CN215393264U - 一种五轴四联动打孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光加工领域，尤其涉及一种五轴四联动打孔装置；该装置沿激光光路依次设置有一个可调节焦距的动态透镜组、一个第一振镜组和一个第二振镜组和一个第一聚焦透镜，动态透镜组包括一个固定的第二聚焦透镜和一个可沿激光光路移动的动态透镜，第一振镜组包含X1振镜和Y1振镜，第二振镜组包含X2振镜和Y2振镜，X1振镜、Y1振镜、X2振镜、Y2振镜通过一个控制卡联动控制。本实用新型提供的打孔装置通过调节振镜的摆放角度来调节孔的锥度和孔径；同时根据打孔深度调节动态透镜组的焦距，使得聚焦焦点逐渐下移，调节焦斑的大小，加速打孔进程；该装置组合使用进而完成在一个工件内刻画微小异形孔。

Description

一种五轴四联动打孔装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，尤其涉及一种五轴四联动打孔装置。

背景技术

微小孔主要应用在半导体行业和航空航天领域，对于孔的圆度和锥度的要求都十分的高。传统的打孔工艺采用电火花打孔或者机械打孔，电火花打孔存在不稳定性以及高耗能等问题，使用此方法打出的孔会有烧边现象，而机械打孔存在精度不够，因此使得打出的孔的良品率不高，对于工业发展也存在限制。激光加工的原理是将激光聚焦在工件表面，使激光与工件相互作用，激光光束的高斯分布以及激光与物体相互作用的机制，激光与工件作用后在物体上形成正锥形激光钻孔，在加工时，对于微小孔，传统的激光打孔方式很难进行调节。

常用的激光打孔方法为单振镜组扫描和多光楔组合旋切打孔，通过逐层环切扫描或螺旋扫描。这两种方法的优点在于能够解决传统打孔方法中存在的问题，同时激光的能量高，方向性好等特点，故采用激光打孔的工件表面的热影响是较小的，并且能处理微米级别的微小孔，但单振镜组扫描的缺点是在聚焦激光的发散和光束在孔内部的反射，使得孔的锥度无法调节，影响工件背面的打孔质量，而多光楔组合旋切打孔在制备圆孔方面有较好效果，同时可以通过工艺方面调节微小孔的锥度，但由于此设备是通过电机带动旋转，因此不适合用于异形小孔的制备。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种五轴四联动打孔装置，其目的在于解决现有打孔技术中，无法同时解决微小孔的锥度和形状的问题，进而对现如今的打孔进行调节优化。

该五轴四联动打孔装置，包括用于输出激光的激光器，其特征在于，沿激光光路依次设置有一个可调节焦距的动态透镜组、一个第一振镜组、一个第二振镜组和一个第一聚焦透镜，所述动态透镜组包括一个可沿激光光路移动的动态透镜，第一振镜组包括X1振镜和Y1振镜，第二振镜组包括X2振镜和Y2振镜，X1振镜和X2振镜以及Y1振镜和Y2振镜分别控制X方向和Y方向的激光光束。

X1振镜偏转实现光束在聚焦透镜X方向的偏移，X2振镜补偿X1振镜的偏转角度后实现光束在X方向的角度偏移，Y1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜Y方向的偏移，Y2振镜补偿Y1振镜的偏转角度后实现光束在Y方向的角度偏移。

较佳地，所述动态透镜可沿激光光路移动以使激光光束焦点位置朝工件方向移动。

较佳地，所述动态透镜组还包括一个固定设置的第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜和所述动态透镜沿激光光路设置。

可调节焦距的动态透镜组可包含一个动态透镜，或者包含一个第二聚焦透镜和一个动态透镜，通过调节动态透镜的位置来调节整个动态透镜组的焦距；在加工时工件表面首先被熔蚀，工件内部则不再焦平面上，激光熔蚀的效率则会降低；如果只是通过机械设备来调节焦平面的位置，这对于机械设备的精度要求十分的高，同时也会降低设备加工的效率；通过动态透镜的位置来变换动态透镜组的焦距，调节焦平面的位置，同时还能调节焦点光斑的大小和焦深，大幅提高打孔的质量和效率。

较佳地，所述第二聚焦透镜和所述动态透镜之间的间距可调节。

较佳地，还包括用于移动所述动态透镜的调节机构。

较佳地，所述调节机构为振镜电机。

动态透镜在振镜电机的驱动下移动，优选高精度的振镜电机。

较佳地，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜及Y2振镜由一个控制卡进行联动控制。

第一振镜组和第二振镜组的作用是分别控制激光光束的偏移距离、补偿激光光束同时控制激光光束的偏移角度，每个振镜组中的两个振镜分别控制X方向和Y方向的激光光束，进而通过控制振镜的偏转角度来控制打孔的大小和锥度，同时根据打孔的深度调节动态透镜组的焦距，改变焦斑大小。

通过使用四个振镜对工作平面进行控制，将平面分解为X方向和Y方向，X1振镜和X2振镜控制X方向，Y1振镜和Y2振镜控制Y方向，每两个振镜控制一个方向，通过控制软件对振镜的偏转角度进行调整，使得光束完成打孔。

进一步地，X1振镜、Y1振镜、X2振镜及Y2振镜由一个控制卡进行联动控制，可以减少外部因素对于打孔的影响；控制四个振镜的控制卡和可调节焦距的动态透镜由一个软件进行控制；

进一步地，通过双振镜系统控制光束的位置，让光束在微孔轮廓内部进行来回运动，将轮廓内部的材料进行镂空，提高打孔质量和效率；若是光束直接对微孔轮廓进行熔蚀，光束的能量在材料内部的传递会随着熔蚀深度的增加而急剧下降，打孔效率也会下降，同时内部的熔蚀区域也变得狭小，进而导致内部的熔渣无法排出；激光光束在微孔轮廓内部来回运动，使得光束对于内部的材料作用面积的加大，能够有助于打孔效率的提高。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本实用新型提出了一种五轴四联动打孔装置，相较于现行的打孔设备无法灵活的调节孔的大小、锥度及形状，本实用新型提出的打孔装置可以在工件上加工形状可变、锥度可调、孔径大小可调的微孔；

2)本实用新型提出了一种五轴四联动打孔装置，通过X1振镜和X2振镜以及Y1振镜和Y2振镜分别控制激光光束在X方向和Y方向的偏移距离和偏转角度，调控激光光束在平面内的运动，同时，X1振镜、Y1振镜控制激光光束的偏移距离，进而控制小孔的锥度变化，X2振镜、Y2振镜控制激光光束的偏转角度，通过动态透镜聚焦来调节焦点的偏移位置，进而控制小孔的孔径大小，通过四个振镜的角度变化来调节孔的大小和锥度变化，简化了调节的难度，同时可以调节偏移的位置来调节打孔的形状，进而打出异形孔；

3)本实用新型提出了一种五轴四联动打孔装置，四个振镜由一个控制卡进行控制，可以减少外部因素对于振镜的影响，使得四个振镜在打孔过程中协同运动，改善打孔的质量；

4)本实用新型提出了一种五轴四联动打孔装置，通过专门的软件将控制卡和可调焦距的动态透镜进行联动，使各个部分形成一个整体，同时打孔软件将打孔需求转化为各种电信号，传递到各个控制部分，完成打孔，提高打孔的效率，简化了打孔的流程。

附图说明

图1为本实用新型五轴四联动打孔装置的结构示意图；

图2为本实用新型五轴四联动打孔装置的部分结构示意图；

图3为本实用新型五轴四联动打孔装置中激光光束在镂空工件表面的运动轨迹；

图4为本实用新型五轴四联动打孔装置中激光光束在镂空工件表面的另一种运动轨迹；

图5为本实用新型五轴四联动打孔装置中激光光束在平面内的定位示意图；

图6为本实用新型实施例1中打孔样式及激光光束运动轨迹。

1-动态透镜组；101-动态透镜；102-第二聚焦透镜；2-第一振镜组；201-X1振镜；202-Y1振镜；3-第二振镜组；301-X2振镜；302-Y2振镜；4-第一聚焦透镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。附图中，为清晰可见，可能放大了某部分的尺寸及相对尺寸。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分。

如说明书附图1-5所示，本实用新型提供了一种五轴四联动打孔装置，沿激光光路依次设置有一个可调节焦距的动态透镜组1、一个第一振镜组2和一个第二振镜组3和一个第一聚焦透镜4，所述动态透镜组1包括一个可沿激光光路移动的动态透镜101，动态透镜101优选聚焦透镜，可以调节焦距，第一振镜组2包括X1振镜201和Y1振镜202，第二振镜组3包括X2振镜301和Y2振镜302，X1振镜201和X2振镜301以及Y1振镜202和Y2振镜302分别控制X方向和Y方向的激光光束。

一种实施方式是动态透镜组1包含一个可沿激光光路来回移动的动态透镜101；另一种实施方式是动态透镜组1包含一个可沿激光光路来回移动的动态透镜101，还包含一个固定设置的第二聚焦透镜102，动态透镜101通过振镜电机驱动移动，优选的是采用高精度的振镜电机进行驱动；动态透镜101和第二聚焦透镜102设置在激光光路上，对动态透镜101和第二聚焦透镜102的相对位置不做限定，所述第二聚焦透镜102和所述动态透镜101之间的间距通过动态透镜101移动进行调节，即可通过动态透镜101移动来调节焦距，使得焦点向工件背面移动，便于焦点在打孔过程中随着打孔的方向移动。

为方便描述，可将第二聚焦透镜和动态透镜分别记为L1、L2，将第一聚焦透镜记为f，如附图1所示。

进一步地，每个振镜组包括两个分别控制X方向和Y方向激光光束的振镜，四个振镜由一个控制卡进行控制，控制卡和可调焦距的动态透镜组1联合通过一个软件进行控制，即X1振镜201、Y1振镜202、X2振镜301、Y2振镜302及动态透镜组1通过软件联动控制；四个振镜由一个控制卡进行控制，减少外部因素的干扰，通过调节四个振镜的角度对光束焦点的位置进行控制，同时控制微孔的锥度。

X1振镜201和X2振镜301控制X方向光束，Y1振镜202和Y2振镜302控制Y方向光束。

控制X方向的激光光束偏移位置、激光光束偏移角度，Y方向的激光光束偏移位置、激光光束偏移角度，焦点Z轴的位置合在一起成为五轴，四个振镜联合到一个控制卡进行控制，形成四联动。

说明书附图3-4为激光光束来回运动的轨迹示意图，通过双振镜系统控制激光光束的位置，让激光光束在微孔轮廓内部进行来回运动，将轮廓内部的工件进行镂空，提高打孔质量和效率；若是激光光束直接对微孔轮廓进行熔蚀，激光光束的能量在工件内部的传递会随着熔蚀深度的增加而急剧下降，打孔效率也会下降，同时内部的熔蚀区域也变得狭小，进而导致内部的熔渣无法排出；激光光束在微孔轮廓内部来回运动，使得激光光束对工件内部的作用面积加大，能够有助于打孔效率的提高。

在打孔过程中，通过激光束对工件上层的来回运动将工件表面进行镂空，可以降低激光能量对工件下层进行照射时的损耗，同时随着表面的镂空，调节动态透镜组的焦距，将焦点的位置逐渐向工件方向移动，使得工件被镂空的位置逐渐变深，最终完成打孔，此过程优化了打孔的流程，提高打孔的效率。

第一振镜组2和第二振镜组3控制激光光束在工件表面来回运动，将微孔内部进行一层层的熔蚀，能够避免激光在对孔径轮廓进行雕刻时的能量衰减；在熔蚀过程中调节动态透镜101的位置，调节动态透镜组的焦距，使得焦平面逐渐向工件内部移动，进而保持激光光束以最大能量对工件进行熔蚀，使得工件内部在激光反射组件和可调焦距的动态透镜组的配合下一层一层的完成熔蚀，完成打孔。

为了进一步说明本实用新型所提出的五轴四联动打孔装置，下面结合实施例进行详述：

实施例1

如说明书附图6所示，通过本实用新型的打孔装置打一个五角星形的无锥度小孔，图1所示的装置中X1、Y1两个振镜控制孔的锥度，X2、Y2两个振镜控制激光光束打在孔轮廓内的位置，即控制打孔孔径，四个振镜由一个控制卡进行控制，通过移动动态透镜101的位置可以调节整个动态透镜组的焦距，使得焦点向工件背面移动。

在专门的打孔软件中输入五角星的形状特征，导入五角星的图案，软件识别图案的形状特征即包括各个顶点的位置、边长、角度等关系，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式将在打孔过程中每个振镜每个时间段所需要作出的动作进行计算，再导入控制卡中，再由控制卡完成对各个振镜的控制效果；其中由于X1振镜201、Y1振镜202是负责激光光束位置的偏移的，因此激光光束在反射时，是以大角度将激光光束反射出，经过在激光光路上的传播，激光光束完成偏移；其中X2振镜202、Y2振镜302控制光束的偏转角度，再通过动态透镜组1将光束所带的微小角度展示出来，以此振镜X2、Y2完成其操作步骤。

具体的，激光光束直接以孔轮廓进行熔蚀切割，由于激光能量无法完全穿过工件，因此对于工件的下层，激光的能量需要耗费更多的时间才能打穿；此装置通过对振镜控制激光光束在工件表面以图6的轨迹运动，将孔轨迹内部全部进行熔蚀，使得更多激光光束的能量能够传递；

具体的，在上述过程中，随着激光光束对工件表层完成熔蚀后，工件与激光光束逐渐出现离焦，熔蚀效率下降，再通过软件调节动态透镜101的位置，调节动态透镜组1的焦距，使得光束焦点的位置逐步向工件下层移动，振镜按照图6的轨迹进行运动，重复上述过程，完成整个五角星的打孔。

同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

本技术领域的技术人员应理解，本实用新型可以以许多其他具体形式实现而不脱离本实用新型的精神和范围。尽管已描述了本实用新型的实施例，应理解本实用新型不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本实用新型精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (7)

1.一种五轴四联动打孔装置，包括用于输出激光的激光器，其特征在于，沿激光光路依次设置有一个可调节焦距的动态透镜组、一个第一振镜组、一个第二振镜组和一个第一聚焦透镜，所述动态透镜组包括一个可沿激光光路移动的动态透镜，第一振镜组包括X1振镜和Y1振镜，第二振镜组包括X2振镜和Y2振镜，X1振镜和X2振镜以及Y1振镜和Y2振镜分别控制X方向和Y方向的激光光束；

X1振镜偏转实现光束在聚焦透镜X方向的偏移，X2振镜补偿X1振镜的偏转角度后实现光束在X方向的角度偏移，Y1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜Y方向的偏移，Y2振镜补偿Y1振镜的偏转角度后实现光束在Y方向的角度偏移。

2.根据权利要求1所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，所述动态透镜可沿激光光路移动以使激光光束焦点位置朝工件方向移动。

3.根据权利要求1所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，所述动态透镜组还包括一个固定设置的第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜和所述动态透镜沿激光光路设置。

4.根据权利要求3所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，所述第二聚焦透镜和所述动态透镜之间的间距可调节。

5.根据权利要求1所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，还包括用于移动所述动态透镜的调节机构。

6.根据权利要求5所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，所述调节机构为振镜电机。

7.根据权利要求1所述的五轴四联动打孔装置，其特征在于，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜及Y2振镜由一个控制卡进行联动控制。

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