CN1596172A - 使用恒定刀具路径算法的激光铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光束(207)在一个固定材料中产生铣削结构的方法，其中一个微微秒激光器(205)提供光能的短脉冲，以产生所需曝光段，其中激光束(207)以可变速率运动在材料上进行铣削，激光束(207)的运动导致在材料上进行铣削，激光束刀具路径引导铣削加工以产生高质量和可重复的铣削孔，并且将如何测量这三个量的经验作为反馈返回到激光器系统(200)。

Description

使用恒定刀具路径算法的激光铣削方法

技术领域

本发明涉及利用脉冲光源的材料烧蚀，具体涉及激光钻孔和激光铣削。

背景技术

自从发明激光以来，人们一直在研究通过脉冲光源进行材料烧蚀。1982年发表的利用紫外线(UV)受激准分子激光辐射蚀刻的聚合物的报告激发了对显微机械加工方法的广泛研究。从那时起，主要因为可以使用激光进行非常小的零件的钻孔、铣削和复制，这个领域中的科学和工业研究一直在快速发展。

超快激光器产生具有大约从10-11秒(10微微秒)至10-14秒(10毫微微秒)持续时间的强激光脉冲。短脉冲激光器产生具有大约从10-10秒(100微微秒)至10-11秒(10微微秒)持续时间的强激光脉冲。超快激光器在医学、化学和通信中的各种潜在应用正在变成现实。对于各种材料的铣削或钻孔，这些激光器也是有用的工具。它们可以轻易地钻出小到数微米，甚至亚微米尺寸的孔。也可以在硬质材料中钻出具有高纵横比的孔，例如涡轮叶片中的冷却通道、喷墨打印机中的喷嘴或印刷电路板中的通孔。

能够钻出小到微米级直径的孔是许多高科技制造工业中的基本要求。同时具有高分辨率、高精确度、高速度和高灵活性使得激光加工在包括集成电路、硬盘、印刷设备、显示器、互联器和电信设备的制造在内的许多工业中得到应用。

激光机械加工的方法有多种；但是，当要钻细小零件时，在激光显微机械加工中最终产品的公差更小。在这种情况下，使用的加工过程必须提供一致的、可预测的和可重复的结果，以满足最终的应用。激光显微机械加工中经过算法和软件进行的计算机控制为孔的几何形状和能产生利润的批量生产制造设施所需的一致性的精细控制提供了机会。尽管显微机械加工依然存在很多问题，但是，不应当浪费这样的机会。

这个领域中持续存在的一个问题涉及避免用显微机械加工制造出不合规格的产品。这个问题持续存在的原因是，在显微机械加工中容许误差低，并且从产品到产品的一致性要求极其严格。例如，必须使制造出的喷墨喷嘴孔一致，以在使用时从每个孔提供相等的墨水喷射。当加工过程不一致或不可重复时，制造线将生产出不合规格的产品，从而必须重新加工，由此导致时间和能量的浪费，并且降低了产量。这又降低了制造设施的利润率。因而，需要有一种避免用显微机械加工制造出不合规格的产品的方法。另一个有关显微机械加工的持续存在的问题涉及在铣削中产生一致的和可重复的结果。如上所述，一致性和可重复性是生产在技术上可接受的高质量显微机械加工产品的重要因素。但是，目前的铣削方法不能保证制造线中每个产品的孔的几何形状的一致性。因而，需要有一种方法在铣削中产生一致的和可重复的结果。

有关显微机械加工的又一个持续存在的问题涉及提供建立刀具路径几何图形的准则；近些年来，已经证明很难实现生产可预测的和可重复的孔的几何形状的铣削技术。一直在使用试算法来制造所需的孔几何形状：反复改变参数以达到所需形状。一种典型的过程是线性地随时间单步调节所需刀具路径半径；但是，这种技术导致螺旋形路径中螺距不均匀，从而造成了辐射重叠中的变化。由此产生的不均匀烧蚀是不希望的。有一种算法逼近由于能利用恒定角速度和刀具螺距产生所需形状，因此相对比较成功。但是，这种加工方法不能补偿图1所示的在孔中心附近产生的曝光段的间距。因而，需要有一种提供建立刀具路径几何形状的准则的方法。

有关显微机械加工的再一个持续存在的问题涉及提供一种允许恒定的材料去除的激光钻孔系统刀具路径。当前的铣削要求需要工件目标区上的总体材料烧蚀。以前的技术包括如图1所示的例如受激准分子激光烧蚀法和恒定角速度逼近法之类的方法。但是，这些技术不能提供用户规定所需的平坦表面。因而，需要有一种提供允许恒定的材料去除的激光钻孔系统刀具路径的方法。有关显微机械加工的再一个持续存在的问题涉及在刀具路径改变时保持激光源在工件上的恒定曝光量。在一个恒定脉冲激光器系统中，激光器以固定的重复频率发出脉冲；因此，将均匀的烧蚀转化成工件上激光器作用点的所需恒定传播速度。当使用例如螺旋型运动的半圆运动时，在整个激光铣削加工中作用点的线速度应当是恒定的，以保持恒定的烧蚀。因而需要有一种在刀具路径改变时保持激光源在工件上的恒定曝光量的方法。

发明内容

在第一方面，本发明是一种利用移动激光束在固定材料中产生铣削结构的方法，其中微微秒激光器提供光能的短脉冲以产生所需曝光段，激光束运动的变化率在材料上实施铣削，激光束刀具路径引导铣削加工以产生高质量和可重复的铣削孔，并且将如何测量这三个量的经验作为反馈返回到激光系统。

在第二方面，本发明是一种能实现用户规定的锥形孔形状的螺旋铣削刀具路径。为了产生用户规定的锥形孔，需要恒定的弧线速度刀具路径。

从下面的详细说明中可以知道本发明可以应用到其它方面。例如，尽管在这里是通过参考对作为圆形的螺旋刀具路径的半径的函数的角速度加以修改来说明本发明的，但是应当知道对需要不是圆形的螺旋线的不同应用，可以通过不同的方式获得恒定弧线速度。因此，可以更一般地将激光束相对工件表面的移动速率作为偏离至少一个固定轴(例如椭圆具有两个相关轴)的距离的函数加以修改。应当知道，本发明的优选实施例的详细说明和特定示例仅仅用于展示本发明，而不用于限制本发明的保护范围。

附图说明

下面通过详细描述和附图对本发明进行更详细的说明，其中：

图1是恒定角速度刀具路径的框图；

图2是说明激光钻孔系统的简化示意图的框图；

图3A是对应于一个圆形向内螺旋的恒定弧线速度刀具路径的框图；

图3B是对应于一个圆形向外螺旋的恒定弧线速度刀具路径的框图；

图4是说明激光铣削方法的流程图；

图5是显示喷墨打印机的主要组成部件的透视图；

图6是喷墨头的横截面示意图。

具体实施方式

以下对优选实施例的说明实质上仅是示例性的，绝非要限制本发明及其应用或使用。

本发明是一种利用恒定刀具路径算法(或称为“铣削算法”)进行铣削的方法，这种恒定刀具路径算法可以用于以一致的可重复的加工过程产生孔。此外，这种加工过程可以用于同时平行加工多个铣削孔。

如上所述，由于能利用恒定角速度和刀具螺距制造所需孔，因而逼近算法相对比较成功。同样如上所述，这种加工过程不能补偿在孔中心附近产生的曝光段的间距。

参考图1，恒定角速度刀具路径(刀具路径)100包括一个在外等高铣削面的初始电压(V_max)110、多个激光曝光段120和刀具螺距的间距130。利用这种逼近，在目标中心附近生成大量的曝光段120，导致在这个区域中的过度烧蚀。在本例中，使用了大约10,000个激光曝光段120产生螺旋形的刀具路径100。

参考图2，激光钻孔系统200的简化示意图包括：激光器205、光束207、快门210、衰减器215、光束扩展器220、旋转半波片225、第一反射镜208、第二反射镜217、第三反射镜221、第四反射镜222、压电换能器(PZT)扫描镜230、衍射光学元件(DOE)235、多个子光束237、扫描透镜240、微型滤光器245、图像传送透镜250和工件255，它们如图中所示地排列。尽管本发明使用了微微秒激光系统，但是，本发明可以使用其它激光系统，例如受激准分子、CO₂和铜蒸汽激光系统。

下面简要说明激光钻孔系统200的元件和操作。在替代实施例中，可能需要改变激光钻孔系统200的元件。本发明不限于激光钻孔系统200中元件的当前选择和布置。

在操作时，微微秒激光器205沿图2中指示的光路发射光束207。光束207沿光路传播，入射到第一反射镜208。第一反射镜208沿光路改变光束207的方向，将光束207入射到快门210上。快门210打开和关闭，以有选择地照射工件材料。光束207离开快门210，并且沿光路传播到衰减器215。衰减器215过滤微微秒激光器205的能量，以便精确地控制烧蚀参数。光束207离开衰减器215，并且沿光路传播，入射到第二反射镜217。第二反射镜217沿光路改变光束207的方向，使光束207入射到光束扩展器220。

光束扩展器220增大光束207的尺寸，以达到两个目的。第一，它增大光束尺寸以使DOE 235正确地发挥分光器的功能。为了使DOE 235正确地发挥功能，入射到DOE 235的光束尺寸需要足够大，以覆盖DOE 235的数个周期。其次，它增大光束尺寸以匹配扫描透镜光瞳尺寸。光束207离开光束扩展器220，沿光路传播，入射到第三反射镜221。第三反射镜221沿光路改变光束207的方向，使光束207入射到第四反射镜222。第四反射镜222沿光路改变光束207的方向，使光束入射到旋转半波片225。旋转半波片225改变光束207的偏振。在离开旋转半波片225后，光束207沿光路传播，入射到PZT扫描镜230。PZT扫描镜230按照利用一种铣削算法(未示出)预定义的图形移动，以在工件255上钻孔。PZT扫描镜230沿光路改变光束207的方向，使其入射到DOE 235。

DOE 235将光束207分割成多个子光束237，使得能够进行工件255的平行钻孔。子光束237离开DOE 235，沿光路传播，入射到扫描透镜240。扫描透镜240确定工件255上的子光束237的光斑尺寸。子光束237离开扫描透镜240，沿光路传播，入射到微型滤光器245。微型滤光器245使子光束237的强度均等。子光束237离开微型滤光器245，沿光路传播，入射到图像传送透镜250。图像传送透镜250使子光束237的焦斑在工件255上再成像。子光束237以根据预定铣削算法的图案烧蚀工件255。

参考图3A，恒定弧线速度刀具路径300A包括一个初始外等高铣削面曝光电压(V_max)310、多个具有恒定弧线速度和间距的曝光段320以及刀具螺距330的间距。实际操作时，在本例中，所需刀具路径300A由许多被刀具螺距330分隔开的回转线组成，并且根据所需的最终形状可以是恒定的或可变的。利用这种恒定弧线速度刀具路径提供了一种避免制造不合格产品的方法，以及一种在铣削中产生可重复结果的方法。V_max 310确定刀具路径300A中的螺旋线的外半径。如图所示，每个回转线具有许多离散的曝光段320，这些曝光段320是由下述方法400的步骤430中所述软件算法规定的。参考图2和图3，随着激光器205发出固定重复率的脉冲，均匀的烧蚀转换成PZT扫描镜230的恒定传播速度，以将激光作用点引导到工件255的曝光段320上。

图3A所示的恒定弧线速度刀具路径在正在烧蚀的工件255上提供了平坦的表面。保持工件255中的这种平坦表面提供了允许恒定材料去除的激光钻孔系统刀具路径。这种恒定的弧线速度刀具路径也提供了一种提供允许恒定的材料去除的激光钻孔系统刀具路径的方法。

在使用本发明的制造加工中，在铣削加工的后半段也向外进行铣削。当激光铣削在t＝T时达到向内螺旋的终点时，引导激光作用点在如图3B所示的向外螺旋刀具路径300B中移动。在激光作用点在t＝T’到达铣削下一层的最大半径时，下一个向内螺旋开始。

参考图4，一种激光铣削的方法400包括数个步骤。在步骤410中，操作人员或技术人员提供一个诸如计算机之类的能够经过一个软件程序运行一种算法的控制系统(未示出)。控制系统电子连接到PZT扫描镜230，以提供实现算法的操作控制信号。在步骤420中，操作人员或技术人员利用诸如CAD文件之类的用户规定的信息和技术注释，确定包括锥形角度、排出孔直径和进入孔直径在内的所需的孔几何形状。操作人员或技术人员通过考虑进入孔直径、激光光斑尺寸和PZT扫描镜230的电压响应，确定电压V_max310。操作人员或技术人员也利用激光器205的光斑尺寸确定刀具路径300A的最小容许刀具螺距330。例如，如果光斑尺寸是10微米，那么刀具螺距330应当是最大10微米，以防止沿径向等高铣削面的外壁形成烧蚀不足的螺脊。对于10微米激光光斑，螺距尺寸最好在2微米左右。PZT扫描镜130上典型的40伏偏压将光束107在工件255上偏转45微米左右。在步骤430中，操作人员或技术人员发送存在于前面步骤410中所指示的控制系统中的软件代码(未示出)，来通过激光钻孔周期T计算半径和角速度，以制造所需的孔几何形状。例如，下面的公式(A)说明了在激光钻孔期间任何给定时间“t”的沿刀具路径300A的半径“r”：

$r\left(t\right)=\sqrt{r_0^2-\left(\frac{r_0^2-r_{\min }^2}{T}\right)t}----\left(A\right)$

同样地，下面的公式(B)说明了为了得到恒定弧线速度，在激光钻孔期间的任何给定时间“t”的沿刀具路径300A的角速度“ω”：

$\mathrm{\ω}\left(t\right)={\mathrm{\ω}}_0\frac{r_0}{r\left(t\right)}----\left(B\right)$

此外，当激光铣削在t＝T时到达向内螺旋刀具路径300A的终点时，在T≤t≤T’期间，引导激光作用点在由下面的等式所确定的向外螺旋刀具路径300B中移动。公式(C)说明了在激光钻孔期间的任何给定时间“t”的沿刀具路径300A的半径“r”：

$r^{\′}\left(t\right)=\sqrt{{2r}_{\min }^2-r_0^2+\left(\frac{r_0^2-r_{\min }^2}{T}\right)t}----\left(C\right)$

同样地，下面的公式(D)说明了为了得到恒定弧线速度，在激光钻孔期间的任何给定时间“t”的沿刀具路径300B的角速度“ω”：

${\mathrm{\ω}}^{\′}\left(t\right)={\mathrm{\ω}}_0\frac{r_0}{r^{\′}\left(t\right)}----\left(D\right)$

这四个公式用于阐明钻圆锥形状的刀具路径，这些公式存在于控制系统上软件中的算法形式中。这个步骤提供了建立刀具路径几何形状的准则。

在步骤440，控制系统将步骤430中执行的算法结果发送到一个例如微处理器的刀具路径控制器(未示出)，以启动刀具路径的执行和开始激光钻孔。在步骤450，步骤440所述的控制器将这个时间内的对应于步骤430中执行的算法的数字输出的电压发送到PZT扫描镜230。该电压施加到PZT扫描镜230，以根据计算的刀具路径和工件255中所需孔几何形状转化它的位置。在步骤460，激光钻孔系统200根据刀具路径算法，以前面图3中所示图案铣削工件255。在本发明中，激光铣削是利用一层接一层的螺旋算法(“刀具路径”)执行的，从而，通过减小后继螺旋线的V_max 310形成一个锥形孔。

如上所述，本发明不限于螺旋形；在替代实施例中，可以使用保持各种形状均匀曝光的其他刀具路径算法。此外，V_max可以在连续的层之间以各种不同的方式减小，以在完成的工件中取得所需的等高铣削面。包含孔的轴的垂直剖面图确定V_max(i)如何发展，其中i是减小V_max的阶段数。线性函数V_max(i+1)＝V_max导致具有固定圆锥角度的恒定锥形。另一个函数V_max(i+1)＝V_max(i)-(ΔV_max*i)使得锥形越来越陡。另一方面，V_max(i+1)＝V_max(i)-(ΔV_max/i)使得圆锥角度的坡度随着半径的减小而越来越小。V_max(i)一般需要通过横截面(或形状)规格来确定。

在步骤470，步骤430中所述的刀具路径算法确定是否已经获得所需孔几何形状。当刀具路径算法已经完成预先计算数量的必要螺旋烧蚀时，得到该孔的几何形状。也可以使用诸如共焦显微镜方法和光学轮廓法之类的惯用测量技术来确定是否已经获得所需孔几何形状。如果是，方法400结束；如果不是，方法400返回到步骤450。

如下面进一步详细说明的那样，可以用本发明的激光钻孔系统构造喷墨头的喷嘴板。

如图5所示，喷墨打印机500具有一个能够经过一个压力发生器在记录介质504上记录的喷墨头502。从喷墨头502喷射出的墨滴沉积在复印纸之类的记录介质504上，从而可以在记录介质504上进行记录。喷墨头502安装在一个可以沿滑架轴508往复移动的滑架506上。更具体地讲，喷墨头502的构造使其能够在一个与滑架轴508平行的第一扫描方向X上往复运动。辊子510适时地在第二扫描方向Y上输送记录介质504。辊子510使喷墨头502与记录介质504相对运动。

参考图6，压力发生器600优选是一个压电系统、热系统和/或等效系统。在本实施例中，压力发生器600相当于一个包括上电极602、压电元件604和下电极606的压电系统。喷嘴板608包括一个喷嘴基片610和一个防水层612。喷嘴基片610是由金属、树脂和/或等效材料制成的。防水层612是由例如氟树脂或硅树脂制造的。在本实施例中，喷嘴基片610是由不锈钢制造的，其厚度为50μm，防水层612是由氟树脂制造的，其厚度为0.1μm。喷射油墨充满油墨供给通道614、压力室616、油墨通道618和喷嘴620。当压力发生器600推动压力室元件620时，墨滴从喷嘴620喷出。

本发明形成了喷嘴板中没有毛刺和杂质(碳等)的非常好的喷嘴。此外，喷嘴出口直径的精度为20μm±1.5μm。

本发明具有几个优点。本发明的第一个优点是避免了用显微机械加工制造出不合规格的产品。本发明的第二个优点是提供了一种在铣削中产生一致的、可重复结果的方式。本发明的第三个优点是提供了建立刀具路径几何形状的系统和准则。本发明的第四个优点是保持了激光源在工件上的恒定曝光，而不需要现行的激光功率控制。本发明的第五个优点是提供了恒定的材料去除。本发明的第六个优点是螺旋铣削结果提供了工件的连续、一致和无缝的激光烧蚀。本发明的第七个优点是螺旋铣削提供了一种利用激光烧蚀来机械加工具有圆柱对称性的微小零件的方式。本发明的第八个优点是提供了具有可预测烧蚀率的均匀材料去除，从而可以建立任意轮廓。

本发明也有一些缺点。本发明的一个缺点是耗费时间。但是，任何铣削操作都需要类似数量的时间来执行，因此，这不是一个重要问题。本发明的第二个缺点是在损害控制的条件下提高了操作速度。但是，提供附加控制的替代闭环系统对于成本合算的批量制造环境来说速度太慢。

解决同样问题的另一种方式是，当孔半径在外曝光段时，以更快的速率激励激光器。但是，这种方式需要附加过程控制，而这种控制难以在激光器系统中进行同步和管理。

本发明的说明仅仅用于展示目的，因而不背离本发明要旨的各种变化均包括在本发明的范围内。这些变化并没有脱离本发明的精神和范围。

Claims (23)

1.一种执行激光铣削的方法，包括：

确定用激光从工件的暴露表面烧蚀一层材料的刀具路径；

根据刀具路径用激光从工件的暴露表面烧蚀一层材料，

其中刀具路径定义了一个实际上恒定的弧线速度。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将刀具路径传递到一个可以操作的控制系统，所述控制系统根据刀具路径通过激光影响工件的暴露表面的横断物。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定刀具路径对应于用公式表达半径和局部角速度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中将半径作为输出到由控制系统操作的激光系统的PZT扫描镜的电压的函数来控制，并且其中所述确定刀具路径包括确定一个初始电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其中半径可以根据对应于每一回转电压降低的刀具螺距而改变，并且其中所述确定刀具路径包括根据激光系统的光斑尺寸确定刀具螺距。

6.根据权利要求3所述的方法，其中控制系统可以操作，以修改作为半径的函数的角速度，从而得到实际上恒定的弧线速度。

7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括修改刀具路径以完成从一个新暴露的工件表面去除后续的材料层，其中后续材料层在面积上分别减小，从而影响激光铣削工件的所需等高铣削面。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述修改对应于减小半径和提高局部角速度。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据刀具路径同时执行多个工件的烧蚀，其中每个工件的烧蚀区是由实际上相同的材料制成的，并且具有实际上相同的几何特征。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据刀具路径同时执行一个工件的多个区的烧蚀，其中所述多个区中的每个是由实际上相同的材料制成的，并且具有实际上相同的几何特征。

11.一种激光铣削系统，包括：

一个可以操作以确定利用激光器从工件的暴露表面烧蚀一层材料的刀具路径的刀具路径模块，其中刀具路径描述了一个实际上恒定的弧线速度；

多个可以操作以根据刀具路径执行多个工件的烧蚀的激光器；

一个可以操作以根据刀具路径利用一个激光器从工件的一个暴露表面烧蚀一层材料的控制模块。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述刀具路径模块可以操作，以用公式表达半径和局部角速度。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制模块可以操作，以将半径作为输出到多个激光器的一个PZT扫描镜的电压的函数来进行控制，并且其中所述刀具路径模块可以操作，以确定一个初始电压。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制模块可以操作，以根据一个对应于每一回转电压的降低的刀具螺距来改变半径，并且其中所述刀具路径模块可以操作，以根据多个激光器的光斑尺寸确定刀具螺距。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制模块可以操作，以把角速度作为半径的一个函数而控制，从而得到实际上恒定的弧线速度。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制模块可以操作，以修改刀具路径，从而完成从工件的一个新暴露表面去除后续材料层，其中后续材料层在面积上分别减小，从而影响激光铣削的工件中的所需等高铣削面。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制模块可以操作，以通过减小半径和提高局部角速度修改刀具路径。

18.根据权利要求11所述的系统，进一步包括根据刀具路径同时执行多个工件的烧蚀，其中每个工件的烧蚀区是由实际上相同的材料制成的，并且具有实际上相同的几何特征。

19.根据权利要求11所述的系统，进一步包括根据刀具路径同时执行一个工件的多个区的烧蚀，其中所述多个区中的每个是由实际上相同的材料制成的，并且具有实际上相同的几何特征。

20.一种激光铣削的工件，包括一个具有经过工件材料的激光烧蚀而在其中形成一个孔的工件层，其中激光烧蚀是通过驱动激光束的激光钻孔系统在所述工件层的表面上根据刀具路径执行的，其中刀具路径具有恒定的弧线速度。

21.根据权利要求20所述的工件，其中所述工件层进一步是一个喷墨喷嘴板，并且孔进一步是一个喷墨喷嘴。

22.一种具有根据权利要求21所述的喷墨喷嘴的喷墨头。

23.一种具有根据权利要求22所述的喷墨头的喷墨打印机。

Images