TWI671154B

TWI671154B - 複合式雷射加工裝置及其運作方法

Info

Publication number: TWI671154B
Application number: TW107110009A
Authority: TW
Inventors: 張慶暉
Original assignee: 寶力精密科技股份有限公司
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-11
Also published as: TW201940273A

Abstract

本發明提出一種複合式雷射加工裝置，包含：一雷射光源、一發射頭、一光學模組、一轉盤、一雷射控制單元、一發射控制單元、一轉盤控制單元以及一載台，其中該雷射光源輸出一雷射光束，該發射頭接收該雷射光束，並輸出為一切割光束，該光學模組設置於該雷射光源輸出該雷射光束至該發射頭的路徑上，該雷射控制單元控制該雷射光源輸出，該發射控制單元控制該發射頭的移動，該轉盤控制單元控制該轉盤的旋轉，該載台承載一加工件。此外，複合式雷射加工裝置的運作方法亦被提出。

Description

複合式雷射加工裝置及其運作方法

本發明提出一種複合式雷射加工裝置及其運作方法，尤指一種透過轉盤機構產生不同形狀雷射光束的複合式雷射加工裝置及其運作方法。

隨著科學技術的快速發展，數位控制的雷射加工技術以其方便性和靈活性在金屬與非金屬加工領域逐步取代了傳統加工手段。同時，由於科技產業發展突飛猛進，各種產品更新換代的週期變短，對不同種類、不同形狀的產品加工處理，如切割、鑽孔、畫線、表面加熱、表面光能反應的活化、表面拋光等需求越來越多。

然而，現階段的電腦數值控制(Computer Numerical Control,CNC)加工機往往僅能夠輸出單一形狀的刀形，且無法調節加工機各元件相對用於加工件的雷射的角度，適用範圍較為窄小。因此，為因應目前需要各式樣的加工方法，提出一種透過數位訊號編成，結合多種雷射光形與光路路徑調控的複合式雷射加工裝置，實屬必要。

本發明提出一種複合式雷射加工裝置，包含：一雷射光源，用以輸出一雷射光束；一發射頭，用以接收該雷射光束，並聚焦輸出為一切割光束；一光學模組，設置於該雷射光束由該雷射光源至該發射頭的路徑之間；一轉盤，設有複數個孔洞，使該切割光束穿透該複數個孔洞的其中之一孔洞；一雷射控制單元，與該雷射光源電性連接，用以控制該雷射光源輸出；一發射控制單元，與該發射頭電性連接，用以控制該發射頭的移動；一轉盤控制單元，與該轉盤電性連接，用以控制該轉盤的旋轉；以及一載台，用以承載一加工件；其中每一該個孔洞內設有一光學繞射元件。

進一步而言，本發明所提出之一種複合式雷射加工裝置，更包含一輸入裝置，個別與該雷射控制單元、該發射控制單元及該轉盤控制單元連接，用以輸入參數至上述之雷射控制單元、發射控制單元及轉盤控制單元，以控制個元件對加工件進行切割。

本發明更提出一種複合式雷射加工裝置的運作方法，其步驟包含：提供如前述之一複合式雷射裝置輸入一雷射控制參數、一發射控制參數及一轉盤控制參數至一輸入裝置；一雷射控制單元接收該雷射控制參數，啟動一雷射光源輸出一雷射光束經一光學模組至一發射頭；一發射控制單元接收該發射控制參數，啟動該發射頭輸出一切割光束；一轉盤控制單元接收該轉盤控制參數，轉動一轉盤使該切割光束穿透該轉盤上的其中一孔洞；以及該切割光束形成具有該孔洞形狀的光束，對一加工件進行切割。

以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。

100‧‧‧複合式雷射加工裝置

10‧‧‧雷射光源

11‧‧‧雷射光束

12‧‧‧雷射控制單元

20‧‧‧光學模組

30‧‧‧發射頭

31‧‧‧切割光束

32‧‧‧發射控制單元

34‧‧‧校準模組

341‧‧‧攝像單元

342‧‧‧感測單元

40‧‧‧轉盤

42‧‧‧轉盤控制單元

46‧‧‧孔洞

50‧‧‧輸入裝置

60‧‧‧加工件

70‧‧‧載台

S01-S06‧‧‧步驟

E_max‧‧‧雷射光束最大強度

e‧‧‧自然常數

o‧‧‧中心點

w‧‧‧距中心點距離

圖1為本發明一較佳實施例之複合式雷射加工裝置示意圖。

圖2為雷射光束強度曲線分布示意圖。

圖3為本發明一較佳實施例之轉盤示意圖。

圖4為本發明一較佳實施例之複合式雷射加工裝置的運作方法流程圖。

為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：首先，請參考圖1所示，其為本發明一較佳實施例之複合式雷射加工裝置示意圖。複合式雷射加工裝置100包含：一雷射光源10，用以輸出一雷射光束11；一發射頭30，用以接收該雷射光束11，並聚焦輸出為一切割光束31；一光學模組20，設置於該雷射光束11由該雷射光源10至該發射頭30的路徑之間；一轉盤40，設有複數個孔洞46，使該切割光束31穿透該複數個孔洞46的其中之一孔洞46；一雷射控制單元12，與該雷射光源10電性連接，用以控制該雷射光源10輸出雷射光束11；一發射控制單元32，與該發射頭30電性連接，用以控制該發射頭30的移動；一轉盤控制單元42，與該轉盤40電性連接，用以控制該轉盤40的旋轉；以及一載台70，用以承載一加工件60。

複合式雷射加工裝置還可包含一輸入裝置50，個別與該雷射控制單元12、該發射控制單元32及該轉盤控制單元42連接，透過輸入參數指令至該輸入裝置50，輸入裝置50可將各參數指令傳送至對應的元件控制單元(雷射控制單元12、發射控制單元32、光學控制單元(圖未示)及轉盤控制單元42)，各元件控制單元根據參數指令的編程控制複合式加工裝置100的各元件(雷射光源10、發射頭30、光學模組20及轉盤40)，進而對該載台70上的該加工件60進行輸入參數指令之切割。其中該輸入裝置50可為桌上型電腦、工業電腦、嵌入式主機或行動裝置，本發明不應以此為限。

該雷射光源10還可與衰減器或能量回授控制系統(圖未示)連接，藉以控制雷射光束11輸出的穩定度。在本實施例中，雷射光束11可為紫外光雷射、綠光雷射或紅外光雷射，本發明不應以此為限。

該發射控制單元32還可與一校準模組34連接，用以擷取加工件相對於該發射頭30的位置，並校準發射頭30輸出切割光束31的角度及位移量，以使切割光束31可以對該加工件60進行準確加工。其中該校準模組34包含一攝像單元341及一感測單元342，在本實施例中，該攝像單元341為攝影機，以擷取加工件的攝影影像，並透過影像辨識技術分析在攝影影像中，該加工件60相對於該雷射發射頭30的位置。

在本實施例中，該感測單元342為高度感測器，可藉由紅外線、雷射等位置偵測技術來感測加工件60的高(厚)度。在其他可能的實施例中，該感測單元342為雷射位移感測器，測量該加工件60原始的厚度或切割後該加工件60的厚度，進而得知該加工件60的切割深度；雷射位移感測器亦可測量該加工件60原始的寬度或切割後該加工件60的寬度，進而得知該加工件60的切割寬度。透過校準模組34即時且連續的測量，將該些數據傳送至與其相連的發射控制單元32，藉以調整校準發射頭30所發出的切割光束31，以達到最佳的切割效果。

該光學模組20設置於該雷射光束11由該雷射光源10至該發射頭30的路徑之間。其中該光學模組20包含至少一聚焦鏡、至少一偏光鏡或其組合，且該光學模組20可與一光學控制單元連接，藉以控制前述之至少一聚焦鏡、至少一偏光鏡或其組合的偏轉角度，藉以調整該雷射光束11的光斑尺寸(spot size)並輸出至該發射頭30，還可於雷射光束11路徑偏移時能夠即時校正。

前述之光斑尺寸(spot size)即為雷射光束11加工時的有效寬度，請參考圖2所示，其為雷射光束強度曲線分布示意圖。雷射光束11的強度通常為高斯曲線分布，在距離中心點o(即雷射光束強度最大值)w距離時，其強度衰減至最大強度(E_max)的1/e²倍(約為0.135E_max)，而兩倍的w寬度則為所稱之光斑尺寸，或雷射光束11的截面積寬度。

請同時參考圖3所示，其為本發明一較佳實施例之轉盤示意圖。該轉盤40包含有複數個孔洞46，該複數個孔洞46的數量為4~12個，在本實施例中，該複數個孔洞46的數量為8個，其中該複數個孔洞46內設有光學繞射元件(圖未示)，前述該8個孔洞46內的光學繞射元件形狀各不同，其形狀可為圓形、三邊形、四邊形、五邊形或其組合，本發明不應以此為限。當該發射頭30輸出切割光束31，並穿透該轉盤40其中之一孔洞46對加工件60進行切割時，該切割光束31會依據孔洞46光學繞射元件的不同而產生形狀尺寸不同的切割光束31。舉例而言，當該發射頭30所對應到轉盤40孔洞46內光學繞射元件，其形狀為圓形，則發射頭30輸出的切割光束31穿透該轉盤40的孔洞46後而形成圓形的切割光束31，進而對該加工件60進行圓形加工；當該發射頭30所對應到轉盤40的孔洞46內光學繞射元件，其形狀為矩形，則發射頭30輸出的切割光束31穿透該轉盤40的孔洞46後而形成矩形的切割光束31，進而對該加工件60進行矩形加工，藉此透過僅一轉盤40的機構設計而產生形狀不同的切割光束31。

本發明還提出一種複合式雷射加工裝置的運作方法，請參考圖4所示，其為本發明較佳實施例之複合式雷射加工裝置的運作方法流程圖。複合式雷射加工裝置的運作方法其步驟包含：提供如上述之一複合式雷射裝置；在步驟(S01)中，輸入參數指令至一輸入裝置50，其中該參數指令包含雷射控制參數、發射控制參數及轉盤控制參數；在步驟(S02)中，一雷射控制單元12接收該雷射控制參數，啟動一雷射光源10輸出一雷射光束11；在步驟(S03)中，該雷射光束11經一光學模組20至一發射頭30；在步驟(S04)中，一發射控制單元32接收該發射控制參數，啟動該發射頭30輸出一切割光束31；在步驟(S05)中，一轉盤控制單元42接收該轉盤控制參數，轉動一轉盤40使該切割光束31穿透該轉盤40上的其中一孔洞46；以及在步驟(S06)中，該切割光束31形成具有該孔洞46形狀的切割光束31，對一加工件60進行切割。

在本實施例中，該雷射控制參數為雷射光束11的能量、雷射光束11的波長或雷射光束11的輸出頻率等，其中雷射光束11的波長範圍介於250奈米(nm)至3000奈米之間，雷射光束11的輸出頻率小於1GHz。該發射控制參數係為該切割光束31的移動軌跡、切割寬度或切割深度，更進一步，發射控制參數還可透過一校準模組34進行即時的校對及調整。該轉盤控制參數為該轉盤40的轉動頻率、轉盤40的轉動速度或轉盤40的對應該發射頭30的其中之一孔洞46。前述之參數指令更包含光學控制參數，其為控制該光學模組20包含至少一聚焦鏡、至少一偏光鏡或其組合的偏移角度。

該雷射控制單元12是接收由該輸入裝置50所傳送的該雷射控制參數，藉以控制雷射光源10所輸出雷射光束11的能量、雷射光束11的波長或雷射光束11的輸出頻率。其中該雷射光源10更與一定時單元(圖未示)連接，藉以固定該雷射光束11的輸出時間，如連續式輸出或間歇式輸出，而雷射光源10所輸出的雷射光束11會經由光學模組20聚焦後，彙總至發射頭30並輸出一切割光束31。

該光學控制單元是接收由該輸入裝置50所傳送的該光學控制參數，藉以控制該光學模組20所包含的至少一聚焦鏡、至少一偏光鏡或其組合的偏移角度，使得該發射頭30所接收的雷射光束11符合雷射加工所需的光斑尺寸(即雷射光束11加工時的有效寬度)，其中減少光斑尺寸可增加雷射光束11的能量以進行較窄小而集中的切深；增加光斑尺寸可減少雷射光束11的能量以進行較廣泛而深度較淺的切深，其應用可依使用者自行由輸入裝置調正。

該發射控制單元32是接收由該輸入裝置50所傳送的該發射控制參數，藉以控制該切割光束移動31的移動軌跡、切割光束31的切割寬度或切割光束31的切割深度，其中該發射控制單元32還與一校準模組34相連接，透過校準模組34即時且連續的測量，將該些數據傳送至與其相連的發射控制單元32，藉以調整校準發射頭30所發出切割光束31的移動軌跡、切割寬度及切割深度，以達到最佳的切割效果。

該轉盤控制單元42是接收由該輸入裝置50所傳送的該轉盤控制參數，藉以控制該轉盤40的轉動頻率、轉盤40的轉動速度或對應該發射頭30的該其中之一孔洞46。在本實施例中，該複數個孔洞46的數量為8個，其中該複數個孔洞46內設有光學繞射元件，前述該8個孔洞內的光學繞射元件形狀各不同，其形狀可為圓形、三邊形、四邊形、五邊形或其組合，本發明不應以此為限。當該轉盤控制單元42接收到該轉盤控制參數，轉盤控制單元42會驅動該轉盤40旋轉，直至指定形狀的孔洞46對準該發射頭30，使得該發射頭30輸出切割光束31穿透該轉盤40其中之一孔洞46對加工件60進行切割時，該切割光束31會依據孔洞46光學繞射元件的不同而產生形狀尺寸不同的切割光束31對載台70上的加工件60進行切割。

綜合以上所述，本發明所提出的複合式雷射加工裝置及其運作方法：使用者可藉由輸入裝置50輸入雷射控制參數、光學控制參數、發射控制參數及轉盤控制參數等指令參數，藉以控制各元件的控制單元運作。雷射控制單元12接收雷射控制參數後，控制雷射光源10輸出雷射光束11的雷射能量、雷射波長或輸出頻率；光學控制單元接收光學控制參數後，控制光學模組20角度的偏移；發射控制單元32接收發射控制參數後，控制發射頭30輸出切割光束的移動軌跡、切割寬度或切割深度；轉盤控制單元42接收轉盤控制參數後，控制轉盤40的轉動頻率、轉動速度，並使轉盤上的孔洞46對應至發射頭30，藉此使穿透該孔洞46的切割光束31可依孔洞46內的形狀而形成相對應的光形，對載台70上的加工件46進行加工切割。

透過上述的方法，可藉由輸入不同的控制參數指令，以及對參數指令變化與切換，更可輕易達到多種雷射組合，如連續直線出光、間些直線出光、螺旋出光等多種雷射光型組合，而進行切割、鑽孔、畫線、表面加熱熱處理、表面光能反應的活化、表面拋光等雷射相關應用。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims

一種複合式雷射加工裝置，包含：一雷射光源，輸出一雷射光束，且該雷射光束的強度為高斯曲線分布；一發射頭，接收該雷射光束後聚焦輸出一切割光束；一光學模組，設置於該雷射光源輸出該雷射光束至該發射頭的路徑上；一轉盤，設有複數個孔洞，該切割光束穿透該複數個孔洞之一；一雷射控制單元，與該雷射光源電性連接，該雷射控制單元控制該雷射光源輸出該雷射光束；一發射控制單元，與該發射頭電性連接，該發射控制單元控制該發射頭的移動；一轉盤控制單元，與該轉盤電性連接，該轉盤控制單元控制該轉盤的旋轉；一輸入裝置，分別與該雷射控制單元、該發射控制單元及該轉盤控制單元連接；一校準模組，該校準模組與該發射控制單元連接；以及一載台，用以承載一加工件；其中，該該校準模組包含一攝像單元及一感測單元，且該攝像單元為攝影機，該攝影機擷取該加工件的影像，並透過影像辨識分析該加工件相對於該雷射發射頭的位置；其中，該感測單元為雷射位移感測器，該雷射位移感測器量測該加工件的長度、寬度及厚度；其中，該複數個孔洞內均設有一光學繞射元件。
如請求項1所述之複合式雷射加工裝置，其中該光學模組包含至少一聚焦鏡、至少一偏光鏡或其組合。
如請求項1所述之複合式雷射加工裝置，其中該光學繞射元件的形狀為圓形、三邊形、四邊形、五邊形或其組合。
一種複合式雷射裝置的運作方法，包含：提供如請求項1所述之一複合式雷射裝置；藉由一輸入裝置輸入一雷射控制參數、一發射控制參數及一轉盤控制參數；該雷射控制單元接收該雷射控制參數，啟動該雷射光源輸出該雷射光束經該光學模組至該發射頭；該發射控制單元接收該發射控制參數，啟動該發射頭輸出該切割光束；該轉盤控制單元接收該轉盤控制參數，轉動該轉盤使該切割光束穿透該轉盤上的其中一孔洞；以及該切割光束形成具有該孔洞形狀的光束，對該加工件進行切割。
如請求項4所述之複合式雷射裝置的運作方法，其中該雷射控制參數包含該雷射光束的能量、波長或輸出頻率。
如請求項4所述之複合式雷射裝置的運作方法，其中該發射控制參數包含該切割光束的移動軌跡、切割寬度或切割深度。
如請求項4所述之複合式雷射裝置的運作方法，其中該轉盤控制參數包含該轉盤的轉動頻率、轉動速度或對應該發射頭的孔洞。