CN111098034A - 一种多层材料产品标记装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层材料产品标记装置，包括支撑底座、激光器支架、激光器底板、激光冷却系统、激光器系统、位移系统和治具系统。激光器系统采用皮秒激光器和光纤激光器双系统可以很好的解决不同层次材料的不同加工工艺，使用双光路系统可以使激光系统的准直调节更加方便，采用全反镜片切换光路的方法，很好的避免了皮秒激光器、光纤激光器偏振态不稳定对打标效果的影响，较大程度的提高了机器的产出效率，上下料时间不占用加工时间，极大提高了激光应用效率。激光器、振镜和聚焦镜的选择，提升了激光打标的效果和效率。在装置上设置的防护装置，可以增加装置工作时的安全性与稳定性。

Description

一种多层材料产品标记装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是指一种多层材料产品标记装置及方法。

背景技术

多层次材料的组合方式便捷，使用特点突出，在现代社会的各行各业中应用广泛。以金属作为基材，陶瓷材料和玻璃材料作为表面附着材料的多层次材料使用最多。由于材料的本质属性不一样，适用的加工方法也不一样，多层次材料虽然使用性能突出，但复杂的加工工艺制约了此类材料的大范围使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：根据不同材料及工艺对激光适应性的要求，本发明设计一种结构简单、适用性强、加工质量高、精度高的用于多层材料加工标记的激光加工装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种多层材料产品标记装置，包括支撑底座、激光器支架、激光器底板、激光冷却系统、激光器系统、位移系统和治具系统，所述激光器支架安装于所述支撑底座上，所述激光器底板安装于所述激光器支架上，所述激光器系统安装于所述激光器底板上，所述激光冷却系统连接于所述激光器系统，所述位移系统安装于所述支撑底座上，所述治具系统安装于所述位移系统上。

进一步地，所述激光器系统包括皮秒激光器、皮秒光路、光纤激光器、光纤光路、转接板组件、振镜系统和聚焦系统，所述皮秒激光器连接于所述皮秒光路，所述光纤激光器通过所述光纤光路连接所述皮秒光路，所述皮秒光路的出光端连接于所述转接板组件，所述转接板组件连接于所述振镜系统，所述振镜系统连接于所述聚焦系统。

进一步地，所述位移系统包括平台安装基座、X轴运动平台、第一Z轴运动平台、第二Z轴运动平台、第一治具安装座、第二治具安装座和拖链防护系统，所述平台安装基座安装于所述支撑底座，所述X轴运动平台连接于所述平台安装基座，所述第一Z轴运动平台、第二Z轴运动平台安装于所述X轴运动平台，所述第一治具安装座安装于所述第一Z轴运动平台，所述第二治具安装座安装于所述第二Z轴运动平台，所述第一治具安装座和第二治具安装座上设置有定位孔，所述拖链防护系统连接于所述X轴运动平台。

进一步地，所述治具系统包括治具安装底板、治具上定位板、气缸缓冲器、第一气缸、第二气缸和治具定位组件，所述治具上定位板通过立柱安装于所述治具安装底板，所述第一气缸的固定端安装于所述治具安装底板上，所述第二气缸的固定端连接于所述第一气缸的伸缩端，所述第二气缸竖向设置，所述第二气缸的伸缩端上连接一治具定位组件，所述治具定位组件上设置有凹槽，所述气缸缓冲器安装于所述治具安装底板，所述治具系统的数量为两个。

进一步地，所述皮秒光路包括光腔、扩束镜、电机安装支座、光路切换电机、第一反射镜组件、第二反射镜组件、第一定位传感器、第二定位传感器、第一传感器挡片和第二传感器挡片，所述电机安装支座设置于所述光腔内，所述光路切换电机安装于所述电机安装支座，所述第二反射镜组件连接于所述光路切换电机，所述第一定位传感器设置于所述光腔内，所述第一传感器阻挡片连接于所述第一定位传感器，所述第一传感器阻挡片设置于所述第二反射镜组件的运动轨迹上，所述第二传感器设置于所述光腔外，所述第二传感器阻挡片连接于所述第二反射镜组件，所述第二传感器设置于所述第二传感器阻挡片的运动轨迹上，所述第一反射镜组件通过反射镜座安装于所述光腔内，所述第一反射镜组件与所述扩束镜沿激光光路顺次设置。

进一步地，所述光纤光路包括光纤激光器固定座、扩束镜腔、扩束镜、折光腔、第三反射镜组件、第一光路套管、第二光路套管和光纤防护板，所述光纤防护板设置于所述光纤激光器一侧，所述光纤激光器通过所述光纤激光器固定座连接于所述激光器底板，所述光纤激光器固定座连接于所述扩束镜腔，所述扩束镜设置于所述扩束镜腔内，所述扩束镜腔连接于所述折光腔，所述第三反射镜组件通过反射镜座安装于所述折光腔内，所述折光腔的出光口、第一光路套管和第二光路套管沿激光光路顺次设置，所述第二光路套管的出光端连接于所述光腔。

进一步地，所述皮秒激光器为红外波段的激光器，波长为1064纳米，脉宽为7皮秒；所述振镜系统为2D振镜；所述的聚焦镜头为与激光器波段配套的F100镜头。

进一步地，所述光路切换电机外部设置有电机防护罩，所述电机防护罩连接于所述光腔外部；所述第一传感器外部设置有传感器护罩；所述光腔上设置有防水密封接头。

进一步地，所述第一传感器连接一限位防撞块，所述限位防撞块设置于所述第一传感器挡片的运动路径上。

同时，本发明提供一种使用上述所述的多层材料产品标记装置进行产品标记的方法，包括如下步骤：

S1:加工准备，设置待加工的材料的加工图案和参数；

S2:材料定位，将待加工的材料放置在移动平台上，调整材料的平面位置和角度，使聚焦镜头的焦点对准材料的初始加工位置；

S3:激光器选择，根据待加工材料的材质和加工效果选择合适的激光器；

S4:材料加工，激光器发射光束在材料表面聚焦，通过振镜扫描，同时配合移动平台的作用，完成不同的加工图案；

S5:激光器切换，切换不同的激光器，满足不同加工工艺和加工图案对激光器的要求。

本发明的有益效果在于：采用皮秒激光器和光纤激光器双系统可以很好的解决不同层次材料的不同加工工艺，使用双光路系统可以使激光系统的准直调节更加方便，采用全反镜片切换光路的方法，很好的避免了皮秒激光器、光纤激光器偏振态不稳定对打标效果的影响，较大程度的提高了机器的产出效率，上下料时间不占用加工时间，极大提高了激光应用效率。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构：

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明激光器系统的立体图；

图3为本发明皮秒光路的剖视图一；

图4为本发明皮秒光路的剖视图二；

图5为本发明皮秒光路的剖视图三；

图6为本发明光纤光路的剖视图；

图7为本发明光纤光路的左视图；

图8为本发明位移系统的立体图；

图9为本发明治具系统的立体图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图9，本发明提供了一种多层材料产品标记装置，包括支撑底座1、激光器支架2、激光器底板3、激光冷却系统4、激光器系统5、位移系统6和治具系统7。

支撑底座1是箱式底座，结构牢固可靠，支撑底座1上安装有激光器支架2，激光器底板3安装在激光器支架2形成一个平台，激光器系统5安装在平台上。位移系统6安装在支撑底座1上，治具系统7安装于位移系统6上。在装置工作时，将待加工的材料放置在治具系统7上，通过治具系统7和位移系统6的调整，将待加工材料对准激光器系统5的激光光束焦点位置，通过激光器系统5内部的振镜等元件协同工作，在待加工的产品表面形成标记。激光冷却系统4连接激光器系统5，通过激光冷却系统4内部介质的循环，保持激光器系统5的温度处于正常温度范围内，从而确保激光器系统5可以长时间工作。

结合图2至图5，上述所述的激光器系统5包括皮秒激光器51、皮秒光路52、光纤激光器53、光纤光路54、转接板组件55、振镜系统56和聚焦系统57。皮秒激光器51连接于皮秒光路52，光纤激光器53通过光纤光路54连接所述皮秒光路52，皮秒光路52的出光端连接转接板组件55，转接板组件55连接振镜系统56，振镜系统56连接所述聚焦系统57。皮秒激光器51发射的激光光束经皮秒光路52、转接板组件55后到达振镜系统56和聚焦系统57，光纤激光器53发射的激光光束经光纤光路54和皮秒光路52的光路切换装置到达振镜系统56和聚焦系统57。因此该激光器系统5可以在两种类型的激光器之间切换，满足不同的材质和加工工艺的对激光器的需求。

具体的，上述所述的皮秒光路52包括光腔521、第一扩束镜522、电机安装支座523、光路切换电机524、第一反射镜组件525、第二反射镜组件526、第一定位传感器527、第二定位传感器528、第一传感器挡片529和第二传感器挡片530。

电机安装支座523设置于光腔521内，光路切换电机524安装在电机安装支座523上。第二反射镜组件526安装在光路切换电机524，可以在光腔521内切换第二反射镜组件526的位置，第二反射镜组件526的位置状态有两种。当皮秒激光器51出光时，第二反射镜组件526处于避让位，当光纤激光器53出光时，第二反射镜组件526处于切换位。第一定位传感器527设置于光腔521内，第一传感器阻挡片529设置于第二反射镜组件526的运动轨迹上。当第二反射镜组件526运动到切换位时，第一传感器阻挡片529与第一定位传感器527结合生成一个位置确认信号，光纤激光器53才可以顺利出光，防止第二反射镜组件526位置未就绪时，光纤激光器53发出光束，对光腔521内的元件损毁。同理，当需要皮秒激光器51出光时，第二反射镜组件526需要处于避让位。第二反射镜组件526上安装有第二传感器挡片530，第二定位传感器528固定安装于光腔521外。当光路切换电机524带动第二反射镜组件526切换至避让位时，第二传感器挡片530触发第二定位传感器528生成位置确认信号，此时皮秒激光器51才能顺利出光。

第一反射镜组件525通过镜座安装于光腔521内，第一扩束镜522安装于光腔521内，第一反射镜组件525和扩束镜522激光光路顺序依次设置。皮秒激光器51发射激光光束后，经过第一反射镜组件525反射到达第一扩束镜522，经过第一扩束镜522的扩束、准直之后到达振镜系统56和聚焦系统57，进而到达待加工材料的表面。

光纤光路54包括光纤激光器固定座541、扩束镜腔542、第二扩束镜543、折光腔544、第三反射镜组件545、第一光路套管546、第二光路套管547和光纤防护板548。光纤激光器53安装在光纤激光器固定座541上，光纤激光器固定座541安装在激光器底板3上，光纤防护板548安装于光纤激光器53的一端。光纤激光器固定座541连接于所述扩束镜腔542，第二扩束镜543设置于扩束镜腔542内，扩束镜腔542连接折光腔544的进光口，第三反射镜组件545设置于折光腔544内，折光腔544的出光口、第一光路套管546和第二光路套管547沿激光光路顺次设置，第二光路套管547的出光端连接于光腔521。

由上述可知，光纤激光器53发射激光光束至第二扩束镜543，激光光束经第二扩束镜543扩束准直后进入折光腔544，在折光腔544内经第三反射镜组件545的反射，依次进入第一光路套管546和第二光路套管547，第二光路套管547的出光端连接光腔521。当第二反射镜组件526运动到切换位时，第一传感器阻挡片529与第一定位传感器527结合生成一个位置确认信号，光纤激光器53才可以顺利出光，防止第二反射镜组件526位置未就绪时，光纤激光器53发出光束，对光腔521内的元件损毁。光纤激光器53发出光束经第二反射镜组件526反射后，到达振镜系统56和聚焦系统57，进而到达待加工材料的表面。

结合图8，上述所述的位移系统6包括平台安装基座61、X轴运动平台62、第一Z轴运动平台63、第二Z轴运动平台64、第一治具安装座65、第二治具安装座66和拖链防护系统67。平台安装基座61安装在支撑底座1上，X轴运动平台62连接于平台安装基座61，平台安装基座61的刚性较好，因此可以确保位移系统6的稳定性。第一Z轴运动平台63和第二Z轴运动平台64安装于X轴运动平台上。第一Z轴运动平台63和第二Z轴运动平台64在X轴方向上的运动是同步的，Z轴主要是将待加工材料放置至聚焦镜头相匹配的工作位置。加工过程中，高度可以根据需要随时变化。第一Z轴运动平台63和第二Z轴运动平台64也可以分别调节，能够解决不同治具误差造成的激光加工焦点位置不同的问题。第一Z轴运动平台63上安装有第一治具安装座65，第二Z轴运动平台64上安装有第二治具安装座66，治具系统7安装在第一治具安装座65和/或第二治具安装座66上，两者可以进行良好的匹配，使激光加工位置达到最佳的状态。与此同时，在X轴运动平台62的拖链上设置有拖链防护系统67，可以增加工作时的安全性。

结合图9，上述所述的治具系统7包括治具安装底板71、治具上定位板72、气缸缓冲器73、第一气缸74、第二气缸75和治具定位组件76。治具上定位板72通过立柱安装在治具安装底板71上，治具安装底板71能够与第一治具安装座65和/或第二治具安装座66相互匹配。第一气缸74的固定端连接治具安装底板71的顶面，第一气缸74的伸缩方向与X轴运动平台62的运动方向垂直，即Y轴方向，第二气缸75的固定端安装于第一气缸74的伸缩的伸缩端，第二气缸7竖向设置，治具定位组件76安装在第二气缸75的伸缩端。有上述可知，当待加工的材料放置在治具定位组件76上后，可以在第二气缸75的作用下沿Z轴方向运动，可以在第一气缸74的作用下沿Y轴运动，可以在第一Z轴运动平台63和第二Z轴运动平台64的作用下沿Z轴方向运动，可以在X轴运动平台62的作用下沿X轴方向运动。进而将待加工的材料与聚焦镜头互相配合，完成材料的打标工作。与此同时，在治具安装底板71上安装了气缸缓冲器73，用于降低治具系统7在加工过程中的振动，降低振动对打标效果的影响。

结合上述装置，现提供一种使用上述装置进行产品标记的方法，包括如下步骤：

S1:加工准备：设置待加工的材料的加工图案和参数；

S2:材料定位：将待加工的材料放置在移动平台上，调整材料的平面位置和角度，使聚焦镜头的焦点对准材料的初始加工位置；

S3:激光器选择：根据待加工材料的材质和加工效果选择合适的激光器；

S4:材料加工：激光器发射光束在材料表面聚焦，通过振镜扫描，同时配合移动平台的作用，完成不同的加工图案；

S5:激光器切换：切换不同的激光器，满足不同加工工艺和加工图案对激光器的要求。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：采用皮秒激光器和光纤激光器双系统可以很好的解决不同层次材料的不同加工工艺，使用双光路系统可以使激光系统的准直调节更加方便，采用全反镜片切换光路的方法，很好的避免了皮秒激光器、光纤激光器偏振态不稳定对打标效果的影响，较大程度的提高了机器的产出效率，上下料时间不占用加工时间，极大提高了激光应用效率。

实施例1

在材料加工过程中，设备面临长时间的工作，同时部分加工材料需要较高的功率才能完成良好的打标效果，因此需要选用功率较高的激光器。因此本发明所选用的皮秒激光器采用红外波段的激光器，波长为1064纳米，脉宽为7皮秒，此类型的激光器输出功率高，使用寿命长，便于维护，可长时间连续工作。

在材料加工过程中，激光打标时的图案各种各样，客户需求多样，激光打标机需要完成多种不同的工艺，才能满足生产的需求。因此本发明所选用的振镜系统56中包括一个2D振镜，能够在材料表面生成2D打标效果，增加了达标效率，提升打标的效果。

与此同时，在材料加工过程中，选用与激光器波段配套的F100镜头，提升打标的效果。

实施例2

在材料加工过程中，装置的工作环境为生产车间，环境中存在许多不确定性的干扰因素。在装置可能受到干扰的地方增加一些防护措施，可以增加装置工作时的安全性与稳定性。

光路切换电机524在激光器切换的过程中部分组件在光腔521外，第二传感器挡片530与第二定位传感器528均设置在光腔521，因此长时间受环境因素干扰后，可能存在元件受损的情况，因此在光腔521外设置有电机防护罩5211，将光路切换电机524、第二传感器挡片530与第二定位传感器528进行保护，减少外部干扰。

装置在设计时采用第一传感器527和第二传感器528切换位置后才能生成通路信号，皮秒激光器和光纤激光器方可分别出光。为了防止两个激光器同时出光烧毁内部传感器，在第一传感器527外部设置有传感器护罩5271，作为增加安全性的进一步举措。

环境中的水分会对传感器、镜片的使用产生干扰，同时水分结合空气也会逐渐降低电子元器件的使用寿命，因此在光腔521上设置有防水密封接头5212，防止水分子对电子元件以及镜片的干扰。

光路切换电机524在激光器切换的过程中会带动第二反射镜组件526运动，当需要光线激光器出光时，第二反射镜组件526运动至切换位，此时第二反射镜组件526与第一传感器阻挡片529接触，触发在第一传感器527生成通路信号。为避免第二反射镜组件526在光路切换电机524的作用下运动过量对第一传感器527产生破坏，以及损坏第二反射镜组件526，因此在光腔521内设置硬限位防撞块5272，硬限位防撞块5272设置于所述第一传感器挡片的运动轨迹上。

综上所述，本发明提供的多层材料产品标记装置，采用皮秒激光器和光纤激光器双系统可以很好的解决不同层次材料的不同加工工艺，使用双光路系统可以使激光系统的准直调节更加方便，采用全反镜片切换光路的方法，很好的避免了皮秒激光器、光纤激光器偏振态不稳定对打标效果的影响，较大程度的提高了机器的产出效率，上下料时间不占用加工时间，极大提高了激光应用效率。激光器、振镜和聚焦镜的选择，增加了激光打标的效果和效率。在装置上设置的防护装置，可以增加装置工作时的安全性与稳定性。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多层材料产品标记装置，其特征在于：包括支撑底座、激光器支架、激光器底板、激光冷却系统、激光器系统、位移系统和治具系统，所述激光器支架安装于所述支撑底座上，所述激光器底板安装于所述激光器支架上，所述激光器系统安装于所述激光器底板上，所述激光冷却系统连接于所述激光器系统，所述位移系统安装于所述支撑底座上，所述治具系统安装于所述位移系统上。

2.如权利要求1所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述激光器系统包括皮秒激光器、皮秒光路、光纤激光器、光纤光路、转接板组件、振镜系统和聚焦系统，所述皮秒激光器连接于所述皮秒光路，所述光纤激光器通过所述光纤光路连接所述皮秒光路，所述皮秒光路的出光端连接于所述转接板组件，所述转接板组件连接于所述振镜系统，所述振镜系统连接于所述聚焦系统。

3.如权利要求1所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述位移系统包括平台安装基座、X轴运动平台、第一Z轴运动平台、第二Z轴运动平台、第一治具安装座、第二治具安装座和拖链防护系统，所述平台安装基座安装于所述支撑底座，所述X轴运动平台连接于所述平台安装基座，所述第一Z轴运动平台、第二Z轴运动平台安装于所述X轴运动平台，所述第一治具安装座安装于所述第一Z轴运动平台，所述第二治具安装座安装于所述第二Z轴运动平台，所述第一治具安装座和第二治具安装座上设置有定位孔，所述拖链防护系统连接于所述X轴运动平台。

4.如权利要求1所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述治具系统包括治具安装底板、治具上定位板、气缸缓冲器、第一气缸、第二气缸和治具定位组件，所述治具上定位板通过立柱安装于所述治具安装底板，所述第一气缸的固定端安装于所述治具安装底板上，所述第二气缸的固定端连接于所述第一气缸的伸缩端，所述第二气缸竖向设置，所述第二气缸的伸缩端上连接一治具定位组件，所述治具定位组件上设置有凹槽，所述气缸缓冲器安装于所述治具安装底板，所述治具系统的数量为两个。

5.如权利要求2所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述皮秒光路包括光腔、第一扩束镜、电机安装支座、光路切换电机、第一反射镜组件、第二反射镜组件、第一定位传感器、第二定位传感器、第一传感器挡片和第二传感器挡片，所述电机安装支座设置于所述光腔内，所述光路切换电机安装于所述电机安装支座，所述第二反射镜组件连接于所述光路切换电机，所述第一定位传感器设置于所述光腔内，所述第一传感器阻挡片连接于所述第一定位传感器，所述第一传感器阻挡片设置于所述第二反射镜组件的运动轨迹上，所述第二传感器设置于所述光腔外，所述第二传感器阻挡片连接于所述第二反射镜组件，所述第二传感器设置于所述第二传感器阻挡片的运动轨迹上，所述第一反射镜组件通过反射镜座安装于所述光腔内，所述第一反射镜组件与所述第一扩束镜沿激光光路顺次设置。

6.如权利要求2所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述光纤光路包括光纤激光器固定座、扩束镜腔、第二扩束镜、折光腔、第三反射镜组件、第一光路套管、第二光路套管和光纤防护板，所述光纤防护板设置于所述光纤激光器一侧，所述光纤激光器通过所述光纤激光器固定座连接于所述激光器底板，所述光纤激光器固定座连接于所述扩束镜腔，所述第二扩束镜设置于所述扩束镜腔内，所述扩束镜腔连接于所述折光腔，所述第三反射镜组件通过反射镜座安装于所述折光腔内，所述折光腔的出光口、第一光路套管和第二光路套管沿激光光路顺次设置，所述第二光路套管的出光端连接于所述光腔。

7.如权利要求2所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述皮秒激光器为红外波段的激光器，波长为1064纳米，脉宽为7皮秒；所述振镜系统为2D振镜；所述的聚焦镜头为与激光器波段配套的F100镜头。

8.如权利要求2所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述光路切换电机外部设置有电机防护罩，所述电机防护罩连接于所述光腔外部；所述第一传感器外部设置有传感器护罩；所述光腔上设置有防水密封接头。

9.如权利要求2所述的多层材料产品标记装置，其特征在于：所述第一传感器连接一限位防撞块，所述限位防撞块设置于所述第一传感器挡片的运动路径上。

10.一种使用权利要求1-9任一所述的多层材料产品标记装置进行产品标记的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:加工准备，设置待加工的材料的加工图案和参数；

S2:材料定位，将待加工的材料放置在移动平台上，调整材料的平面位置和角度，使聚焦镜头的焦点对准材料的初始加工位置；

S3:激光器选择，根据待加工材料的材质和加工效果选择合适的激光器；

S4:材料加工，激光器发射光束在材料表面聚焦，通过振镜扫描，同时配合移动平台的作用，完成不同的加工图案；

S5:激光器切换，切换不同的激光器，满足不同加工工艺和加工图案对激光器的要求。

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