CN109693035A - 激光加工机的控制装置、激光加工方法及激光加工机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减小由光束扫描仪校准后的激光束的入射位置与目标入射位置之间的偏差的激光加工机的控制装置。控制装置控制具有光束扫描仪的激光加工机，所述光束扫描仪扫描从激光光源输出的脉冲激光束以使加工对象物表面上的脉冲激光束的入射位置移动。控制装置具有如下功能：控制激光光源的脉冲激光束的输出时间、向光束扫描仪发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令、及根据实际加工时的脉冲频率，进行光束扫描仪的校准。

Description

激光加工机的控制装置、激光加工方法及激光加工机

本申请主张基于2017年10月24日申请的日本专利申请第2017-204857号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种激光加工机的控制装置、激光加工方法及激光加工机。

背景技术

已知有一种使脉冲激光束经由光束扫描仪及聚光透镜而入射到加工对象物从而进行加工的激光加工机(例如，专利文献1)。为了使脉冲激光束入射到加工对象物的目标位置，在实际加工前进行光束扫描仪的校准。

专利文献1：日本特开2004-66300号公报

本发明人发现，即使进行了光束扫描仪的校准，有时也会出现脉冲激光束的实际入射位置偏离目标位置的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减小由光束扫描仪校准后的激光束的入射位置与目标入射位置之间的偏差的激光加工机的控制装置、激光加工方法及激光加工机。

根据本发明的一种观点，

本发明提供一种激光加工机的控制装置，所述激光加工机具有光束扫描仪，所述光束扫描仪扫描从激光光源输出的脉冲激光束以使加工对象物表面上的脉冲激光束的入射位置移动，所述控制装置具有如下功能：

控制所述激光光源的脉冲激光束的输出时间；

向所述光束扫描仪发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令；及

根据实际加工时的脉冲频率，进行所述光束扫描仪的校准。

根据本发明的另一观点，

本发明提供一种激光加工方法，其用光束扫描仪来扫描从激光光源输出的脉冲激光束以使其依次入射到加工对象物表面上的多个被加工点，所述激光加工方法具有如下工序：

根据实际加工时的脉冲频率，一边输出脉冲激光束，一边使脉冲激光束入射到评价用试样的多个部位，

根据脉冲激光束的实际入射位置，进行所述光束扫描仪的校准。

根据本发明的另一观点，

本发明提供一种激光加工机，其具有：

激光光源，其输出脉冲激光束；

光束扫描仪，其扫描从所述激光光源输出的脉冲激光束以使加工对象物表面上的脉冲激光束的入射位置移动；及

控制装置，其具有如下功能：控制所述激光光源的脉冲激光束的输出时间、向所述光束扫描仪发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令、及根据实际加工时的脉冲频率，进行所述光束扫描仪的校准。

根据本发明，能够减小由光束扫描仪校准后的激光束的入射位置与目标入射位置之间的偏差。

附图说明

图1是基于实施例的激光加工机的概略图。

图2是表示从激光光源至加工对象物为止的光路的示意图。

图3是加工对象物的示意俯视图。

图4是使用基于实施例的激光加工机进行的激光加工方法的流程图。

图中：10-激光光源，10A-激光的出口，11-声光元件(AOM)，12-反射镜，13-光束扫描仪，14-聚光透镜，15-光束截止器，16-摄像装置，17-工作台，20-控制装置，21-存储装置，30-加工对象物，31-单位扫描区域，32-被加工点，35-假想的透镜。

具体实施方式

下面，参考图1，对基于实施例的激光加工机进行说明。

图1是基于实施例的激光加工机的概略图。激光光源10输出脉冲激光束。作为激光光源10，例如可以使用二氧化碳激光振荡器。从激光光源10输出的脉冲激光束经由声光元件(AOM)11、反射镜12、光束扫描仪13及聚光透镜14而入射到保持于工作台17的加工对象物30。

AOM11根据来自控制装置20的指令从激光光源10所输出的脉冲激光束的激光脉冲中切取用于加工的一部分。被切取的激光脉冲朝向加工对象物30，而剩余的脉冲激光束入射到光束截止器15。

光束扫描仪13根据来自控制装置20的指令沿二维方向扫描激光束，从而使加工对象物30表面上的脉冲激光束的入射位置移动。作为光束扫描仪13，例如可以使用具有一对加尔瓦诺镜(Galvano mirror)的加尔瓦诺扫描仪。

聚光透镜14使由光束扫描仪13扫描后的脉冲激光束聚集在加工对象物30的表面(被加工面)。作为聚光透镜14，例如可以使用fθ透镜。

工作台17根据来自控制装置20的指令使加工对象物30沿与其表面平行的二维方向移动。作为工作台17，例如可以使用XY工作台。

在工作台17的上方配置有摄像装置16。摄像装置16拍摄保持于工作台17上的加工对象物30或评价用试样的表面，从而生成图像数据。摄像装置16所生成的图像数据被控制装置20读取。

控制装置20具有控制激光光源10的脉冲激光束的输出时间的功能。而且，控制装置20还具有向光束扫描仪13发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令的功能。而且，控制装置20还具有如下功能：通过分析从摄像装置16获取的图像数据而检测出脉冲激光束的入射位置，并根据检测结果而进行光束扫描仪13的校准。

存储装置21中存储有激光加工中所需信息，例如加工对象物30的被加工点的位置信息、加工顺序信息及光束扫描仪13的校准结果信息等。

另外，在从激光光源10至加工对象物30为止的脉冲激光束的光路上，根据需要有时还配置有透镜系统及光圈等。

接着，参考图2，对基于实施例的激光加工机的从激光光源10至加工对象物30为止的光路进行说明。在图2中，用一个假想的透镜35来代表配置在从激光光源10至加工对象物30为止的光路上的光学系统。假想的透镜35使激光光源10的出口10A成像于成像点Pi上。另外，出口10A的像点有时会形成在从激光光源10至加工对象物30为止的光学系统的光轴上，但此时，出口10A最终还是成像于成像点Pi上。并且，有时在像点的位置配置光圈。

工作台17(图1)以加工对象物30的表面配置于从成像点Pi沿光学系统的光轴方向(图1中为高度方向)偏离的位置上的状态保持加工对象物30。例如，工作台17具有升降功能，通过控制装置20对工作台17的控制，实现该偏离状态。若将加工对象物30的表面配置于从成像点Pi偏离的位置上，则能够在加工对象物30的表面上将光束点缩小为更小。

本申请的发明人通过验证试验发现，若改变从激光光源10输出的脉冲激光束的脉冲频率，则激光束的射出方向有时发生变化。即使激光束的射出方向发生变化，成像点Pi的位置也不会变。在成像点Pi上进行加工时，加工位置不会产生偏离。

然而，若将加工对象物30的表面配置于从成像点Pi偏离的位置上，则脉冲激光束的入射位置会根据射出方向的变动而发生变动。例如，沿光路OP1传播的脉冲激光束入射到加工对象物30的表面的点P1上，沿光路OP2传播的脉冲激光束入射到加工对象物30的表面的点P2上。

例如，若以激光束沿光路OP1传播时的脉冲频率进行光束扫描仪13的校准并以沿光路OP2传播的激光束进行加工，则会导致加工时的脉冲激光束的入射位置偏离目标位置。

接着，参考图3及图4，对使用基于实施例的激光加工机进行的激光加工方法进行说明。

图3是加工对象物30的示意俯视图。在加工对象物30的表面上划定有多个单位扫描区域31。在各个单位扫描区域31的内部划定有多个被加工点32。无需移动加工对象物30而使光束扫描仪13(图1)进行动作，能够使脉冲激光束入射到1个单位扫描区域31内的任意的部位。

若对1个单位扫描区域31内的加工结束，则驱动工作台17来使未加工的单位扫描区域31移动到光束扫描仪13能够扫描的位置。通过重复进行该处理，能够对所有单位扫描区域31进行加工。

图4是使用基于实施例的激光加工机进行的激光加工方法的流程图。首先，控制装置20获取与实际加工时的脉冲频率相关的信息(步骤S1)。以下，对与实际加工时的脉冲频率相关的信息的获取方法进行说明。

在存储装置21中存储有划定在加工对象物30的表面上的多个被加工点的位置信息及加工顺序的信息。进行加工时，在使脉冲激光束入射到1个被加工点之后，控制装置20向光束扫描仪13发送目标位置指令，使激光束的入射位置移动至下一个要加工的被加工点的位置。待光束扫描仪13稳定之后，控制装置20向激光光源10发出脉冲激光束的输出指令。若从1个被加工点至下一个要加工的被加工点为止的距离较长，则光束扫描仪13稳定为止的时间变长。因此，脉冲激光束的脉冲间隔变长(脉冲频率降低)。

在此，控制装置20不让激光光源10输出脉冲激光束，而使光束扫描仪13以使脉冲激光束的入射位置依次沿加工对象物30的多个被加工点移动的方式进行动作。此时，计测所有被加工点的光束扫描仪13稳定为止的时间。激光束的入射位置依次走完单位扫描区域31(图3)内的所有被加工点之后，获取与脉冲频率相关的信息。对所有单位扫描区域31执行该处理。例如，与脉冲频率相关的信息包括：各个单位扫描区域31的每一个被加工点的光束扫描仪13的稳定时间、稳定之后使脉冲激光束入射到被加工点的时间(从脉冲激光束的输出指令至实际上输出脉冲激光束为止的延迟时间、脉冲宽度等)。

在步骤S1之后，将评价用试样保持于工作台17上，并将评价用试样的表面的高度设为与加工时的加工对象物30的表面的高度一致。控制装置20根据与实际加工时的脉冲频率相关的信息来确定脉冲频率。以所确定的脉冲频率从激光源10输出脉冲激光束，并使脉冲激光束入射到校准用的多个部位(步骤S2)。在输出激光脉冲时为止光束扫描仪13尚未稳定时，使激光脉冲入射到光束截止器15(图1)直至光束扫描仪13稳定为止。

入射到评价用试样的脉冲激光束的脉冲频率例如优选设为在步骤S1中获取的对所有单位扫描区域31进行实际加工时的脉冲频率的最大值与最小值之间的频率。例如，优选设为实际加工时的脉冲频率的平均值、最频值及中值等的统计量。

在步骤S2之后，控制装置20驱动工作台17来将评价用试样配置于摄像装置16的视角内，并拍摄评价用试样而获取图像数据。通过分析该图像数据，检测出脉冲激光束的入射位置，获取入射位置信息(步骤S3)。

在步骤S3之后，控制装置20根据在步骤S3中获取的脉冲激光束的入射位置信息及向光束扫描仪13发出的目标位置指令值来进行光束扫描仪13的校准(步骤S4)。并且，将校准结果存储于存储装置21中。

在步骤S4之后，将加工对象物30保持于工作台17上，进行实际加工(步骤S5)。直至对所有加工对象物30的加工结束为止，重复进行步骤S5(步骤S6)。

接着，对基于实施例的激光加工机的优异效果进行说明。

在本实施例中，根据实际加工时的脉冲频率来确定校准时的脉冲频率，因此，能够提高校准的精度。由此，能够减小加工时激光束的入射位置的位置偏差。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，在步骤S1(图4)中，根据实际加工时的光束扫描仪13的动作，获取与加工时的脉冲频率相关的信息。作为其他方法，也可以事先固定加工时的脉冲频率，并以恒定的脉冲频率进行加工。在输出激光脉冲时为止光束扫描仪13尚未稳定时，使光束扫描仪13稳定为止的期间输出的激光脉冲入射到光束截止器15(图1)。在步骤S2中入射到评价用试样中的脉冲激光束的脉冲频率可以设为与实际加工时被固定的脉冲频率一致。

并且，在上述实施例中，将对加工对象物30内的所有单位扫描区域31(图3)进行加工时的脉冲频率的统计量设为校准时的脉冲频率。在多个单位扫描区域31中被加工点的分布密度存在较大差异的情况下，实际加工时的脉冲频率的统计量在各个单位扫描区域31之间存在较大差异。此时，优选针对各个单位扫描区域31分别进行光束扫描仪13的校准。校准结果按照每一个单位扫描区域31存储于存储装置21中。在对单位扫描区域31进行加工的情况下，优选使用该单位扫描区域31的校准结果来驱动光束扫描仪13。

在上述实施例中，将加工对象物30的表面配置于从成像点Pi(图2)偏离的位置上而进行了加工，但是，在加工对象物30的表面未从成像点Pi(图2)偏离的状态下进行加工时也同样有效。例如，即使在成像点Pi的位置不会偏离的情况下，若到达成像点Pi的光路发生变动，则有时光强度的衰减率会发生变化。若利用本实施例的方法进行光束扫描仪13的校准，则脉冲激光束的光路会几乎被固定，因此能够抑制光强度的变动，并且能够提高校准时的位置检测结果的稳定性。

上述实施例及变形例为示例，理所当然，在实施例及变形例中所示出的结构可以进行部分取代或组合。针对实施例及变形例中的由相同结构带来的相同的作用效果，并不在每个实施例及变形例中逐一进行阐述。而且，本发明并非限定于上述实施例及变形例。例如，可以进行各种变更、改良以及组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (7)

1.一种激光加工机的控制装置，所述激光加工机具有光束扫描仪，所述光束扫描仪扫描从激光光源输出的脉冲激光束以使加工对象物表面上的脉冲激光束的入射位置移动，所述控制装置的特征在于，具有如下功能：

控制所述激光光源的脉冲激光束的输出时间；

向所述光束扫描仪发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令；及

根据实际加工时的脉冲频率，进行所述光束扫描仪的校准。

2.根据权利要求1所述的激光加工机的控制装置，其特征在于，

所述激光加工机还具有拍摄加工对象物的表面的摄像装置，

所述控制装置进行如下控制：

根据实际加工时的脉冲频率，控制所述激光光源及所述光束扫描仪，从而使脉冲激光束入射到评价用试样的多个部位，

分析用所述摄像装置来拍摄脉冲激光束入射后的所述评价用试样的表面而得到的图像数据，从而获取脉冲激光束的入射位置信息，

根据所获取的所述入射位置信息，进行所述光束扫描仪的校准。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工机的控制装置，其特征在于，

所述控制装置还具有如下功能：在加工对象物的表面位于从所述激光光源的脉冲激光束的出口的成像点偏离的位置上的状态下，控制所述激光光源及所述光束扫描仪。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工机的控制装置，其特征在于，

所述控制装置还具有如下功能：不让所述激光光源输出脉冲激光束，而使所述光束扫描仪以使脉冲激光束依次入射于加工对象物的多个被加工点的方式进行动作,从而获取与实际加工时的脉冲激光束的脉冲频率相关的信息。

5.一种激光加工方法，其用光束扫描仪来扫描从激光光源输出的脉冲激光束以使其依次入射到加工对象物表面上的多个被加工点从而进行加工，所述激光加工方法的特征在于，具有如下工序：

根据实际加工时的脉冲频率，一边输出脉冲激光束，一边使脉冲激光束入射到评价用试样的多个部位，

根据脉冲激光束的实际入射位置，进行所述光束扫描仪的校准。

6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，还具有如下工序：

在加工对象物的表面位于从所述激光光源的脉冲激光束的出口的成像点偏离的位置上的状态下，进行加工。

7.一种激光加工机，其特征在于，具有：

激光光源，其输出脉冲激光束；

光束扫描仪，其扫描从所述激光光源输出的脉冲激光束以使加工对象物表面上的脉冲激光束的入射位置移动；及

控制装置，其具有如下功能：控制所述激光光源的脉冲激光束的输出时间、向所述光束扫描仪发出使脉冲激光束入射的目标位置的指令、及根据实际加工时的脉冲频率，进行所述光束扫描仪的校准。