CN203171139U - 一种用于立体直接成型的激光设备 - Google Patents

Abstract

一种用于立体直接成型的激光设备，包括激光光源、传输光路系统、计算机控制系统、运动控制系统。所述传输光路系统包括可变扩束镜、扫描振镜和远心光学聚焦透镜。激光光源发出高光束质量的光束，通过可变扩束镜调整倍率以调整焦平面上聚焦光斑的大小，并经过扫描振镜产生动态光束偏转，再经过远心光学聚焦透镜后在焦平面处聚焦，所述运动控制系统包括X轴、Y轴、Z轴、θ旋转轴及各自连接的驱动装置，放置工件的夹具安装在θ旋转轴上，所述计算机控制系统包括与控制扫描振镜和激光光源连接的计算机及安装在计算机上的控制卡。本实用新型设备结构灵活简单，不采用动态聚焦，且只需使用一个扫描头，即可实现三维立体表面直接转印成型。

Description

一种用于立体直接成型的激光设备

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，具体是一种用于立体直接成型的激光设备。

背景技术

目前市场上有很多激光三维成型加工设备，其主要的优势是柔性大。例如，激光直接成型(LDS)技术采用计算机控制激光在塑料载体上投照方法，不需要制造导电图形的模具或者掩膜，直接按照CAD数据成型导电图形，因此，修改设计非常方便。LDS技术采用的加工工具是激光，而激光光束直径细，直接作用于被加工工件，非常适合制作精细导电图形结构。然而，目前市场上的激光直接成型设备均采用动态聚焦或者多个扫描头进行三维加工，或结构复杂，或价格高昂。

发明内容

本实用新型提供一种用于立体直接成型的激光设备，可以解决现有技术中所存在的诸如价格高昂、结构复杂等问题。

本实用新型的技术方案具体为：

一种用于立体直接成型的激光设备，包括激光光源、传输光路系统、计算机控制系统、运动控制系统，所述激光光源用于产生高光束质量因子激光束，所述传输光路系统包括可变扩束镜、扫描振镜和远心光学聚焦透镜，激光光源发出高光束质量的光束，通过可变扩束镜调整倍率以调整焦平面上聚焦光斑的大小，并经过扫描振镜产生动态光束偏转，再经过远心光学聚焦透镜后在焦平面处聚焦，所述运动控制系统包括X轴、Y轴、Z轴、θ旋转轴及各自连接的驱动装置，放置工件的夹具安装在θ旋转轴上，所述计算机控制系统包括与控制扫描振镜和激光光源连接的计算机及安装在计算机上的控制卡。

进一步的，所述激光光源产生的激光束的激光波长λ为355nm，聚焦激光光斑半径w₀为0.1mm，激光光束质量因子M²为1.1。

进一步的，扫描振镜由两片正交偏转的镜片组成，扫描振镜有效通光口径为10mm，两振镜片之间的空间距离为10mm。

进一步的，远心光学聚焦透镜由多片透镜组成，由扫描振镜(3)摆动入射的激光光束经过远心光学聚焦透镜后在不同位置平行出射，且出射光束在整个有效幅面内的任何位置均平行出射，出射光束的平行度的角度误差小于0.3度，有效扫描幅面大于100mm*100mm。

进一步的，远心光学聚焦镜的前焦距F1为350mm，出射激光光束的焦平面位于530mm附近，聚焦光斑直径约为0.1mm。

进一步的，在运动控制系统X轴和Y轴之上设置至少两个Z轴及两个θ旋转轴，在每个θ旋转轴上各安装一个放置工件的夹具，通过X轴和Y轴的运动，切换夹具的水平方向位置，垂直方向及旋转方向则通过各自的Z轴和θ旋转轴控制。

本实用新型结构灵活简单，利用高光束质量、短波长激光束大范围焦深(或瑞利长度)的特点，可保证在不同平面上加工图形的外形尺寸不受激光光斑尺寸变化的影响；采用大幅面远心光学聚焦透镜，保证在幅面内任何位置出射的光束相互平行；待加工的三维表面图形只需投影成二维平面图形再导入标刻软件，标刻出的图形在加工的工件表面生成逆向投影原始图形，因此，不采用动态聚焦，且只需使用一个扫描振镜和一个远心光学聚焦镜头，即可实现三维立体表面直接转印成型。

附图说明

图1是本实用新型用于立体直接成型的激光设备的结构示意图；

图2是本实用新型中远心光学聚焦镜等效为薄透镜时的光束准直示意图；

图3是本实用新型运动控制系统的侧视图；

图4是本实用新型运动控制系统的主视图。

图中：1-激光光源，2-可变扩束镜，3-扫描振镜，4-远心光学聚焦透镜，5-填充图形，6-出射激光光束，7-计算机控制系统，8-标刻软件，9-远心光学聚焦透镜4的等效薄透镜，10-扫描振镜3两镜片的半间距，11-扫描振镜3两镜片的中心位置，12-Y轴，13-X轴，14-Z轴，15-θ旋转轴，

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本实用新型用于立体直接成型的激光设备的结构示意图，所述用于立体直接成型的激光设备包括激光光源1、传输光路系统、计算机控制系统、运动控制系统。

所述激光光源1采用高光束质量M^2因子激光光源，用于产生高光束质量M^2因子激光束，在最大程度上保证沿光路方向光斑尺寸的变化最小。激光束的光束质量决定可用于有效加工的垂直深度，称为焦深或瑞利长度。瑞利长度的计算公式为：

$\mathrm{Zr}=\frac{2\mathrm{\π}\·w_0^2}{\mathrm{\λ}{M}^2}---\left(1\right)$

其中，λ为激光波长，w₀为聚焦激光光斑半径，M²为激光光束质量因子。本实施例中激光波长λ为355nm，聚焦激光光斑半径w₀为0.1mm，激光光束质量因子M²为1.1，按照上述公式(1)计算即可可获得的瑞利长度，即有效加工的垂直深度为40mm。公式(1)的标准含义是，在瑞利长度范围内，光束半径的变化不超过1.4倍聚焦光斑半径，即，在光束传输方向的垂直深度为40mm的范围内，由光斑发散导致的加工尺寸误差-按聚焦光斑半径为0.1mm计算，可以控制在0.4倍聚焦激光光斑半径以内，即0.04mm。

所述传输光路系统包括可变扩束镜2、扫描振镜3和远心光学聚焦透镜4。可变扩束镜2用于调节聚焦激光光斑的尺寸，以满足不同加工工件对加工效率和精度误差的要求。本实施例中可变扩束镜2的扩束倍率为2-8倍，实际使用倍率为4.5倍。扫描振镜3由两片正交偏转的镜片组成，镜片的大小需满足能够接收通过可变扩束镜2后的激光光束尺寸。镜片尺寸越大，则两镜片之间的空间距离也越大。本实施例中扫描振镜3有效通光口径为10mm，两振镜片之间的空间距离为10mm。远心光学聚焦透镜4由多片透镜组成，本实施例中远心光学聚焦透镜4的前焦距F1为350mm，出口直径大于170mm，出射激光光束6的焦平面位于530mm附近，聚焦光斑直径约为0.1mm。

激光光源1发出高光束质量的光束，通过可变扩束镜2调整倍率以调整焦平面上聚焦光斑的大小，并经过扫描振镜3产生动态光束偏转，再经过远心光学聚焦透镜4后在焦平面处的聚焦；扫描振镜3与远心光学聚焦透镜4较为严格地搭配，使得在整个幅面内的任何位置出射的光束都相互平行，其平行度的角度误差Δθ小于0.3度，有效扫描幅面大于100mm*100mm。

由扫描振镜3摆动入射的激光光束经过远心光学聚焦透镜4后在不同位置平行出射。远心光学聚焦透镜4可等效看做一个薄透镜(如图2所示，利用简单的透镜光学原理，焦平面处发射的光线，经过透镜后平行出射，于扫描振镜有两个独立摆动镜片，为了平衡误差，前焦平面选在两振镜片的中间处)，则扫描振镜3的镜片空间间隔与薄透镜的前焦距F(扫描振镜3到远心光学聚焦镜4的距离)需满足一定的关系：

$\frac{H}{F-\mathrm{\Δf}}=\frac{F\·\tan \mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δf}}---\left(2\right)$

其中，H为边缘光束高度或镜片中心到镜片边缘的距离，当远心光学聚焦镜4的扫描幅面要达到100*100mm时，H的值应当大于80mm；根据透镜光学原理，焦点处发出的光线，经过透镜后成为平行光束，当光源偏离焦点时，则经过透镜后的光线不再是平行光束，而存在误差；以扫描振镜3两镜片间隔为10mm，其中间位置为远心光学聚焦镜4的前焦距焦平面时，光源偏离焦点Δf的值为5mm；以出射激光光束6间的平行度误差角度Δθ为0.2度计算，远心光学聚焦镜4的前焦距F须大于340mm(本实施例取350mm)，即光源偏离焦点Δf的值在5mm以内光束的平行度误差角度将小于0.2度。

请参考图3及图4，所述运动控制系统包括X轴13、Y轴12、Z轴14及θ旋转轴15及各自连接的驱动装置(例如伺服电机)，用于控制不同工件加工位置的切换以及同一工件不同工作位置和角度的切换加工。Y轴12由伺服电机驱动，沿Y方向做往复运动；X轴13由伺服电机驱动，沿X方向做往复运动；Z轴14由伺服电机驱动，沿Z方向(垂直方向)做往复运动；θ旋转轴15由伺服电机驱动，做360度旋转圆周运动。放置工件的夹具安装在θ旋转轴15上；所述运动控制系统置于远心光学聚焦透镜4的下方。在共用的X轴、Y轴运动平台之上，可设置两个可独立运动的机构，即为两个Z轴14及θ旋转轴15(如图4所示)，实现两个工作台轮换加工，以提高效率。待加工工件可用一个治具或者多个治具安装在运动平台上，进行多个工件的轮换加工工作；也可用自动化机械手臂替代X轴13、Y轴12、Z轴14及θ旋转轴15，放置工件的夹具直接安装在机械手臂上，控制工件的加工位置。

所述计算机控制系统7包括与控制扫描振镜3和激光光源1连接的计算机及安装在计算机上的控制卡。待加工物体表面立体图形先在计算机的三维图形软件中设计生成，例如Solidworks、ProE、AutoCAD等等；再将立体图形投影到二维平面制成平面二维投影图，导出DXF格式文件；最后将DXF文件再导入到控制扫描振镜3运动的标刻软件8中，按照DXF制成的图形轮廓进行填充修饰形成填充图形5，并在控制卡中设置合理的激光参数和振镜运动参数，用于计算机控制扫描振镜3和激光光源1，按照填充图形5的形状和尺寸，用激光在加工工件表面逐点扫描蚀刻。

本实用新型具体涉及激光三维立体直接成型激光加工技术领域，适于激光打标、激光活化、激光固化、激光焊接等领域的应用。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：包括激光光源(1)、传输光路系统、计算机控制系统、运动控制系统，所述激光光源(1)用于产生高光束质量因子激光束，所述传输光路系统包括可变扩束镜(2)、扫描振镜(3)和远心光学聚焦透镜(4)，激光光源(1)发出高光束质量的光束，通过可变扩束镜(2)调整倍率以调整焦平面上聚焦光斑的大小，并经过扫描振镜(3)产生动态光束偏转，再经过远心光学聚焦透镜(4)后在焦平面处聚焦，所述运动控制系统包括X轴(13)、Y轴(12)、Z轴(14)、θ旋转轴(15)及各自连接的驱动装置，放置工件的夹具安装在θ旋转轴(15)上，所述计算机控制系统(7)包括与控制扫描振镜(3)和激光光源(1)连接的计算机及安装在计算机上的控制卡。

2.如权利要求1所述用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：所述激光光源(1)产生的激光束的激光波长λ为355nm，聚焦激光光斑半径w₀为0.1mm，激光光束质量因子M²为1.1。

3.如权利要求1所述用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：扫描振镜(3)由两片正交偏转的镜片组成，扫描振镜(3)有效通光口径为10mm，两振镜片之间的空间距离为10mm。

4.如权利要求1所述用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：远心光学聚焦透镜(4)由多片透镜组成，由扫描振镜(3)摆动入射的激光光束经过远心光学聚焦透镜(4)后在不同位置平行出射，且出射光束在整个有效幅面内的任何位置均平行出射，出射光束的平行度的角度误差小于0.3度，有效扫描幅面大于100mm*100mm。

5.如权利要求1所述用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：远心光学聚焦镜(4)的前焦距F1为350mm，出射激光光束(6)的焦平面位于530mm附近，聚焦光斑直径约为0.1mm。

6.如权利要求1所述用于立体直接成型的激光设备，其特征在于：在运动控制系统X轴(13)和Y轴(12)上设置至少两个Z轴(14)及两个θ旋转轴(15)，在每个θ旋转轴(15)上各安装一个放置工件的夹具，通过X轴(13)和Y轴(12)的运动，切换夹具的水平方向位置，垂直方向及旋转方向则通过各自的Z轴(14)和θ旋转轴(15)控制。

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