CN114193002A - 一种自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法 - Google Patents

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程永龙
马林
郭庆
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Abstract

本发明提供了一种自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法，涉及激光切割技术领域，能够从前后方向、竖直方向、狭缝宽度三个维度对激光设备单缝衍射状态进行调节，精度高、操作简便；该装置包括：活动座，设置在激光设备安装平台上；缝片移动单元，设置在活动座上；中心调节单元，分别与缝片移动单元以及活动座连接，使缝片移动单元相对于活动座竖直方向进行移动；狭缝调节驱动单元，与所述缝片移动单元和控制单元连接，驱动所述缝片移动单元上的第一缝片和第二缝片相向或相离移动；控制单元，控制狭缝调节驱动单元动作，以将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。

Description

一种自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法。
背景技术
单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物急需传播的一种现象。如果波长与缝的尺寸相当或者更大时，衍射现象最明显，现有技术中的单缝衍射的工作原理如图1所示。半导体晶圆切割就是利用单缝衍射的原理来完成对样品的加工，光经过特定间距的单缝之后会形成明暗相间的条纹，条纹是等间距的，就可以理解能量是均匀分布。激光通过单缝衍射机构时，为达到最佳的衍射现象需要对狭缝大小进行精准调节，狭缝尺寸不同，激光切割槽的切宽不同。
现有的设备基本是根据不同的狭缝更换陶瓷片来加工不同的激光切割槽的切宽。陶瓷片本身价格比较贵，陶瓷片加工狭缝时宽度有误差，加工误差不可调节，影响切割槽的精度。
因此，有必要研究一种新的自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自动控制狭缝宽度的装置及控制狭缝宽度的方法，能够从前后方向、竖直方向以及狭缝宽度三个维度对激光设备的单缝衍射状态进行调节，调节精度高、操作简便。
一方面，本发明提供一种自动控制狭缝宽度的装置，包括：
第一缝片和第二缝片；
活动座，设置在激光设备安装平台上；
缝片移动单元，设置在所述活动座上；
中心调节单元，分别与所述缝片移动单元以及所述活动座连接，使所述缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动；以及
狭缝调节驱动单元，与所述缝片移动单元和控制单元连接，驱动所述缝片移动单元上的第一缝片和第二缝片相向或相离移动；
控制单元，控制狭缝调节驱动单元动作，以将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
进一步地，所述装置还包括缝片距离检测单元；所述缝片距离检测单元检测第一缝片运动后产生的距离信息，并将第一缝片运动后产生的距离信息发送给控制单元；控制单元接收和处理第一缝片运动后产生的距离信息。
进一步地，所述狭缝宽度d为d＝d1+2d2，d1为预设狭缝宽度，d2为第一缝片移动后产生的移动距离。
进一步地，所述缝片移动单元包括导轨安装板、第一导轨、第二导轨、第一安装板和第二安装板；所述导轨安装板上设有所述第一导轨和所述第二导轨；所述第一安装板、所述第二安装板均分别通过第一导轨滑块、第二导轨滑块与所述第一导轨、第二导轨滑动连接；所述第一缝片安装在第一安装板上，所述第二缝片安装第二安装板。
进一步地，所述狭缝调节驱动单元包括电机、丝杠，所述丝杠带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动。
进一步地，所述中心调节单元包括微分头和调节挡块；所述微分头固定安装在所述活动座上；所述调节挡块与所述导轨安装板固定连接；所述微分头与所述调节挡块接触。
进一步地，所述缝片距离检测单元包括光栅尺主尺固定板、光栅尺测试头、光栅尺测试头固定板以及光栅尺；所述光栅尺主尺固定板和所述光栅尺测试头固定板分别固定在所述导轨安装板和所述第一安装板上；所述光栅尺的主尺固设在所述光栅尺主尺固定板上，所述光栅尺的测试头固设在所述光栅尺测试头固定板上。
进一步地，所述控制单元包括编码器、伺服驱动器，伺服驱动器至少根据编码器采集的电机的位置信息、第一缝片运动后产生的距离信息计算出补偿力矩信息、补偿速度信息，并以补偿力矩信息、补偿速度信息控制电机转动，以形成闭环反馈控制。
另一方面，本发明还提供了一种自动控制狭缝宽度的方法，所述方法适用于上述任一所述的装置；所述方法的步骤包括：
S1、调节活动座在激光设备安装平台上的前后方向移动，以使得狭缝和激光设备上光源达到设定的横向距离；
S2、调节中心调节单元，使得缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动，以使得所述狭缝中心线和光源的光斑中心一致；
S3、控制狭缝调节驱动单元动作，带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动，将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
进一步地，步骤S3中，还包括：检测第一缝片运动后产生的移动距离信息，并将第一缝片运动后产生的移动距离信息发送给控制单元
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明相较于现有技术，不再考虑设备器件加工误差所带来的影响，能够实现实时精确微米级的狭缝宽度调节，使之达到最佳的单缝衍射效果，大大提高了激光设备切割和开槽的精度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的方案针对不同的产品需求无需更换缝片，直接动态调整狭缝宽度，大大简化了操作步骤，同时节约了成本；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的方案将狭缝调节驱动单元，尤其是电机，设置在安装板的后方，相对于垂直方向，更加节省空间；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明的装置整体结构紧凑，尺寸小巧，适用范围广，尤其适合安装在空间狭小的光路箱内部。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。
图1是现有技术中单缝衍射工作原理示意图；
图2是本发明一个实施例提供的自动控制狭缝宽度的装置正面立体图；
图3是本发明一个实施例提供的自动控制狭缝宽度的装置背面立体图；
图4是本发明一个实施例提供的狭缝衍射光斑原理图；
图5是本发明一个实施例提供的自动控制狭缝宽度的装置的控制原理图。
图6是本发明一个实施例提供的自动狭缝宽度方法的流程图。
其中，图中：
11.电机；12.第一转动轮；13.转动件；14.第二转动轮；15.丝杠；16.张紧件；17.活动座；
21.第一导轨；22.第一缝片安装板；23.第一缝片；24.第二缝片；25.导轨安装板；26.第一安装板；27.狭缝；28.第二导轨；29.第二安装板；
31.微分头；32.调节挡块；
41.挡片；42.光栅尺主尺固定板；43.光栅尺测试头固定板；44.光栅尺；45.第一限位传感器。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图2-5所示，一种自动控制狭缝宽度的装置，包括：第一缝片和第二缝片，活动座17、缝片移动单元、中心调节单元、狭缝调节驱动单元1、缝片距离检测单元4和控制单元。活动座17设置在激光设备安装平台上，用于调节整个装置的前后方向的位置。中心调节单元，分别与缝片移动单元以及所述活动座连接，使所述缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动；狭缝调节驱动单元，与所述缝片移动单元和控制单元连接，驱动所述缝片移动单元上的第一缝片和第二缝片相向或相离移动；控制单元，控制狭缝调节驱动单元动作，以将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
活动座17包括底部和竖直部，其底部设有至少一个凹槽，具体地其安装在激光设备安装平台(未图示)的凸台上，能够相对于激光设备安装平台前后方向进行移动，用于调节与激光设备上光源之间的横向距离。活动座17的底部上设有多个第一腰型孔，调节时，松开活动座17上的第一紧固件，移动调节好距离后用第一紧固件将活动座17相对于激光设备安装平台锁定。活动座17的竖直部上设有多个第二腰型孔(图3中)，导轨安装板25的相应位置也设有第二腰型孔，在导轨安装板25相对于活动座17竖直部的竖直方向移动完成后，用第二紧固件将活动座17和导轨安装板25锁定。
缝片移动单元包括第一导轨21、第一导轨滑块(未图示)、第一安装板26、第一缝片安装板22、第一缝片23、第二导轨28、第二导轨滑块(未图示)、第二安装板29、第二缝片安装板、第二缝片24和导轨安装板25。第一缝片、第二缝片可为常规陶瓷片，导轨安装板25垂直设于活动座17底部的上方。第一缝片23安装在第一缝片安装板22上，第二缝片24安装在第二缝片安装板上。第一缝片安装板和第二缝片安装板分别安装在第一安装板26和第二安装板29上。第一导轨21、第二导轨28均竖直向安装在导轨安装板25的同一侧部上的左右两端。第一安装板26、第二安装板29的左右两端均分别固定连接有第一导轨滑块、第二导轨滑块，第一导轨滑块与第一导轨滑动连接，第二导轨滑块与第二导轨滑动连接。导轨安装板25上还固定有竖直设置的丝杠15。丝杠15的上端与狭缝调节驱动单元1连接，在狭缝调节驱动单元1的作用下实现转动。丝杠15上套装有第一螺母和第二螺母(未图示)，两个螺母为正反牙螺母。第一安装板和第一螺母固定连接，第二安装板和第二螺母固定连接。在丝杠转动时，两个螺母沿丝杠均纵向移动，且两者移动方向相反，从而带动相应的安装板沿其所在导轨实现纵向移动，也就实现了第一安装板和第二安装板之间距离的调节。由于第一缝片安装板和第二缝片安装板分别安装在第一和第二安装板上，而第一缝片、第二缝片又分别安装在第一缝片安装板和第二缝片安装板上，从而实现两个第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节。
需要说明的是，导轨安装板25设有宽度远大于狭缝宽度的激光过孔，通常激光过孔的宽度是常规狭缝宽度的3倍以上，狭缝宽度通常可酌情调整，以不影响单缝衍射效果为宜。该激光过孔和狭缝位置正对，且两者水平向轴线处于同一水平面，用于在不影响衍射效果的前提下供单缝衍射时激光能够顺利通过。
活动座17上方设置有狭缝调节驱动单元1。狭缝调节驱动单元1包括电机11、第一转动轮12、转动件13、第二转动轮14、丝杠15、张紧件16。其中，电机11的输出端安装有第一转动轮12，第一转动轮12通过转动件13连接第二转动轮14，第二转动轮14输出端连接丝杠15。张紧件16用于转动件13传动中张紧。转动件13可以是皮带或链条。狭缝调节驱动单元1设置在导轨安装板25的一侧，并与导轨安装板25固定连接。具体地，狭缝调节驱动单元1还可以包括驱动安装板，驱动安装板与导轨安装板25的顶部固定连接。电机11固定设于驱动安装板的下方且电机轴穿过驱动安装板后与第一转动轮12固定连接，张紧件16固定设置在驱动安装板的上表面。
活动座17上设有中心调节单元，中心调节单元包括微分头31、调节挡块32、第一弹簧(未图示)，微分头31通过连接件固定安装在活动座17上，微分头的固定方式为竖直向固定。调节挡块32与微分头31接触，例如抵触或挤压接触，具体地，调节挡块32与微分头31的端部接触，调节挡块32与导轨安装板25固定连接。第一弹簧为多个，第一弹簧竖向设置，第一弹簧的一端连接在导轨安装板25上，另一端连接在活动座17的竖直部上。旋转微分头31时，可以使用或不使用外部力配合调节挡块，使得调节挡块32上下移动，从而带动导轨安装板25竖直方向移动，实现缝片移动单元整体的竖直方向移动，也实现了狭缝的竖向方向的位置调节。导轨安装板25安装在活动座17上，具体地，导轨安装板25与活动座17之间设置导向结构以保证导轨安装板25可靠相对于活动座17竖直方向移动，导向结构例如常规导向槽和滑块的配合导向，导向槽、滑块可分别位于在导轨安装板的两端。
可替代地，另一种实施例，导轨安装板25左右两端各设置两组中心调节单元，具体地，两组中心调节单元的微分头31同步工作，控制导轨安装板25相对于活动座17竖直方向移动，且导轨安装板25与活动座17之间同样也可设置导向结构以保证导轨安装板25可靠相对于活动座17竖直方向移动，导向结构同样例如常规导向槽和滑块的配合导向，导向槽、滑块同样也可分别位于在导轨安装板的两端。
如图2、3所示，缝片距离检测单元包括光栅尺44、第一限位传感器45、第二限位传感器、挡片41、光栅尺主尺固定板42和光栅尺测试头固定板43。第一限位传感器45、第二限位传感器分别安装在导轨安装板25的侧部。挡片41固定安装在下方的第二安装板上。光栅尺44主尺安装在光栅尺主尺固定板42上，光栅尺主尺固定板42固定在导轨安装板25上。光栅尺测试头安装在光栅尺测试头固定板43上，光栅尺测试头固定板43安装在第一安装板上，光栅尺测试头相对于光栅尺主尺的移动距离也即为第一缝片运动后产生的移动距离，第一限位传感器、第二限位传感器用于和挡片配合，以用于第二安装板的限位，也实现了第二缝片的移动限位。
控制单元包括编码器、伺服驱动器。编码器安装在电机上，伺服驱动器连接编码器，用于接收编码器对电机的位置信息的采集数据。伺服驱动器连接电机，伺服驱动器用于控制电机转动和停止。编码器，获取电机位置的数据并传输给伺服驱动器，伺服驱动器对电机的位置数据以及由缝片距离检测单元传送来的第一缝片运动后产生的移动距离信息进行综合分析，即进行闭环控制，给电机发送控制信号，控制电机动作以实现将狭缝宽度调节为设定值或设定范围。伺服驱动器，也称伺服控制器，与电机连接用来控制伺服电机，一般通过位置、速度和力矩三种方式对电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。
图6所示，本装置的具体工作过程为：
首先，步骤S1：调节活动座在激光设备安装平台上的前后方向移动，以使得狭缝和激光设备上光源达到设定的横向距离。具体地，移动活动座17，调节狭缝27与激光加工设备上光源之间的横向距离，调节时，松开活动座17底部上的第一紧固件，移动调节好横向距离后将活动座17用第一紧固件锁定。
然后，步骤S2：调节中心调节单元，使得缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动使得狭缝中心线和光斑中心一致。具体地，导轨安装板25和活动座17的竖直部之间安装有第一弹簧(未图示)，第一弹簧一直处于张紧状态，微分头31、调节挡块32和第一弹簧同时配合工作。调节时，松开活动座17竖直部上的第二腰型孔上的第二紧固件。当正向微分头31旋转时，由于弹簧力使调节挡块32一直挤压接触着微分头31，微分头31的端部下移，推动调节挡块32向下移动，导轨安装板25沿着活动座17竖直部向下移动，带动缝片移动单元向下移动。当反向微分头31旋转时，微分头31端部上移，弹簧力推动调节挡块32向上移动，带动缝片移动单元向上移动，调节中可以使用或不使用外部力配合调节挡块32。
微分头31调节时，激光加工设备上光源的光斑经过狭缝发生衍射，衍射后的光束到达光斑测试仪(未图示)。根据光斑测试仪上的能量分布，再调节微分头31，进而改变缝片移动单元上狭缝的纵向位置，也改变了光斑中心和狭缝中心线的相对位置，当能量分布符合预定能量时，光斑中心跟狭缝中心线一致，当光斑中心跟狭缝中心线一致后，将缝片移动单元通过第二腰型孔、第二紧固件进行锁定，并将光斑测试仪移走，并将狭缝宽度设置为预设狭缝宽度d1，d1可以为0微米。
狭缝调节驱动单元1的电机11输出动力给第一传动轮12，经过传动件13带动第二转动轮14，第二转动轮14输出端连接丝杠15。张紧件16用于转动件13传动中张紧。当第二转动轮14驱动丝杠15转动，丝杆15的第一螺母和第二螺母会同时相向或相离移动，从而带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动，进而来调节第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝27的狭缝宽度。在调节狭缝宽度时，随着第一缝片相对于第二缝片相向或相离移动，挡片41也随着上下移动。第一限位传感器45和第二限位传感器的位置分别设置在第二安装板移动的上位极限位置跟下位极限位置。当挡片41超过第一限位传感器45或第二限位传感器的极限位置时，装置将发生报警和/或停止工作。
最后，步骤S3：控制狭缝调节驱动单元动作，带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动，将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
具体地，随着第一缝片相对于第二缝片相向或相离移动，第一安装板26带动光栅尺测试头相对于光栅尺主尺相向或相离移动，光栅尺测试头相对于光栅尺的主尺的移动距离为d2，d2也即为第一缝片运动后产生的移动距离，相应第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度d为d＝d1+2d2。
当两个缝片的狭缝宽度d与设定值D或设定范围T存在偏差时，编码器用于获取电机的位置信息，伺服驱动器进一步获取电机速度信息，伺服驱动器根据缝片距离检测单元检测到的第一缝片运动后产生的距离信息进一步获取第一缝片和第二缝片的距离信息、第一缝片和第二缝片相对移动速度信息，伺服驱动器根据电机的位置信息、电机速度信息、第一缝片和第二缝片的距离信息、第一缝片和第二缝片相对移动速度信息计算出补偿力矩信息、补偿速度信息，并以补偿力矩信息、补偿速度信息控制电机以一定速度和一定力矩转动，给予位置速度补偿，使得狭缝宽度达到设定值D或设定范围T，形成闭环反馈控制，进而实现精确的微米级狭缝宽度的自动控制，从而使得透过狭缝27的平行光被精确地控制通过，达到最佳的单缝衍射效果。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

Claims (10)

1.一种自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，包括：
第一缝片和第二缝片；
活动座，设置在激光设备安装平台上；
缝片移动单元，设置在所述活动座上；
中心调节单元，分别与所述缝片移动单元以及所述活动座连接，使所述缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动；
狭缝调节驱动单元，与所述缝片移动单元和控制单元连接，驱动所述缝片移动单元上的所述第一缝片和所述第二缝片相向或相离移动；
控制单元，控制狭缝调节驱动单元动作，以将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
2.根据权利要求1所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述装置还包括缝片距离检测单元；所述缝片距离检测单元检测第一缝片运动后产生的移动距离信息，并将第一缝片运动后产生的移动距离信息发送给控制单元；控制单元接收和处理第一缝片运动后产生的移动距离信息。
3.根据权利要求2所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述狭缝宽度d为d＝d1+2d2，d1为预设狭缝宽度，d2为第一缝片移动后产生的移动距离。
4.根据权利要求1所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述缝片移动单元包括导轨安装板、第一导轨、第二导轨、第一安装板和第二安装板；所述导轨安装板上设有所述第一导轨和所述第二导轨；所述第一安装板、所述第二安装板均分别通过第一导轨滑块、第二导轨滑块与所述第一导轨、第二导轨滑动连接；所述第一缝片安装在第一安装板上，所述第二缝片安装第二安装板。
5.根据权利要求1所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述狭缝调节驱动单元包括电机、丝杠，所述丝杠带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动。
6.根据权利要求4所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述中心调节单元包括微分头和调节挡块；所述微分头固定安装在所述活动座上；所述调节挡块与所述导轨安装板固定连接；所述微分头与所述调节挡块接触。
7.根据权利要求4所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述缝片距离检测单元包括光栅尺主尺固定板、光栅尺测试头、光栅尺测试头固定板以及光栅尺；所述光栅尺主尺固定板和所述光栅尺测试头固定板分别固定在所述导轨安装板和所述第一安装板上；所述光栅尺的主尺固设在所述光栅尺主尺固定板上，所述光栅尺测试头固设在所述光栅尺测试头固定板上。
8.根据权利要求2所述的自动控制狭缝宽度的装置，其特征在于，所述控制单元包括编码器、伺服驱动器，伺服驱动器至少根据编码器采集的电机的位置信息、第一缝片运动后产生的距离信息计算出补偿力矩信息、补偿速度信息，并以补偿力矩信息、补偿速度信息控制电机转动。
9.一种自动控制狭缝宽度的方法，其特征在于，所述方法适用于权利要求1-8任一所述的装置；所述方法的步骤包括：
S1、调节活动座在激光设备安装平台上的前后方向移动，以使得狭缝和激光设备上光源达到设定的横向距离；
S2、调节中心调节单元，使得缝片移动单元相对于所述活动座竖直方向移动，以使得所述狭缝的狭缝中心线和光源的光斑中心一致；
S3、控制狭缝调节驱动单元动作，带动第一缝片和第二缝片相向或相离移动，将所述第一缝片和第二缝片之间形成的狭缝的狭缝宽度的调节到设定值或设定范围。
10.根据权利要求9所述的自动控制狭缝宽度的方法，其特征在于，步骤S3中，还包括：检测第一缝片运动后产生的移动距离信息，并将第一缝片运动后产生的移动距离信息发送给控制单元。
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