CN204195057U - 一种精密激光扫描加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光加工技术领域，公开了一种精密激光扫描加工系统，该加工系统包括计算机、二维振镜运动控制卡、X轴振镜电机、Y轴振镜电机、远心扫描透镜、工作平台、平移台x轴电机、平移台y轴电机、平移台x轴驱动器、平移台y轴驱动器、X轴振镜片和Y轴振镜片；其中，待加工材料设置在工作平台上，工作平台由平移台x轴电机和平移台y轴电机驱动沿x轴和y轴移动，远心扫描透镜设置在待加工材料的正上方，X轴振镜片和Y轴振镜片分别设置在X轴振镜电机和Y轴振镜电机上，并位于远心扫描透镜上方；本实用新型中通过计算机分别控制激光器发出的激光束、x轴振镜片、y轴振镜片和工作平台，从而提高其加工精度并能实现加工的均匀性。

Description

一种精密激光扫描加工系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种精密激光扫描加工系统。

背景技术

激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，已经广泛应用于科研、国防、工业等国民生产的重要方面。在工业领域，激光加工作为先进制造技术，具有高效、高精度、高质量、范围广、节能环保并能实现柔性加工和超微细加工的优点，在汽车、电子电路、电器、航空航天、钢铁冶金、机械制造等领域得到了广泛的应用，且在某些行业(例如汽车、电子行业等)已经达到较高的水平。对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

精密激光切割、激光消除、激光蚀刻等是激光加工中比较常见，应用也比较广泛的一种方式。

因为二维振镜扫描速度快，效率高等优点，随着激光精密加工在各个领域的不断发展，采用二维振镜扫描方式进行精密激光加工也被广泛使用。采用二维振镜扫描方式加工，是由平场透镜对光束聚焦，形成焦点，而采用二维扫描振镜控制光束的方向、移动速度，从而控制聚焦焦点在待加工材料上移动，从而进行蚀刻、消除、切割等。为了实现二维扫描振镜精确控制激光束的方向和移动速度等，需要对二维扫描振镜的运动进行控制，为了实现精密扫描加工，需要二维扫描振镜的运动和激光器的发射相关联、相匹配，从而实现精确加工。

图1为一种常见的扫描图形的举例，即简单的折线，由A点起，在B点转折，图中转折角度90°，转折角度也可以为其他角度，最后在C点结束。目前随着激光加工需要扫描图形的复杂程度越来越高，在图形中存在大量的转折线和闭合的图形，而且需要扫描的图形尺寸越来越小，即要求在非常小的范围内，完成复杂图形的精确扫描，因此要求对扫描精确控制。如图2所示，在拐角位置，应该为直角，但是因为运动控制不够精确，激光扫描加工结果放大之后，可以发现，在拐角位置，形成弧形，而不是直角拐角，图3中，拐角位置也存在弧形问题，这是控制的精确度不足。另外，在图中直线的部分，激光脉冲加工形成的点紧密排布，互相呈相切状态，但是，在拐角的位置，激光脉冲发生重叠，这将导致在拐角位置激光加工过重问题，达不到均匀的加工效果。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种精密激光扫描加工系统，能够提高激光加工精度，还能实现激光加工效果的均匀性。

为了解决以上提出的问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种精密激光扫描加工系统，该加工系统包括计算机、二维振镜运动控制卡、X轴振镜电机、Y轴振镜电机、远心扫描透镜、工作平台、平移台x轴电机、平移台y轴电机、平移台x轴驱动器、平移台y轴驱动器、X轴振镜片和Y轴振镜片；

其中，待加工材料设置在工作平台上，工作平台由平移台x轴电机和平移台y轴电机驱动沿x轴和y轴移动，远心扫描透镜设置在待加工材料的正上方，X轴振镜片和Y轴振镜片分别设置在X轴振镜电机和Y轴振镜电机上，并位于远心扫描透镜上方；

所述计算机根据事先设定的参数，将运动信号发送至二维振镜运动控制卡，并将激光信号发送至激光器，同时还将控制信号发送至平移台x轴驱动器与平移台y轴驱动器；

所述激光器根据接收到的激光信号，发射激光光束至X轴振镜片、Y轴振镜片上；

所述平移台x轴驱动器与平移台y轴驱动器根据接收到的控制信号驱动平移台x轴电机和平移台y轴电机运动；

所述二维振镜运动控制卡根据接收到的运动信号，控制X轴振镜电机、Y轴振镜电机运动。

所述加工系统还包括X轴振镜传感器和Y轴振镜传感器；

所述X轴振镜传感器和Y轴振镜传感器分别设置在X轴振镜电机和Y轴振镜电机上，并实时采集X轴振镜电机、Y轴振镜电机的运动速度，即得到X轴振镜片、Y轴振镜片的偏转速度，并分别发送给计算机和激光器，激光器根据接收到的速度决定其发射频率，计算机根据接收到的速度控制激光器激光信号的脉冲频率，使其与激光器的发射频率匹配。

所述加工系统还包括速度读取卡，速度读取卡不断读取X轴振镜传感器、Y轴振镜传感器采集到的X轴振镜片、Y轴振镜片的偏转速度，并将X轴振镜片、Y轴振镜片的偏转速度发送计算机和激光器。

所述加工系统还包括比较器，比较器接收速度读取卡读取的X轴振镜片、Y轴振镜片的偏转速度，并与事先保存的速度进行比较，得到激光器发射的激光频率是需要增大或减少；比较完后删去事先保存的速度，并将接收到的偏转速度发送给计算机和激光器。

所述加工系统还包括合成器，合成器将接收到X轴振镜片、Y轴振镜片的偏转速度进行合成，并将合成得到的速度分别发送给计算机和激光器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型中通过计算机事先设定参数，并分别将参数指令输出给激光器、二维振镜运动控制卡、平台x轴和y轴驱动器，从而分别控制激光器发出的激光束、x轴振镜片、y轴振镜片和工作平台，即整个加工系统结构简单，且不需要人工调整，通过计算机方便控制，还能提高其加工精度。

2、本实用新型采用X轴振镜传感器、Y轴振镜传感器分别实时监测X轴振镜电机、Y轴振镜电机的速度，能够采集并监控其运动是否达到预先设定的速度的水平；且通过速度读取卡、比较器、合成器读取、存储、比较、分析X轴振镜电机、Y轴振镜电机的速度，并将其发送至激光器，控制激光器输出激光的发射频率，从而实现脉冲激光的发射频率与速度匹配，从而实现加工时脉冲数目(即频率)在加工图形的轨迹上均匀排布。

3、本实用新型通过计算机控制激光器发出激光光束的单脉冲能量始终维持预先设定水平，因此结合发射频率与速度匹配，实现激光加工能量在图形的轨迹上均匀分布，实现在图形的任何位置都得到同等能量的激光加工，从而实现激光加工效果的均匀性。

4、本实用新型能够实时监测并反馈X/Y轴振镜电机的速度，也就能够实时反馈X/Y振镜电机的位置，所以就能够判断聚焦光束焦点在工作平台上的实时位置，因此，能够实现聚焦光束焦点在图形的精确位置的检测，从而解决在拐角位置出现弧形的问题，加工图形的不到位或者过度等等问题，实现对加工图形的精确扫描，使得激光扫描加工结果更接近图形。

附图说明

图1为常用的扫描图形示意图。

图2为针对常用扫描图形采用普通扫描系统的扫描结果显微图。

图3为普通扫描系统的扫描结果显微图。

图4为本实用新型精密激光扫描加工系统的组成示意图。

图5为本实用新型精密激光扫描加工系统的控制原理图。

图6为本实用新型激光脉冲频率与运动速率相匹配示意图。

图7为本实用新型加工结果显微示意图。

附图标记说明：1-计算机、2-二维振镜运动控制卡、3-速度读取卡、4-比较器、5-合成器、6-激光器、7-X轴振镜电机、8-X轴振镜传感器、9-Y轴振镜电机、10-Y轴振镜传感器、11-远心扫描透镜、12-聚焦光速、13-聚焦光束焦点、14-工作平台、15-平移台x轴电机、16-平移台y轴电机、17-平移台x轴驱动器、18-平移台y轴驱动器、19-X轴振镜片、20-Y轴振镜片

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

参阅图4所示，本实用新型提供的一种精密激光扫描加工系统，该加工系统包括计算机1、二维振镜运动控制卡2、速度读取卡3、比较器4、合成器5、激光器6、X轴振镜电机7、X轴振镜传感器8、Y轴振镜电机9、Y轴振镜传感器10、远心扫描透镜11、工作平台14、平移台x轴电机15、平移台y轴电机16、平移台x轴驱动器17、平移台y轴驱动器18、X轴振镜片19和Y轴振镜片20。

其中，待加工材料设置在工作平台14上，工作平台14由平移台x轴电机15和平移台y轴电机16驱动实现其沿x轴和y轴方向移动，平移台x轴电机15和平移台y轴电机16分别与平移台x轴驱动器17、平移台y轴驱动器18连接，远心扫描透镜11设置在待加工材料的正上方，X轴振镜片19和Y轴振镜片20分别设置在X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9上，并位于远心扫描透镜11上方，X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9上还分别设置有X轴振镜传感器8和Y轴振镜传感器10，激光器6水平设置在X轴振镜片19和Y轴振镜片20的一侧，其发出的激光入射至两者上。

X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9均与二维振镜运动控制卡2连接，X轴振镜传感器8和Y轴振镜传感器10均与速度读取卡3连接，比较器4两端分别连接读取卡3和合成器5，合成器5与激光器6连接，计算机1分别连接二维振镜运动控制卡2、合成器5、激光器6、平移台x轴驱动器17与平移台y轴驱动器18连接。

如图5所示，上述中，各个部分的功能和原理如下：

所述计算机1事先设定的参数包括：聚焦光束焦点13的移动速度，即激光加工速度v；X轴振镜片19和Y轴振镜片20的运动信号即加速度a；激光器6的激光信号即发射频率f和发射的激光脉冲的单脉冲能量E；驱动平移台x轴驱动器17与平移台y轴驱动器18的控制信号；计算机1将运动信号发送至二维振镜运动控制卡2，并将激光信号发送至激光器6，同时还将控制信号发送至平移台x轴驱动器17与平移台y轴驱动器18。

所述激光器6根据接收到的激光信号，发射激光光束至X轴振镜片19、Y轴振镜片20上，由于X轴振镜片19、Y轴振镜片20表面镀对激光器6发出的激光光束的高反射的膜层，因此激光束被X轴振镜片19、Y轴振镜片20反射后，进入远心扫描透镜11，远心扫描透镜11镀对激光光束的高透射膜层，远心扫描透镜11对激光束进行聚焦，并形成聚焦光束12，聚焦光束焦点13位于工作平台14的表面，因此即可对工作平面14表面的待加工材料进行加工。

所述平移台x轴驱动器17与平移台y轴驱动器18根据接收到的控制信号驱动平移台x轴电机15和平移台y轴电机16沿着x、y方向运动，从而可以移动工作平台14，带动放置其上的待加工材料移动位置。

所述二维振镜运动控制卡2根据接收来自计算机1的运动信号，确定X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9的转动加速度和转动最大速度等参数，并控制X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9按照设定参数运动，并带动X轴振镜片19、Y轴振镜片20运动，

二维振镜运动控制卡2控制X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9运动时，所述X轴振镜传感器8、Y轴振镜传感器10分别实时检测X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9的运动速度，即得到X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度，因此能够实时监测X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度。

所述速度读取卡3不断读取X轴振镜传感器8、Y轴振镜传感器10采集到的X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度，并将X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度发送到比较器4。

所述比较器4首先保存X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度，当速度读取卡3将下一次读取的X轴振镜片19、Y轴振镜片20的实时速度发送到比较器4时，则比较器4将其保存上一次的X轴振镜片19、Y轴振镜片20的偏转速度比较，以便判断X轴振镜片19和Y轴振镜片20是处于加速还是减速状态，从而即可判断激光器6发射的激光频率是需要增大还是减少。比较器4将此次速度读取卡3发送到的X轴振镜片19、Y轴振镜片20速度与上次的作完比较之后，将保存此次的X轴振镜片19、Y轴振镜片20速度，以备下次比较用，同时删除上次X轴振镜片19、Y轴振镜片20的速度值。

上述中，由于聚焦光束12受到X轴振镜片19和Y轴振镜片20两者偏转速度的影响，因此聚焦光束焦点13的速度与X轴振镜片19和Y轴振镜片20两者的速度都有关系，即与X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9的速度都有关系，因此需要将X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9的速度做矢量合成，即比较器4将收到的X轴振镜片19、Y轴振镜片20速度发送到合成器5，由合成器5进行运算，将X轴振镜片19、Y轴振镜片20两个的速度做矢量合成，得到两者的合成速度，也就是聚焦光束焦点13运行的速度。

所述合成器5将合成得到的速度分别发送到计算机1和激光器6，若比较器4接收到的X轴振镜电机7和Y轴振镜电机9运行速度都为0，而且合成器5合成速度为0，则表明X轴振镜片19和Y轴振镜片20都静止，此时需要停止激光器6的发射，则此时计算机1发送指令到激光器6，停止激光输出。

若合成速度不为0，则根据预先设定的激光加工速度v时，激光器6的发射频率f，则使用当前的检测到的速度v1与预先设定的激光加工速度v比较，从而决定当前激光器6的发射频率f1，即由当前的速度决定激光器6的发射频率，而计算机1控制激光器6始终发射单脉冲能量为E的激光脉冲，因此即可实现激光脉冲频率与速度匹配，即激光器6发射的总能量(激光脉冲频率×单脉冲能量)根据速度变化，从而解决由于X轴振镜片19、Y轴振镜片20运动与激光器6不匹配产生的部分图形位置加工过重或者过轻的问题。

采用了本实用新型的精密激光扫描加工系统后，下面结合实例来阐述：

如图6所示，即为以图1所示的图形加工为例，激光器6发射的激光脉冲频率和二维扫描振镜运动相匹配的示意图，可见，横坐标为时间，纵坐标为运动速度或者频率，为了表达清楚，在横坐标时间轴上标示了图1所示图形的端点A、B、C，由图可见，在AB段，因为AB线段为水平方向，因此仅需X轴振镜电机7运动，可见首先X轴振镜电机7的速率增大，即加速过程，由于加速过程非常短暂，所以图6中采用匀加速来表示，经过一段时间的加速后，X轴振镜电机7的运动达到预先设定的速度v。

因为在将如图1所示图形的运动信号发送至二维振镜运动控制卡2时，计算机1已经对图形进行了计算和处理，二维振镜运动控制卡2处理后，在AB段即将结束，到达端点B时，将控制X轴振镜电机7减速并停止运动，同样因减速过程非常短，所以在图6中以匀减速表示，聚焦光束焦点13到达B点，从而完成AB段的加工，在X轴振镜电机7停止在B点的同时，Y轴振镜电机9开始加速，同样的，完成BC段的加工，并最后在C点停止，结束如图1所示的图形的加工。

上述中，通过X轴振镜传感器8、Y轴振镜传感器10实时监测X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9的运动速度，并具有速度读取卡3、比较器4、合成器5进行分析处理，因此在AB段，加速过程，X轴振镜传感器8探测到X轴振镜电机7不断增大，因此，发出速度信号，经过速度读取卡3、比较器4、合成器5分析处理后，控制激光器6发射的脉冲激光频率，随着X轴振镜电机7的速度增大而增大，当X轴振镜电机7速度达到预先设定的速度v时，脉冲激光频率也同步达到预先设定的f。然后，X轴振镜电机7匀速运动，脉冲激光频率也保持稳定，然后在AB段减速过程中，脉冲激光频率也同步减小，当X轴振镜传感器8检测到X轴振镜电机7速度为0时，即到达B点时，由合成器5和计算机1发送信号到激光器6，将脉冲激光频率设为0，即关闭激光器6的激光发射，同样，对于BC段也是如此。

在上述整个的AB段加工的过程中，计算机1控制激光器6发射的脉冲的单脉冲能量式中为E。而其频率随着速度而变化，所以在整个加工过程中，尽管有加速、匀速、减速过程，但是，始终保持激光器6发射的脉冲频率和速度相对应，也就保证了作用到待加工材料的激光能量保持恒定，因此，将获得激光脉冲均匀排布的加工效果，也就解决了如图2、3所示的在拐角位置激光脉冲重叠、加工过重、加工效果不均匀的问题，如图7所示，对于复杂的、存在各种角度的拐角的图形，无论在拐角位置还是直线位置，激光脉冲均匀排布，实现均匀的加工效果。

另外，在AB段的结尾B点，因为采用了X轴振镜传感器8、Y轴振镜传感器10实时监测X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9的运行速度，因此形成了X轴振镜电机7、Y轴振镜电机9速度的反馈型号，并形成了闭合回路：计算机1--二维振镜运动控制卡2—X/Y轴振镜电机7/9--X/Y轴振镜传感器8/10--速度读取卡3--比较器4--合成器5--计算机1。

因此能够实时监测并反馈X/Y轴振镜电机7/9的速度，也就能够实时反馈X/Y振镜电机7/9的位置，所以就能够判断聚焦光束焦点13在工作平台14上的实时位置，因此，以如图1所示的图形加工为例，在拐角B点，能够判断聚焦光束13是否精确到达图形的拐角B点，所以，解决了如图2、3所示的，在拐角位置出现弧形的问题，实现对加工图形的精确扫描。

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 (5)

1.一种精密激光扫描加工系统，其特征在于：该加工系统包括计算机(1)、二维振镜运动控制卡(2)、X轴振镜电机(7)、Y轴振镜电机(9)、远心扫描透镜(11)、工作平台(14)、平移台x轴电机(15)、平移台y轴电机(16)、平移台x轴驱动器(17)、平移台y轴驱动器(18)、X轴振镜片(19)和Y轴振镜片(20)；

其中，待加工材料设置在工作平台(14)上，工作平台(14)由平移台x轴电机(15)和平移台y轴电机(16)驱动沿x轴和y轴移动，远心扫描透镜(11)设置在待加工材料的正上方，X轴振镜片(19)和Y轴振镜片(20)分别设置在X轴振镜电机(7)和Y轴振镜电机(9)上，并位于远心扫描透镜(11)上方；

所述计算机(1)根据事先设定的参数，将运动信号发送至二维振镜运动控制卡(2)，并将激光信号发送至激光器(6)，同时还将控制信号发送至平移台x轴驱动器(17)与平移台y轴驱动器(18)；

所述激光器(6)根据接收到的激光信号，发射激光光束至X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)上；

所述平移台x轴驱动器(17)与平移台y轴驱动器(18)根据接收到的控制信号驱动平移台x轴电机(15)和平移台y轴电机(16)运动；

所述二维振镜运动控制卡(2)根据接收到的运动信号，控制X轴振镜电机(7)、Y轴振镜电机(9)运动。

2.根据权利要求1所述的精密激光扫描加工系统，其特征在于：所述加工系统还包括X轴振镜传感器(8)和Y轴振镜传感器(10)；

所述X轴振镜传感器(8)和Y轴振镜传感器(10)分别设置在X轴振镜电机(7)和Y轴振镜电机(9)上，并实时采集X轴振镜电机(7)、Y轴振镜电机(9)的运动速度，即得到X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)的偏转速度，并分别发送给计算机(1)和激光器(6)，激光器(6)根据接收到的速度决定其发射频率，计算机(1)根据接收到的速度控制激光器(6)激光信号的脉冲频率，使其与激光器(6)的发射频率匹配。

3.根据权利要求2所述的精密激光扫描加工系统，其特征在于：所述加工系统还包括速度读取卡(3)，速度读取卡(3)不断读取X轴振镜传感器(8)、Y轴振镜传感器(10)采集到的X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)的偏转速度，并将X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)的偏转速度发送计算机(1)和激光器(6)。

4.根据权利要求3所述的精密激光扫描加工系统，其特征在于：所述加工系统还包括比较器(4)，比较器(4)接收速度读取卡(3)读取的X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)的偏转速度，并与事先保存的速度进行比较，得到激光器(6)发射的激光频率是需要增大或减少；比较完后删去事先保存的速度，并将接收到的偏转速度发送给计算机(1)和激光器(6)。

5.根据权利要求4所述的精密激光扫描加工系统，其特征在于：所述加工系统还包括合成器(5)，合成器(5)将接收到X轴振镜片(19)、Y轴振镜片(20)的偏转速度进行合成，并将合成得到的速度分别发送给计算机和激光器(6)。