CN112620964B - 一种基于包覆建模的激光加工控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于包覆建模的激光加工控制方法，包括：接收包覆建模数字信息，控制图形引导装置投射包覆图形；旋转载物平台以第一速度旋转工件；激光振荡器使第一发射脉冲光振荡；脉冲分支单元将第一发射脉冲光分支为主脉冲光和子脉冲光；第一和第二能量转换单元分别改变主脉冲光和子脉冲光的能量；脉冲移位单元移位子脉冲光的光路，使得子脉冲光的照射位置相对于主脉冲光的照射位置偏移；脉冲延迟单元延迟子脉冲光施加至工件的时间；从光束扫描单元向工件的加工位置照射主脉冲光和子脉冲光；激光振荡单元振荡第二发射脉冲光；对第二发射脉冲光和之后由激光振荡单元振荡的所有脉冲光执行上面的所有步骤，直至加工完毕。

Description

一种基于包覆建模的激光加工控制方法

技术领域

本发明涉及用激光束进行加工技术领域，特别涉及一种基于包覆建模的激光加工控制方法。

背景技术

激光的应用之一是刻蚀，激光照射加工对象，加工对象吸收高能量的激光，通过激光的吸收在刻蚀的位置从加工对象的表面形成图案或文字。随着图案或文字的深度不同，单一的激光光束加工效果并不理想，且当深度越深，必须提高于激光工件位置的聚光激光的功率密度或能量密度，工件易被切断或穿孔。

另一方面，在激光加工过程中，由于停电等原因造成加工被中断或停止之后，激光加工设备虽然可以利用现有技术实现激光束加工的恢复，激光加工设备加工操作的剩余部分。但是，在某些情况下，在激光加工设备中断加工操作之后，在激光束加工期间工件上的激光加工位置易发生偏移，且如果恢复加工时工件的位置与刚好在中断之前的位置不同，则该设备可能无法根据用户所需的图案进行激光束加工。

例如，专利文献（公开号为CN102574245A 公开日为20120711），涉及激光加工方法以及激光加工装置，使聚光透镜的光轴沿被割断部件的割断预定线进行相对移动的方式向部件聚集照射激光。该技术方案无法准确控制激光束在焦点位置上的加工层次，且加工速度明显降低。

再例如，专利文献（公开号为CN104334312A公开日为20150204），涉及用于激光切割工件的方法，该方法包含：产生具有数个超短脉波的一激光光束以及聚焦该激光光束，而使一能量密度足以于烧蚀区处烧蚀基板的一表面，其中该光束利用波导自聚焦效应穿透该烧蚀区而到达该工件内的一内部位置，以于该内部位置处对该工件的材料造成晶体损伤。该技术方案存在的弊端即无法在加工被中断之后，准确恢复中断加工前光束所在的位置。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种基于包覆建模的激光加工控制方法，包括如下步骤：

接收包覆建模数字信息，控制图形引导装置投射包覆图形；

旋转载物平台以第一速度旋转工件；

激光振荡器使第一发射脉冲光振荡；

脉冲分支单元将第一发射脉冲光分支为主脉冲光和子脉冲光；

第一和第二能量转换单元分别改变主脉冲光和子脉冲光的能量；

脉冲移位单元移位子脉冲光的光路，使得子脉冲光的照射位置相对于主脉冲光的照射位置偏移；

脉冲延迟单元延迟子脉冲光施加至工件的时间；

从光束扫描单元向工件的加工位置照射主脉冲光和子脉冲光；

激光振荡单元振荡第二发射脉冲光；

对第二发射脉冲光和之后由激光振荡单元振荡的所有脉冲光执行上面的所有步骤，直至加工完毕。

进一步地，当加工被中断时，停止位置发送单元将主脉冲光和子脉冲光停止位置坐标数据发送到CPU，并存储在RAM中。

进一步地，当CPU确定恢复加工时，CPU执行引导图形引导装置的生成图案处理；识别加工中断时存储在RAM中的坐标数据；从所述坐标数据识别停止点处未完成的加工图形，继续加工。

进一步地，当包覆图形是加工深度一致的二维图形时，激光加工设备执行栅格扫描，主脉冲光从上到下依次一次加工一行，子脉冲光从左到右依次一次加工一列。

进一步地，当包覆图形是轮廓字体时，激光加工设备的主脉冲光首先沿着每个字体的轮廓执行矢量扫描，然后子脉冲光从轮廓所包围的区域开始进行栅格扫描，所述主脉冲光与所述子脉冲光加工深度不一致的。

进一步地，中心固定单元将工件的中心点固定于旋转载物平台上，使得旋转载物平台以趋近等速的方式旋转工件。

进一步地，用Solidworks软件，创建工件的三维模型，进行包覆建模，形成包覆建模数字信息，

进一步地，所述主脉冲光以垂直于工件表面的方向加工工件，子脉冲光以倾斜于工件表面的方向加工工件。

进一步地，所述旋转载物平台耦接第一和第二能量转换单元，使得旋转载物平台的旋转速度随主脉冲光和子脉冲光的能量密度变化而调整。

进一步地，所述图形引导装置被布置在与光束扫描单元的大致平行的位置以相对于工件表面四十五度的角度投射可见激光束。

本发明的有益效果为：

1、主脉冲光和子脉冲光分别加工包覆图形的不同部分，在工件对应的加工表面形成深度不同的加工层次，防止聚光激光的功率密度或能量密度过于集中，造成的工件被切断或穿孔。

2、利用CPU和RAM对加工被中断之后的加工数据进行存储，准确恢复中断加工前激光光束所在的位置。

3、加工前利用包覆建模对加工图形的刻蚀效果进行制作，并利用图形引导装置匹配地投射至工件预加工表面，使得激光能够按照包覆建模数字信息进行加工，加工效果可预见。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的优选实施例的激光加工设备的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例重激光加工装置对工件进行加工的流程示意图；

图3为本发明的优选实施例的连接了外部计算机的激光加工系统的结构示意图；

图4为示例性地显示了利用Solidworks软件包覆建模的效果图；

图5为根据本发明实施例的控制单元的结构示意图；

图6为本发明的优选实施例中加工被中断后的恢复操作流程图；

其中，100、激光加工设备；200、工件；300、外部计算机；400、旋转载物平台；110、激光振荡单元；120、脉冲分支单元；131、第一能量转换单元；132、第二能量转换单元；140、脉冲位置移位单元；150、脉冲延迟单元；160、光束扫描单元； 161、聚光透镜；170、控制单元；180、图形引导装置；171、CPU；172、RAM；173、ROM；174、计时器；175、停止位置发送单元；176、电池；401、中心固定单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明的优选实施例的激光加工设备100的结构示意图。根据本实施例的激光加工设备100用激光束照射诸如金属或半导体的工件200，并且通过激光烧蚀将工件200的表面加工成图案，工件200放置于旋转载物平台400之上。

如图1所示，激光加工装置100包括激光振荡单元110，脉冲分支单元120，能量分布转换单元131、132，脉冲位置移位单元140，脉冲延迟单元150，光束扫描单元160和控制单元170，其中光束扫描单元160具有聚光透镜161。

激光振荡单元110以例如10ns至10ms的恒定周期振荡,具有例如10ps或更小的脉冲宽度的超短脉冲光。激光振荡单元110例如由光谐振器和光放大器构成,从激光振荡单元110振荡的脉冲光入射在脉冲分支单元120上。

脉冲分支单元120将脉冲光分支为两个脉冲光,一束主脉冲光，一束子脉冲光。脉冲分支单元120由透射一定比例的光并反射剩余的光的半反射镜构成。主脉冲光和子脉冲光分别入射在第一能量转换单元131和第二能量转换单元132上。在图1中，实线和虚线分别示出了主脉冲光和子脉冲光的路径。

第一能量转换单元131和第二能量转换单元132可以转换主脉冲光和子脉冲光的能量分布，在第一实施例中，主脉冲光以垂直于工件表面的方向加工图形，子脉冲光以倾斜于工件表面的方向加工图形。

由第一能量转换单元131形成的主脉冲光直接入射在光束扫描单元160上，由第二能量转换单元132形成的子脉冲光依次通过脉冲移位单元140、脉冲延迟单元150后，入射在光束扫描单元160上。

由第二能量转换单元132形成的子脉冲光的光路被脉冲移位单元140进行偏移，使得子脉冲光的照射位置相对于主脉冲光的照射位置偏移。此外，当主脉冲光和子脉冲光在工件上组合时，由于主脉冲光和子脉冲光的能量不同，因此它们具有不同的加工层次或者加工深度。在本实施方式中，脉冲移位单元140使子脉冲光的光路移动，但作为其他实施方式，脉冲移位单元140也可以使主脉冲光的光路移动。在这种情况下，脉冲移位单元140移位主脉冲的光路，使得主脉冲光的照射位置相对于子脉冲光的照射位置偏移。

脉冲延迟单元150用于将从脉冲移位单元140出射的子脉冲光的照射时间进行延迟，使得子脉冲光在主脉冲光照射到工件200之后照射工件200。

照射时间被脉冲延迟单元150延迟的子脉冲光随后入射在光束扫描单元160上。光束扫描单元160可以是电扫描仪，入射在光束扫描单元160上的主脉冲光和子脉冲光均被反射镜（未视出）反射并向工件200的加工位置照射。设置在光束扫描单元160的反射器与工件200之间的聚光透镜161将从光束扫描单元160发射的主脉冲光和子脉冲光会聚在工件200的加工位置上。主脉冲光和子脉冲光具有不同的照射直径，主脉冲光和子脉冲光的照射直径均小于或等于图形或文字轮廓的宽度。

旋转载物平台400用以承载工件200并以第一速度旋转工件200，使主脉冲光和子脉冲光环绕照射工件200的加工表面。其中，旋转载物平台400耦接能量分布转换单元131、132，使得主脉冲光和子脉冲光的能量变化时相应地调整所述第一速度。

中心固定单元401可将工件200的中心点固定于旋转载物平台400上，使得旋转载物平台400可以趋近等速的方式旋转工件200。

控制单元170由计算机等组成，并且驱动和控制上述激光振荡单元110，脉冲分支单元120，第一和第二能量转换单元131、132，脉冲移位单元140，脉冲延迟单元150，光束扫描单元160。

参照图2的流程图，对由激光加工装置100对工件200进行加工的控制方法进行说明。

首先，步骤S1，将工件200安装在旋转载物平台400上，使旋转载物平台400以初始第一速度旋转，开始激光加工。

在步骤S2中,激光振荡器110使第一发射脉冲光振荡。

在步骤S3中，脉冲分支单元120将第一发射脉冲光分支为主脉冲光和子脉冲光。

在步骤S4中，第一和第二能量转换单元131、132分别改变主脉冲光和子脉冲光的能量。

在步骤S5中，脉冲移位单元140移位子脉冲光的光路，使得子脉冲光的照射位置相对于主脉冲光的照射位置偏移。

在步骤S6中，脉冲延迟单元150延迟子脉冲光施加至工件200的时间。

其中，在优选实施方式中，主脉冲光施加于工件200的时间与子脉冲光施加于工件200的时间之差为3皮秒。

在步骤S7中，从光束扫描单元160向工件200的加工位置照射主脉冲光。

在步骤S8中，激光振荡单元110振荡第二发射脉冲光。

回到步骤S2，对第二发射脉冲光和之后由激光振荡单元110振荡的所有脉冲光执行从步骤S2到步骤S7的上述处理。

直至最后工件200被激光加工完毕。

下面进一步地，介绍激光加工装置基于包覆建模的数字信息实现对工件表面的图形加工的系统及控制方法。

参考附图3为连接了外部计算机300的激光加工设备100的结构示意图，在该示意图中，激光加工设备100还包括图形引导装置180，图形引导装置180同样受控于控制单元170，外部计算机300和激光加工设备100无线连接。

图形引导装置180被布置在光束扫描单元的近似平行的位置上。图形引导装置180投射的可见激光束以相对于工件200表面四十五度的角度投射。

具体地，基于包覆建模的数字信息实现对工件表面的图形加工的介绍如下所述：

包覆建模是将草图或者文字包裹到平面或非平面中的一种建模方式。设计者可在平面上生成草图或者文字,然后包覆到模型的某个面上,这个面可以是圆柱、圆锥或拉伸的模型生成的某个表面。当被包覆面是平面时,用于包覆特征的草图所在面必须与被包覆平面平行,也可以将草图包覆到自身所在的平面上；当被包覆的面是曲面时,用于包覆特征的草图所在面必须与包覆曲面相切。用于包覆特征的草图只允许包含一个或者多个闭环轮廓。

具体地控制方法如下：

首先，用户在外部计算机300上进行操作，利用Solidworks软件，创建对应于工件200的三维模型，点击 “包覆”命令按钮，如图4所示示例性地显示出将包覆图形包覆在三维模型预加工表面的效果，形成包覆建模的数字信息，该包覆建模数字信息包括在工件200上加工的图形尺寸信息、激光加工深度等参数以及工件200的材料特性等等。

其次，控制单元170接收外部计算机300形成的包覆建模数字信息，控制图形引导装置180投射包覆在三维模型预加工表面的包覆图形，并确保该虚拟的包覆图形通过三维模型与工件的对应镶嵌在工件加工表面上，调整脉冲移位单元140和光束扫描元件的相对于工件表面的取向和位置，以允许根据先前的包覆建模数字信息实施图形的加工。

当包覆图形是加工深度一致的二维图形时，激光加工设备100执行栅格扫描。即，激光加工装置100的主脉冲光从上到下依次一次加工一行，子脉冲光从左到右依次一次加工一列，其中每一栅格表示二维图形数据的最小单位的单元阵列。

换句话说，激光加工设备100将加工深度一致的二维图形划分为多个单元，并用相互的栅格填充单个单元。

当包覆图形是轮廓字体时，激光加工设备100的主脉冲光首先沿着每个字符的轮廓执行矢量扫描，然后子脉冲光从轮廓所包围的区域开始进行光栅扫描，其中，轮廓与该轮廓所包围的区域的加工深度不一致的。

当包覆图形包括多个对象时，则根据预定的加工顺序依次扫描工件。

在优选实施例中，如图5所示，控制单元170由计算机实现，并且包括CPU171、RAM172、ROM173、计时器174、停止位置发送单元175和电池176。CPU171、RAM172、ROM173、计时器174、停止位置发送单元175和电池176经由总线（未示出）互连。

通过执行存储在ROM173上的各种程序，CPU171控制激光加工设备100。RAM172用作CPU171在执行各种处理时使用的主存储设备。例如，提供计时器174测量时间以确定CPU171何时开始程序。电池176在例如由于停电而使外接电源的输出停止的情况下，向停止位置发送单元175等供电。

停止位置发送单元175用于发送停电时光束扫描单元160输出的主脉冲光和子脉冲光的停止位置坐标数据。

当从外接电源供应的电力被停止时，停止位置发送单元175从电池176接收电力并且将停止位置坐标数据发送到CPU171。

参考附图6，为本实施例中，当加工被中断时，采用如下控制方式实现激光加工中断后的恢复操作：

首先，步骤S11，CPU171确定激光加工是否已经中断，若判断激光加工已经中断，仅进入步骤S12，CPU171获取停止位置坐标数据并将该停止位置坐标数据存储在RAM172中；

步骤S13，激光加工设备100的停止位置发送单元175将最新的坐标数据发送到CPU171。

另一方面，若判断激光加工没有中断，则继续按照附图2中的加工控制步骤继续加工。

步骤S14，当从停止位置发送单元175接收到加工停止位置坐标数据时，CPU171在LCD（未示出）上显示 “恢复加工”按钮。

当恢复电源时，如果用户希望恢复中断的加工操作，则进入步骤S15，用户打开激光加工设备100的电源并选择LCD上的“恢复加工”按钮。

在步骤S16中，CPU171确定所述激光加工设备100与外部计算机300的连接状态从离线变成在线之后，进入步骤S17；

在步骤S17中，在外部计算机300和激光加工设备100之间的通信变为可能之后，CPU171执行引导图形引导装置180的图案投射处理；

在步骤S18中，CPU171识别加工中断时存储在RAM172中的坐标数据；

在步骤S19中，CPU171根据所述坐标数据识别未完成的加工图形的停止点。

在步骤S20中，CPU171基于在图2所示的加工过程的继续加工工件未加工的区域。

在此需要说明的是，当用户确定不恢复加工时，用户点击LCD“退出加工”按钮（未示出），CPU171接收到用户的退出命令以退出加工过程。

在优选实施例中，在工件200的加工表面上，因于激光的照射区域与未照射区域之间存在有温度梯度，当温度梯度产生的张应力大于工件材料的抗张强度时，使得加工表面易劈裂，因此在本实施例中，激光加工设备另可包含一送风喷嘴（未示出），送风喷嘴输出冷却气体至工件200的加工表面或被激光照射表面的背面，从而降低激光的照射区域与未照射区域之间的温度梯度，防止工件200劈裂。

本发明通过采用主脉冲光和子脉冲光分别加工包覆图形的不同部分，在工件对应的加工表面形成深度不同的加工层次，防止聚光激光的功率密度或能量密度过于集中，造成的工件被切断或穿孔。同时，当停电等紧急情况发生时，利用CPU和RAM对加工被中断之后的加工数据进行存储，准确恢复中断加工前激光光束所在的位置。在激光束对工件进行加工前，先利用软件进行包覆建模，从而对加工图形的刻蚀效果进行预览，并利用图形引导装置匹配地投射至工件预加工表面，使得激光能够按照包覆建模数字信息进行加工，加工效果可预见。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了闸述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，包括：

接收包覆建模数字信息，控制图形引导装置投射包覆图形，所述图形引导装置被布置在与光束扫描单元的大致平行的位置，以相对于工件表面四十五度的角度投射可见激光束；

旋转载物平台以第一速度旋转工件；

激光振荡器使第一发射脉冲光振荡；

脉冲分支单元将第一发射脉冲光分支为主脉冲光和子脉冲光；

第一和第二能量转换单元分别改变主脉冲光和子脉冲光的能量；

脉冲移位单元移位子脉冲光的光路，使得子脉冲光的照射位置相对于主脉冲光的照射位置偏移；

脉冲延迟单元延迟子脉冲光施加至工件的时间；

从光束扫描单元向工件的加工位置照射主脉冲光和子脉冲光；

激光振荡单元振荡第二发射脉冲光；

对第二发射脉冲光和之后由激光振荡单元振荡的所有脉冲光执行上面的操作，直至加工完毕；

当所述包覆图形是加工深度一致的二维图形时，光束扫描单元执行栅格扫描，主脉冲光从上到下依次一次加工一行，子脉冲光从左到右依次一次加工一列；

当所述包覆图形是轮廓字体时，主脉冲光首先沿着所述轮廓字体的轮廓执行矢量扫描，然后子脉冲光从轮廓所包围的区域开始进行栅格扫描，且所述主脉冲光与所述子脉冲光加工深度不一致。

2.根据权利要求1所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，当加工被中断时，停止位置发送单元将主脉冲光和子脉冲光的停止位置坐标数据发送到CPU，并存储在RAM中。

3.根据权利要求2所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，当CPU确定恢复加工时，CPU执行引导图形引导装置的图案投射处理，读取加工中断时存储在RAM中的坐标数据，从所述坐标数据识别加工图形的停止点继续加工。

4.根据权利要求1所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，中心固定单元将工件的中心点固定于旋转载物平台上，使得旋转载物平台以趋近等速的方式旋转工件。

5.根据权利要求1所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，所述包覆建模数字信息是利用Solidworks软件进行包覆建模而形成。

6.根据权利要求1所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，所述主脉冲光以垂直于工件表面的方向进行加工，所述子脉冲光以倾斜于工件表面的方向进行加工。

7.根据权利要求1所述的基于包覆建模的激光加工控制方法，其特征在于，所述旋转载物平台耦接所述第一和第二能量转换单元，使得旋转载物平台的旋转速度随主脉冲光和子脉冲光的能量的变化而改变。

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