CN204308417U - 一种精密激光扫描微孔加工装置 - 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微孔加工装置，该加工装置包括扫描振镜外壳、振镜片、平场透镜和透射平板，其中，扫描振镜外壳的侧面和底面上分别加工有通孔，作为激光束入射孔和通光孔；外部激光束通过激光束入射孔进入到扫描振镜外壳内，经过振镜片反射后穿过通光孔，入射到平场透镜对入射激光束进行聚焦，聚焦后的激光束经过透射平板作用在待加工材料上。本实用新型中采用透射平板对聚焦光束旋转透射，从而实现聚焦光束焦点在二维平面上的微小移动，从而实现精密微孔的加工；此外通过第一透射平板和第二透射平板在小范围内的微孔加工，能提升扫描光束运动的分辨率并降低热漂移，并能够保证微孔的精确、稳定加工。

Description

一种精密激光扫描微孔加工装置

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微孔加工装置。

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。

由于扫描振镜的方式进行激光加工具有速度快、效率高、成本适中等优点，已经广泛应用于工业中的各个方面的激光加工，例如激光打标、蚀刻、切割、毛化、打孔等。

随着激光应用的高速发展，精密激光加工技术越来越重要，成为当前激光加工的主要发展方向之一。一般意义上的精密激光加工技术是指针对厚度为1mm以下的材料，加工精度一般在十微米级的激光加工技术。精密激光加工技术能够充分利用激光束可以聚焦到很小尺寸且稳定性高、重复性高、在加工过程中，被加工产品热影响、热变形小，加工效果优于其他精密加工方式等特点。而且一旦大批量生产，精密激光加工技术不受数量限制且加工基本不需要耗材，所以能够大幅度降低生产成本，并获得高质量的产品。所以激光精密加工技术应用前景广阔。

在激光精密加工技术中，精密激光微孔加工技术，是指利用各种激光束聚焦后短时间内达到材料的熔点或沸点，针对传统方法技术上难以实现微孔加工的材料，进行孔径小于1000微米的微孔加工，例如，针对硬度高的金属(如钨合金、钛合金、不锈钢、铝等)，或者硬度高、脆性高的非金属材料(如氧化铝陶瓷、碳化铝陶瓷等)，加工孔径小于1000微米的孔。精密激光微孔加工方式质量好、重复精度高、效率高、综合经济成本低，已广泛应用于各种材料的微孔加工。

目前激光打孔方面主要有采用切割头和振镜扫描两种方式，但是进入精密激光微孔加工领域，当孔径小于1000微米，尤其是小于500微米时，因为传统的振镜扫描方式采用是通过矢量方式模拟待加工图形，因此圆孔会被处理成一系列的多段的矢量合成，因此难以形成孔径小于500微米的精确圆孔，另外传统的振镜扫描方式本身收到位置精度、扫描角分辨率的限制，难以实现精密微孔加工，而且，传统的振镜本身收到热漂移的影响，难以长时间稳定的进行精密微孔加工。而传统的切割头方式加工，效率较低，而且为了保证微孔的圆度以及精度，需要采用高精密的位移平台，成本较高。

传统的振镜扫描方式采用是通过矢量方式模拟待加工图形，因此圆孔会被处理成一系列的多段的矢量合成，因此难以形成孔径小于500微米的精确圆孔，另外传统的振镜扫描方式本身受到位置精度、扫描角分辨率的限制，难以实现精密微孔加工，而且，传统的振镜本身受到热漂移的影响，难以长时间稳定的进行精密微孔加工。因此需要既能够保持振镜扫描方式范围大、效率高优点，又能够实现精确、稳定的微孔加工的装置。

实用新型内容

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微孔加工装置，能够实现精密微孔精确、稳定的加工。

为了解决以上提出的问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种精密激光扫描微孔加工装置，该加工装置包括扫描振镜外壳、振镜片、平场透镜和透射平板，其中，扫描振镜外壳的侧面和底面上分别加工有通孔，作为激光束入射孔和通光孔；

外部激光束通过激光束入射孔进入到扫描振镜外壳内，经过振镜片反射后穿过通光孔，入射到平场透镜对入射激光束进行聚焦，聚焦后的激光束经过透射平板作用在待加工材料上。

所述平场透镜内设置有内部镜片。

所述振镜片包括第一振镜片和第二振镜片，透射平板包括第一透射平板和第二透射平板；所述加工装置还包括第一振镜电机和第二振镜电机；

第二振镜电机水平设置在扫描振镜外壳的内侧，其中心轴端部分别与激光束入射孔和通光孔位置相对应，第一振镜片安装在第一振镜电机中心轴的端部上，第一振镜电机垂直设置在第二振镜电机中心轴的端部，第二振镜片安装在第二振镜电机上；扫描振镜外壳上通光孔的下方设置有平场透镜，平场透镜的下方设置有与内部镜片平行的第一透射平板和第二透射平板。

所述加工装置还包括第一平板电机和第二平板电机，第一透射平板、第二透射平板分别安装在透射第一平板电机、第二平板电机上，并分别绕其中心轴旋转。

所述第一振镜片和第二振镜片分别绕第一振镜电机和第二振镜电机的中心轴旋转。

所述第一透射平板与第二透射平板的旋转方向互相垂直。

所述内部镜片下方设置有保护镜片。

所述平场透镜采用远心透镜代替。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型中采用透射平板对聚焦光束旋转透射，从而实现聚焦光束焦点在二维平面上的微小移动，从而实现精密微孔的加工；此外通过第一透射平板和第二透射平板在小范围内的微孔加工，能提升扫描光束运动的分辨率并降低热漂移，并能够保证微孔的精确、稳定加工。

附图说明

图1为本实用新型精密激光扫描微孔加工装置的结构图。

图2为本实用新型加工装置的光路原理示意图。

图3为本实用新型加工装置的光路折射区域放大图。

图4为本实用新型加工装置的光路聚焦点区域放大图。

图5为本实用新型加工装置中第二振镜片转动后加工过程的光路示意图。

附图标记说明：1-扫描振镜外壳、2-激光束入射孔、3-第一振镜电机、4-第一振镜片、5-第二振镜电机、6-第二振镜片、601-第一旋转位置、602-第二旋转位置、603-第三旋转位置、7-平场透镜、701-内部镜片、702-保护镜片、8-第一透射平板、9-第二透射平板、901-转动位置、10-第一平板电机、11-第二平板电机、12-第一聚焦光束、13-第一聚焦光束焦点、14-第二聚焦光束、15-第二聚焦光束焦点、16-入射光束、17-聚焦光束平面、1201-第一旋转聚焦光束、1202-第二旋转聚焦光束、1203-第三旋转聚焦光束、1301-第一旋转聚焦光束焦点、1302-第二旋转聚焦光束焦点、1303-第三旋转聚焦光束焦点、1401-第一转动聚焦光束、1402-第二转动聚焦光束、1403-第三转动聚焦光束、1501-第一转动聚焦光束焦点、1502-第二转动聚焦光束焦点、1503-第三转动聚焦光束焦点

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1所示，本实用新型提供的一种精密激光扫描微孔加工装置，该加工装置包括扫描振镜外壳1、第一振镜电机3、第一振镜片4、第二振镜电机5、第二振镜片6、平场透镜7、第一透射平板8、第二透射平板9、第一平板电机10和第二平板电机11。

其中，扫描振镜外壳1的侧面和底面上分别加工有通孔，作为激光束入射孔2和通光孔。

第二振镜电机5水平设置在扫描振镜外壳1的内侧，其中心轴端部分别与激光束入射孔2和通光孔位置相对应，第一振镜片4安装在第一振镜电机3中心轴的端部上，并能绕其中心轴旋转，第一振镜电机3垂直设置在第二振镜电机5中心轴的端部，第二振镜片6安装在第二振镜电机5上，并绕其中心轴旋转；

扫描振镜外壳1上通光孔的下方设置有平场透镜7，平场透镜7的下方平行设置有第一透射平板8和第二透射平板9，第一透射平板8、第二透射平板9分别安装在透射第一平板电机10、第二平板电机11上，且分别绕第一平板电机10、第二平板电机11的中心轴旋转，旋转到互相平行并平行于平场透镜7内的保护镜片702，且第一平板电机10与第二平板电机11的中心轴方向互相垂直，所以第一透射平板8与第二透射平板9的旋转方向互相垂直。第一平板电机10、第二平板电机11与第一振镜电机3、第二振镜电机5相同，都可以使用目前常用的扫描振镜的电机，这样能够保持原有的大范围、高效率加工。

本实用新型的光路分析如下：

激光束通过激光束入射孔2进入到二维扫描振镜外壳1内，首先到达第一振镜片4后到达第二振镜片6；第一振镜片4、第二振镜片6的表面都镀对入射激光束高反射的膜层，因此能够将入射激光束高反射。入射的激光束被第二振镜片6反射后穿过通光孔，入射到平场透镜7对入射激光束进行聚焦。

本实施例中采用平场透镜7，也可以使用远心透镜。平场透镜7内部含有3片内部镜片701，也可以为2片、4片、5片、6片等。在平场透镜7的下方，为了保护内部镜片701不受污染，所以使用保护镜片702。内部镜片701的表面都镀对入射激光束的高透射膜层，以保证入射激光束高效透过平场透镜7，保护镜片702的上下两个表面都是平面，且也镀对入射激光束的高透射膜层，以便入射激光束能高效透过。

如附图2所示，经过平场透镜7聚焦后的第一聚焦光束12，到达第一透射平板8，然后到达第二透射平板9后，在聚焦光束平面17上形成第一聚焦光束焦点13作用在待加工材料上，第一透射平板8、第二透射平板9的两个表面都为平面，且其两个表面都镀对激光束高透射的膜层，以保证激光束能够高效透过。

如附图3所示，当旋转第二透射平板9到达转动位置901时，因为折射，原第一聚焦光束12转动一定角度，成为第二聚焦光束14，且其焦点为第二聚焦光束焦点15。

图4给出了第二透射平板9偏转前，第一聚焦光束焦点13和第二透射平板9转动位置后第二聚焦光束焦点15的放大图，第一聚焦光束焦点13和第二聚焦光束焦点15之间的距离与第一透射平板8和第二透射平板9的厚度和折射率、平场透镜7的焦距有关。

按照常用的平场透镜焦距，以160mm焦距的平场透镜为例，设激光束为常用的波长为1.064μm的激光，设第一透射平板8和第二透射平板9的厚度都为3.2mm，且材料为蓝宝石材料，因此对波长为1.064μm的激光束的折射率为1.8，设第二透射平板9相对于水平方向转动10°。根据折射定律，第二聚焦光束焦点15相对于第一聚焦光束焦点13移动了0.25mm，即可加工半径为0.25mm，直径0.5mm的微孔。

本实施例中，常用的扫描振镜电机的可转动角度大约±25°以内，一般为±(10°～25°)，其可加工微孔的直径与平场透镜7的焦距、第一透射平板8和第二透射平板9的材料折射率、厚度以及转动角度有关，本实用新型针对孔直径小于1000μm的微孔加工，进一步的，主要用于孔直径小于500μm的微孔的精密激光加工。

本实用新型的技术优势原理分析如下：

对于常用的扫描振镜电机，其重复精度一般为±(18～25)μrad，以±20μrad为例，设其可转动角度为±10°；对于常用的平场透镜，焦距一般为60mm～250mm，以焦距为160mm的平场透镜为例，其像场高度为：F×tanθ；如果θ很小，则近似为F×tanθ≈Fθ。

其中，F为平场透镜焦距，θ为激光束入射到平场透镜的角度，即扫描振镜电机的转动角度。因此，焦距为160mm的平场透镜，当扫描振镜电机从-10°转动到﹢10°时，第一聚焦光束焦点13移动的范围为F×tanθ＝±28.2mm，即能够扫描56.4范围，而且，重复精度为±20μrad的扫描振镜电机为例，当使用焦距为160mm的平场透镜，其重复精度即±3.2μm。所以，此时扫描电机和平场透镜的扫描范围为56.4mm×56.4mm，分辨率为±3.2μm。

因此当需要加工的微孔孔径很小，尤其是小于500μm时，由于扫描过程中采用矢量方法，将圆孔图案近似为一系列首尾相接的短线条矢量，而且此时扫描的分辨率仅为±3.2μm，所以难以精确实现微型圆孔的加工。

另外，一般扫描振镜电机受到热漂移的影响，即开机后，由于运转过程中，电机转动速度、周围环境改变等因素，导致电机发热不同，导致影响精度，一般的扫描振镜电机的热漂移为0.3～0.8mrad，现以0.5mrad为例，对于焦距为160mm的平场透镜，其因发热导致的漂移为：80μm。可见，因热漂移的存在，导致无法稳定的连续的进行精密激光微孔加工。

所以对于传统的扫描振镜电机和平场透镜配置，其扫描范围能够达到56.4mm×56.4mm，但此时分辨率仅为±3.2μm，热漂移为80μm。

而对于本实施例中，分别采用扫描振镜电机作为第一振镜电机3、第二振镜电机5、第一平板电机10、第二平板电机11，另外，设激光束为常用的波长为1.064μm的激光，设第一透射平板8和第二透射平板9的厚度都为3.2mm，且材料为蓝宝石材料，因此对波长为1.064μm的激光束的折射率为1.8，设第二透射平板9相对于水平方向转动10°，即当第二透射平板9转动10°时，转动位置后第二聚焦光束焦点15相对于第一聚焦光束焦点13移动了0.25mm，即此时第二透射平板9转动位置后第二聚焦光束焦点15的移动范围为±0.25mm，即可移动范围为0.5mm，其扫描范围为0.5mm×0.5mm。此时相比不使用第一透射平板8和第二透射平板9时的扫描范围56.4mm×56.4mm，其范围缩小了N倍，此时N为：

$N=\frac{56.4}{0.5}=112.8$

所以，在此时的扫描范围内，分辨率将提升N倍，热漂移也将下降为原来的1/N。

如附图5所示，本实用新型第二振镜片6转动后的光路分析如下：

首先，入射光束16到达第一振镜片4被高反射后，到达第二振镜片6被高反射后到达平场透镜7，透过内部镜片701并被聚焦，然后透过保护镜片702，到达第一透射平板8和第二透射平板9。

当第二振镜片6分别位于第一旋转位置601、第二旋转位置602、第三旋转位置603，被第二振镜片6反射的入射光束以不同方向入射平场透镜7，并被聚焦形成第一聚焦光束12。

如果此时第一透射平板8和第二透射平板9都转动至水平位置，且保持不动，即和保护镜片702平行时，第一聚焦光束12垂直入射第一透射平板8和第二透射平板9并发生折射，折射后的光束分别为：第一旋转聚焦光束1201、第二旋转聚焦光束1202、第三旋转聚焦光束1203，且其焦点分别为第一旋转聚焦光束焦点1301、第二旋转聚焦光束焦点1302、第三旋转聚焦光束焦点1303。

如果此时第一透射平板8保持不动，而第二透射平板9旋转至转动位置901位置，则第一聚焦光束12仍然垂直入射第一透射平板8，但不再垂直入射第二透射平板9，所以在第二透射平板9中折射后，相比第二透射平板9平行时，第一聚焦光束12将发生偏移，对应的分别为第一转动聚焦光束1401、第二转动聚焦光束1402、第三转动聚焦光束1403，其焦点分别为第一转动聚焦光束焦点1501、第二转动聚焦光束焦点1502、第三转动聚焦光束焦点1503。

为了表达清楚，图5中第二透射平板9转动前、后的聚焦光束焦点之间的距离(即1301与1501,1302与1502,1303与1503)被故意夸张。如前述，第二透射平板9转动前、后的聚焦光束的焦点之间的距离与平场透镜7的焦距、第一透射平板8和第二透射平板9的材料对入射光束的折射率、厚度以及其转动角度大小有关。

所以，本实用新型的工作步骤即如下：首先由计算机控制激光器，打开激光器，输出激光，并同时控制第二振镜片6转动至第一旋转位置601，此时入射光束16被第二振镜片6反射并进入平场透镜7，所形成的第一聚焦激光束12的理论焦点位置应为第一旋转聚焦光束焦点1301，但是与此同时控制的第一透射平板8和第二透射平板9按照一定规律转动，发生偏转从而使得焦点位置发生微小的偏移，第一透射平板8和第二透射平板9按照一定规律转动，即可使得聚焦光束的焦点在周围小范围内按照圆形运动，第一透射平板8和第二透射平板9按照一定规律运动1个周期，恰好完成1个微小圆形孔的加工，此时，加工完第1个微孔后，由计算机控制，关闭激光器，关闭激光输出，同时停止第一透射平板8和第二透射平板9的转动，此时两者恰好转动1个周期，又回到原位置(原位置可以设定，例如设定原位置为两者都水平的位置)，计算机同时控制第二振镜片6偏转至第二旋转位置602后停止，此时对应的聚焦光束理论焦点位置应为第二旋转聚焦光束焦点1302，但是与此同时，计算机控制第一透射平板8和第二透射平板9按照一定规律偏转，所以可以在周围小范围内加工第2个微孔，加工完第2个微孔后，由计算机控制，关闭激光器，关闭激光输出，停止第一透射平板8和第二透射平板9的旋转，同时控制第二振镜片6向第三旋转位置603运动，准备下一个微孔的加工。

如此，即可加工位于同一直线上的3个小孔，如果配合第一振镜片4的转动，即可在二维平面上任意位置加工微孔。

由上述可见，本实用新型可以在二维扫描系统的扫描范围内，进行精密的微孔加工。仍能够在大扫描范围内高速、高效率加工，并且在该范围内，每个微孔的分辨率提升N倍，热漂移降为原来的1/N，所以精度大幅度提升，保证精密微孔加工的稳定实现。

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 (8)

1.一种精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：该加工装置包括扫描振镜外壳(1)、振镜片、平场透镜(7)和透射平板，其中，扫描振镜外壳(1)的侧面和底面上分别加工有通孔，作为激光束入射孔(2)和通光孔；

外部激光束通过激光束入射孔(2)进入到扫描振镜外壳(1)内，经过振镜片反射后穿过通光孔，入射到平场透镜(7)对入射激光束进行聚焦，聚焦后的激光束经过透射平板作用在待加工材料上。

2.根据权利要求1所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述平场透镜(7)内设置有内部镜片(701)。

3.根据权利要求2所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述振镜片包括第一振镜片(4)和第二振镜片(6)，透射平板包括第一透射平板(8)和第二透射平板(9)；所述加工装置还包括第一振镜电机(3)和第二振镜电机(5)；

第二振镜电机(5)水平设置在扫描振镜外壳(1)的内侧，其中心轴端部分别与激光束入射孔(2)和通光孔位置相对应，第一振镜片(4)安装在第一振镜电机(3)中心轴的端部上，第一振镜电机(3)垂直设置在第二振镜电机(5)中心轴的端部，第二振镜片(6)安装在第二振镜电机(5)上；扫描振镜外壳(1)上通光孔的下方设置有平场透镜(7)，平场透镜(7)的下方设置有与内部镜片(701)平行的第一透射平板(8)和第二透射平板(9)。

4.根据权利要求3所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述加工装置还包括第一平板电机(10)和第二平板电机(11)，第一透射平板(8)、第二透射平板(9)分别安装在透射第一平板电机(10)、第二平板电机(11)上，并分别绕其中心轴旋转。

5.根据权利要求3所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述第一振镜片(4)和第二振镜片(6)分别绕第一振镜电机(3)和第二振镜电机(5)的中心轴旋转。

6.根据权利要求4所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述第一透射平板(8)与第二透射平板(9)的旋转方向互相垂直。

7.根据权利要求2所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述内部镜片(701)下方设置有保护镜片(702)。

8.根据权利要求1所述的精密激光扫描微孔加工装置，其特征在于：所述平场透镜(7)采用远心透镜代替。