CN110587143B - 一种曲面fss激光刻蚀设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面FSS激光刻蚀设备，其包括基座、立柱、水平轴、水平转台、俯仰轴、俯仰转台、支撑部件、光学组件和激光部件；立柱、水平轴设置于基座上，水平转台设置于水平轴上，水平转台在水平轴上做水平运动或围绕自身的中心轴旋转，俯仰轴沿竖直方向设置于立柱的侧面，俯仰转台设置于俯仰轴上，俯仰转台沿俯仰轴上下运动或围绕自身的中心轴旋转，支撑部件设置于水平转台上，光学组件设置于俯仰转台上，激光部件用于发射激光并传导至光学组件，光学组件将激光导向至放置于支撑部件上的待加工薄罩。本发明通过水平转台和俯仰转台之间的联动，减少了多轴联动产生的误差，提高了精度，使得本设备可以在曲面上高精度刻蚀。

Description

一种曲面FSS激光刻蚀设备及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种曲面FSS激光刻蚀设备及方法。

背景技术

在机械工业和电子工业领域，经常需要在已经成型的自由曲面零件表面上再进行精密刻蚀加工，如在曲面表层雕刻三维纹理图案或刻蚀密布浅沟槽，可以获得美观、耐磨或特殊电磁学特性等效果。

目前，针对于曲面FSS激光刻蚀，国内有采用多轴数控加工中心、用传统铣刀加工的，但加工精度、加工效率偏低，并存在接触性加工受力毁伤等问题，还有采用类似于3D打标的投影式振镜扫描激光刻蚀，对于一般二次曲面采用分片加工后组合的方法，但分片存在导电不连续、不完全随形而产生的空气间隙造成曲面FSS性能严重下降等问题。

发明内容

本发明提供一种曲面FSS激光刻蚀设备及方法，以解决现有的曲面FSS激光刻蚀方案精度低，误差大，难以达到预期效果的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种曲面FSS激光刻蚀设备，其包括基座、立柱、水平轴、水平转台、俯仰轴、俯仰转台、支撑部件、光学组件和激光部件；立柱设置于所述基座上，水平轴沿水平方向设置于基座上，水平转台设置于水平轴上，水平转台在水平轴上做水平运动或围绕自身的中心轴旋转，俯仰轴沿竖直方向设置于立柱的侧面，俯仰转台设置于俯仰轴上，俯仰转台沿俯仰轴上下运动或围绕自身的中心轴旋转，支撑部件设置于水平转台上，光学组件设置于俯仰转台上，激光部件用于发射激光并传导至光学组件，光学组件将激光部件发射的激光导向至放置于支撑部件上的待加工薄罩。

作为本发明的进一步改进，支撑部件的中心轴线与水平转台的中线轴线重合。

作为本发明的进一步改进，激光部件为光纤激光器，光纤激光器设置于立柱的另一个侧面上，光纤激光器发射的激光通过光纤导入光学组件。

作为本发明的进一步改进，激光部件为非光纤激光器，非光纤激光器设置于基座上，俯仰轴底部设置有第一反射镜，俯仰转台内部中空且设置有第二反射镜，非光纤激光器发射激光至第一反射镜，第一反射镜将激光反射至第二反射镜，第二反射镜将激光反射至光学组件。

作为本发明的进一步改进，其还包括控制器，控制器与驱动水平转台和俯仰转台运动的驱动机构、激光部件电性连接，控制器用于接收外部输入的刻蚀参数，并根据刻蚀参数控制驱动水平转台和俯仰转台运动的驱动机构和激光部件工作。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种曲面FSS激光刻蚀方法，其应用于上述任一项的曲面FSS激光刻蚀设备，曲面FSS激光刻蚀设备包括基座、立柱、水平轴、水平转台、俯仰轴、俯仰转台、支撑部件、光学组件、激光部件和控制器；曲面FSS激光刻蚀方法包括：

S1，将放置于支撑部件上的已镀膜的等壁厚薄罩划分为多个加工区域；

S2，调整水平转台、俯仰转台、光学组件置初始加工位置，且控制激光部件发射的激光的焦斑定位至第一个加工区域；

S3，控制器接收外部输入的FSS图形和刻蚀参数值，并刻蚀出第一个加工区域的所有FSS单元；

S4，通过水平转台带动薄罩移动，并通过俯仰转台带动光学组件移动，以致激光部件发射的激光的焦斑定位到下一个加工区域；

S5，通过水平转台循环带动薄罩旋转一个圆周等分角，并每旋转一次后，刻蚀一个FSS单元，直至下一个加工区域的所有FSS单元刻蚀完成；

S6，循环执行步骤S4~步骤S5，直至在薄罩上刻蚀完FSS图形。

作为本发明的进一步改进，步骤S1之前，还包括：

对激光部件进行预热。

作为本发明的进一步改进，薄罩内壁母线与支撑部件的外表面母线一致。

作为本发明的进一步改进，加工区域为环带加工区域，环带之间的间距为沿薄罩母线等弧长。

作为本发明的进一步改进，步骤S6之后，还包括：

将水平转台、俯仰转台移动至初始加工位置。

本发明的有益效果是：本发明将放置待加工薄罩的支撑部件设置于水平转台上，将光学组件设置于俯仰转台上，通过水平转台和俯仰转台之间构成的联动机构，可实现对微米级精度的位置进行精确控制，并且两两联动形式减小了多轴联动形式的外部负载误差、耦合谐振误差及约束误差，提高了空间位置定位精度，并且不需要对待加工薄罩进行分片加工，一次性完整整个薄罩的FSS加工，避免了因分片出现导电不连续的问题，实现了高精度、大幅面的曲面FSS激光刻蚀。

附图说明

图1是本发明曲面FSS激光刻蚀设备一个实施例的结构示意图；

图2是本发明曲面FSS激光刻蚀设备另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明曲面FSS激光刻蚀方法一个实施例的流程示意图。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、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。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明曲面FSS激光刻蚀设备一个实施例的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，该曲面FSS激光刻蚀设备包括基座1、立柱2、水平轴3、水平转台4、俯仰轴5、俯仰转台6、支撑部件7、光学组件8和激光部件9。其中，立柱2设置于基座1上，且水平轴3沿水平方向设置于基座1上，水平转台4活动设置于水平轴3上且内部安装有驱动电机，从而水平转台4可以在水平轴3上做水平运动，并且，水平转台4还可围绕自身的中心轴旋转，俯仰轴5沿竖直方向设置于立柱2的侧面，且为与水平轴3相邻的侧面，俯仰转台6活动设置于俯仰轴5上且内部安装有驱动电机，从而俯仰转台6沿俯仰轴5上下运动，并且俯仰转台6还可围绕自身的中心轴旋转，支撑部件7设置于水平转台4上，光学组件8设置于俯仰转台6上，激光部件9用于发射激光并传导至光学组件8，光学组件8将激光部件9发射的激光导向至放置于支撑部件7上的待加工薄罩。

具体地，本实施例中，该薄罩竖立放置于支撑部件7上，以方便控制工件变形误差。

具体地，本实施例中，基座1和立柱2优选采用平整度高、结构稳定的材料制成，例如大理石等。

具体地，光学组件8包括了折反射元件、校准激光头、棱镜、振镜及扫描镜头等，其整体安装在俯仰转台6上，既可以与俯仰转台6一起沿垂直方向运动，又可绕俯仰转台6的中心轴线转动。

本实施例通过将放置待加工薄罩的支撑部件设置于水平转台上，将光学组件设置于俯仰转台上，通过水平转台和俯仰转台之间构成的联动机构，可实现对微米级精度的位置进行精确控制，并且两两联动形式减小了多轴联动形式的外部负载误差、耦合谐振误差及约束误差，提高了空间位置定位精度，并且不需要对待加工薄罩进行分片加工，一次性完整整个薄罩的FSS加工，避免了因分片出现导电不连续的问题，实现了高精度、大幅面的曲面FSS激光刻蚀。此外，俯仰转台和光学组件是采用悬臂结构设置在俯仰轴上，其有利于工艺操作以及以后加工范围的扩展。

进一步的，在一些实施例中，支撑部件7的中心轴线与水平转台4的中线轴线重合。

进一步的，本实施例中的激光部件9既可以是光纤激光器，也可以是非光纤激光器，如紫外线、超快激光。

在一些实施例中，如图1所示，激光部件9为光纤激光器，该光纤激光器设置于立柱2的另一个侧面上，光纤激光器发射的激光通过光纤导入光学组件8，经光学组件8聚焦在待加工薄罩表面。

在另一些实施例中，如图2所示，激光部件9为非光纤激光器，非光纤激光器设置于基座1上，俯仰轴5底部设置有第一反射镜（图中未示出），俯仰转台6内部中空且设置有第二反射镜（图中未示出），非光纤激光器发射激光至第一反射镜，第一反射镜将激光反射至第二反射镜，第二反射镜将激光反射至光学组件8。

进一步的，为了方便控制该曲面FSS激光刻蚀设备工作，上述实施例的基础上，其他实施例中，该曲面FSS激光刻蚀设备还包括控制器（图中未示出），控制器与驱动水平转台4和俯仰转台6运动的驱动机构、激光部件9电性连接，控制器用于接收外部输入的刻蚀参数，并根据刻蚀参数控制驱动水平转台4和俯仰转台6运动的驱动机构和激光部件9工作。

图3展示了本发明曲面FSS激光刻蚀方法的一个实施例。如图3所示，在本实施例中，该曲面FSS激光刻蚀方法应用于上述任一实施例中所述的曲面FSS激光刻蚀设备，该曲面FSS激光刻蚀设备包括基座、立柱、水平轴、水平转台、俯仰轴、俯仰转台、支撑部件、光学组件、激光部件和控制器。

该曲面FSS激光刻蚀方法包括以下步骤：

S1，将放置于支撑部件上的已镀膜的等壁厚薄罩划分为多个加工区域。

具体地，将已镀膜的等壁厚薄罩放置于支撑部件上，并通过轻轻转动薄罩使之与支撑部件贴合，再将薄罩的外表面划分为多个加工区域。

并且，薄罩内壁母线与支撑部件的外表面母线一致。

优选地，加工区域为环带加工区域，环带之间的间距为沿薄罩母线等弧长。

S2，调整水平转台、俯仰转台、光学组件置初始加工位置，且控制激光部件发射的激光的焦斑定位至第一个加工区域。

具体地，将激光部件发射的校准激光束聚焦再薄罩顶端或任意一个标定好的加工区域进行初始定位，并且控制水平转台、俯仰转台移动至初始加工工位。其中，该第一加工区域可以为薄罩的顶端位置或者任意一个划分好的加工区域。

S3，控制器接收外部输入的FSS图形和刻蚀参数值，并刻蚀出第一个加工区域的所有FSS单元。

具体地，刻蚀参数值包括激光刻蚀功率、运动速度等控制参数。并且，在刻蚀完第一个加工区域的第一个FSS单元时，用户还可通过目视检验输入的刻蚀参数值是否合理，如不合理则可进行调整。

S4，通过水平转台带动薄罩移动，并通过俯仰转台带动光学组件移动，以致激光部件发射的激光的焦斑定位到下一个加工区域。

具体地，在刻蚀完第一加工区域的所有FSS单元之后，通过水平转台带动薄罩在水平方向上沿远离光学组件当前焦点的方向移动到下一个位置，并且光学组件随俯仰转台向下运动到下达一个位置，最终使得光学组件的振镜和扫描镜头随俯仰转台旋转到聚焦光束法线入射值薄罩表面位置，此时激光经光学组件形成的焦斑定位到薄罩的下一个加工区域。

S5，通过水平转台循环带动薄罩旋转一个圆周等分角，并每旋转一次后，刻蚀一个FSS单元，直至下一个加工区域的所有FSS单元刻蚀完成。

具体地，该圆周等分角预先设置。薄罩随水平转台转动一个圆周等分角，在此区域加工出一个FSS单元，薄罩随水平转台再转动一个圆周等分角，则再加工出一个FSS单元，循环转动薄罩，直至加工完此加工区域的所有FSS单元。

S6，循环执行步骤S4~步骤S5，直至在薄罩上刻蚀完FSS图形。

本实施例通过水平转台和俯仰转台之间构成联动机构，通过该联动机构控制薄罩的平移或者旋转，并在薄罩每次平移或旋转之后完成对一个加工区域的刻蚀，直至在薄罩上刻蚀完FSS图形，其联动机构的设置使得加工的精度更高，避免了其他联动方式可能出现的误差，并且不需要对待加工薄罩进行分片加工，一次性完整整个薄罩的FSS加工，避免了因分片出现导电不连续的问题，实现了高精度、大幅面的曲面FSS激光刻蚀。

进一步的，为了保证刻蚀效果，上述实施例的基础上，其他实施例中，在步骤S1之前，还包括：

对激光部件进行预热。

进一步的，为了方便下一次进行刻蚀操作，上述实施例的基础上，其他实施例中，步骤S6之后，还包括：

将水平转台、俯仰转台移动至初始加工位置。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，其包括基座、立柱、水平轴、水平转台、俯仰轴、俯仰转台、支撑部件、光学组件和激光部件；所述立柱设置于所述基座上，所述水平轴沿水平方向设置于所述基座上，所述水平转台设置于所述水平轴上，所述水平转台在所述水平轴上做水平运动或围绕自身的中心轴旋转，所述俯仰轴沿竖直方向设置于所述立柱的侧面，所述俯仰转台设置于所述俯仰轴上，所述俯仰转台沿所述俯仰轴上下运动或围绕自身的中心轴旋转，所述支撑部件设置于所述水平转台上，所述光学组件设置于所述俯仰转台上，所述激光部件用于发射激光并传导至所述光学组件，所述光学组件将所述激光部件发射的激光导向至放置于所述支撑部件上的待加工薄罩；其还包括控制器，所述控制器与驱动所述水平转台和俯仰转台运动的驱动机构、所述激光部件电性连接，所述控制器用于接收外部输入的刻蚀参数，并根据所述刻蚀参数控制所述驱动所述水平转台和俯仰转台运动的驱动机构和所述激光部件工作；

利用曲面FSS激光刻蚀设备进行薄罩加工的方法包括：

S1，将放置于所述支撑部件上的已镀膜的等壁厚薄罩划分为多个加工区域；

S2，调整所述水平转台、所述俯仰转台、所述光学组件至初始加工位置，且控制所述激光部件发射的激光的焦斑定位至第一个加工区域；

S3，所述控制器接收外部输入的FSS图形和刻蚀参数值，并刻蚀出所述第一个加工区域的所有FSS单元；

S4，通过所述水平转台带动所述薄罩移动，并通过所述俯仰转台带动所述光学组件移动，以致所述激光部件发射的激光的焦斑定位到下一个加工区域；

S5，通过所述水平转台循环带动薄罩旋转一个圆周等分角，并每旋转一次后，刻蚀一个FSS单元，直至所述下一个加工区域的所有FSS单元刻蚀完成；

S6，循环执行步骤S4~步骤S5，直至在所述薄罩上刻蚀完所述FSS图形。

2.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述支撑部件的中心轴线与所述水平转台的中线轴线重合。

3.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述激光部件为光纤激光器，所述光纤激光器设置于所述立柱的另一个侧面上，所述光纤激光器发射的激光通过光纤导入所述光学组件。

4.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述激光部件为非光纤激光器，所述非光纤激光器设置于所述基座上，所述俯仰轴底部设置有第一反射镜，所述俯仰转台内部中空且设置有第二反射镜，所述非光纤激光器发射激光至所述第一反射镜，所述第一反射镜将所述激光反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜将所述激光反射至所述光学组件。

5.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，步骤S1之前，还包括：

对所述激光部件进行预热。

6.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述薄罩内壁母线与所述支撑部件的外表面母线一致。

7.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述加工区域为环带加工区域，所述环带之间的间距为沿所述薄罩母线等弧长。

8.根据权利要求1所述的曲面FSS激光刻蚀设备，其特征在于，所述步骤S6之后，还包括：

将所述水平转台、所述俯仰转台移动至初始加工位置。

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