CN109434275A - 一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法 - Google Patents

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杜策之
王宏建
胡小月
郑李娟
黄欣
唐梓敏
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

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Abstract

本发明提供一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，包括以下步骤：首先，安装带直线电机的环形滑轨；然后，在环形滑轨上安装激光传导光纤和光能量传感器；然后，寻找激光能量最大的角度；最后，根据接收器坐标计算被测面坐标。本发明工艺简单，有效减少现有透明材料激光加工对焦方法的存在的不足，且对焦精度较高。在应用扩展方面，由于本发明中测量光源直接采用激光光源，可通过全反射角的测定来同步计算材料表面对激光的吸收率。

Description

一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其是一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，可以对透明材料表面进行快速精确对焦。
背景技术
随着数码产品更新速度的增快，其外观设计也日新月异。产品上玻璃材料的占用比例逐渐增加，外观更复杂且，对加工精度和加工质量的要求也越来越高。相比于之前CNC传统切削加工来说，使用激光对玻璃进行加工能显著增加产品良品率，且加工效率较高。不仅仅是数码3C产品，在交通运输、生物医疗等高端制造领域，透明材料的应用比例也逐步上升。而激光作为一种绿色高效的加工方式，近年来在生产工艺中所占比例增长迅速。
传统的激光加工中，采用烧蚀法找焦点和用参照物找焦点的方法不利于快速且准确对焦。而采用激光位移传感器进行焦点确定的方法对于透明材料表面来说，由于传感器激光反射角为固定的，激光照射在透明材料表面后将穿过透明材料被底部平台反射，无法准确测量透明材料表面坐标。图像识别法对焦也存在多种问题，需要在表面做标记或者对机床工件夹持平台进行对焦然后通过减去零件厚度来获得所需坐标位置。透明材料在激光垂直入射时无法在表面形成清晰的光斑，使用图像对激光光斑进行识别然后对焦的方法在此也无法实现。此发明根据现有透明材料激光加工过程中对焦存在的工艺复杂，精度不高等缺点，提出了利用光线在一定入射角的条件下在透明材料表面产生反射的原理来精确测量表面坐标的方法。
发明内容
鉴于上述现有激光加工中自动对焦技术缺点，本发明的目的在于提供一种高效、精密的透明材料表面激光快速对焦技术，包括以下步骤：
S1、安装带直线电机的环形滑轨；
S2、在环形滑轨上安装激光头和光能量传感器；
S3、自动寻找光线产生反射的角度；
S4、根据接收器坐标计算被测面坐标。
本发明中，将在一定角度入射光下透明物体表面反射的原理与激光能量检测技术结合，快速地进行透明材料表面相对坐标的确定。
优选的，步骤S1中采用运动精度为0.01mm的直线电机。
优选的，步骤S2中激光能量为0.1 %，减少对光能量传感器的损伤。光能量传感器探测精度小于100pJ。
优选的，步骤S3中激光头和光能量传感器运动角速度均小于0.5度/秒，运动方向相反。
在步骤S3，激光头与激光能量传感器以0.1度/秒的精度自反射角2-5度开始对透明件表面坐标进行测量，激光束的功率为0.8-1.2W/h。
优选的，步骤S4中程序根据反射点坐标依据计算被测表面相对坐标。设激光头绝对坐标为（X,Y,Z），反射点坐标为（X’,Y’,Z’）,环形滑轨半径为R，激光头在工件Y轴负方向，光线入射角为θ, 反射点绝对坐标与激光头绝对坐标的关系为：Y’=Y+R·Sinθ, Z’=Z-R·Sinθ,X’=X。
更进一步的，在步骤S4中测量多个反射点，分别求出各反射点下被测表面的坐标，然后求平均值，进一步提高测量精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
可利用不同反射角度下激光反射能量的变化来计算透明材料表面对激光的吸收率，有利于进一步优化加工工艺。
附图说明
图1为本发明步骤S1中所述直线电机环形滑轨结构示意图；
图2为本发明步骤S2中激光头和光能量传感器安装基座结构示意图；
图3为本发明步骤S3和步骤S4中对焦工作过程示意图；
其中， 10-环形滑轨，101-直线电机线圈，1-激光头和光线传感器安装基座，11-直线电机动子， 2-光纤， 21-激光头， 22-入射激光，23-透明工件，24-机床装夹平台，25-数据线，26-光能量传感器。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明方法作进一步的解释。
实施例1
请参阅附图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂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。
优选的对PDMS表面进行加工，用于制作可降解微针倒模。
下面结合具体附图对本发明一种多轴激光加工技术和磨料水射流精密抛光复合加工技术作详细的介绍。首先执行步骤S1。如图1所示，选择控制精度为0.005mm的直线电机101和高刚度弧形滑轨10，滑轨10半径为100mm，反射角测量范围为5-179.9度。
执行步骤S2，移动基座1通过螺栓与11动子滑块相连。在基座上1安装激光加工头21和激光能量传感器26。
执行步骤S3，激光头21与激光能量传感器26以0.1度/秒的精度自反射角5度开始对透明件23表面坐标进行测量，激光束22的功率为1W/h。
执行步骤S4，测量得到一个82度反射角，反射能量为入射能量的97%，此时激光头的机床绝对坐标为（732.312，318.573，-367.816），计算得出PDMS表面被测点坐标为（732.312，417.599，-466.843）。
实施例2
优选的对石英玻璃表面进行微流道加工，用于制作微流控芯片。
下面结合具体附图对本发明一种多轴激光加工技术和磨料水射流精密抛光复合加工技术作详细的介绍。首先执行步骤S1。如图1所示，选择控制精度为0.005mm的直线电机101和高刚度弧形滑轨10，滑轨10半径为100mm，反射角测量范围为5-179.9度。
执行步骤S2，移动基座1通过螺栓与11动子滑块相连。在基座上1安装激光加工头21和激光能量传感器26。
执行步骤S3，激光头21与激光能量传感器26以0.1度/秒的精度自反射角5度开始对透明件23表面坐标进行测量，激光束22的功率为1W/h。
执行步骤S4，测量得到一个84.2度反射角，反射能量为入射能量的96.8%，此时激光头的机床绝对坐标为（732.312，318.989，-368.352），计算得出石英玻璃表面被测点坐标为（732.312，418.061，-463.032）。
实施例3
优选的对K9光学玻璃表面进行加工，用于制作微透镜阵列。
下面结合具体附图对本发明一种多轴激光加工技术和磨料水射流精密抛光复合加工技术作详细的介绍。首先执行步骤S1。如图1所示，选择控制精度为0.005mm的直线电机101和高刚度弧形滑轨10，滑轨10半径为100mm，反射角测量范围为5-179.9度。
执行步骤S2，移动基座1通过螺栓与11动子滑块相连。在基座上1安装激光加工头21和激光能量传感器26。
执行步骤S3，激光头21与激光能量传感器26以0.1度/秒的精度自反射角5度开始对透明件23表面坐标进行测量，激光束22的功率为1W/h。
执行步骤S4，测量得到一个81.7度反射角，反射能量为入射能量的97.4%，此时激光头的机床绝对坐标为（732.312，317.647，-328.051），计算得出K9光学玻璃表面被测点坐标为（732.312，416.673，-467.362）。
实施例4
优选的对K9光学玻璃表面进行加工，用于制作微透镜阵列。
下面结合具体附图对本发明一种多轴激光加工技术和磨料水射流精密抛光复合加工技术作详细的介绍。首先执行步骤S1。如图1所示，选择控制精度为0.005mm的直线电机101和高刚度弧形滑轨10，滑轨10半径为100mm，反射角测量范围为5-179.9度。
执行步骤S2，移动基座1通过螺栓与11动子滑块相连。在基座上1安装激光加工头21和激光能量传感器26。
在步骤S3，激光头与激光能量传感器以0.1度/秒的精度自反射角2度开始对透明件表面坐标进行测量，激光束的功率为0.8W/h。
执行步骤S4，测量得到一个81.7度反射角，反射能量为入射能量的97.4%，此时激光头的机床绝对坐标为（732.312，317.647，-328.051），计算得出K9光学玻璃表面被测点坐标为（732.312，416.673，-467.362）。
实施例5
优选的对石英玻璃表面进行微流道加工，用于制作微流控芯片。
下面结合具体附图对本发明一种多轴激光加工技术和磨料水射流精密抛光复合加工技术作详细的介绍。首先执行步骤S1。如图1所示，选择控制精度为0.005mm的直线电机101和高刚度弧形滑轨10，滑轨10半径为100mm，反射角测量范围为5-179.9度。
执行步骤S2，移动基座1通过螺栓与11动子滑块相连。在基座上1安装激光加工头21和激光能量传感器26。
执行步骤S3，激光头21与激光能量传感器26以0.1度/秒的精度自反射角4度开始对透明件23表面坐标进行测量，激光束22的功率为1.2W/h。
执行步骤S4，测量得到一个84.2度反射角，反射能量为入射能量的96.8%，此时激光头的机床绝对坐标为（732.312，318.989，-368.352），计算得出石英玻璃表面被测点坐标为（732.312，418.061，-463.032）。
上述实施例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，对上述实施例进行修饰或改变。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 (7)

1.一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，，包括以下步骤：
S1、安装带直线电机的环形滑轨；
S2、在环形滑轨上安装激光头和光能量传感器；
S3、自动寻找光线产生反射的角度；
S4、根据接收器坐标计算被测面坐标。
2.根据权利要求1所述一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，所述直线电机运动精度小于0.01mm。
3.根据权利要求2所述一种进行透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，所述激光头的光源由激光加工光源通过光纤引出，激光对焦时功率根据实际情况设定。
4.根据权利要求3所述一种进行透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，在步骤S3，激光头与激光能量传感器以0.1度/秒 的精度自反射角2-5度开始对透明件表面坐标进行测量，激光束的功率为0.8-1.2W/h。
5.根据权利要求4所述一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，所述光能量传感器与激光头同步反向移动。
6.根据权利要求5所述一种透明材料表面激光加工辅助对焦方法，其特征在于，根据记录的多个反射角度的坐标精确计算加工表面坐标。
7.一种权利要求1-6任一项所述透明材料表面激光加工辅助对焦方法的应用，其特征在于，用于PDMS表面微针倒模的加工。
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