些基板，以达到所需的质量和生产力。

目前没有人已经实现一个多轴(3轴)定位系统的激光切割脆性材料基板。我们提出了几个配置的协调多轴(3轴)定位系统，确保工件的连续定位，这样的表面保持在切割线垂直于入射激光束。基板可以呈现在激光加工机床上:一个单独的部分或数组/成堆的各个部分或一批结构外形在举例中的几部分是从一个较大的基板切割定义下运行的。

本发明实施例具体提供了三方面的内容，分别是轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法和两个应用该方法的系统。

具体而言，轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，如图1所示，包括如下步骤：

S101，激光系统中的部分结构必须移动到理想的切割线的部分体现在相交的区域正入射激光的焦点上，其中，理想的切割线的部分是每一个位置的切割路径；

S102，在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次；

S103，在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。

优选的，还包括激光系统中，部分结构必须定位和移动的激光入射角保持在90°±10°在切割位置。

本发明实施例还提供了应用上述方法的第一种激光加工系统，该系统包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如上述实施例中所述的方法。

优选的，该系统还包括机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征，和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

优选的，该系统还包括多轴定位系统结合直线和旋转运动，这样体现在三维曲面上的任何一点，可以提出这样的激光束入射垂直于10个点的接触点的表面。

优选的，该系统还包括运行在基板上的激光束入射，在周围的点或在基板内的激光束入射垂直于碲表面。

优选的，该系统还包括将利用三个直线轴指定的X，Y和Z和两个旋转轴，指定A和C轴都可以在不同的组合处，以位置变换或分裂达到预期效果。

优选的，该系统还包括：

(a)基板是在一个平台上，安装在4轴(X，Y，A和C)，激光技术，安装在单轴(Z)，分开运动但配合X，Y轴，a轴和c轴；

(b)的基板上的一个平台，是安装在2轴(X和Y)而举行的激光技术，安装在3轴(A，C，Z)，分别移动但配合A和C轴；

(C)的基板上的一个平台，是安装在2轴举行(A和C)，激光技术，安装在3轴(X，Y，Z)，分头行动但配合A和C轴；

(d)该基板是在一个安装在所有5个轴的堆栈上的平台上(x，y，z，a和c)。

本发明实施例还提供了应用上述的方法的第二种激光加工系统，包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如权利要求1-2所述的方法；

并且，机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

优选的，该系统还包括：作为基板，无论是作为一个数组的单个部分或多个部分构图都要到一个单一的大基板上，

在这种情况下，运动平台的轴线分割使得衬底线性移动，在前部的激光头安装在剩余的4轴上。

整体上来看，本申请中各部分的运动系统必须遵循以下基本原则：

(一)部分必须移动到理想的切割线的部分(每一个位置的切割路径)体现在相交的区域正入射激光的焦点上。

在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次。

在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。

(b)部分必须定位和移动这样的激光入射角保持在90°±10°在切割位置。这可以通过将一个足够数量的轴-通常是5-在运动堆栈，或通过设计的一部分，这样的效果可以实现与较少的轴

进一步，可以分为两种运动系统，

第一种，是单处理系统部分。

该系统将包括一个或多个激光加工站，该站可以并行执行相同的过程或离散处理，步骤依次如下，在某些情况下，机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

多轴定位系统通常结合直线和旋转运动，这样体现在三维曲面上的任何一点，可以提出这样的激光束入射垂直于10个点的接触点的表面。运行在基板上的激光束入射，在周围的点或在基板内的激光束入射垂直于碲表面。例如描述的是一个五坐标定位系统。例如系统将利用三个直线轴指定的X，Y和Z和两个旋转轴，指定A和C轴都可以在不同的组合处，以位置变换或分裂达到预期效果。典型配置如下：

(a)基板是在一个平台上，安装在4轴(X，Y，A和C)，激光技术，安装在单轴(Z)，分开运动但配合X，Y轴，a轴和c轴；

(b)的基板上的一个平台，是安装在2轴(X和Y)而举行的激光技术，安装在3轴(A，C，Z)，分别移动但配合A和C轴；

(C)的基板上的一个平台，是安装在2轴举行(A和C)，激光技术，安装在3轴(X，Y，Z)，分头行动但配合A和C轴；

(d)该基板是在一个安装在所有5个轴的堆栈上的平台上(x，y，z，a和c)。

第二种是批次处理系统。

该系统将包括一个或多个激光加工站，该站可以并行执行相同的过程或离散处理，步骤依次如下，在某些情况下，机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

作为基板，无论是作为一个数组的单个部分或多个部分构图都要到一个单一的大基板上。在这种情况下，运动平台的轴线分割使得衬底线性移动，举例用于输送机上，在前部的激光头安装在剩余的4轴上。

该零件保持垂直于激光束，并将其印在基板上，以便定义多个工件。

相同或不同的多个部分维度堆叠在一起，作为同一批流程处理在同一运动平台上。

本申请实施例中上述公开的方法和系统，通过改善工作流程的方式，提高了工作效率和降低损耗。解决了现有技术中的不足。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，其特征在于，包括：

激光系统中的部分结构必须移动到理想的切割线的部分体现在相交的区域正入射激光的焦点上，其中，理想的切割线的部分是每一个位置的切割路径；

在入射激光束的正中集中区域跨度的梁上突出整个厚度，然后运动叠加移动的部分通过周边切割线一次；

在入射激光束的焦点地区跨度只有积极部分厚度的一部分，那么运动叠加多次回顾周边线，分度预定高度之间的连续传球，这样的传球次数的增加跨越了被加工材料的厚度。

2.根据权利要求1所述的多轴运动激光系统中的三维脆硬材料定位方法，其特征在于，还包括激光系统中，部分结构必须定位和移动的激光入射角保持在90°±10°在切割位置。

3.应用如权利要求1所述的方法的第一种加工系统，其特征在于，包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如权利要求1-2所述的方法。

4.根据权利要求3所述加工系统，其特征在于，还包括机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征，和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

5.根据权利要求4所述加工系统，其特征在于，还包括多轴定位系统结合直线和旋转运动，这样体现在三维曲面上的任何一点，可以提出这样的激光束入射垂直于10个点的接触点的表面。

6.根据权利要求5所述加工系统，其特征在于，还包括运行在基板上的激光束入射，在周围的点或在基板内的激光束入射垂直于碲表面。

7.根据权利要求6所述加工系统，其特征在于，还包括将利用三个直线轴指定的X，Y和Z和两个旋转轴，指定A和C轴都可以在不同的组合处，以位置变换或分裂达到预期效果。

8.根据权利要求7所述加工系统，其特征在于，还包括：

(a)基板是在一个平台上，安装在4轴(X，Y，A和C)，激光技术，安装在单轴(Z)，分开运动但配合X，Y轴，a轴和c轴；

(b)的基板上的一个平台，是安装在2轴(X和Y)而举行的激光技术，安装在3轴(A，C，Z)，分别移动但配合A和C轴；

(C)的基板上的一个平台，是安装在2轴举行(A和C)，激光技术，安装在3轴(X，Y，Z)，分头行动但配合A和C轴；

(d)该基板是在一个安装在所有5个轴的堆栈上的平台上(x，y，z，a和c)。

9.应用如权利要求1所述的方法的第二种加工系统，其特征在于，包括一个或多个激光加工站，每个所述激光加工站均可以并行执行如权利要求1-2所述的方法；

并且，机械加工站可以将工件从(a)废材料和/或(b)后处理，以提高工件的边缘特征和/或(c)突出了在工件上的孔或槽等特征。

10.根据权利要求9所述加工系统，其特征在于，还包括：作为基板，无论是作为一个数组的单个部分或多个部分构图都要到一个单一的大基板上，

在这种情况下，运动平台的轴线分割使得衬底线性移动，在前部的激光头安装在剩余的4轴上。