CN107745188A - 一种皮秒激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，提供一种皮秒激光加工设备，用于对脆性材料进行加工，包括皮秒激光振镜系统、机器视觉系统、控制系统、工作台、运动系统和运动控制系统；所述皮秒激光振镜系统和所述机器视觉系统设置在所述工作台上方，所述皮秒激光振镜系统和所述运动系统与所述运动控制系统电性连接，所述运动系统与所述工作台机械连接，所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统均与所述控制系统电性连接。通过皮秒激光加工工艺，实现脆性材料的皮秒激光精密加工。本发明实施例可以实现对具有深层强化层的脆性材料上加工位置的精细加工，可以实现复杂弯曲轮廓的加工，有效提高加工质量和加工效率。

Description

一种皮秒激光加工设备

技术领域

本发明实施例属于激光加工技术领域，尤其涉及一种皮秒激光加工设备。

背景技术

随着激光加工技术的不断发展，各种激光加工设备层出不穷。可以实现激光切割、激光打标、激光焊接等多种激光加工功能。对蓝宝石玻璃盖板、光学玻璃、半导体封装芯片、蓝宝石硅晶圆陶瓷基板等脆性材料进行切割的激光加工设备，可以广泛的应用于各种电子产品的盖板和光学镜头的外形切割、液晶面板切割、指纹识别芯片切割、微电子电路板的刻蚀和切割等，应用前景十分广阔。

然而，随着适用于电子产品的脆性材料不断往更薄、更耐划、强化层更深的方向发展，现有的激光加工设备已经无法满足对这些脆性材料的加工要求，难以处理复杂的弯曲轮廓、切割效率低。

发明内容

本发明实施例提供一种皮秒激光加工设备，可以实现对各种具有深层强化层的脆性材料的精细加工，可以处理复杂的弯曲轮廓，有效提高加工质量，减少加工耗材，节约原料成本。

本发明实施例提供一种皮秒激光加工设备，用于对脆性材料进行激光精密加工，包括皮秒激光振镜系统、机器视觉系统、控制系统、工作台、运动系统和运动控制系统；

所述皮秒激光振镜系统和所述机器视觉系统设置在所述工作台上方，所述皮秒激光振镜系统和所述运动系统与所述运动控制系统电性连接，所述运动系统与所述工作台机械连接，所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统均与所述控制系统电性连接；

所述工作台固定脆性材料；所述机器视觉系统实时采集所述脆性材料的图像数据；所述控制系统对所述图像数据进行处理分析和显示，得到加工位置信息；所述运动控制系统根据加工位置信息，控制所述运动系统在X方向、Y方向或Z方向上运动；所述运动系统运动时驱动所述工作台运动，以调整所述工作台的位置；所述运动控制系统还控制所述皮秒激光振镜系统将皮秒激光束聚焦到所述脆性材料上的加工位置，对所述脆性材料进行激光扫描加工。

在一个实施例中，所述皮秒激光振镜系统包括皮秒激光器、光路系统、振镜系统和自聚焦系统，所述光路系统包括至少一个反射镜，所述振镜系统包括X方向扫描镜和Y方向扫描镜，所述自聚焦系统包括至少一个聚焦透镜；

所述光路系统设置在所述皮秒激光器的出光侧，所述振镜系统设置在所述光路系统的出光侧，所述自聚焦系统设置在所述振镜系统的出光侧，所述皮秒激光器与所述控制系统电性连接，所述X方向扫描镜和所述Y方向扫描镜均与所述运动控制系统电性连接，所述机器视觉系统设置在所述振镜系统一侧并跟随所述振镜系统运动；

所述控制系统控制所述皮秒激光器启动并发射所述皮秒激光束；所述光路系统将所述皮秒激光束反射至所述振镜系统；所述运动控制系统控制所述X方向扫描镜在X方向上运动、控制所述Y方向扫描镜在Y方向上运动；所述X方向扫描镜和所述Y方向扫描镜将所述皮秒激光束反射到所述自聚焦系统；所述自聚焦系统将所述皮秒激光束聚焦到所述脆性材料，以在X-Y平面内对所述脆性材料进行激光扫描加工。

在一个实施例中，所述光路系统包括沿所述皮秒激光束的传播方向依次设置的扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、X方向平移机构和Z方向升降机构；

所述扩束镜设置在所述皮秒激光器的出光侧，所述皮秒激光器、所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜的相对位置固定且均密封安装，所述第三反射镜设置在所述X方向平移机构上，所述第四反射镜设置在所述Z方向升降机构上，所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述X方向平移机构和所述Z方向升降机构设置于同一密封空间中，所述X方向平移机构和所述Z方向升降机构均与所述运动控制系统电性连接；

所述扩束镜对所述皮秒激光束进行扩束，扩束后的所述皮秒激光束经所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜依次反射至所述振镜系统；所述运动控制系统控制所述X方向平移机构运动，驱动所述第三反射镜在X方向上平移；所述运动控制系统还控制所述Z方向升降机构运动，驱动所述第四反射镜在Z方向上升降。

在一个实施例中，所述光路系统还包括光闸、第一保护镜和第二保护镜，所述光闸设置在所述皮秒激光器的出光侧和所述扩束镜之间，所述第一保护镜设置在所述第二反射镜的出光侧，所述第二保护镜设置在所述第三反射镜的入光侧，所述光闸与所述运动控制系统电性连接；

所述运动控制系统控制所述光闸改变所述皮秒激光束的发射光路，使所述皮秒激光束发射至所述扩束镜或偏离所述扩束镜；所述第一保护镜阻挡灰尘落入所述第二反射镜，所述第二保护镜阻挡灰尘落入所述第三反射镜。

在一个实施例中，所述皮秒激光加工设备还包括与所述控制系统电性连接的上料系统、物料移载系统、裂片系统和下料系统，所述上料系统、所述物料移载系统、所述裂片系统和所述下料系统均包括工业机械人模组；

所述上料系统将所述脆性材料运送至所述工作台一侧等待激光扫描加工；所述物料移载系统将所述工作台一侧的脆性材料移送至所述工作台进行激光扫描加工，在完成加工时，将所述脆性材料移送至所述裂片系统；所述裂片系统对完成加工的所述脆性材料进行主料和残料分离；所述下料系统将分离后的所述主料和所述残料移出所述工作台。

在一个实施例中，所述上料系统包括上料盒和第一工业机械人模组，所述上料盒设置在所述第一工业机械人模组一侧，所述第一工业机械人模组与所述控制系统电性连接，所述上料盒包括标准尺寸的材料放置位，用于放置第一预设数量的标准尺寸的脆性材料；所述上料盒上料完成时，所述第一工业机械人模组将所述上料盒移动至待加工工位；

所述物料移载系统包括与所述控制系统电性连接的上料机构、第二工业机械人模组和半成品下料机构，所述上料机构和所述半成品下料机构均与所述第二工业机械人模组机械连接；所述第二工业机械人模组驱动所述上料机构移动至所述待加工工位，所述上料机构获取所述上料盒中第二预设数量的脆性材料，所述第二工业机械人模组驱动所述上料机构移动至所述工作台的加工工位，所述上料机构将所述第二预设数量的脆性材料移动至所述加工工位；所述脆性材料加工完成时，所述第二工业机械人模组驱动所述半成品下料机构移动至所述加工工位，所述半成品下料机构将加工完成的所述脆性材料移动至半成品工位；

所述裂片系统包括与所述控制系统电性连接的第三工业机械人模组，所述第三工业机械人模组将加工完成的所述脆性材料从所述半成品工位移动至裂片工位，所述皮秒激光振镜系统发射激光束对加工完成的所述脆性材料进行加热裂片；

所述下料系统包括与所述控制系统电性连接的第四工业机械人模组、第五工业机械人模组、第六工业机械人模组以及与所述第四工业机械人模组机械连接的成品下料机构、清渣机构和成品回收料盘，所述第五工业机械人模组和所述第六工业机械人模组均与所述成品回收料盘连接；所述第四工业机械人模组驱动所述成品下料机构移动至所述裂片工位，所述下料机构将裂片后的主料移动至所述成品回收料盘，所述第四工业机械人模组驱动所述清渣机构移动至所述裂片工位，所述清渣机构清理所述裂片工位上的残料，所述成品回收料盘装满时，所述第五工业机械人模组将装满的所述成品回收料盘移动至出料工位，所述第六工业机械人模组将装满的所述成品回收盘移出所述皮秒激光加工设备。

在一个实施例中，所述工业机械人模组包括直接驱动旋转电机，所述上料机构、所述半成品下料机构、所述成品下料机构和所述清渣机构均包括真空吸附气缸。

在一个实施例中，所述控制系统包括与所述上料系统、所述物料移载系统、所述裂片系统和所述下料系统电性连接的PLC控制系统，所述PLC控制系统包括人机交互设备以及与所述人机交互设备电性连接的PLC控制模块和PLC扩展模块，所述PLC控制模块与所述工业机械人模组电性连接。

在一个实施例中，所述控制系统包括与所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统和所述运动控制系统电性连接的PC控制系统，所述PC控制系统包括PC控制模块以及与所述PC控制模块连接的PCI扩展插槽、RJ45接口、RS232接口和USB接口，所述PC控制模块通过所述PCI扩展插槽连接激光打标控制卡并通过所述USB接口连接所述皮秒激光振镜系统，所述运动控制系统包括三轴运动控制器。

在一个实施例中，所述皮秒激光加工设备还包括存储在存储设备中的皮秒激光加工工艺数据库，所述控制系统调用所述皮秒激光加工工艺数据库中的数据对所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统的工作状态进行控制，实现对所述脆性材料的激光精密加工。

本发明实施例通过工作台固定脆性材料，通过机器视觉系统实时采集脆性材料的图像数据，通过控制系统对图像数据进行处理分析和显示，得到加工位置信息，通过运动控制系统根据加工位置信息控制运动系统调整工作台的位置，并控制皮秒激光振镜系统将皮秒激光束聚焦到所述脆性材料上的加工位置，对所述脆性材料进行激光扫描加工，可以实现对具有深层强化层的脆性材料上加工位置的精确定位和精细加工，可以实现复杂弯曲轮廓的加工，有效提高加工质量和加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例一提供的皮秒激光加工设备的通信结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的皮秒激光加工设备的机械结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的皮秒激光加工设备的机械结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的皮秒激光加工设备的机械结构示意图；

图5是本发明实施例三提供的皮秒激光加工设备的机械结构示意图；

图6是本发明实施例四提供的皮秒激光加工设备的通信结构示意图；

图7是本发明实施例五提供的皮秒激光加工设备的通信结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种皮秒激光加工设备100，其包括皮秒激光振镜系统10、机器视觉系统20、控制系统30、工作台40、运动系统50和运动控制系统60。

在一个实施例中，皮秒激光加工设备还包括存储在存储设备中的皮秒激光加工工艺数据库，控制系统调用皮秒激光加工工艺数据库中的数据对皮秒激光振镜系统、机器视觉系统、工作台和运动控制系统的工作状态进行控制，实现对脆性材料的激光精密加工。

如图1所示，示例性的示出存储在存储设备中的皮秒激光加工工艺数据库110，控制系统30可以调用皮秒激光加工工艺数据库110中的数据，也可以皮秒激光加工工艺数据库110中的数据进行编辑。

在具体应用中，存储设备可以是独立于控制系统的外置存储设备，也可以是控制系统自带的内部存储空间，存储设备具体是指能够存储数据任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)等。

在具体应用中，对皮秒激光加工工艺数据库中的数据进行编辑具体是指，对数据进行修改、增加、删除、格式化等操作。

在具体应用中，皮秒激光加工设备具体用于对蓝宝石玻璃盖板、光学玻璃、半导体封装芯片、蓝宝石硅晶圆陶瓷基板进行打标或切割加工。由于皮秒激光加工设备采用皮秒级的超短激光脉冲对脆性材料进行加工，加工过程中几乎无热传导、加工速度快，因此，对加工面造成的炭化影响较小，可以处理复杂的弯曲轮廓，得到光滑平整的加工面，加工精度高，可以广泛应用于对加工精度要求较高的各种脆性材料。

在本实施例中，皮秒激光振镜系统和机器视觉系统设置在工作台上方，工作台的上表面用于固定脆性材料，当工作台上用于固定脆性材料的位置为其侧面或底面时，对应的，皮秒激光振镜系统和机器视觉系统也可以设置在工作台的侧面方向或底面方向。

在具体应用中，皮秒激光振镜系统和机器视觉系统具体可以通过机械支架支撑固定在工作台上方，机器视觉系统与皮秒激光振镜系统的位置可以相对固定，在激光加工过程中，机器视觉系统可跟随皮秒激光振镜系统移动，以实时获取脆性材料上加工位置的图像数据。

如图1所示，图1中并未示出各系统的相对位置关系和机械连接关系，仅示出了各系统之间的电性连接关系，其中，皮秒激光振镜系统10和运动系统50与运动控制系统60电性连接，运动系统50与工作台40机械连接，皮秒激光振镜系统10、机器视觉系统20、工作台40和运动控制系统60与控制系统30电性连接。

在具体应用中，电性连接泛指各种通过传输电信号来实现信号交互的连接关系，电信号可以是电磁波信号、电流信号、电压信号或者基于电压信号实现的脉冲信号，其可以是有线信号也可以是无线信号，具体的，可以根据实际需要通过无线通信模块、数据线、电缆线或对应的通信接口来实现电性连接，例如可通过RS232、RS485等类型的串行数据线和串行通信接口来实现串行信号的传输。机械连接泛指各种通过机械连接手段实现的直接或间接接触式连接，例如通过紧固件、连接件或胶水等实现的连接，或者是直接的卡合连接、一体化成型等。

本实施例中，工作台用于固定脆性材料。

在具体应用中，工作台具体可以为真空吸附平台，即可以通过抽真空吸附的原理来将脆性材料固定在工作台上，通常是固定在工作台的上表面，不排除在某些特殊情况下，工作台上用于固定脆性材料的固定面是工作台的侧面或底面；当然，工作台也可以是机械固定平台，可通过直接的机械接触固定方式来实现对脆性材料的固定。

本实施例中，机器视觉系统用于实时采集脆性材料的图像数据。

在具体应用中，机器视觉系统开启之后即采集其视觉范围内的图像数据，通常脆性材料应当是在机器视觉系统的视觉范围内的，如果不在，则控制系统可以根据图像数据判断机器视觉系统的位置，并对机器视觉系统的位置和拍摄参数进行调整，以使其可以得到完整且清晰的脆性材料的图像数据。

在具体应用中，机器视觉系统具体可以包括CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)摄像机，还可以包括二轴或三轴云台，可以控制摄像机在二维或三维空间内运动。

在本实施例中，控制系统用于对图像数据进行处理分析和显示，得到加工位置信息。

在具体应用中，控制系统可以包括与皮秒激光振镜系统、机器视觉系统和运动控制系统电性连接的PC(personal computer，个人计算机)控制系统，PC控制系统包括PC控制模块以及与PC控制模块连接的PCI扩展插槽、RJ45接口、RS232接口和USB接口，PC控制模块通过PCI扩展插槽连接激光打标控制卡并通过USB接口连接皮秒激光振镜系统，PC控制模块具体可以通过中央处理器来实现，PC控制模块中可安装各种智能化操作系统，例如windows7、windows8等windows系列操作系统，Linux系列操作系统，Unix系列操作系统等。

在本实施例中，运动控制系统用于加工位置信息，控制运动系统在X方向、Y方向或Z方向上运动；运动系统用于在运动时驱动工作台运动，以调整工作台的位置；运动控制系统还用于控制皮秒激光振镜系统将皮秒激光束聚焦到脆性材料上的加工位置，对脆性材料进行激光扫描加工。

在具体应用中，X方向和Y方向具体是指平行于工作台的上表面所在平面且相互垂直的两个方向，Z方向即是指垂直于工作台的上表面所在平面的方向，运动控制系统可以控制运动系统在X-Y-Z方向的三维空间内运动，从而驱动工作台在三维空间内上、下、左、右、前、后运动。

在具体应用中，运动控制系统具体可以包括三轴运动控制器，该运动控制器具体可以采用由美国AEROTECH公司生产的适用于对激光加工处理过程进行精确的运动控制的运动控制器；运动系统具体可以包括交流或直流的全闭环伺服电机。具体的，运动系统可以包括全闭环交流直线电机系统，当然其也可以包括开环交流或直流直线电机。运动系统具体可以根据实际需要设置在工作台的下方或侧面。

在具体应用中，在一次皮秒激光加工过程中，皮秒激光振镜系统可以实现对脆性材料的二维激光扫描加工，如果调整脆性材料的放置位置，将脆性材料的其他表面正对皮秒激光振镜系统的出光侧，则可以实现对脆性材料的三维激光扫描加工。如图2所示，在本发明的一个实施例中，皮秒激光加工设备100包括封闭式的主壳体101，主壳体101上设置有至少一个门体结构(图2中仅示出位于主壳体正面的前门102)，皮秒激光振镜系统10、机器视觉系统20、工作台40、运动系统50和运动控制系统60均设置在主壳体101中，控制系统30包括PC控制主机31和人机交互设备32，PC控制主机31上设置有若干按键(或开关)311，主壳体101的一侧还设置有冷却系统70。

在具体应用中，皮秒激光加工设备还可以包括设置在主壳体侧面的左侧或右侧的侧门、背面的后门，甚至是顶部的上盖，本实施例中不对其门体的具体数量和设置位置作特别限定。

在具体应用中，由于皮秒激光加工设备整体上是一个包括封闭式的主壳体的箱体式结构，使得整个设备结构紧凑，体积较小，易于搬迁，并且可以有效减少激光加工过程中产生的噪音，同时可以防止加工过程中产生的碎屑飞溅。

在具体应用中，按键具体用于对PC控制主机进行控制，从而通过PC控制主机实现对其他各系统的控制。按键可以包括紧急停机按键，用于在激光扫描加工过程发生异常状况时，控制皮秒激光振镜系统停止发射激光束；在运动系统的运动状态发生异常状况时，控制运动系统紧急制动；在控制系统故障时，控制整个设备进行停机。人机交互设备具体可以包括显示器、键盘、触控显示屏、鼠标等用于实现人机交互功能的设备，用于方便工作人员通过对皮秒激光加工设备进行控制。

在具体应用中，人机交互设备可以通过任意的机械连接方式设置在主壳体的一侧，如图2所示，本实施例中示例性的示出人机交互设备32通过一个由主壳体101的顶部延伸到其右侧的弯曲连杆结构与主壳体101连接。

在具体应用中，冷却系统具体可以是水冷系统或者是风冷系统，本实施例中，为了避免风冷系统在出风过程中将加工碎屑吹入设备缝隙或者是脆性材料的加工面，干扰加工过程正常进行，优先选用水冷系统来冷却皮秒激光振镜系统所产生的热量。

如图2所示，在本实施例中，主壳体101上方还设置有报警指示灯80，该报警指示灯80与PC控制主机31电性连接，用于在皮秒激光加工设备中任一系统的工作状态异常时，发出警报。

在具体应用中，报警指示灯具体可以为声光报警器，或者蜂鸣器与LED指示灯的组合，还可以包括语音芯片，可以针对各种类型的故障发出不同的语音报警提示信息。

本实施例通过工作台固定脆性材料，通过机器视觉系统实时采集脆性材料的图像数据，通过控制系统对图像数据进行处理分析和显示，得到加工位置信息，通过运动控制系统根据加工位置信息控制运动系统调整工作台的位置，并控制皮秒激光振镜系统将皮秒激光束聚焦到所述脆性材料上的加工位置，对所述脆性材料进行激光扫描加工，可以实现对具有深层强化层的脆性材料上加工位置的精确定位和精细加工，可以实现对复杂弯曲轮廓的加工，有效提高加工质量和加工效率。

实施例二：

如图3所示，在本发明的一个实施例中，皮秒激光振镜系统10包括皮秒激光器11、光路系统12、振镜系统13和自聚焦系统14，光路系统12包括至少一个反射镜(图中未示出)，振镜系统13包括X方向扫描镜和Y方向扫描镜(图中未示出)，自聚焦系统14包括至少一个聚焦透镜(图中未示出)。

图3仅示例性的示出了皮秒激光振镜系统10中各系统之间的相对位置关系；其中，光路系统12设置在皮秒激光器11的出光侧，振镜系统13设置在光路系统12的出光侧，自聚焦系统14设置在振镜系统的出光侧，皮秒激光器11与控制系统30电性连接，X方向扫描镜和Y方向扫描镜均与运动控制系统60电性连接，机器视觉系统20设置在振镜系统13一侧并跟随振镜系统运动13。

在本实施例中，控制系统用于控制皮秒激光器启动并发射皮秒激光束。

在具体应用中，皮秒激光器可以为紫外激光器、二氧化碳激光器等各种类型的可以实现皮秒激光加工的激光器。

在一个实施例中，皮秒激光器为具有半导体饱和吸收片的二氧化碳激光器，其工作波长为1064纳米、功率为50W、脉冲宽度为10皮秒、重复频率为200KHZ-8.2MHZ、光束质量因子小于1.2、脉冲能量为200微焦耳、峰值功率为20MW。

在具体应用中，皮秒激光器在进行激光加工时，工作在脉冲(Burst)模式，可以输出具有固定的皮秒级脉冲宽度的激光脉冲，其脉冲频率和波形均可以根据实际需要调节。对高速运动下的皮秒激光脉冲进行精确控制，可以保证在高速运动下的皮秒激光的开关时间的准确性、激光能量输出的稳定性，最终保证激光加工的精度及深度。利用皮秒激光脉冲对蓝宝石等脆性材料进行切割，能够实现小于5μm的切割线宽，切割侧壁光滑且无切割碳化现象，具有较低的热应力及热影响。利用蓝宝石玻璃开发的皮秒激光加工设备具有切割、钻孔等功能，可实现多种厚度的蓝宝石玻璃等材料切割，还可实现与运动控制卡、激光或可调整脉冲发生器的通信，还具备对切割档的管理、优化、参数记录等功能。

采用皮秒激光加工工艺数据库中的皮秒激光加工工艺能够实现以下功能：

1)通过皮秒激光加工设备实现对脆性材料的一系列基本结构的加工，分析激光能量、脉冲个数、平台移动速度以及低能量多次加工对基本结构加工的影响；

2)消除皮秒激光能流密度、脉冲个数、平台运行速度和重复加工次数对脆性材料表面基本结构加工的影响。在本实施例中，光路系统用于将皮秒激光束反射至振镜系统。

在具体应用中，光路系统可以是一个密闭的光信号传输腔体，其包括至少一个反射镜，用于改变光信号的传输方向，具体的，光路系统中反射镜的数量可以根据皮秒激光器与振镜系统之间的相对位置关系来决定，光路系统只要能够实现将激光束成功反射至振镜系统且尽量保证光损耗最小即可。

在本实施例中，运动控制系统还用于控制X方向扫描镜在X方向上运动、控制Y方向扫描镜在Y方向上运动；X方向扫描镜和Y方向扫描镜将皮秒激光束反射到自聚焦系统。

在具体应用中，通过控制X方向扫描镜和Y方向扫描镜的运动方向，可以实现皮秒激光束在X-Y平面内的二维平移，从而实现对脆性材料的二维平面扫描。

在一个实施例中，振镜系统的扫描范围为210mm×210mm，即X方向扫描镜和Y方向扫描镜在各自扫描方向上的平移范围均为0mm～210mm。

在本实施例中，自聚焦系统用于将皮秒激光束聚焦到脆性材料，以在X-Y平面内对脆性材料进行激光扫描加工。

在具体应用中，自聚焦系统至少包括一个聚焦透镜，该聚焦透镜具体可以是远心透镜，用于将激光束聚焦在脆性材料上，以增强激光束的能量强度，从而实现对脆性材料的激光扫描加工。

在一个实施例中，自聚焦系统可以将激光束聚焦成直径为2um的光斑，实现的激光加工厚度范围为0.1mm～3mm，激光加工线宽小于5um。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，皮秒激光加工设备100包括平台支架201，工作台40设置在平台支架201的上表面中央，皮秒激光振镜系统10固定在平台支架201的上方；自聚焦系统14正对工作台40设置，自聚焦系统14的一侧设置有排风罩141，用于实现散热；机器视觉系统20设置在自聚焦系统14的另一侧且与自聚焦系统14的相对位置固定，以跟随自聚焦系统14运动；运动系统50固定在平台支架201上方且设置在工作台40的左右两侧；皮秒激光振镜系统10的一侧还设置有光路指示系统15，光路指示系统15用于发射人眼可见的有色激光，有色激光的传输路径与皮秒激光器发射的皮秒激光束的传输路径相同，有色激光用于对皮秒激光束的传输路径进行导航，使用户和机器视觉系统均可以获得皮秒激光束聚焦在脆性材料上的具体位置；工作台40上方还设置有挡板202，用于阻挡灰尘落在工作台上，保证脆性材料的清洁度。

在具体应用中，有色激光具体可以是红色激光、黄色激光或绿色激光等。

实施例三：

如图5所示，在本发明的一个实施例中，光路系统12包括沿皮秒激光束的传播方向依次设置的扩束镜121、第一反射镜122、第二反射镜123、第三反射镜124、第四反射镜125、X方向平移机构(图中未示出)和Z方向升降机构(图中未示出)。

如图5所示，在本实施例中，扩束镜121设置在皮秒激光器11的出光侧，皮秒激光器11、扩束镜121、第一反射镜122和第二反射镜123的相对位置固定且均密封安装，第三反射镜124设置在X方向平移机构上，第四反射镜125设置在Z方向升降机构上，第三反射镜124、第四反射镜125、X方向平移机构和Z方向升降机构设置于同一密封空间中，X方向平移机构和Z方向升降机构均与运动控制系统60电性连接。

在本实施例中，扩束镜用于对皮秒激光束进行扩束，扩束后的皮秒激光束经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜依次反射至振镜系统；运动控制系统控制X方向平移机构运动，驱动第三反射镜在X方向上平移；运动控制系统还控制Z方向升降机构运动，驱动第四反射镜在Z方向上升降。

在具体应用中，X方向平移机构具体可以为通过电机驱动的滑板，Z方向升降机构具体可以为通过电机驱动的升降平台。第三反射镜、第四反射镜、X方向平移机构和Z方向升降机构在同一密封空间，实现对皮秒激光束光路的调节，可以缩短或延长皮秒激光束在X方向的水平传播距离和在Z方向的竖直传播距离。

如图5所示，在本实施例中，光路系统12还包括光闸126、第一保护镜127和第二保护镜128，光闸126设置在皮秒激光器11的出光侧和扩束镜121之间，第一保护镜127设置在第二反射镜123的出光侧，第二保护镜128设置在第三反射镜124的入光侧，光闸126与运动控制系统60电性连接。

在本实施例中，运动控制系统控制光闸改变皮秒激光束的发射光路，使皮秒激光束发射至扩束镜或偏离扩束镜；第一保护镜用于阻挡灰尘落入第二反射镜，第二保护镜用于阻挡灰尘落入第三反射镜。

在具体应用中，光闸具体包括与运动控制系统连接的旋转电机和与旋转电机机械连接的反射镜，当需要将皮秒激光束聚焦到脆性材料时，旋转电机控制反射镜转动方向将皮秒激光束发射至扩束镜；否则，旋转电机控制反射镜转动方向，将皮秒激光束反射到扩束镜之外的位置，使激光束偏离扩束镜，从而不能最终被聚焦到脆性材料。

在具体应用中，第一保护镜和第二保护镜可通过任意透光材料制备并且不会对激光束的主传播方向和光强度产生明显影响(任何材料对光线都具有一定的反射率，在本实施例中第一保护镜和第二保护镜的反射率可忽略不计)，例如，可以通过透明玻璃、塑料等材料制备。

实施例四：

如图6所示，皮秒激光加工设备100还包括与控制系统电性连接的上料系统90、物料移载系统00、裂片系统01和下料系统02，上料系统90、物料移载系统00、裂片系统01和下料系统02均包括工业机械人模组。

在具体应用中，上料系统、物料移载系统、裂片系统和下料系统均可以通过机械夹爪或真空吸盘等能够对材料进行夹取或吸附的设备来实现，上料系统和下料系统还可以通过传送带或滚轮装置来实现。

在具体应用中，工业机械人模组的移动速度和定位精度可以根据实际的加工速度和加工精度进行设置，例如，移动速度可以小于或等于300mm/s，定位精度小于或等于±0.02mm，定位精度数值越小，精度越高。

在一个实施例中，工业机械人模组包括直接驱动旋转电机。

在本实施例中，上料系统用于将脆性材料运送至工作台一侧等待激光扫描加工。

在具体应用中，上料系统受控制系统的控制，当放置在工作台一侧的待加工的脆性材料低于一定量时，进行上料，将新的待加工的脆性材料运送到工作台一侧的待加工位放置。

在一个实施例中，上料系统包括上料盒和第一工业机械人模组，上料盒设置在第一工业机械人模组一侧，第一工业机械人模组与控制系统电性连接，上料盒包括标准尺寸的材料放置位，用于放置第一预设数量的标准尺寸的脆性材料；上料盒上料完成时，第一工业机械人模组将上料盒移动至待加工工位。

在具体应用中，上料盒的尺寸可以根据脆性材料的尺寸来设计，例如，可以将上料盒设计为底面积等于并排放置的两片脆性材料大小，厚度等于一百片脆性材料的厚度的敞口矩形盒体。第一工业机械人模组具体可以通过连接闭环伺服电机和控制系统来实现闭环控制，第一工业机械人模组一次可以运送任意数量的脆性材料至待加工工位，例如，一次运送并排放置的两片脆性材料。

在本实施例中，物料移载系统用于将工作台一侧的脆性材料移送至工作台进行激光扫描加工，在完成加工时，将脆性材料移送至裂片系统。

在具体应用中，在机器视觉系统检测到工作台上的脆性材料加工完成并被运出之后，物料移载系统随即受控制系统的控制将待加工工位的脆性材料运送至工作台。

在一个实施例中，物料移载系统包括与控制系统电性连接的上料机构、第二工业机械人模组和半成品下料机构，上料机构和半成品下料机构均与第二工业机械人模组机械连接；第二工业机械人模组驱动上料机构移动至待加工工位，上料机构获取上料盒中第二预设数量的脆性材料，第二工业机械人模组驱动上料机构移动至工作台的加工工位，上料机构将第二预设数量的脆性材料移动至加工工位；脆性材料加工完成时，第二工业机械人模组驱动半成品下料机构移动至加工工位，半成品下料机构将加工完成的脆性材料移动至半成品工位。

在具体应用中，上料机构和下料机构均可以为真空吸盘或机械夹爪。

在本实施例中，裂片系统用于对完成加工的脆性材料进行主料和残料分离；下料系统用于将分离后的主料和残料移出工作台。

在一个实施例中，裂片系统包括与控制系统电性连接的第三工业机械人模组，第三工业机械人模组将加工完成的脆性材料从半成品工位移动至裂片工位，皮秒激光振镜系统发射激光束对加工完成的脆性材料进行加热裂片。

在一个实施例中，下料系统包括与控制系统电性连接的第四工业机械人模组、第五工业机械人模组、第六工业机械人模组以及与第四工业机械人模组机械连接的成品下料机构、清渣机构和成品回收料盘，第五工业机械人模组和第六工业机械人模组均与成品回收料盘连接；第四工业机械人模组驱动成品下料机构移动至裂片工位，下料机构将裂片后的主料移动至成品回收料盘，第四工业机械人模组驱动清渣机构移动至裂片工位，清渣机构清理裂片工位上的残料，成品回收料盘装满时，第五工业机械人模组将装满的成品回收料盘移动至出料工位，第六工业机械人模组将装满的成品回收盘移出皮秒激光加工设备。

在一个实施例中，上料机构、半成品下料机构、成品下料机构和清渣机构均包括真空吸附气缸。

本实施例中通过设置上料系统、物料移载系统、裂片系统和下料系统可以实现对需要加工的脆性材料的自动上、下料以及已加工材料的自动分拣和残材分离，可以有效提高激光加工效率，自动化程度高。

实施例五：

如图7所示，在本发明的一个实施例中，控制系统30包括PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)控制系统31和PC(Personal Computer，个人计算机)控制系统32；其中，PLC控制系统31与上料系统90、物料移载系统00、裂片系统01和下料系统02电性连接，PC(Personal控制系统32与皮秒激光振镜系统10、机器视觉系统20、工作台40和运动控制系统60电性连接。

在具体应用中，PLC控制系统包括人机交互设备以及与人机交互设备电性连接的PLC控制模块和PLC扩展模块，PLC控制模块与工业机械人模组电性连接。

在具体应用中，人机交互设备可以是触屏显示屏，PLC控制模块具体是指实现PLC控制的主程序模块，PLC扩展模块具体是指与PLC控制模块连接的扩展接口模块，用于实现PLC控制模块与其他设备之间的通信连接。具体的，PLC扩展模块可以实现32路数据的输入和输出。

在具体应用中，PC控制系统包括PC控制模块以及与PC控制模块连接的PCI扩展插槽、RJ45接口、RS232接口和USB接口，PC控制模块通过PCI扩展插槽连接激光打标控制卡并通过USB接口连接皮秒激光振镜系统，运动控制系统包括三轴运动控制器。PC控制模块具体可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在具体应用中，PLC控制模块具体可以通过PLC控制芯片，或者通过通用集成电路来实现；PC控制系统可以是平板电脑或者个人计算机等能够实现人机交互的设备，用户可以通过PC控制系统来控制PLC控制系统或者更改PLC控制系统中的软件程序，进而实现对于PLC控制系统连接的系统的间接控制。

在具体应用中，PC控制系统包括RS232接口，PLC控制系统包括RS485接口，PC控制系统通过RS485转换器实现与PLC控制系统的电性连接。

本发明所有实施例中的带箭头实线均表示电性连接关系，带箭头虚线表示光路。

应当理解的是，本发明所提供的皮秒激光加工设备必然还包括连接市电供电电源或者直流供电电源的供电电路或器件，其可以通过任意的常规供电电路方式来实现，本发明不对供电方式作特别限定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种皮秒激光加工设备，其特征在于，用于对脆性材料进行激光精密加工，包括皮秒激光振镜系统、机器视觉系统、控制系统、工作台、运动系统和运动控制系统；

所述皮秒激光振镜系统和所述机器视觉系统设置在所述工作台上方，所述皮秒激光振镜系统和所述运动系统与所述运动控制系统电性连接，所述运动系统与所述工作台机械连接，所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统均与所述控制系统电性连接；

所述工作台固定脆性材料；所述机器视觉系统实时采集所述脆性材料的图像数据；所述控制系统对所述图像数据进行处理分析和显示，得到加工位置信息；所述运动控制系统根据加工位置信息，控制所述运动系统在X方向、Y方向或Z方向上运动；所述运动系统运动时驱动所述工作台运动，以调整所述工作台的位置；所述运动控制系统还控制所述皮秒激光振镜系统将皮秒激光束聚焦到所述脆性材料上的加工位置，对所述脆性材料进行激光扫描加工。

2.如权利要求1所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述皮秒激光振镜系统包括皮秒激光器、光路系统、振镜系统和自聚焦系统，所述光路系统包括至少一个反射镜，所述振镜系统包括X方向扫描镜和Y方向扫描镜，所述自聚焦系统包括至少一个聚焦透镜；

所述光路系统设置在所述皮秒激光器的出光侧，所述振镜系统设置在所述光路系统的出光侧，所述自聚焦系统设置在所述振镜系统的出光侧，所述皮秒激光器与所述控制系统电性连接，所述X方向扫描镜和所述Y方向扫描镜均与所述运动控制系统电性连接，所述机器视觉系统设置在所述振镜系统一侧并跟随所述振镜系统运动；

所述控制系统控制所述皮秒激光器启动并发射所述皮秒激光束；所述光路系统将所述皮秒激光束反射至所述振镜系统；所述运动控制系统控制所述X方向扫描镜在X方向上运动、控制所述Y方向扫描镜在Y方向上运动；所述X方向扫描镜和所述Y方向扫描镜将所述皮秒激光束反射到所述自聚焦系统；所述自聚焦系统将所述皮秒激光束聚焦到所述脆性材料，以在X-Y平面内对所述脆性材料进行激光扫描加工。

3.如权利要求2所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述光路系统包括沿所述皮秒激光束的传播方向依次设置的扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、X方向平移机构和Z方向升降机构；

所述扩束镜设置在所述皮秒激光器的出光侧，所述皮秒激光器、所述扩束镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜的相对位置固定且均密封安装，所述第三反射镜设置在所述X方向平移机构上，所述第四反射镜设置在所述Z方向升降机构上，所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述X方向平移机构和所述Z方向升降机构设置于同一密封空间中，所述X方向平移机构和所述Z方向升降机构均与所述运动控制系统电性连接；

所述扩束镜对所述皮秒激光束进行扩束，扩束后的所述皮秒激光束经所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜依次反射至所述振镜系统；所述运动控制系统控制所述X方向平移机构运动，驱动所述第三反射镜在X方向上平移；所述运动控制系统还控制所述Z方向升降机构运动，驱动所述第四反射镜在Z方向上升降。

4.如权利要求3所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述光路系统还包括光闸、第一保护镜和第二保护镜，所述光闸设置在所述皮秒激光器的出光侧和所述扩束镜之间，所述第一保护镜设置在所述第二反射镜的出光侧，所述第二保护镜设置在所述第三反射镜的入光侧，所述光闸与所述运动控制系统电性连接；

所述运动控制系统控制所述光闸改变所述皮秒激光束的发射光路，使所述皮秒激光束发射至所述扩束镜或偏离所述扩束镜；所述第一保护镜阻挡灰尘落入所述第二反射镜，所述第二保护镜阻挡灰尘落入所述第三反射镜。

5.如权利要求1所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述皮秒激光加工设备还包括与所述控制系统电性连接的上料系统、物料移载系统、裂片系统和下料系统，所述上料系统、所述物料移载系统、所述裂片系统和所述下料系统均包括工业机械人模组；

所述上料系统将所述脆性材料运送至所述工作台一侧等待激光扫描加工；所述物料移载系统将所述工作台一侧的脆性材料移送至所述工作台进行激光扫描加工，在完成加工时，将所述脆性材料移送至所述裂片系统；所述裂片系统对完成加工的所述脆性材料进行主料和残料分离；所述下料系统将分离后的所述主料和所述残料移出所述工作台。

6.如权利要求5所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述上料系统包括上料盒和第一工业机械人模组，所述上料盒设置在所述第一工业机械人模组一侧，所述第一工业机械人模组与所述控制系统电性连接，所述上料盒包括标准尺寸的材料放置位，用于放置第一预设数量的标准尺寸的脆性材料；所述上料盒上料完成时，所述第一工业机械人模组将所述上料盒移动至待加工工位；

所述物料移载系统包括与所述控制系统电性连接的上料机构、第二工业机械人模组和半成品下料机构，所述上料机构和所述半成品下料机构均与所述第二工业机械人模组机械连接；所述第二工业机械人模组驱动所述上料机构移动至所述待加工工位，所述上料机构获取所述上料盒中第二预设数量的脆性材料，所述第二工业机械人模组驱动所述上料机构移动至所述工作台的加工工位，所述上料机构将所述第二预设数量的脆性材料移动至所述加工工位；所述脆性材料加工完成时，所述第二工业机械人模组驱动所述半成品下料机构移动至所述加工工位，所述半成品下料机构将加工完成的所述脆性材料移动至半成品工位；

所述裂片系统包括与所述控制系统电性连接的第三工业机械人模组，所述第三工业机械人模组将加工完成的所述脆性材料从所述半成品工位移动至裂片工位，所述皮秒激光振镜系统发射激光束对加工完成的所述脆性材料进行加热裂片；

所述下料系统包括与所述控制系统电性连接的第四工业机械人模组、第五工业机械人模组、第六工业机械人模组以及与所述第四工业机械人模组机械连接的成品下料机构、清渣机构和成品回收料盘，所述第五工业机械人模组和所述第六工业机械人模组均与所述成品回收料盘连接；所述第四工业机械人模组驱动所述成品下料机构移动至所述裂片工位，所述下料机构将裂片后的主料移动至所述成品回收料盘，所述第四工业机械人模组驱动所述清渣机构移动至所述裂片工位，所述清渣机构清理所述裂片工位上的残料，所述成品回收料盘装满时，所述第五工业机械人模组将装满的所述成品回收料盘移动至出料工位，所述第六工业机械人模组将装满的所述成品回收盘移出所述皮秒激光加工设备。

7.如权利要求6所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述工业机械人模组包括直接驱动旋转电机，所述上料机构、所述半成品下料机构、所述成品下料机构和所述清渣机构均包括真空吸附气缸。

8.如权利要求5～7任一项所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述控制系统包括与所述上料系统、所述物料移载系统、所述裂片系统和所述下料系统电性连接的PLC控制系统，所述PLC控制系统包括人机交互设备以及与所述人机交互设备电性连接的PLC控制模块和PLC扩展模块，所述PLC控制模块与所述工业机械人模组电性连接。

9.如权利要求1所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述控制系统包括与所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统电性连接的PC控制系统，所述PC控制系统包括PC控制模块以及与所述PC控制模块连接的PCI扩展插槽、RJ45接口、RS232接口和USB接口，所述PC控制模块通过所述PCI扩展插槽连接激光打标控制卡并通过所述USB接口连接所述皮秒激光振镜系统，所述运动控制系统包括三轴运动控制器。

10.如权利要求1所述的皮秒激光加工设备，其特征在于，所述皮秒激光加工设备还包括存储在存储设备中的皮秒激光加工工艺数据库，所述控制系统调用所述皮秒激光加工工艺数据库中的数据对所述皮秒激光振镜系统、所述机器视觉系统、所述工作台和所述运动控制系统的工作状态进行控制，实现对所述脆性材料的激光精密加工。