CN201783760U

CN201783760U - 一种激光划片装置

Info

Publication number: CN201783760U
Application number: CN 201020507176
Authority: CN
Inventors: 杨永强; 宋长辉; 苏旭彬; 刘杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-08-26

Abstract

本实用新型提供了一种激光划片装置，包括零件台、控制系统、激光发生装置、激光头和三维运动机构，所述控制系统设置于零件台上，所述零件台上固定设有支撑体，三维运动机构连接在支撑体上；所述控制系统分别与激光发生装置和三维运动机构连接，激光发生装置与激光头连接，激光头与三维运动机构连接。本实用新型具有高效率、光路简单、划片对象兼容性好、划片质量高等优点，可实现激光头的三维运动，从而实现大面积的划片加工。

Description

一种激光划片装置

技术领域

本实用新型涉及划片装置，特别涉及一种激光划片装置。

背景技术

目前划片市场上，主要是以基于紫外激光的冷加工，改变传统非激光源的砂轮或者金刚石机械式的划片，而且相比使用的红外(IR)或者绿色“干型”激光器划片，划片的品质热影响区以及平整度和划片质量都有了较大的提高。激光对于精密划片线条要求效果均匀，边缘锐利，应该选用平顶光束，且最好是方形平顶光束。但目前现在大多数激光器无法提供平顶光束，大多是是将高斯光束经光束整形器整形为平顶光束。但通常光束整形器的“有效平顶距离”(即输出光束保持平顶分布的工作距离范围)有限，因此给应用系统的设计带来很多不便，如需要设计一分二系统(一个激光器分出两路光提高刻膜效率)或一分四系统(一个激光器分出四路光提高效率，需要二个或四个昂贵的光束整形器)等。在实际应用中，通过整形获得的平顶光束在聚焦时，平顶光束的焦深小于高斯光束的焦深，稍稍离开焦点后平顶的效果即大打折扣，这使得激光切片的效果非常差，使得问题更严重。比如现在的薄膜太阳能电池玻璃基板尺寸动辄几米，在镀上TCO等膜层后因应力作用会使玻璃变形，刻膜划线时工作距离随之改变，脱焦可达一到两个毫米甚至更多。

近年来，随着激光器相关技术的发展，激光器的性能得到了很大的改善。这就为利用激光器的新特性来提高划片质量成为了可能。比如德国edgwave公司的基于板条概念的INNOSLAB激光器(即部分端面泵浦的混合腔板条激光器，这种结构结合了传统端面泵浦固体激光器结构的泵浦体积与基模体积的有效重合以及薄片激光器与传统板条的结合)。INNOSLAB激光器的特点在于可以高度灵活地选择光束截面形状和光强分布：从圆形光斑，到一维线形平顶光斑，以及截面为方形的二维平顶光斑。INNOSLAB激光器的独特性能还体现在：高光束质量M2＜2，高重复频率(高达150kHz)，短脉宽(＜10ns)，高脉冲能量(高达60mJ)和高平均功率。如果采用INNOSLAB激光器，不需要进行激光整形，就可以直接使用其平顶光束，使得划片装置的结构更加简化。它的短脉冲特性能使激光作用点周围受热影响控制在最小范围，使得划片热影响区很少，可以提高划片的质量。同时可以通过RS232与上位机通讯，调节其参数，根据加工材料不同调节采用波长，以及其他激光参数，提高划片质量与效率。这种激光器虽能满足直接使用其平顶光束的要求，但现有技术中与其配套使用的划片装置不能有效满足复杂轨迹和大面积的划片加工要求。

另外，传统的激光划片方式一般是采用水平方向移动XY工作台和竖直方向移动激光划片头来实现划片加工，这种结构虽然能够实现一定的划片加工，但是当切割大面积的对象时，由于负载比较重，启动加速度不能太大，因此已有的技术一般通过加大工作台移动范围来实现大面积划片，而这种加工方式在正式划片时需要给予一定空余的加速时间，这样为了保证以均匀的速度划片，但相对限制了加工范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理，可大面积划片、划片对象兼容性好的激光划片装置。

为达上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：一种激光划片装置，包括零件台、控制系统、激光发生装置、激光头和三维运动机构，所述控制系统设置于零件台上，所述零件台上固定设有支撑体，三维运动机构连接在支撑体上；所述控制系统分别与激光发生装置和三维运动机构连接，激光发生装置与激光头连接，激光头与三维运动机构连接。支撑体优选为四个矩形型钢。

所述三维运动机构包括X方向运动机构、Y方向运动机构和Z方向运动机构，Y方向运动机构分别与支撑体、X方向运动机构连接，X方向运动机构与Z方向运动机构连接；所述Z方向运动机构的下端部分别连接有CCD摄像头、激光头。

所述Y方向运动机构包括Y向滑轨以及滑动地连接在Y向滑轨上的Y向滑块，所述Y向滑轨连接在支撑体的上方，且与零件台平面平行地设置；在Y向滑轨的端部设有伺服电机，伺服电机与镶嵌于Y向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与Y向滑块连接。在伺服电机的驱动下，滚珠丝杆带动Y向滑块沿Y方向移动。

所述Y向滑轨为两个，且两个Y向滑轨之间相互平行；所述Y向滑块为两个，每个Y向滑块对应地与一个Y向滑轨连接。

所述X方向运动机构包括X向滑轨以及滑动地连接在X向滑轨上的X向滑块，所述X向滑轨与Y向滑块连接，且与Y向滑轨垂直、与零件台平面平行地设置；在X向滑轨的端部设有伺服电机，伺服电机与镶嵌于X向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与X向滑块连接。在伺服电机的驱动下，滚珠丝杆带动X向滑块沿X方向移动。

所述Z方向运动机构包括Z向滑轨以及滑动地连接在Z向滑轨上的Z向滑块，所述Z向滑块与X向滑块连接；Z向滑轨与X向滑轨垂直，且与零件台平面垂直；在Z方向滑轨的上端部设有伺服电机；所述伺服电机与镶嵌于Z向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与Z方向滑块连接。在伺服电机的驱动下，滚珠丝杆带动Z向滑块沿Z方向移动。

所述控制系统包括控制柜以及置于控制柜内的显示屏、PLC控制器、运动控制器和伺服驱动器，所述显示屏与PLC控制器连接，PLC控制器分别与运动控制器和伺服驱动器连接，所述运动控制器与伺服驱动器连接，伺服驱动器与三维运动机构中的各伺服电机连接。其中，所述显示屏用于设定和读取相关参数；所述PLC控制器用于在显示屏和运动控制器之间获取、处理以及反馈相关参数；所述运动控制器用于控制伺服驱动器；所述伺服驱动器用于驱动三维运动机构中的各伺服电机。

所述显示屏为人机界面触摸屏。

所述激光发生装置为Nd:YAG激光器或光纤激光器，并通过光纤与激光头连接；所述激光发生装置通过螺钉等连接方式固定于零件台或者设于零件台外的支撑装置上(即不与零件台连接而独立作为一个装置)，支撑装置优选为本激光划片装置外部的工作台等装置。所述Nd:YAG激光器优选为INNOSLAB激光器(即部分端面泵浦的混合腔板条激光器，这种结构结合了传统端面泵浦固体激光器结构的泵浦体积与基模体积的有效重合以及薄片激光器与传统板条的结合)。

该装置还包括设置于零件台侧边的上下料装置，所述零件台为花岗石基台或大理石基台。

本实用新型的工作原理：激光发生装置发射的激光通过光纤传输到激光头，通过伺服电机分别带动X向滑块、Y向滑块和Z向滑块在X向滑轨、Y向滑轨和Z向滑轨上运动，带动激光头分别沿X方向、Y方向和Z方向运动，实现激光头的三维运动，从而完成划片动作，不需移动零件台就可以达到大面积加工零件的目的。

本实用新型可以对玻璃、陶瓷、半导体、金属、石英石、蓝宝石、硅晶、太阳能薄膜电池等脆性材料进行划片或切割的加工。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型采用光纤传输，通过光纤可以将激光被传输到任意需要的地方，使得划片具有灵活的柔性等优点。

2、本实用新型采用三维运动机构移动激光头，可实现激光头的三维运动，具有加速时间少、划片定位精度高、划片线性好等优点，而且承载重量轻，磨耗少，能够长期维持一定的精度，少于0.004mm。

3、本实用新型的光路简单，易于控制，维护方便。

4、本实用新型的零件台为固定的，加工时不需移动，零件固定于零件台上不参与任何工况动作，因此易于定位，并且无需受大质量零件的惯性因素等的制约。

5、本实用新型的激光发生装置可以采用具有多波长、光束无需整形的激光器，兼容性好，可以对玻璃、陶瓷、半导体、金属、石英石、蓝宝石等不同的物质进行加工。

附图说明

图1是本实用新型装置的总体结构示意图。

图2是图1所示装置中三维运动机构的俯视图。

图3是本实用新型装置的第二种结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

图1～图2示出了本实施例的具体结构图，如图1所示，本激光划片装置包括零件台1、控制系统、激光发生装置6、激光头4和三维运动机构，所述控制系统设置于零件台1上，所述零件台1上固定设有支撑体2，三维运动机构连接在支撑体2上；所述控制系统分别与激光发生装置6和三维运动机构连接，激光发生装置6与激光头4连接，激光头4与三维运动机构连接。支撑体2为四个矩形型钢。

所述三维运动机构包括X方向运动机构、Y方向运动机构和Z方向运动机构，Y方向运动机构分别与支撑体2、X方向运动机构连接，X方向运动机构与Z方向运动机构连接；所述Z方向运动机构的下端部分别连接有CCD摄像头3、激光头4。

如图2所示，所述Y方向运动机构包括Y向滑轨以及滑动地连接在Y向滑轨上的Y向滑块，Y向滑轨为两个，分别为Y向滑轨15和Y向滑轨18，且Y向滑轨15和Y向滑轨18之间相互平行；所述Y向滑块为两个，分别为Y向滑块14和Y向滑块19，Y向滑块14和Y向滑块19分别对应地与Y向滑轨15和Y向滑轨18滑动地连接；所述Y向滑轨15和Y向滑轨18分别连接在支撑体2的上方，且与零件台1平面平行地设置；在Y向滑轨15和Y向滑轨18的端部均分别连接有伺服电机11和伺服电机21，所述伺服电机11和伺服电机21分别与镶嵌于Y向滑轨15内和Y向滑轨18内的滚珠丝杆连接，各滚珠丝杆分别与Y向滑块14和Y向滑块19连接。在伺服电机11和伺服电机21的驱动下，各滚珠丝杆带动Y向滑块14和Y向滑块19沿Y方向移动。

所述X方向运动机构包括X向滑轨17以及滑动地连接在X向滑轨17上的X向滑块13，所述X向滑轨17分别与Y向滑块14和Y向滑块19连接，且与Y向滑轨15和Y向滑轨18垂直、与零件台1平面平行地设置；在X向滑轨17的端部设有伺服电机20，伺服电机20与镶嵌于X向滑轨17内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与X向滑块13连接。在伺服电机20的驱动下，滚珠丝杆带动X向滑块13沿X方向移动。

所述Z方向运动机构包括Z向滑轨16以及滑动地连接在Z向滑轨16上的Z向滑块12，所述Z向滑块12与X向滑块13连接；Z向滑轨16与X向滑轨17垂直，且与零件台1平面垂直；在Z方向滑轨的上端部设有伺服电机22；所述伺服电机22与镶嵌于Z向滑轨16内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与Z方向滑块12连接。在伺服电机22的驱动下，滚珠丝杆带动Z向滑块12沿Z方向移动。

所述控制系统包括控制柜10以及置于控制柜10内的显示屏7、PLC控制器8、运动控制器9和伺服驱动器，所述显示屏7与PLC控制器8连接，PLC控制器8分别与运动控制器9和伺服驱动器连接，所述运动控制器9与伺服驱动器连接，伺服驱动器与三维运动机构中的各伺服电机连接。其中，所述显示屏7用于设定和读取相关参数；所述PLC控制器8用于在显示屏7和运动控制器9之间获取、处理以及反馈相关参数；所述运动控制器9用于控制伺服驱动器；所述伺服驱动器用于驱动三维运动机构中的各伺服电机。

所述显示屏7为人机界面触摸屏。

所述激光发生装置6为光纤激光器，并通过光纤5与激光头4连接；所述激光发生装置6通过螺钉固定于零件台1上。

所述零件台1为花岗石基台。

本实施例的工作原理：激光发生装置6发射的激光通过光纤5传输到激光头4，通过伺服电机带动X向滑块13、Y向滑块14、Y向滑块19和Z向滑块12分别在X向滑轨17、Y向滑轨15、Y向滑轨18和Z向滑轨16上运动，带动激光头4分别沿X方向、Y方向和Z方向运动，实现激光头4的三维运动，从而完成划片动作，不需移动零件台1就可以达到大面积加工零件的目的。

本实施例装置可以对玻璃、陶瓷、半导体、金属、石英石、蓝宝石、硅晶、太阳能薄膜电池等脆性材料进行划片或切割的加工。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：所述激光发生装置6设于零件台1外的支撑装置上，即本激光划片装置外部的工作台，使激光发生装置6不与零件台连接而独立作为一个装置，如图3所示。

该装置还包括设置于零件台1侧边的上下料装置23，所述零件台1为大理石基台。

实施例3

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：所述激光发生装置为Nd:YAG激光器。

实施例4

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：所述激光发生装置为INNOSLAB激光器(即部分端面泵浦的混合腔板条激光器，这种结构结合了传统端面泵浦固体激光器结构的泵浦体积与基模体积的有效重合以及薄片激光器与传统板条的结合)。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种激光划片装置，其特征在于：包括零件台、控制系统、激光发生装置、激光头和三维运动机构，所述控制系统设置于零件台上，所述零件台上固定设有支撑体，三维运动机构连接在支撑体上；所述控制系统分别与激光发生装置和三维运动机构连接，激光发生装置与激光头连接，激光头与三维运动机构连接。

2.根据权利要求1所述的激光划片装置，其特征在于：所述三维运动机构包括X方向运动机构、Y方向运动机构和Z方向运动机构，Y方向运动机构分别与支撑体、X方向运动机构连接，X方向运动机构与Z方向运动机构连接；所述Z方向运动机构的下端部分别连接CCD摄像头、激光头。

3.根据权利要求2所述的激光划片装置，其特征在于：所述Y方向运动机构包括Y向滑轨以及滑动地连接在Y向滑轨上的Y向滑块，所述Y向滑轨连接在支撑体的上方，且与零件台平面平行地设置；在Y向滑轨的端部设有伺服电机，伺服电机与镶嵌于Y向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与Y向滑块连接。

4.根据权利要求3所述的激光划片装置，其特征在于：所述Y向滑轨为两个，且两个Y向滑轨之间相互平行；所述Y向滑块为两个，每个Y向滑块对应地与一个Y向滑轨连接。

5.根据权利要求3或4所述的激光划片装置，其特征在于：所述X方向运动机构包括X向滑轨以及滑动地连接在X向滑轨上的X向滑块，所述X向滑轨与Y向滑块连接，且与Y向滑轨垂直、与零件台平面平行地设置；在X向滑轨的端部设有伺服电机，伺服电机与镶嵌于X向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与X向滑块连接。

6.根据权利要求5所述的激光划片装置，其特征在于：所述Z方向运动机构包括Z向滑轨以及滑动地连接在Z向滑轨上的Z向滑块，所述Z向滑块与X向滑块连接；Z向滑轨与X向滑轨垂直，且与零件台平面垂直；在Z方向滑轨的上端部设有伺服电机，伺服电机与镶嵌于Z向滑轨内的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与Z方向滑块连接。

7.根据权利要求6所述的激光划片装置，其特征在于：所述控制系统包括控制柜以及置于控制柜内的显示屏、PLC控制器、运动控制器和伺服驱动器，所述显示屏与PLC控制器连接，PLC控制器分别与运动控制器和伺服驱动器连接，所述运动控制器与伺服驱动器连接，伺服驱动器与三维运动机构中的各伺服电机连接。

8.根据权利要求7所述的激光划片装置，其特征在于：所述显示屏为人机界面触摸屏。

9.根据权利要求1至4任一项所述的激光划片装置，其特征在于：所述激光发生装置为Nd:YAG激光器或光纤激光器，并通过光纤与激光头连接；所述激光发生装置固定于零件台上或者设于零件台外的支撑装置上。

10.根据权利要求1至4任一项所述的激光划片装置，其特征在于：该装置还包括设置于零件台侧边的上下料装置，所述零件台为花岗石基台或大理石基台。