CN208945372U - 激光分光装置及双工位激光加工设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种激光分光装置，包括激光光源、2路激光光路和扫描头，每路激光光路的末端均设有一个扫描头；2路激光光路通过控制单轴振镜的机械转角而实现切换。本实用新型还提供一种双工位激光加工设备，包括激光分光装置和双工位传输系统；双工位传输系统包括两个与扫描头对应的加工台，以及上料模组、上料转移模组、下料转移模组和下料模组；当激光经其中一路激光光路入射到对应的扫描头，对其中一个加工台进行激光加工时，下料转移模组和上料转移模组完成对另一个加工台的已加工产品和待加工产品转移及准备动作。本实用新型由“光路切换速度+激光加工速度”决定生产效率，较传统技术提高产能，并且保证加工精度和稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光分光装置及双工位激光加工设备。
背景技术
激光的分光技术有能量分光和分时分光两种，中国实用新型专利CN204855952U公开了一种分时分光光路，其包括可调焦激光器准直筒、45度反光镜座、高速电机座和光纤耦合座组成。这种分光技术属于分时分光，由于在光路中用到了光纤耦合，因此光路调试难度大，耦合效率无法达到100%。此外，该光路的可靠性不佳，在高功率或光路抖动的情况下，存在光纤耦合头烧坏的风险。
现有的硅片激光加工设备，一般采用一台激光器对应一台振镜进行加工，设备的加工速度取决于激光雕刻加工时间和硅片传输时间，由于硅片的传输只能采用机械方法，单个工位加工时，下一片硅片必须等候加工位上的硅片加工完毕才能传输到位，这已经成为限制提高激光加工效率的短板，硅片传输时间的短板使得设备产能难以进一步提高。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种激光分光装置及双工位激光加工设备，能够提高加工效率，同时稳定性好。
本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种激光分光装置，包括激光光源、激光光路和扫描头，其特征在于：本装置还包括单轴振镜系统；
所述的激光光路为2路，每路激光光路的末端均设有一个扫描头，每个扫描头分别对应一个加工台，扫描头包括加工振镜和场镜；
2路激光光路通过控制单轴振镜系统中单轴振镜的机械转角而实现切换。
按上述装置，所述的2路激光光路均由全反射镜片组对激光进行反射。
按上述装置，每路所述的激光光路与对应的扫描头之间均设有扩束镜。
一种双工位激光加工设备，本加工设备包括所述的激光分光装置，还包括双工位传输系统；
所述的双工位传输系统包括两个与扫描头对应的加工台，以及传送装置；传送装置包括上料模组、上料转移模组、下料转移模组和下料模组；上料模组用于传送待加工产品，上料转移模组用于从上料模组轮流向2个加工台转移待加工产品，下料转移模组用于轮流从2个加工台向下料模组转移已加工产品；
所述的激光光路、加工台、上料转移模组、下料转移模组之间的位置关系为：当激光经其中一路激光光路入射到对应的扫描头，对其中一个加工台进行激光加工时，下料转移模组和上料转移模组完成对另一个加工台的已加工产品和待加工产品转移及准备动作。
按上述设备，所述的传送装置只有一组，上料模组的末端仅设有一个取料位，下料模组的前端仅设有一个接料位；
所述的上料转移模组包括上料旋转轴、与上料旋转轴连接的2个上料连接臂，上料连接臂的末端设有产品固定装置；上料旋转轴的位置和2个上料连接臂之间的夹角使得：一个上料连接臂的末端位于加工台上时，另一个上料连接臂的末端位于所述的取料位上；上料旋转轴往复步进旋转；
所述的下料转移模组包括下料旋转轴、与下料旋转轴连接的2个下料连接臂，下料连接臂的末端设有产品固定装置；下料旋转轴的位置和2个下料连接臂之间的夹角使得：一个下料连接臂的末端位于加工台上时，另一个下料连接臂的末端位于所述的接料位上；下料旋转轴往复步进旋转。
按上述设备，每个所述的加工台为旋转加工台，包括旋转部和驱动部，驱动部用于驱动旋转部步进旋转并在上料位、加工位和下料位之间循环停留，分别与所述的上料转移模组、扫描头和下料转移模组匹配；旋转加工台上设有产品固定装置。
按上述设备，所述的上料旋转轴设置在2个加工台的上料位连线的中点上，且取料位位于2个加工台的上料位连线的中心线上，2个上料连接臂的夹角为90度；
所述的下料旋转轴设置在2个加工台的下料位连线的中点上，且接料位位于2个加工台的下料位连线的中心线上，2个下料连接臂的夹角为90度。
按上述设备，所述的产品为用于制备太阳能电池的硅片。
本实用新型的有益效果为：
1、激光分光装置通过控制单轴振镜的机械转角，来切换两条相互独立的激光光路，从而将激光引导到不同的光路中，最终实现激光分光，不影响每条激光光路本身的性能，机械转角的控制精度高、速度快，从而提高激光分光装置整体的加工速度和加工精度。
2、本实用新型的双工位激光加工设备，分别在激光分光装置和工位两部分进行改进，既提高了激光光路切换的速度，在同一条传输线上设置双工位，按照激光光路时间差进行分别加工，将传统的以“硅片传输速度+激光加工速度”决定生产效率的生产方式转变为“光路切换速度+激光加工速度”决定生产效率；由于光路切换速度光路切换速度远快于硅片传输速度，避开了硅片传输速度慢这一短板，可以将单片加工速度提高20%，从而使得激光加工设备的产能提高20%左右。
附图说明
图1为本实用新型一实施例激光分光装置的结构示意图。
图2为本实用新型一实施例硅片加工方法示意图，其中a为激光通过第一激光光路为第一加工台加工示意图，b为激光通过第二激光光路为第二加工台加工示意图。
图3为本实用新型一实施例激光加工设备的结构示意图。
图4为本实用新型一实施例双工位传输系统的结构示意图。
图中：100-激光光源，101-第一全反射镜，102-单轴振镜系统，103-第二全反射镜，104-第三全反射镜，105-第四全反射镜，106-第一扫描头，107-第二扫描头，108-第一扩束镜，109-第二扩束镜，201-第一加工台，202-第二加工台；
1-激光分光装置，301-上料模组，302-上料转移模组，303-下料转移模组，304-下料模组，4-工作台，5-上料位，6-加工位，7-下料位；3021-上料旋转轴，3022-第一上料连接臂，3023-第二上料连接臂，3031-下料旋转轴，3032-第一下料连接臂，3033-第二下料连接臂。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本实用新型做进一步说明。
本实用新型仅以用于制备太阳能电池的硅片加工为例，对本实用新型的结构进行说明。本实用新型适用于所有采用激光对单个产品进行加工的领域。
如图1所示，本实用新型提供一种激光分光装置，包括激光光源100、激光光路和扫描头，本装置还包括单轴振镜系统102；所述的激光光路为2路，每路激光光路的末端均设有一个扫描头，每个扫描头分别对应一个加工台，扫描头包括加工振镜和场镜；2路激光光路通过控制单轴振镜系统102中单轴振镜的机械转角而实现切换。
单轴振镜系统102包括单轴振镜和配套的打标卡，单轴振镜的原理是通过电机带动反射镜偏转，本技术方案中，有两个位置，第一位置时，光路不经过反射镜，第二位置时，光路经过反射镜反射，改变光路。
如图2至图3所示，本实施例中，激光光源100发出的激光经第一全反射镜101反射，当激光经过单轴振镜系统102不被反射时，直接经由第二全反射镜103、第一扩束镜108构成的第一激光光路，到达第一扫描头106，对第一加工台201上的硅片进行加工，第二加工台202做准备；当单轴振镜系统102偏转到预定位置，激光经第一全反射镜101反射后，经单轴振镜系统102的单轴振镜反射到由第三全反射镜104、第四全反射镜105和第二扩束镜109构成的第二激光光路，到达第二扫描头107，对第二加工台202上的硅片进行加工，第一加工台201做准备。单轴振镜系统102不断在两个位置之间偏转，激光按照时间先后顺序先后不断的被引导到第一激光光路和第二激光光路中。
利用单轴振镜作为分时分光器件，通过精确控制单轴振镜的偏转角度，将激光引导到不同的激光光路中。激光光路中激光的传输全部使用全反射镜片，光路传输稳定，激光功率损耗非常小。更为细节的，单轴振镜的机械转角在0-45°之间可以精确定位，可以通过精确控制单轴振镜的机械转角，将激光导引到多个相应的激光光路中。
扩束镜的使用为优选方案，按照激光聚焦的计算公式，入射光束直径越大，聚焦得到的光斑越小。具体的，设置在扫描头之前，用以实现光斑尺寸的控制。具体的，第一扩束镜108倍率可以和第二扩束镜109的倍率相同，两个激光光路实现相同的激光加工效果。第一扩束镜108和第二扩束镜109的倍率也可以不同，两个光路可以实现不同的加工效果。
扫描头中的加工振镜用于工件的加工，通过设置扫描路径，可以加工直线、圆弧等各种图形，精密校正后加工振镜的定位精度优于10μm，加工速度可达30m/s以上，加工范围仅受场镜的限制。
本实用新型的激光分光装置，单轴振镜系统102仅用以分光，工件加工的加工路径由加工振镜实现。由于单轴振镜响应和完成动作所需总时间为0.1s，其控制精度优于10μrad，重复定位精度优于10μrad。单条光路使用两片反射镜调整激光的对准，激光在传输过程中功率损耗小、稳定度高；调整反射镜的俯仰偏摆角度，可以使激光严格垂直入射到振镜中心。结合单轴振镜的高重复定位精度和全反射镜激光传输系统的高稳定性，可以实现5μm的高重复定位精度。加工振镜经过精密校正，最终的激光加工定位精度优于10μm，重复定位精度优于5μm，扫描速度可以达到30m/s以上，整套光路系统可以实现高速高精度加工。
采用上述的激光分光装置，合理设计不同时间的各设备之间的位置关系，可以实现某一条激光光路在加工时，另一条激光光路对应的工件已在加工位上准备好，这样可以节省单条光路加工时等待工件传输的时间，提高产能。
基于上述思路，本实用新型还提供一种双工位激光加工设备，具体的，在激光分光装置下，设置两个激光加工工位，分别对应第一激光光路和第二激光光路，用以固定硅片，并在此处完成硅片的加工。还包括硅片传送装置，用以分别向两个激光加工工位传送硅片，以及分别将加工完成的硅片传送至下一工序。
如图3和图4所示，本加工设备包括所述的激光分光装置1，还包括双工位传输系统。所述的双工位传输系统包括两个与扫描头对应的加工台，以及传送装置；传送装置包括上料模组301、上料转移模组302、下料转移模组303和下料模组304；上料模组301用于传送待加工硅片，上料转移模组302用于从上料模组301轮流向2个加工台转移待加工硅片，下料转移模组303用于轮流从2个加工台向下料模组304转移已加工硅片。
不同时间下各设备之间的位置关系如下：当激光经其中一路激光光路入射到对应的扫描头，对其中一个加工台进行激光加工时，下料转移模组和上料转移模组完成对另一个加工台的已加工硅片和待加工硅片转移及准备动作。
作为一种优选方案，所述的传送装置只有一组，上料模组301的末端仅设有一个取料位，下料模组304的前端仅设有一个接料位。这样能够在宽度方向节约一半空间。上料模组301和下料模组304优选的为带式传送模组。
所述的上料转移模组302包括上料旋转轴3021、与上料旋转轴3021连接的2个上料连接臂，即第一上料连接臂3022和第二上料连接臂3023，上料连接臂的末端设有硅片固定装置，例如吸盘或抓夹，用于吸附硅片。上料旋转轴3021的位置和2个上料连接臂之间的夹角使得：一个上料连接臂的末端位于加工台上时，另一个上料连接臂的末端位于所述的取料位上；上料旋转轴3021由驱动装置，例如伺服电机驱动，从而实现往复步进旋转。
所述的下料转移模组303包括下料旋转轴3031、与下料旋转轴3031连接的2个下料连接臂，即第一下料连接臂3032和第二下料连接臂3033，下料连接臂的末端设有硅片固定装置，例如吸盘或抓夹，用于吸附硅片。下料旋转轴3031的位置和2个下料连接臂之间的夹角使得：一个下料连接臂的末端位于加工台上时，另一个下料连接臂的末端位于所述的接料位上；上料旋转轴3021由驱动装置，例如伺服电机驱动，从而实现往复步进旋转。
每个所述的加工台为旋转加工台，包括旋转部和驱动部，驱动部用于驱动旋转部步进旋转并在上料位5、加工位6和下料位7之间循环停留，分别与所述的上料转移模组302、扫描头和下料转移模组303匹配；旋转加工台上设有硅片固定装置，例如吸盘。
本实施例中，两个加工台间隔并列设置。所述的上料旋转轴3021设置在2个加工台的上料位5连线的中点上，且取料位位于2个加工台的上料位5连线的中心线上，2个上料连接臂的夹角为90度；所述的下料旋转轴3031设置在2个加工台的下料位7连线的中点上，且接料位位于2个加工台的下料位7连线的中心线上，2个下料连接臂的夹角为90度。更为细节的，上料模组301和下料模组304在同一直线上，第一加工台201和第二加工台202对称地设置在该直线两侧。
利用所述的双工位激光加工设备实现的硅片加工方法，设加工台为第一加工台201和第二加工台202，与第一加工台201对应的激光光路为第一激光光路，与第二加工台202对应的激光光路为第二激光光路。
本方法包括以下步骤：
激光光源100发出的激光经第一激光光路传输，对第一加工台201上的待加工硅片进行激光加工；与此同时，下料转移模组303从第二加工台202上将已加工硅片转移至下料模组304，然后上料转移模组302从上料模组301向第二加工台202转移待加工硅片。
当第一加工台201上的激光加工工作完成时，第二加工台202上待加工硅片的准备工作完成，此时控制单轴振镜系统102中单轴振镜的机械转角，进行激光光路切换。
激光光源100发出的激光经第二激光光路传输，对第二加工台202上的待加工硅片进行激光加工；与此同时，下料转移模组303从第一加工台201上将已加工硅片转移至下料模组304，然后上料转移模组302从上料模组301向第一加工台201转移待加工硅片。
当第二加工台202上的激光加工工作完成时，第一加工台201上待加工硅片的准备工作完成，此时控制单轴振镜系统102中单轴振镜的机械转角，进行激光光路切换。
如此循环往复。
进一步细化的，所述的传送装置只有一组，下料转移模组303从第二加工台202上将已加工硅片转移至下料模组304时，在下料旋转轴3031的正向转动下，第二下料连接臂3033从第二加工台202运动到下料模组304，第一下料连接臂3032从下料模组304运动到第一加工台201进行等待；下料转移模组303从第一加工台201上将已加工硅片转移至下料模组304时，在下料旋转轴3031的反向转动下，第一下料连接臂3032从第一加工台201运动到下料模组304，第二下料连接臂3033从下料模组304运动到第二加工台202进行等待。
上料转移模组302从上料模组301向第二加工台202转移待加工硅片时，在上料旋转轴3021的正向转动下，第二上料连接臂3023从上料模组301运动到第二加工台202，第一上料连接臂3022从第一加工台201运动到上料模组301进行等待；上料转移模组302从上料模组301向第一加工台201转移待加工硅片时，在上料旋转轴3021的反向转动下，第一上料连接臂3022从上料模组301运动到第一加工台201，第二上料连接臂3023从第二加工台202运动到上料模组301进行等待。
进一步的，每个所述的加工台为旋转加工台，包括旋转部和驱动部，驱动部用于驱动旋转部步进旋转并在上料位5、加工位6和下料位7之间循环停留，分别与所述的上料转移模组302、扫描头和下料转移模组303匹配；旋转加工台上设有硅片固定装置。
更细节的，驱动部为DD马达等驱动装置，固定在工作台4上，驱动端向上。旋转部为十字形旋转支架，中部固定在驱动部的驱动端，自由端向上设置有吸盘组件。旋转部可以在驱动部带动下，90度步进旋转。旋转过程中，自由端可以依次经过上料位5、加工位6、和下料位7，并可在上述位置停留，进行上料、加工和下料操作。其中，上料位5靠近上料模组301设置，加工位6设置在激光分光装置的第一扫描头106或者第二扫描头107的正下方，下料位7靠近下料模组304设置。
本实用新型将传统的以“硅片传输速度+激光加工速度”决定生产效率的生产方式转变为“光路切换速度+激光加工速度”决定生产效率。而光路切换速度光路切换速度远快于硅片传输速度，本实用新型的方案，大大提高了加工速率，可以将激光加工设备的产能提高20%左右。同时激光分光装置保证了激光加工精度和稳定性。
以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光分光装置，包括激光光源、激光光路和扫描头，其特征在于：本装置还包括单轴振镜系统；
所述的激光光路为两路，每路激光光路的末端均设有一个扫描头，每个扫描头分别对应一个加工台，扫描头包括加工振镜和场镜；
两路激光光路通过控制单轴振镜系统中单轴振镜的机械转角而实现切换。
2.根据权利要求1所述的激光分光装置，其特征在于：所述的两路激光光路均由全反射镜片组对激光进行反射。
3.根据权利要求1所述的激光分光装置，其特征在于：每路所述的激光光路与对应的扫描头之间均设有扩束镜。
4.一种双工位激光加工设备，其特征在于：本加工设备包括权利要求1至3中任意一项所述的激光分光装置，还包括双工位传输系统；
所述的双工位传输系统包括两个与扫描头对应的加工台，以及传送装置；传送装置包括上料模组、上料转移模组、下料转移模组和下料模组；上料模组用于传送待加工产品，上料转移模组用于从上料模组轮流向两个加工台转移待加工产品，下料转移模组用于轮流从两个加工台向下料模组转移已加工产品；
所述的激光光路、加工台、上料转移模组、下料转移模组之间的位置关系为：当激光经其中一路激光光路入射到对应的扫描头，对其中一个加工台进行激光加工时，下料转移模组和上料转移模组完成对另一个加工台的已加工产品和待加工产品转移及准备动作。
5.根据权利要求4所述的双工位激光加工设备，其特征在于：所述的传送装置只有一组，上料模组的末端仅设有一个取料位，下料模组的前端仅设有一个接料位；
所述的上料转移模组包括上料旋转轴、与上料旋转轴连接的2个上料连接臂，上料连接臂的末端设有产品固定装置；上料旋转轴的位置和2个上料连接臂之间的夹角使得：一个上料连接臂的末端位于加工台上时，另一个上料连接臂的末端位于所述的取料位上；上料旋转轴往复步进旋转；
所述的下料转移模组包括下料旋转轴、与下料旋转轴连接的2个下料连接臂，下料连接臂的末端设有产品固定装置；下料旋转轴的位置和2个下料连接臂之间的夹角使得：一个下料连接臂的末端位于加工台上时，另一个下料连接臂的末端位于所述的接料位上；下料旋转轴往复步进旋转。
6.根据权利要求5所述的双工位激光加工设备，其特征在于：每个所述的加工台为旋转加工台，包括旋转部和驱动部，驱动部用于驱动旋转部步进旋转并在上料位、加工位和下料位之间循环停留，分别与所述的上料转移模组、扫描头和下料转移模组匹配；旋转加工台上设有产品固定装置。
7.根据权利要求6所述的双工位激光加工设备，其特征在于：所述的上料旋转轴设置在2个加工台的上料位连线的中点上，且取料位位于2个加工台的上料位连线的中心线上，2个上料连接臂的夹角为90度；
所述的下料旋转轴设置在2个加工台的下料位连线的中点上，且接料位位于2个加工台的下料位连线的中心线上，2个下料连接臂的夹角为90度。
8.根据权利要求4所述的双工位激光加工设备，其特征在于：所述的产品为用于制备太阳能电池的硅片。
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Cited By (3)
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| CN108941900A (zh) * | 2018-09-30 | 2018-12-07 | 武汉帝尔激光科技股份有限公司 | 激光分光装置及双工位激光加工设备和方法 |
| CN113146052A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-23 | 江苏大学 | 一种薄壁环形零件激光喷丸强化装置及加工方法 |
| CN114951975A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-30 | 苏州科韵激光科技有限公司 | 激光加工设备和方法 |
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2018
- 2018-09-30 CN CN201821612694.4U patent/CN208945372U/zh active Active
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