CN1966197B - 一种激光加工系统及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光加工系统，其包括：一用于产生一激光束的激光装置；一用于汇聚该激光束至待加工件目标加工位置的变焦透镜装置；一用于控制所述激光装置工作参数的控制装置；及一用于反馈信息的反馈装置，其可探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给变焦透镜装置及控制装置，以调节变焦透镜装置的焦距及优化激光装置的工作参数。该激光加工系统，通过变焦透镜装置根据反馈装置提供的反馈信息来调节其焦距，以始终保持汇聚至待加工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，进而可实现高精度激光加工。本发明还提供一种使用该激光加工系统的激光加工方法。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种材料加工系统及加工方法，尤其是关于一种对材料进行高精度加工的激光加工系统及加工方法。
【背景技术】
随着3C(计算机、通讯及消费性电子)产业的不断发展，实现3C产品的高精度加工显得也愈加重要。
目前，3C产品的框架部件加工经常采用冲压方式。冲压，即通过模具对板材施加压力或拉力以形成剪切力去除板材的多余部分，并使板材成形，从而获得具有一定尺寸、形状及性能的产品。但是，分离后的板材多余部分，因不能再被利用，其将成为废料，进而造成原材料的浪费，导致加工成本较高。
激光加工方法也是应用于3C产品的加工方法之一，其利用激光器产生一激光束，经过定焦汇聚透镜汇聚形成一聚焦光斑，使该聚焦光斑照射于待加工件的目标加工位置，并水平移动该待加工件，聚焦光斑照射处的待加工件材料吸收热量后将迅速局部熔化，随着工件的不断移动，即可达到加工目的。该方法避免了原材料的浪费，还具有速度快、深/宽比高等优点。
但是，计算机、通讯及消费电子等3C产品加工精度要求较高，且其外形构造的设计多数较为复杂，在水平移动待加工件进行激光加工的过程中，待加工件表面不规则的外形构造，例如突起或凹陷，将使其与透镜距离发生变化，由于汇聚透镜的焦距固定，其将导致照射至待加工件上的聚焦光斑大小发生变化，从而导致加工精度不高。
有鉴于此，有必要提供一种激光加工系统及加工方法，其可实现高精度的激光加工。
【发明内容】
下面将以实施例说明一种激光加工系统及加工方法，其可实现高精度的激光加工。
一种激光加工系统，用于加工一待加工件，其包括：
一激光装置，用于产生一激光束；一变焦透镜装置，用于汇聚该激光束至待加工件的目标加工位置；一控制装置，用于控制所述激光装置的工作参数；及一反馈装置，用于探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置及控制装置，所述变焦透镜装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来调节变焦透镜装置的焦距，以始终保持汇聚至待加工工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，所述控制装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来优化激光装置的工作参数。
以及一种激光加工方法，包括步骤：
将一待加工件装载在一可动的底座上；提供一激光装置，以产生一激光束；提供一控制装置，以设定激光装置的工作参数；提供一变焦透镜装置以汇聚激光束为一预定大小的聚焦光斑至待加工件的目标加工位置以进行激光加工；提供一反馈装置，以在激光加工过程中探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置及控制装置，所述变焦透镜装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来调节变焦透镜装置的焦距，以始终保持汇聚至待加工工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，所述控制装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来优化激光装置的工作参数。所述激光加工系统及加工方法，通过变焦透镜装置根据反馈装置提供的
反馈信息来调节其焦距，以始终保持汇聚至待加工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，进而可实现高精度的激光加工。
【附图说明】
图1是本发明实施例激光加工系统的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。
参见图1，本发明第一实施例提供的激光加工系统100，其包括：一激光装置10，一变焦透镜装置20，一控制装置30，及一反馈装置40，用于产生一反馈信息。
所述激光装置10，用于产生一加工待加工件60的激光束。该激光装置10可选用气体激光器、准分子激光器或固体激光器，其种类的选择，可根据待加工件的具体材质而定。如果待加工件材质为玻璃或陶瓷，则选用气体激光器较佳；如果待加工件材质为金属或塑料，则选用固体激光器较佳。本实施例中激光装置10为固体激光器，其可为工作波长为1064纳米的掺钕钇铝石榴石(Nd-YAG)激光器、工作波长为940纳米的镱钇铝石榴石(Yd-YAG)激光器，或工作波长为1047～1064纳米的钕钒酸盐(Nd-Vanadate)激光器等。另外，由于激光装置10在工作过程中会产生大量热量，为保证所述激光装置10在工作过程中保持在最佳工作温度状态，还可设置一冷却器102。
所述变焦透镜装置20，用于汇聚激光束至待加工件60的目标加工位置。该变焦透镜装置20可根据反馈装置40提供的反馈信息调整其自身的焦距，以维持聚焦激光束在待加工件60目标加工位置的光斑大小。该变焦透镜装置20包括一透镜组件、一驱动装置206及一聚焦控制器208。该变焦透镜装置20可为一二组元聚焦镜头，其透镜组件从物侧至像侧依次包括一第一透镜组202及一第二透镜组204。第一透镜组202具有正光焦度，其折光系数为k1；第二透镜组204具有负光焦度，其折光系数为k2。在变焦过程中，第一透镜组202与第二透镜组204之间距为d12，其与该二组元镜头的折光系数k12满足关系：d12＝(k1+k2-k12)/k1×k2。该二组元镜头的有效焦距f1及后焦距f2分别满足：f1＝1/k12，f2＝(1-d12×k1)/k12＝f1-(1-d12×k1)。可以理解的是，该变焦透镜装置20并不限于二组元聚焦镜头，其还可为三组元或四组元变焦镜头，只要其可实现变焦的功能均可。所述驱动装置206可用于驱动第一透镜组202及第二透镜组204以实现变焦，其可以选用压电马达、步进马达或音圈马达等。所述聚焦控制器208可通过接收反馈装置40提供的反馈信息来控制所述驱动装置206实现变焦透镜装置20的调焦。
所述控制装置30，用于控制该激光装置10的工作参数，如脉冲能量、脉冲间隔及脉冲重复频率等工作参数。
所述反馈装置40，包括一光监测器402及一信息处理终端404。加工过程中，所述光监测装置402可探测待加工件目标加工位置的实时信息，并将探测到的信息传送至所述信息处理终端404，如计算机，进行处理；经信息处理终端404处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置20的聚焦控制器208及控制装置30。该变焦透镜装置20的聚焦控制器208可根据该反馈信息来控制驱动装置206进行实时调焦；该控制装置30可根据该反馈信息对加工过程中的工作参数进行最优化处理。
另外，该激光加工系统100还可进一步包括一底座50，用于承载待加工件60。该底座50可在其所处空间内沿图1所示x轴、y轴及z轴任一方向移动，其中，x轴、y轴及z轴相互垂直。优选的，所述底座50还可绕图1中所示轴线OO’做左、右倾斜运动。优选的，所述激光加工系统100还可进一步设置一冷却装置70，用于冷却待加工件60的目标加工位置，该冷却装置70设在底座50上，待加工件60装载在底座50上时，冷却装置70可与待加工件60相接触，以降低待加工件60的温度，避免待加工件60因局部过热而导致加工面不平滑。该冷却装置70可为一热电冷却器。
另一实施例中，所述激光加工系统100还可在激光束从激光装置10到变焦透镜装置20的光路间设置一光闸80，以用于调节由激光装置10所产生继而到达变焦透镜装置20的激光束的大小。
下面将具体描述一种采用该激光加工系统100进行工件加工的加工方法，其包括以下步骤：
(1)将待加工件60固定在可动的底座50上，并使待加工件60与冷却装置70相接触。
(2)启动激光装置10，以产生一用于对待加工件60进行加工的激光束。
(3)通过控制装置30，初始设定激光装置10所产生激光束的脉冲能量、脉冲间隔以及脉冲重复频率等工作参数。本实施例中，可将脉冲能量设为30～300微焦耳；将脉冲间隔设为30～3000毫秒，优选的，脉冲间隔设为100～500毫秒；将脉冲重复频率设为1～10千赫兹(kHz)。
(4)通过变焦透镜装置20汇聚激光束为一预定大小的聚焦光斑，并投射至待加工件60的目标加工位置。本实施例中，该聚焦光斑大小为1～1000微米；优选的，聚焦光斑大小为10～100微米。
(5)通过底座50移动待加工件60以进行激光加工；在待加工件60的加工过程中，通过反馈装置40探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给变焦透镜装置20及控制装置30。该变焦透镜装置20根据该反馈的信息调整其焦距，以始终保持汇聚至待加工件60的目标加工位置的聚焦光斑为预定大小。该控制装置30可根据该反馈信息对激光装置10进行最优化控制。优选的，在待加工件60的加工过程中，打开冷却装置70对待加工件60进行冷却，以降低待加工件60的温度，避免待加工件60因局部过热而导致加工面不平滑。
本发明实施例提供的激光加工系统及加工方法，通过变焦透镜装置20根据反馈装置40提供的反馈信息来调节其焦距，以始终保持汇聚至待加工件60目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，进而可实现高精度的激光加工。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更变焦透镜装置、反馈装置的结构等，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (15)
1.一种激光加工系统，用于加工一待加工件，其包括：
一激光装置，用于产生一激光束；
一变焦透镜装置，用于汇聚该激光束至待加工件的目标加工位置；
一控制装置，用于控制所述激光装置的工作参数；
一反馈装置，用于探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置及控制装置，所述变焦透镜装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来调节变焦透镜装置的焦距，以始终保持汇聚至待加工工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，所述控制装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来优化激光装置的工作参数。
2.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于所述激光装置选自气体激光器，准分子激光器及固体激光器。
3.如权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于所述固体激光器选自钕钇铝石榴石激光器、镱钇铝石榴石激光器及钕钒酸盐激光器。
4.如权利要求1至3任意一项所述的激光加工系统，其特征在于所述激光装置还设有一冷却器，用于冷却该激光装置。
5.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于所述变焦透镜装置包括一透镜组件，一驱动装置及一聚焦控制器。
6.如权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于所述透镜组件从物侧至像侧依次包括一具有正光焦度的第一透镜组及一具有负光焦度的第二透镜组，该第一透镜组的折光系数为k1，该第二透镜组的折光系数为k2；在变焦过程中，第一透镜组与第二透镜组的间距为d12，其与该透镜组件的折光系数k12满足关系：d12＝(k1+k2-k12)/k1×k2；该二组元镜头的有效焦距f1及后焦距f2分别满足：f1＝1/k12，f2＝(1-d12×k1)/k12＝f1-(1-d12×k1)。
7.如权利要求5所述的激光加工系统，其特征在于所述驱动装置选自压电马达、步进马达及音圈马达。
8.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于所述反馈装置包括：
一光监测器，用于探测加工过程中待加工件目标加工位置的信息；及
一信息处理终端，用于处理由该光监测器传达的信息，并将处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置及控制装置。
9.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于所述激光加工系统还包括一底座，用于承载待加工件，该底座可在水平及垂直方向移动。
10.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于所述激光加工系统还包括一冷却装置，其设置在底座上，用于冷却待加工件。
11.如权利要求10所述的激光加工系统，其特征在于所述冷却装置为一热电冷却器。
12.如权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于所述激光加工系统还包括一光闸，其设于激光装置与变焦透镜装置之间，用于调节激光束的大小。
13.一种激光加工方法，包括步骤：
将一待加工件装载在一可动的底座上；
提供一激光装置，以产生一激光束；
提供一控制装置，以设定激光装置的工作参数；
提供一变焦透镜装置以汇聚激光束为一预定大小的聚焦光斑至待加工件的目标加工位置以进行激光加工；
提供一反馈装置，以在激光加工过程中探测并处理加工过程中目标加工位置的信息，并将处理后的信息反馈给所述变焦透镜装置及控制装置，所述变焦透镜装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来调节变焦透镜装置的焦距，以始终保持汇聚至待加工工件目标加工位置的聚焦光斑为预定大小，所述控制装置根据所述反馈装置提供的反馈信息来优化激光装置的工作参数。
14.如权利要求13所述的激光加工方法，其特征在于所述聚焦光斑大小为1～1000微米。
15.如权利要求14所述的激光加工方法，其特征在于所述聚焦光斑大小为10～100微米。
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