CN107695544A - 激光打孔方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光打孔方法及装置，其中，所述激光打孔方法至少包括如下步骤：沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束；将所述激光光束分成若干分光光束，且各分光光束分别朝着所述待加工工件的周围水平延伸；将各分光光束沿垂直于所述待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在所述待加工工件上形成若干激光点；驱动各激光点围绕所述激光光束进行圆周旋转，以在所述待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现所述待加工工件的打孔。本发明仅需要一次高速圆周旋转即可实现在待加工工件上同时完成多个同心圆的扫描打孔，突破了现有技术中激光打孔的速度限制，大大提高了激光打孔的效率，同时能够实现完成快速激光打孔任务，极大地提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光打孔技术领域，特别是涉及一种激光打孔方法及装置。
背景技术
激光打孔技术一般分为高能量直接穿孔和扫描线切割打孔，其中，高能量直接穿孔一般适用于微小孔，而扫描线切割打孔可以加工比较大的孔。
中国专利CN205733461U公开了一种激光分光的方案，该方案主要应用于激光直接穿孔，并可实现多个微小孔的同时加工，但其实际光路分布的思路以及解决的问题不能实现不同孔径的加工要求以及边缘切割宽度的要求。
相对于较大孔的激光工艺，当前在很多情况下采用二维振镜作为基本扫描器件，通过两个摆动的镜片实现在两维平面上的运动，从而实现圆周运动。虽然它可以通过插补运算来实现圆周运动，但其运动效率不高；同时由于振镜是直线运动，对圆周是通过短线进行拟合来实现，因此其圆周的加工精度不能达到高精度的激光打孔要求。
中国专利CN101670492A公开了一种LED三光束激光划片的方案，其中采用能直接分成三束光的光学元件，将光束分成同一个平面上的三束光，并且通过控制三束光的平面与运动方向的夹角实现一定宽度的切割划片要求。虽然该方案也可以实现激光打孔，但该方案的分光技术方案不同而且有很大的局限性，其分光光路的数量与间距局限于光学元件结构的设计，而且其只能分出有限的光路数量，不能满足不同工件激光打孔工艺的要求。同时该方案中采用的二维工作平台如果用于高速打孔作业，其加工效率与加工质量都很不理想。
在实践中的很多情况下，为了精确控制打孔尺寸，孔边缘的精度以及容易排除残余材料，需要切割一个微小的宽度，也即需要多个平行的圆周运动；尤其在加工脆性材料的情况下，必须在孔的边缘切割一个宽度，并且需要根据工件厚度的不同对切割宽度进行调节。同时在很多情况下，还需要在同一个圆周上进行多次的重复扫描。
采用现有技术都存在上述诸多缺点，加工效率低下，精度不高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光打孔方法及装置，用于解决现有技术中激光打孔技术效率低下、圆周精度不高，以及切割宽度调整困难等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光打孔方法，其中，所述激光打孔方法至少包括如下步骤：
沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束；
将所述激光光束分成若干分光光束，且各分光光束分别朝着所述待加工工件的周围水平延伸；
将各分光光束沿垂直于所述待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在所述待加工工件上形成若干激光点；
驱动各激光点围绕所述激光光束进行圆周旋转，以在所述待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现所述待加工工件的打孔。
优选地，在形成各激光点时，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离，以满足所述待加工工件所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
优选地，各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。
优选地，在将所述激光光束分成若干分光光束时，通过将若干分光镜围绕所述激光光束设置在垂直于所述激光光束的若干平面上来实现，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在所述激光光束的周围。
优选地，所述分光镜的透过率根据所述分光光束的数量和各同心圆扫描线的能量要求进行调整。
优选地，所述分光光束的数量根据实际激光打孔工艺切割线的宽度要求和各同心圆扫描线的数量要求进行设置。
优选地，各同心圆扫描线之间的间距大于等于零。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光打孔装置，其中，所述激光打孔装置至少包括：
激光发射模块，用于沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束；
分光模块，连接于所述激光发射模块，用于接收所述激光光束，并将接收到的所述激光光束分成若干束分光光束，且各分光光束分别朝着所述待加工工件的四周水平延伸；
反射和聚焦模块，连接于所述分光模块，用于接收各分光光束，并将各分光光束沿垂直于所述待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在所述待加工工件上形成若干激光点；
驱动模块，分别连接于所述分光模块以及所述反射和聚焦模块，用于驱动各激光点围绕所述激光光束进行圆周旋转，以在所述待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现所述待加工工件的打孔。
优选地，所述激光发射模块至少包括：激光器，以及连接于所述激光器的扩束镜。
优选地，所述分光模块至少包括：围绕所述激光光束设置在垂直于所述激光光束的若干平面上的若干分光镜，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在所述激光光束的周围。
优选地，所述反射和聚焦模块至少包括：与各分光光束一一对应设置的若干反射镜，以及与各反射镜一一对应设置的若干聚焦镜。
优选地，所述反射和聚焦模块通过分别调整各反射镜和各聚焦镜的位置及角度，来调整各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离，以满足所述待加工工件所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
优选地，各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。
优选地，所述驱动模块至少包括：驱动电机。
优选地，各同心圆扫描线之间的间距大于等于零。
优选地，所述激光打孔装置还包括：活动平台，用于放置所述待加工工件，并调整所述待加工工件与各激光点之间的距离。
如上所述，本发明的激光打孔方法及装置，具有以下有益效果：本发明通过将激光光束分成若干分光光束并进行反射和聚焦后，在待加工工件上形成若干激光点，然后驱动各激光点围绕激光光束进行圆周旋转，仅需要一次高速圆周旋转即可实现在待加工工件上同时完成多个同心圆的扫描打孔，突破了现有技术中激光打孔的速度限制，大大提高了激光打孔的效率。同时，本发明在仅有一束激光光束的情况下，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到待加工工件的中心的直线距离，从而实现对激光打孔的不同圆直径、各同心圆扫描线之间的间距以及孔边缘切割宽度等的调整，能够实现完成快速激光打孔任务，极大地提高了生产效率。
附图说明
图1显示为本发明第一实施方式的激光打孔方法的流程示意图。
图2显示为本发明第二实施方式的激光打孔装置的结构示意框图。
图3显示为本发明第三实施方式的激光打孔装置的结构示意图。
元件标号说明
10 激光发射模块
11 激光器
12 扩束镜
13 激光光束
20 分光模块
21 第一分光镜
22 第二分光镜
23 第三分光镜
24 第四分光镜
30 反射和聚焦模块
31 第一反射镜
32 第二反射镜
33 第三反射镜
34 第四反射镜
35 第一聚焦镜
36 第二聚焦镜
37 第三聚焦镜
38 第四聚焦镜
40 驱动模块
50 待加工工件
51 第一扫描线
52 第二扫描线
53 第三扫描线
54 第四扫描线
60 活动平台
S1～S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1，本发明的第一实施方式涉及一种激光打孔方法。需要说明的是，本实施方式中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施方式的激光打孔方法至少包括如下步骤：
步骤S1，沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束。
步骤S2，将激光光束分成若干分光光束，且各分光光束分别朝着待加工工件的周围水平延伸。
步骤S3，将各分光光束沿垂直于待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在待加工工件上形成若干激光点。
步骤S4，驱动各激光点围绕激光光束进行圆周旋转，以在待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现待加工工件的打孔。
其中，在步骤S3中，在形成各激光点时，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到待加工工件的中心的直线距离，以满足待加工工件所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
在本实施方式中，待加工工件所需打孔的若干同心圆扫描线，两两之间的间距可以大于零，也可以等于零。并且，相邻两条同心圆扫描线之间的间距可以相等或者不等。
另外，在本实施方式中，各激光点到待加工工件的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。因此，由相邻两个激光点圆周旋转得到的相邻两条同心圆扫描线，其圆直径可以完全相同、部分相同或者完全不同。
另外，在本实施方式中，在将激光光束分成若干分光光束时，通过将若干分光镜围绕激光光束设置在垂直于激光光束的若干平面上来实现，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在激光光束的周围。其中，分光镜的透过率根据分光光束的数量和各同心圆扫描线的能量要求进行调整。当然，在其他的实施方式中，也可以采用其他方式对激光光束进行分光，并不以本实施方式为限制。
另外，在本实施方式中，在将各分光光束沿垂直于待加工工件的方向进行反射和聚焦时，通过在分出的每束分光光束的光路上设置相应的反射镜，同时在被反射镜反射后的分光光束的光路上设置相应的聚焦镜，通过调整反射镜和聚焦镜的位置和角度，以满足不同的圆直径和实现若干同心圆扫描线相互间的距离分布。当然，在其他的实施方式中，也可以采用其他方式对各分光光束进行反射和聚焦，并不以本实施方式为限制。
另外，在本实施方式中，分光光束的数量根据实际激光打孔工艺切割线的宽度要求和各同心圆扫描线的数量要求进行设置。值得一提的是，分光光束的最小数量可以是1束，在不需要采用多重扫描线的情况下，可以关闭其它分光光束的光路，只采用1束分光光束工作即可；分光光束的最大数量根据激光打孔工艺要求的同心圆扫描线数量要求设置；根据所要切割材料的特性如硬度、厚度等特征，有时需要一个更宽的切割宽度，在此情况下，可以通过在圆周上分布更多的激光点(也即分光光束)来实现更宽的切割要求。
另外，在本实施方式中，激光光束的能量被各分光光束平分，即激光光束的能量等于每束分光光束的能量与分光光束的数量之乘积。以分光光束的数量为四束为例，每束分光光束都能够转换25％的激光光束能量。当然，在其他的实施方式中，激光光束的能量可根据工艺需要分配于各分光光路中，也就是说，激光光束的能量可以不平分于各分光光路中，即各分光光束所能够转换的激光光束能量可以各不相同，也可以部分相同，比如中间线条采用的能量高于边缘线条或反之，并不局限于本实施方式中激光光束的能量被各分光光束平分的分配方式。
本实施方式的激光打孔方法，通过将激光光束分成若干分光光束并进行反射和聚焦后，在待加工工件上形成若干激光点，然后驱动各激光点围绕激光光束进行圆周旋转，仅需要一次高速圆周旋转即可实现在待加工工件上同时完成多个同心圆的扫描打孔，突破了现有技术中激光打孔的速度限制，大大提高了激光打孔的效率。
进一步地，本实施方式的激光打孔方法，在仅有一束激光光束的情况下，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到待加工工件的中心的直线距离，从而实现对激光打孔的不同圆直径、各同心圆扫描线相互之间的间距以及孔边缘切割宽度等的调整，能够实现完成快速激光打孔任务，极大地提高了生产效率。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
请参阅图2和图3，本发明第二实施方式涉及一种激光打孔装置，其至少包括：
激光发射模块10，用于沿垂直于待加工工件50的方向发出激光光束13；
分光模块20，连接于激光发射模块10，用于接收激光光束13，并将接收到的激光光束13分成若干束分光光束，且各分光光束分别朝着待加工工件50的四周水平延伸；
反射和聚焦模块30，连接于分光模块20，用于接收各分光光束，并将各分光光束沿垂直于待加工工件50的方向进行反射和聚焦，以在待加工工件50上形成若干激光点；
驱动模块40，分别连接于分光模块20以及反射和聚焦模块30，用于驱动各激光点围绕激光光束13进行圆周旋转，以在待加工工件50上形成若干同心圆扫描线，从而实现待加工工件50的打孔。
在本实施方式中，如图3所示，激光发射模块10至少包括：激光器11，以及连接于激光器11的扩束镜12。其中，激光器11用于发射出初始激光，扩束镜12用于对初始激光进行扩束，以形成激光光束13。
在本实施方式中，分光模块20至少包括：围绕激光光束13设置在垂直于激光光束13的若干平面上的若干分光镜，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在激光光束13的周围。以图3为例，分光模块20包括：第一分光镜21、第二分光镜22、第三分光镜23和第四分光镜24，且它们围绕激光光束13设置在垂直于激光光束13的四个平面上以均匀的角度分布。
在本实施方式中，反射和聚焦模块30至少包括：与各分光光束一一对应设置的若干反射镜，以及与各反射镜一一对应设置的若干聚焦镜。需要说明的是，各反射镜一一对应设置在各分光光束的光路上，用于将各分光光束沿垂直于待加工工件50的方向进行反射，而聚焦镜一一对应设置在被各反射镜反射后的各分光光束的光路上，用于将被反射后的各分光光束进行聚焦。以图3为例，反射和聚焦模块30包括：与第一分光镜21所分出的分光光束对应设置的第一反射镜31、与第二分光镜22所分出的分光光束对应设置的第二反射镜32、与第三分光镜23所分出的分光光束对应设置的第三反射镜33以及与第四分光镜24所分出的分光光束对应设置的第四反射镜34，还包括：对应设置在被第一反射镜31反射后的分光光束的光路上的第一聚焦镜35、对应设置在被第二反射镜32反射后的分光光束的光路上的第二聚焦镜36、对应设置在被第三反射镜33反射后的分光光束的光路上的第三聚焦镜37以及对应设置在被第四反射镜34反射后的分光光束的光路上的第四聚焦镜38；各分光光束经过各反射镜的反射和各聚焦镜的聚焦后在待加工工件50上形成了四个激光点。
并且，在本实施方式中，反射和聚焦模块30通过分别调整各反射镜和各聚焦镜的位置及角度，来调整各激光点到待加工工件50的中心的直线距离，以满足待加工工件50所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
另外，在本实施方式中，各激光点到待加工工件50的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。
在本实施方式中，驱动模块40至少包括：驱动电机。以图3为例，驱动电机(图中未绘出)通过控制四个分光镜、四个反射镜和四个聚焦镜的旋转，来驱动四个激光点围绕激光光束13进行圆周旋转，从而在待加工工件50上形成四个同心圆扫描线，即第一扫描线51、第二扫描线52、第三扫描线53和第四扫描线54。
另外，在本实施方式中，各同心圆扫描线相互之间的间距大于等于零。需要说明的是，各同心圆扫描线相互之间的间距可以为零，当需要在同一圆周上重复扫描的工艺要求下，可调整反射镜的位置和角度，将所有的同心圆扫描线重合在一起。
另外，本实施方式的激光打孔装置还包括：活动平台60，用于放置待加工工件50，并调整待加工工件50与各激光点之间的距离。以图3为例，活动平台60设置于最下方，通过升降活动平台60来实现待加工工件50的升降。在针对较厚的材料进行激光打孔时，通过活动平台60使待加工工件50上下运动，变化待加工工件50与各激光点之间的距离，可以实现多层次的激光打孔，从而实现厚材料的激光打孔切割。在针对脆性透明材料进行激光打孔时，可以透过材料在材料的下表面开始激光打孔作业，并通过活动平台60的相对运动，实现通孔作业，有利于切割残渣的排除，提高打孔质量。
本实施方式的激光打孔装置，通过分光模块将激光光束分成若干分光光束并通过反射和聚焦模块将各分光光束进行反射和聚焦后，在待加工工件上形成若干激光点，然后通过驱动模块驱动各激光点围绕激光光束进行圆周旋转，仅需要一次高速圆周旋转即可实现在待加工工件上同时完成多个同心圆的扫描打孔，突破了现有技术中激光打孔的速度限制，大大提高了激光打孔的效率。
进一步地，本实施方式的激光打孔装置，在仅有一束激光光束的情况下，通过反射和聚焦模块调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，以调整各激光点到待加工工件的中心的直线距离，从而实现对激光打孔的不同圆直径、各同心圆扫描线相互之间的间距以及孔边缘切割宽度等的调整，能够实现完成快速激光打孔任务，极大地提高了生产效率。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
综上所述，本发明的激光打孔方法及装置，具有以下有益效果：本发明通过将激光光束分成若干分光光束并进行反射和聚焦后，在待加工工件上形成若干激光点，然后驱动各激光点围绕激光光束进行圆周旋转，仅需要一次高速圆周旋转即可实现在待加工工件上同时完成多个同心圆的扫描打孔，突破了现有技术中激光打孔的速度限制，大大提高了激光打孔的效率。同时，本发明在仅有一束激光光束的情况下，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到待加工工件的中心的直线距离，从而实现对激光打孔的不同圆直径、各同心圆扫描线之间的间距以及孔边缘切割宽度等的调整，能够实现完成快速激光打孔任务，极大地提高了生产效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施方式进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种激光打孔方法，其特征在于，所述激光打孔方法至少包括如下步骤：
沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束；
将所述激光光束分成若干分光光束，且各分光光束分别朝着所述待加工工件的周围水平延伸；
将各分光光束沿垂直于所述待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在所述待加工工件上形成若干激光点；
驱动各激光点围绕所述激光光束进行圆周旋转，以在所述待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现所述待加工工件的打孔。
2.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，在形成各激光点时，通过调整各分光光束被反射和聚焦的位置及角度，来调整各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离，以满足所述待加工工件所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
3.根据权利要求2所述的激光打孔方法，其特征在于，各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。
4.根据权利要求1所述的激光打孔方法，其特征在于，在将所述激光光束分成若干分光光束时，通过将若干分光镜围绕所述激光光束设置在垂直于所述激光光束的若干平面上来实现，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在所述激光光束的周围。
5.根据权利要求4所述的激光打孔方法，其特征在于，所述分光镜的透过率根据所述分光光束的数量和各同心圆扫描线的能量要求进行调整。
6.根据权利要求1～5任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，所述分光光束的数量根据实际激光打孔工艺切割线的宽度要求和各同心圆扫描线的数量要求进行设置。
7.根据权利要求1～5任一项所述的激光打孔方法，其特征在于，各同心圆扫描线之间的间距大于等于零。
8.一种激光打孔装置，其特征在于，所述激光打孔装置至少包括：
激光发射模块，用于沿垂直于待加工工件的方向发出激光光束；
分光模块，连接于所述激光发射模块，用于接收所述激光光束，并将接收到的所述激光光束分成若干束分光光束，且各分光光束分别朝着所述待加工工件的四周水平延伸；
反射和聚焦模块，连接于所述分光模块，用于接收各分光光束，并将各分光光束沿垂直于所述待加工工件的方向进行反射和聚焦，以在所述待加工工件上形成若干激光点；
驱动模块，分别连接于所述分光模块以及所述反射和聚焦模块，用于驱动各激光点围绕所述激光光束进行圆周旋转，以在所述待加工工件上形成若干同心圆扫描线，从而实现所述待加工工件的打孔。
9.根据权利要求8所述的激光打孔装置，其特征在于，所述激光发射模块至少包括：激光器，以及连接于所述激光器的扩束镜。
10.根据权利要求8所述的激光打孔装置，其特征在于，所述分光模块至少包括：围绕所述激光光束设置在垂直于所述激光光束的若干平面上的若干分光镜，其中，各分光镜以均匀或者不均匀的角度分布在所述激光光束的周围。
11.根据权利要求8所述的激光打孔装置，其特征在于，所述反射和聚焦模块至少包括：与各分光光束一一对应设置的若干反射镜，以及与各反射镜一一对应设置的若干聚焦镜。
12.根据权利要求11所述的激光打孔装置，其特征在于，所述反射和聚焦模块通过分别调整各反射镜和各聚焦镜的位置及角度，来调整各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离，以满足所述待加工工件所需打孔的圆直径和若干同心圆扫描线的间距。
13.根据权利要求12所述的激光打孔方法，其特征在于，各激光点到所述待加工工件的中心的直线距离完全相同、部分相同或者完全不同。
14.根据权利要求8所述的激光打孔装置，其特征在于，所述驱动模块至少包括：驱动电机。
15.根据权利要求8～14任一项所述的激光打孔装置，其特征在于，各同心圆扫描线之间的间距大于等于零。
16.根据权利要求8～14任一项所述的激光打孔装置，其特征在于，所述激光打孔装置还包括：活动平台，用于放置所述待加工工件，并调整所述待加工工件与各激光点之间的距离。
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