CN109014629B - 一种微米线宽的四轴激光精密加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微米线宽的四轴激光精密加工技术领域，尤其为一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，包括大理石平台，所述大理石平台的端面上固定设有大理石横梁，所述大理石横梁上的中心位置固定设有精密Z轴，所述精密Z轴滑动上竖直并固定全铝材料的光路，所述光路发射的激光角度可以高速偏转，所述光路侧方固定安装高分辨率CCD相机和研磨块，所述大理石平台上固定安装精密XY直线驱动平台，所述精密XY直线驱动平台在光路下方，所述精密XY直线驱动平台上安装并固定高精密旋转轴。本发明解决了平面和圆周面上激光微米级别高速精密加工的问题，可以针对几乎所有材料进行加工，基本无热影响。

Description

一种微米线宽的四轴激光精密加工装置

技术领域

本发明涉及微米线宽的四轴激光精密加工技术领域，具体为一种微米线宽的四轴激光精密加工装置。

背景技术

目前微米级别线宽微细线槽加工，有聚焦离子束、微细电火花、光刻、超精密机床加工、激光微细加工等工艺，其中：聚焦离子束可以加工到纳米级别，效果精细，但是加工速度非常低，设备成本过高；微细电火花，可以到数微米，但是微米加工不稳定，对系统环境要求非常高，材料限制于特定导电材料；光刻，可以达到纳米级别，但是工艺流程太过复杂，成本高昂，限定于特定的材料和加工形式；超精密机床加工，可以到达纳米级别，成本高昂，对环境要求非常高，针对一些超硬材料没法加工；激光微细加工，可以加工基本所有材料，线宽理论上到达百纳米级别，但是目前国内集中于数十微米尺寸结构加工，没有机床稳定加工到微米级别。

现有激光技术只能达到数十微米级别，而且加工的线宽和深度不能保证很好的精度，而且有比较明显的烧蚀。其他技术，要么受限于材料，比如光刻不能加工钻石、陶瓷，微细电火花不能加工陶瓷、玻璃等不导电材料，要么受限于加工精度，微细电火花在微米尺寸电极不稳不能高速持续加工。

综上所述，本发明提出一种微米线宽的四轴激光精密加工装置来解决此类存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，包括大理石平台，所述大理石平台的端面上固定设有大理石横梁，所述大理石横梁上的中心位置固定设有第一驱动电机，所述第一驱动电机的下方固定设有第一驱动电机固定板，所述第一驱动电机固定板固定连接在大理石横梁上，所述第一驱动电机的驱动端固定连接有第一精密滚珠丝杆并且贯穿第一驱动电机固定板，所述第一精密滚珠丝杆上并且位于第一驱动电机固定板的下方螺纹连接有精密Z轴，所述精密Z轴滑动连接Z轴滑槽，所述Z轴滑槽固定连接在大理石横梁上，所述Z轴滑槽的另一侧壁固定连接有光路，所述光路的右侧固定连接有CCD相机，所述CCD相机上固定设有高倍相机镜头，所述高倍相机镜头通过高倍相机镜头固定环固定连接在光路上，所述高倍相机镜头固定环的右下侧并且位于光路上固定连接有研磨块，所述光路下方并且位于大理石平台的端面上对应设有XY直线驱动平台，所述XY直线驱动平台上固定设有弹性防护罩，所述XY直线驱动平台的端面上螺纹连接有载物台，所述载物台的端面上并且与高倍相机镜头对应设有高精密旋转轴，所述高精密旋转轴的旋转轴心固定连接有旋转治具，所述XY直线驱动平台的右侧并且位于大理石平台的端面上固定设有控制箱，所述光路的内部固定设有光路底座，所述光路底座上固定设有紫外激光器，所述紫外激光器的下方并且位于光路底座上固定设有三维调整架，所述三维调整架的底部固定连接有高倍扩束镜，所述高倍扩束镜的下方并且位于光路底座上固定设有45°反射镜组，所述45°反射镜组的右侧并且位于光路底座上固定设有振镜，所述振镜的底部固定连接有远心场镜，所述XY直线驱动平台包括第一底板和第二底板，所述第一底板和第二底板相互垂直设置，所述第一底板中心位置固定设有第一U型槽直线驱动电机，所述第一底板两端设有第一柔性缓冲，所述第一U型槽直线驱动电机的两侧平行安装两根第一直线滚动导轨组，所述第一U型槽直线驱动电机和第一直线滚动导轨组之间平行安装第一高精度光栅尺，所述第一直线滚动导轨组上安装第一连接板，所述第一连接板侧面安装两套第一防尘罩，所述第一连接板连接第二底板和第一直线滚动导轨组，所述第二底板中心位置固定设有第二U型槽直线驱动电机，所述第二底板两端设有第二柔性缓冲，所述第二U型槽直线驱动电机的两侧平行安装两根第二直线滚动导轨组，所述第二U型槽直线驱动电机和第二直线滚动导轨组之间平行安装第二高精度光栅尺，所述第二直线滚动导轨组上安装第二连接板，所述第二连接板侧面安装两套第二防尘罩，所述第二连接板螺丝固定载物台。

优选的，所述大理石横梁为龙门式大理石结构。

优选的，所述第一驱动电机为松下A6伺服电机并且电性连接控制箱，所述第一U型槽直线驱动电机和第二U型槽直线驱动电机，通过松下A6直线电机驱动器驱动，并且电性连接控制箱（18）。

优选的，所述第一精密滚珠丝杆选为DIF型，所述第一直线滚动导轨组和第二直线滚动导轨组为SR型。

优选的，所述光路结构采用全铝材质，并且具有足够的强度，而且在Z轴方向移动。

优选的，所述高精密旋转轴固定连接有驱动电机，并且驱动连接型号为松下A6伺服电机并且电性连接控制箱。

优选的，所述控制箱包括总电源按键、振镜按键、激光器按键、急停控制按键和激光器控制面板，所述控制箱的内部系统采用高精密微加工系统FM-UVM3具有可编程的功能。

优选的，所述研磨块延伸出光路的长度大于高倍相机镜头延伸出光路的长度。

优选的，所述高倍相机镜头光学放大倍率＞8倍，视场范围＜1mm*1mm。

优选的，所述紫外激光器的型号为波长：355nm，功率：＞3W@30kHz，调制频率：10~200kHz ，脉宽 ：18ns@30kHz ，光束质量M² ：＜1.2 。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过光路结构采用全铝材质，竖直放置，所有零件紧密安装，保证光路最短，减小因为温度偏移导致加工误差。

2、本发明中，通过采用龙门式大理石结构，具有良好的抗震动和温度偏移能力。

3、本发明中，通过设置解决了平面和圆周面上激光微米级别高速精密加工的问题，可以针对几乎所有材料进行加工，基本无热影响，加工的线宽和深度保证很好的精度，而且没有烧蚀，能加工钻石、陶瓷，微细电火花不能加工陶瓷、玻璃等不导电材料，不受限于加工精度，微细电火花在微米尺寸电极稳定高速持续加工。

附图说明

图1为本发明整体立体结构示意图；

图2为本发明整体主视结构示意图；

图3为本发明整体左视结构示意图；

图4为本发明光路内部结构示意图；

图5为本发明XY直线驱动平台隐藏防尘罩结构示意图。

图中：1-大理石平台、2-大理石横梁、3-第一驱动电机、4-第一驱动电机固定板、5-第一精密滚珠丝杆、6-精密Z轴、7- Z轴滑槽、8-光路、9-CCD相机、10-高倍相机镜头、11-高倍相机镜头固定环、12-研磨块、13-XY直线驱动平台、14-弹性防护罩、15-旋转治具、16-高精密旋转轴、17-载物台、18-控制箱、19-紫外激光器、20-三维调整架、21-高倍扩束镜、22-45°反射镜组、23-振镜、24-远心场镜、25-光路底座、26-第一底板、27-第一直线导轨组、28-第一柔性缓冲、29-第一U型直线电机、30-第一直线导轨组、31-第一高精密光栅尺、32-第一连接板、33-第二防尘罩、34-第二直线导轨组、35-第二底板、36-第二柔性缓冲、37-第二直线导轨组、38-第二高精密光栅尺、39-第二U型直线电机、40-第二防尘罩、41-第二连接板。

具体实施方式

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、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,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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，包括大理石平台1，大理石平台1的端面上固定设有大理石横梁2，大理石横梁2上的中心位置固定设有第一驱动电机3，提供动能的作用，第一驱动电机3的下方固定设有第一驱动电机固定板4，第一驱动电机固定板4固定连接在大理石横梁2上，第一驱动电机3的驱动端固定连接有第一精密滚珠丝杆5并且贯穿第一驱动电机固定板4，起作用在于起到固定的作用，第一精密滚珠丝杆5上并且位于第一驱动电机固定板4的下方螺纹连接有精密Z轴6，能够精确起到Z轴方向的调焦的作用，精密Z轴6滑动连接Z轴滑槽7，Z轴滑槽7固定连接在大理石横梁2上，Z轴滑槽7的另一侧壁固定连接有光路8，光路8的右侧固定连接有CCD相机9，CCD相机9上固定设有高倍相机镜头10，高倍相机镜头10通过高倍相机镜头固定环11固定连接在光路8上，高倍相机镜头固定环11的右下侧并且位于光路8上固定连接有研磨块12，光路8下方并且位于大理石平台1的端面上对应设有XY直线驱动平台13，XY直线驱动平台13上固定设有弹性防护罩14，保护XY直线驱动平台13内部结构的作用，XY直线驱动平台13的端面上螺纹连接有载物台17，放置物体的作用，载物台17的端面上并且与高倍相机镜头10对应设有高精密旋转轴16，增加精度的作用，高精密旋转轴16的旋转轴心固定连接有旋转治具15，固定加工物件的作用，XY直线驱动平台13的右侧并且位于大理石平台1的端面上固定设有控制箱18，其作用在于起到主导控制的作用，光路8的内部固定设有光路底座25，光路底座25上固定设有紫外激光器19，紫外激光器19的下方并且位于光路底座25上固定设有三维调整架20，固定高倍扩束镜21的作用，三维调整架20的底部固定连接有高倍扩束镜21，高倍扩束镜21的下方并且位于光路底座25上固定设有45°反射镜组22，起到反射光束的作用，45°反射镜组22的右侧并且位于光路底座25上固定设有振镜23，其作用在于光束偏转扫描，振镜23的底部固定连接有远心场镜24，其作用在于，F=56mm，激光聚焦，所述XY直线驱动平台13包括第一底板26和第二底板35，所述第一底板26和第二底板35相互垂直设置，所述第一底板26中心位置固定设有第一U型槽直线驱动电机29，所述第一底板26两端设有第一柔性缓冲28，所述第一U型槽直线驱动电机29的两侧平行安装两根第一直线滚动导轨组27和30，所述第一U型槽直线驱动电机29和第一直线滚动导轨组30之间平行安装第一高精度光栅尺31，所述第一直线滚动导轨27和30上安装第一连接板32，所述第一连接板32侧面安装两套第一防尘罩40，所述第一连接板32连接第二底板35和第一直线滚动导轨组27和30，所述第二底板35中心位置固定设有第二U型槽直线驱动电机39，所述第二底板35两端设有第二柔性缓冲36，所述第二U型槽直线驱动电机39的两侧平行安装两根第二直线滚动导轨组34和37，所述第二U型槽直线驱动电机39和第二直线滚动导轨组37之间平行安装第二高精度光栅尺38，所述第二直线滚动导轨组34和37上安装第二连接板41，所述第二连接板41侧面安装两套第二防尘罩33，所述第二连接板41螺丝固定载物台17。

本发明工作流程：加工物体时，将需要加工的物体放置在旋转治具15上并且进行固定，开启控制箱18的控制按钮，通过内部系统采用高精密微加工系统FM-UVM3，对已经编程好的加工系统，第一驱动电机3通过带动第一精密滚珠丝杆5上的光路8进行Z轴的移动，第一U型槽直线驱动电机29通过高精度光栅尺31定位反馈带动32第一连接板使得工件在X轴方向高速精密移动，第二U型槽直线驱动电机39通过高精度光栅尺38定位反馈带动41第二连接板使得工件在Y轴方向上高速精密移动，XY直线驱动平台13在XY方向上配合CCD相机9定位加工零件，高倍相机镜头10对焦，振镜23偏转激光，紫外激光器发射19的激光通过远心镜头聚焦在平面上，即可精确高速刻蚀出线槽；XY直线驱动平台13配合CCD相机9定位对远心镜头24进行全幅面精密校正，针对大幅面的图形刻蚀，采用远心镜头24小幅面加工，XY直线驱动平台13移动工件进行拼接加工，加工幅面达300*300mm；研磨块12配合XY直线驱动平台13和精密旋转轴16，可对治具进行精密研磨，使得工件装到治具时的圆跳＜0.01mm，保证圆周刻蚀线宽的稳定性。

实施例：

平面刻线：XY直线驱动平台13配合CCD相机9定位加工零件，高倍相机镜头10对焦，对焦焦点偏差＜0.01mm，振镜23偏转激光，紫外激光器19发射激光通过远心镜头24聚焦在平面上，通过激光光束偏转或者直线驱动平台13移动，高速刻蚀出线槽，速度可达2m/s，刻蚀线宽达到4μm，经过优化可达2μm，对材料基本无热影响。

大幅面刻线：XY直线驱动平台13配合CCD相机9定位对远心镜头24进行全幅面精密校正，校正精度±3μm。针对大幅面的图形刻蚀，采用远心镜头24进行小幅面加工，XY直线驱动平台13移动工件进行拼接加工，加工幅面达300*300mm。

圆周刻线：研磨块12配合XY直线驱动平台13和精密旋转轴16，可对治具进行精密研磨，使得治具和工件精密配合，工件旋转时圆跳＜0.01mm。XY直线驱动平台13配合CCD相机9定位加工零件，高倍相机镜头10对焦，对焦焦点偏差＜0.01mm，振镜23偏转激光，紫外激光器19发射激光通过远心镜头24聚焦在平面上，直线驱动平台13的X轴配合精密旋转轴16运动，即可在圆周表面刻线，圆周刻线线宽变化＜1μm，深度变化＜1μm。

特别经过测试：振镜23偏转激光速度＜50mm/s时，刻蚀线槽直线度好，重复性好；振镜23偏转激光速度≥50mm/s时，刻蚀线槽有1~2μm波浪抖动，抖动周期与速度有关；通过直线驱动平台移动工件时，刻蚀线槽直线度好，无波浪抖动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，包括大理石平台（1），其特征在于：所述大理石平台（1）的端面上固定设有大理石横梁（2），所述大理石横梁（2）为龙门式大理石结构，所述大理石横梁（2）上的中心位置固定设有第一驱动电机（3），所述第一驱动电机（3）的下方固定设有第一驱动电机固定板（4），所述第一驱动电机固定板（4）固定连接在大理石横梁（2）上，所述第一驱动电机（3）的驱动端固定连接有第一精密滚珠丝杆（5）并且贯穿第一驱动电机固定板（4），所述第一精密滚珠丝杆（5）上并且位于第一驱动电机固定板（4）的下方螺纹连接有精密Z轴（6），所述精密Z轴（6）滑动连接Z轴滑槽（7），所述Z轴滑槽（7）固定连接在大理石横梁（2）上，所述精密Z轴（6）另一侧壁固定连接有光路（8）并且与Z轴滑槽（7）滑动连接，所述光路（8）的右侧固定连接有CCD相机（9），所述CCD相机（9）上固定设有高倍相机镜头（10），所述高倍相机镜头（10）通过高倍相机镜头固定环（11）固定连接在光路（8）上，所述高倍相机镜头固定环（11）的右下侧并且位于光路（8）上固定连接有研磨块（12），所述光路（8）下方并且位于大理石平台（1）的端面上对应设有XY直线驱动平台（13），所述XY直线驱动平台（13）上固定设有弹性防护罩（14），所述XY直线驱动平台（13）的端面上螺纹连接有载物台（17），所述载物台（17）的端面上并且与高倍相机镜头（10）对应设有高精密旋转轴（16），所述高精密旋转轴（16）的旋转轴心固定连接有旋转治具（15），所述XY直线驱动平台（13）的右侧并且位于大理石平台（1）的端面上固定设有控制箱（18），所述光路（8）的内部固定设有光路底座（25），所述光路底座（25）上固定设有紫外激光器（19），所述紫外激光器（19）的下方并且位于光路底座（25）上固定设有三维调整架（20），所述三维调整架（20）的底部固定连接有高倍扩束镜（21），所述高倍扩束镜（21）的下方并且位于光路底座（25）上固定设有45°反射镜组（22），所述45°反射镜组（22）的右侧并且位于光路底座（25）上固定设有振镜（23），所述振镜（23）的底部固定连接有远心场镜（24），所述XY直线驱动平台（13）包括第一底板（26）和第二底板（35），所述第一底板（26）和第二底板（35）相互垂直设置，所述第一底板（26）中心位置固定设有第一U型槽直线驱动电机（29），所述第一底板（26）两端设有第一柔性缓冲（28），所述第一U型槽直线驱动电机（29）的两侧平行安装两根第一直线滚动导轨组，所述第一U型槽直线驱动电机（29）和第一直线滚动导轨组之间平行安装第一高精度光栅尺（31），所述第一直线滚动导轨组安装第一连接板（32），所述第一连接板（32）侧面安装两套第一防尘罩（40），所述第一连接板（32）连接第二底板（35）和第一直线滚动导轨组，所述第二底板（35）中心位置固定设有第二U型槽直线驱动电机（39），所述第二底板（35）两端设有第二柔性缓冲（36），所述第二U型槽直线驱动电机（39）的两侧平行安装两根第二直线滚动导轨组，所述第二U型槽直线驱动电机（39）和第二直线滚动导轨组之间平行安装第二高精度光栅尺（38），所述第二直线滚动导轨组上安装第二连接板（41），所述第二连接板（41）侧面安装两套第二防尘罩（33），所述第二连接板（41）螺丝固定载物台（17）。

2.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述第一驱动电机（3）为松下A6伺服电机并且电性连接控制箱（18），所述第一U型槽直线驱动电机（29）和第二U型槽直线驱动电机（39）通过松下A6直线电机驱动器驱动，并且电性连接控制箱（18）。

3.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述第一直线滚动导轨组和第二直线滚动导轨组为SR型。

4.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述光路（8）结构采用全铝材质，并在Z轴方向移动。

5.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述高精密旋转轴（16）固定连接有驱动电机，并且驱动连接型号为松下A6伺服电机并且电性连接控制箱（18）。

6.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述控制箱（18）包括总电源按键、振镜按键、激光器按键、急停控制按键和激光器控制面板并且电性连接光路（8）和CCD相机（9）。

7.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述研磨块（12）延伸出光路（8）的长度大于高倍相机镜头（10）延伸出光路（8）的长度。

8.根据权利要求1所述的一种微米线宽的四轴激光精密加工装置，其特征在于：所述高倍相机镜头（10）光学放大倍率＞8倍，视场范围＜1mm*1mm。

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