CN210451387U - 一种基于皮秒激光器的打标机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于皮秒激光器的打标机，包括机架，所述机架上设有光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统，所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统电连接，其中，所述机械控制系统包括三维电动工作台，所述三维电动工作台设置于机架的下层，所述三维电动工作台上安装有电动升降台和工件固定板。本实用新型解决了皮秒激光器在互换不同光源皮秒激光器不方便，机械结构部件需要大量更换，浪费时间，不满足快速加工不同产品需求的问题。

Description

一种基于皮秒激光器的打标机

技术领域

本实用新型涉及皮秒激光加工技术领域，具体为一种基于皮秒激光器的打标机。

背景技术

随着消费类电子产品的快速发展和换代，软板或软硬结合板的设计制造时间越来越短，相关的制造工序也需要快速完成，皮秒激光作为超短脉冲激光的典型代表,具有超短脉宽、超高峰值功率的特点,其加工对象广泛,尤其适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷等脆性材料和热敏性材料,因此适合于电子产业微细加工行业应用。近两年皮秒加工设备需求迅速提升, 主要原因是近年来的指纹识别模组在手机上的应用带动了专用设备皮秒激光的采购。指纹模组涉及到激光加工的环节有:①晶圆划片、②芯片标记、③盖板标记、④FPC软板外形标记钻孔、⑤激光打标等。其中主要是蓝宝石/玻璃盖板和IC芯片的加工。尤其是随着未来手机中蓝宝石和陶瓷等高附加值脆性材料的应用,皮秒激光加工设备将成为3C自动化设备中重要的组成部分。传统的脆性材料通过CNC机床加工，存在周期长，效率低，精度低等问题，加工厂一直在尝试使用皮秒激光加工来替代CNC加工。

皮秒激光加工设备的激光器大致分为红外，绿光和紫外激光器。根据产生激光的脉冲宽度的不同，激光器可分为皮秒激光器和纳秒激光器。其中，纳秒激光器在加工产品的过程中存在炭化和崩边和残留痕迹的问题。虽然皮秒激光器不存在以上的问题，但是皮秒激光器的体积较大，存在占用空间大且不同类型激光器的出光口位置不一样，不利于快速更换激光器。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于皮秒激光器的打标机，解决皮秒激光器在互换不同光源皮秒激光器不方便，机械结构部件需要大量更换，浪费时间，不满足快速加工不同产品需求的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于皮秒激光器的打标机，包括机架，所述机架上设有光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统，所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统电连接，其中，所述机械控制系统包括三维电动工作台，所述三维电动工作台设置于机架的下层，所述三维电动工作台上安装有电动升降台和工件固定板。

进一步地，所述机架采用大理石平台作为激光器安装基准，大理石底部使用减震垫块垫底。

优选地，所述光学传输系统包括激光电源、激光器、扩束镜、45度反射镜、振镜头、斜反镜、一反可调光路支撑组件和透镜，其中，所述激光电源、激光器和一反可调光路支撑组件设置于机架下层，所述扩束镜、振镜头、斜反镜和透镜设置于机架上层，所述45 度反射镜具有多组且分别设置于机架的上下层。

进一步地，所述激光电源设置于机架下层，激光电源与激光器电连接，为激光器提供所需的驱动电源；激光器设置于机架的下层，其通过密封筒经45度反射镜把光路折返到机架上层45度反射镜，多组45度反射镜通过支架设置于机架上，扩束镜及45度反射镜设置于同一水平线上，再经过振镜头、斜反镜、透镜输出激光。

优选地，所述工件固定板设置于振镜头的正下方。

优选地，所述成像系统包括CCD、CCD镜头，所述成像系统通过支架安装于机架上层，并位于所述三维电动工作台上方。

优选地，所述吸尘系统包括吸尘器及抽尘管，所述吸尘器设置于机架的侧方；所述抽尘管的下端与吸尘器相连接，其上端延伸设置于工件标记工位处。

优选地，所述温度控制系统包括冷水机，所述冷水机设置于机架的侧方。

优选地，所述主控系统包括计算机和控制盒，所述计算机和控制盒安装于机架上。

进一步地，所述计算机安装有应用于激光打标的软件。

进一步地，所述控制盒包括打标控制卡、高速I/O口和工控机。

优选地，所述机械控制系统包括的机械结构兼容三种不同光源皮秒激光器的不同接口。

优选地，所述激光器按需采用1064nm或355nm或532nm作为基频光，发出1064nm 波长或355nm波长或532nm波长的激光。

优选地，所述机架后侧设有电源。

本实用新型中，将需要进行标记的工件放置于工件固定板中，激光器发出激光，光束依次经过扩束镜的扩束作用，45度反射镜的反射作用，及振镜头的偏转和斜反镜的折返及透镜的聚焦作用，使得高能量密度的光斑始终处于标记位置；机械控制系统控制三维工作台上在X、Y方向运动，Z方向预先调焦后固定，直到完成工件的加工。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)与传统激光标记设备相比，本实用新型采用兼容三种不同光源皮秒激光器不同接口的快速可调机械结构，实现不同光源的快速更换和调整，满足不同材料的加工需求。

(2)本实用新型中的成像系统采用高像素工业CCD摄像头，可以对标记对象的轮廓进行高质量拍摄，获得放大、清晰的工件图片，引导用户根据情况选择标记参数，最佳地利用工件，实现最优标记加工，将误差控制到最小，实现对工件进行精确标记。

(3)本实用新型中的控制系统的设备用户界面友好，操作简单，降低了对技工的要求，可将人为失误降到几乎为零，合格率高，将大大提高了工件的加工质量和效率。

(4)本实用新型中的机械控制系统采用高精度平移台系统，通过伺服电机带动工件运动，具有加工精度高，加工重复性好，加工效率高，适合现代快节奏的生产要求；采用多工位专用工件固定板，可同时加工多个工件，节省加工时间，提高生产效率；同时采用大理石平台作为激光器安装基准，以及减震机床垫块，具有足够的强度和刚性，能在各种工况及环境下都能快速、高精度、稳定的运行，同时激光器安装在机架下层，便于快速切换不同光源激光器，对应不同类型激光器已预留孔位，方便直接安装。

附图说明

图1为根据实施例的本实用新型提供的基于皮秒激光器的打标机的轴视图；

图2为根据实施例的本实用新型提供的基于皮秒激光器的打标机的侧视图；

图3为根据实施例的本实用新型提供的一反可调光路支撑组件的侧视图；

图4为根据实施例的本实用新型的机械控制系统及光路传输系统的放大视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，一种基于皮秒激光器的打标机，包括机架、电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统。所述电源、光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统电连接。

具体地，机架设置有上下两层，用于放置激光标记设备。机架下层设置有一反可调光光路支撑组件，用于实现机架上层结构及机架下层结构的光路连接。电源位于机架下层，用于激光工件标记设备提供稳定可靠的电源。本实施例中的机架采用大理石平台作为激光器安装基准，大理石底部使用减震垫块垫底。机架可为激光标记设备提供强度和刚性，保证机架上各零部件稳定，确保设备在各种工况及环境下快速、高精度、稳定的运行。

光学传输系统包括激光电源、激光器、扩束镜、45度反射镜、振镜头、斜反镜、透镜。激光电源为激光器提供所需的驱动电源。激光电源设置于机架大理石的下层，激光电源与激光器电连接。激光器设置于机架的大理石的下层，激光器前端安装有防尘连接筒，激光输出口前端有45度反射镜。45度反射镜具有多组，分别通过支架设置于机架上下层。激光器经过下层45度反射镜把光折返到上层后再经过上层45度反射镜多次折返。激光器发出的激光经过扩束镜、45度反射镜、振镜头、斜反镜、透镜构成的光学传输系统，分别经过准直扩束、反射、聚焦，被引导至工件表面，用于标记工件。

本实施例中，激光器采用全固态红外皮秒激光器或绿光皮秒激光器或紫外皮秒激光器，发出波长为1064nm或532nm或355nm、脉宽均小于10ps、平均功率大于10W的激光。扩束镜用于将1064波长或532波长或355波长的激光转变成符合工件激光加工需要的激光光斑形状，同时对激光进行准直，减小激光束的发散角，使得聚焦后的光斑有更小的聚焦光斑，更高的功率密度。45度反射镜将水平传输的激光反射成竖直传输，再经过多组45度反射镜反射，与水平放置的工件保持近似垂直的关系。振镜头将经过扩束镜准直的光束经过透镜聚焦,形成高能量密度的光斑，使得焦点处功率密度最高，用于标记加工。另外，可根据加工要求选用振镜头的不同焦距，透镜焦距越长,焦点光斑越大,功率密度越低,同时，焦距焦深大，有效标记范围大，操作容许度大。

机械控制系统包括工件固定板、三维电动工作台和电动升降台。所述三维电动工作台设置于机架的下层，三维电动工作台上安装有工件固定板，工件固定板设置于工件标记工位的正下方且工件固定板可通过三维工作台调整其水平方向的位置。振镜头安装于机架的上层，三维电动工作台上的电动升降台可以用于调整工件的竖直方向(即Z方向)的位置。通过工作台的伺服电机带动装夹有工件的工件固定板在X、Y方向运动；而工件固定板的运动使得激光可以在工件上加工出预设的加工路线。

成像系统包括CCD、CCD镜头，成像系统通过支架安装于机架上层，并位于机架上工件标记工位上方，使得成像系统可以对标记对象的轮廓进行高质量拍摄，获得放大、清晰的工件图片。控制系统根据拍摄的图片引导用户根据情况选择合适参数，将位置误差控制在最小，实现对工件进行精确标记。

吸尘系统包括吸尘器、抽尘管，吸尘器设置于机架的下层，抽尘管的下端与吸尘器相连接，抽尘管的上端延伸设置于工件标记工位处。吸尘系统对于工件标记过程中产生的粉尘、烟雾进行吸附和过滤，减少对操作人员的危害，防止环境污染。

温度控制系统包括冷水机，冷水机设置于机架的侧方。冷水机的循环冷却系统用于吸收激光器在能量转化过程中散发大量热量，使激光器中晶体材料、谐振腔保持在正常温度范围内工作，同时保证器件高效率并且稳定的运行。

控制系统包括计算机及控制盒，计算机及控制盒安装于机架侧方电柜上。计算机安装有应用于工件激光标记的软件，该软件具有文件解析、运动控制、激光控制、补偿校正等功能。同时计算机是使用数控系统的主要窗口和手段，同时负责控制卡等器件的通讯，使功能集成化，最终实现图形的处理加工。控制盒包括各种控制卡、高速I/O口、工控机，用于激光开关、能量控制以及运动控制，实现高速、高效、高精标记加工。

本实用新型中的工作原理为：将需要进行标记的工件固定于工件固定板上，激光器设置于机架的下层，激光通过密封筒经45度反射镜把光路折返到机架上层45度反射镜，通过多组45度反射镜将激光反射到扩束镜中，再经过振镜头、斜反镜、透镜输出激光，同时机械控制系统通过PLC伺服驱动控制器发出脉冲型号，按照预定设置的点位信号，控制三维电动工作台上在X、Y方向运动，Z方向则是按照透镜的工作距预先调好位置并保持不变，带动工件固定板按照预设的加工路线移动，工件固定板的运动使得激光可以在工件上加工出预设的加工路线，直到完成工件的加工。

与相对传统激光标记设备相比，本实用新型采用兼容三种不同光源皮秒激光器不同接口的快速可调机械结构，实现不同光源的快速更换和调整，满足不同材料的加工需求。

本实用新型采用超快、极高峰值功率的皮秒激光实现材料的冷加工，超短脉冲在皮秒级时间内释放能量分解材料，实现既不是普通红外激光光变热后的热熔物理加工，又不是纳秒紫外激光靠光化学反应破坏分子结构的分子级加工，而是轰击电子使原子核间产生库仑力去除材料的原子级加工，不产生熔融物、碳化、氧化或其它复杂化合物，切面干净平齐，无微裂纹、重熔再结晶的问题。特别是对于工件等硬脆性难加工材料的精细加工，具有无热影响区、无挂渣、无微裂纹等优势。

本实用新型中的成像系统采用高像素工业CCD摄像头，可以对标记对象的轮廓进行高质量拍摄，获得放大、清晰的工件图片，引导用户根据情况选择标记参数，最佳地利用工件，实现最优标记加工，将误差控制到最小，实现对工件进行精确标记。

本实用新型中的控制系统的设备用户界面友好，操作简单，降低了对技工的要求，可将人为失误降到几乎为零，合格率高，将大大提高了工件的加工质量和效率。

本实用新型中的机械控制系统采用高精度平移台系统，通过伺服电机带动工件运动，具有加工精度高，加工重复性好，加工效率高，适合现代快节奏的生产要求；采用多工位专用工件固定板，可同时加工多个工件，节省加工时间，提高生产效率；同时采用大理石平台作为激光器安装基准，以及减震机床垫块，具有足够的强度和刚性，能在各种工况及环境下都能快速、高精度、稳定的运行，同时激光器安装在机架下层，便于快速切换不同光源激光器，对应不同类型激光器已预留孔位，方便直接安装。

本实用新型的实施方式不限于此，按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于皮秒激光器的打标机，包括机架，其特征在于，所述机架上设有光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统，所述光学传输系统、机械控制系统、成像系统、吸尘系统、温度控制系统和主控系统电连接，其中，所述机械控制系统包括三维电动工作台，所述三维电动工作台设置于机架的下层，所述三维电动工作台上安装有电动升降台和工件固定板。

2.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述光学传输系统包括激光电源、激光器、扩束镜、45度反射镜、振镜头、斜反镜、一反可调光路支撑组件和透镜，其中，所述激光电源、激光器和一反可调光路支撑组件设置于机架下层，所述扩束镜、振镜头、斜反镜和透镜设置于机架上层，所述45度反射镜具有多组且分别设置于机架的上下层。

3.根据权利要求2所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述工件固定板设置于振镜头的正下方。

4.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述成像系统包括CCD、CCD镜头，所述成像系统通过支架安装于机架上层，并位于所述三维电动工作台上方。

5.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述吸尘系统包括吸尘器及抽尘管，所述吸尘器设置于机架的侧方；所述抽尘管的下端与吸尘器相连接，其上端延伸设置于工件标记工位处。

6.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述温度控制系统包括冷水机，所述冷水机设置于机架的侧方。

7.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述主控系统包括计算机和控制盒，所述计算机和控制盒安装于机架上。

8.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述机械控制系统包括的机械结构兼容三种不同光源皮秒激光器的不同接口。

9.根据权利要求8所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述激光器按需采用1064nm或355nm或532nm作为基频光，发出1064nm波长或355nm波长或532nm波长的激光。

10.根据权利要求1所述的基于皮秒激光器的打标机，其特征在于，所述机架后侧设有电源。

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