用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置及方法，包括一台DPSS激光器、10倍扩束系统、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、XYZ三维平移台和Z轴旋转台、辅助气体系统、吸尘系统、CCD视觉监测系统和计算机控制系统，旋转双光楔加工头适合直径小于几百微米的圆孔加工并可实现列阵微孔的加工；振镜扫描加工头适合于大于300微米圆孔的精密加工，还可以加工大至几十毫米的曲线图形。本发明专利技术突破了单一加工方式极限加工孔径范围和精度受器件性能和加工方式限制的局限性，满足了对不同极限孔径的紫外激光精细加工需求。该加工装置具有重复频率高、稳定性好、光束质量高、脉宽窄的优点。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过精密切换旋转双光楔加工头和振镜扫描加工头的光路，特别涉及一种，属于激光精细加工技术应用领域。
技术介绍
近几年来，随着电子产品、微电子、生物医学设备元器件的小型化，紫外激光精细加工的需求日益增长，激光打微孔、切割、刻槽等加工在这些领域中的应用也越来越多。如生物医学设备通常工作在细胞水平，这意味着他们的构件孔、通道和其他零部件都是极小的，所加工的有些孔径在20至数百微米之间，孔径和相关尺寸的公差也在微米级，而零件的外形切割尺寸则在几毫米至数十毫米之间。先进的DPSS激光加工设备，使用紫外激光的脉冲能量加工小尺寸材料，其聚焦光斑尺寸极小，最小可达几个微米，具有切缝窄、切割速度快、热影响区小、材料变形小等优点，可精细切割圆孔和各种复杂形状的部件。激光圆孔成型主要有五种方法1、固定光束加工微孔，孔径由聚焦光斑决定，不可调节，孔形由光束质量决定，不可控。2、固定光束结合二维位移平台加工微孔或图形，孔径由平移台的行程决定，微孔精度受位移台精度和速度的影响。因为运动惯量很大，响应速度低，小孔边缘有明显的热效应引起的碳化层、熔化层，或在材料顶部存在堆积物的现象，因此不适合加工百微米直径的孔。3、固定光束结合旋转平台和一维位移平台加工圆孔，孔径调节由旋转轴和光轴中心的偏离量实现，孔径不受限制，孔型由高速旋转形成，精度较高， 适合加工微孔。但由于工件随平台一起旋转，不适合较大零件和阵列孔的加工，且定位点难找。4、振镜扫描加工微孔或图形，由于振镜的高速响应，光束定位快，适合加工数量众多的列阵孔和各种图形，但受器件本身特征和精度限制，一般不适合加工300微米以下的孔，孔会变形。5、光束高速旋转，工件不动，孔径调节即激光束和微孔中心的偏离值由光学组件产生，实现微孔加工，孔形精度高，孔径可控性好，其最大极限孔径受光楔顶角限制，适合几百微米以下的高精度微孔成形。上述微孔成形方法在孔径范围、孔形精度、加工速度、质量等方面都存在着一定的局限性，若要满足不同孔径、孔形、精度、列阵、高效率、高质量等要求，则必须配备多套紫外精细加工设备，成本则成倍增加。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有单一微孔成形方法在孔径范围、孔形精度、加工速度、 质量等方面的局限性，以满足工业生产对不同极限孔径和精度的紫外激光精细加工需求。本专利技术的技术方案是一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置， 其特征在于，该装置包括一台DPSS激光器、10倍扩束镜、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、精度为微米量级的XYZ平移台和Z轴旋转台、工件吸附台、辅助气体系统、吸尘系统、CXD视觉监测系统和计算机控制系统；所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后至光路切换组件，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头，由计算机控制系统控制高速电机旋转，并带动两光楔片一起旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合XY平移台改变工件位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件中的第一反射镜片反光至振镜扫描加工头，由计算机控制系统控制振镜扫描加工头中的XY扫描镜，获得极限孔径300微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制系统与DPSS激光器、旋转双光楔微孔加工头的高速电机、低速电机和直动气缸，振镜扫描加工头的XY扫描镜、CCD视觉监测系统、XYZ平移台、辅助气体系统相连接， DPSS激光器的参数、高速电机的转速、低速电机的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制系统设置和控制。 所述的光路切换组件包括支架模块、45度斜面滑块、第一反射镜片、导向滑轨、第一压簧、连接块、定位板和限位销，所述第一反射镜片固定在45度斜面滑块的斜面上，45度斜面滑块和导向滑轨两轴平行，由连接块相连，与支架模块配合，在支架模块内进行往复运动，限位销固定在定位板上。所述的旋转双光楔微孔加工头包括第二反射镜片、第一支承轴、第二支承轴、第一、第二两个光楔片、带轮传动系统、齿轮传动系统、高速电机、低速电机、第二压簧、直动气缸、与聚焦镜连接的气嘴，两个完全相同的固定在第一支承轴和第二支承轴内的顶角为α 的第一、第二两个光楔片互相平行放置，所述两个光楔片中心线与经第二反射镜片反射的入射光束的光轴同轴、第一支承轴和第二支承轴的旋转轴共轴，所述的DPSS激光器输出光束光路经10倍扩束镜扩束后直接至旋转双光楔微孔加工头，光束经第二反射镜片反射和两个光楔片折射后，经聚焦镜聚焦在偏离聚焦镜中心光轴O-R位置的焦面上，最大偏离量由光楔片的顶角α决定；所述的第一支承轴的下端面和第二支承轴的上端面加工有相同的端面齿，由压簧将两轴端面啮合，当两个支承轴的一个端面啮合时，高速电机通过带轮传动系统驱动第一、第二两个支承轴共同旋转，实现光束旋转的微孔加工，所述直动气缸和第二两个支承轴相连接，当直动气缸启动时，直动气缸作用于第二支承轴，使其与第一支承轴脱离啮合，同时切入至齿轮传动系统上，由低速电机驱动第二支承轴独立旋转，使两个光楔片产生相对的角位移，最小角位移值为支承轴端面啮合单个齿的细分角度，光束经两个光楔片折射后改变了光束的偏移量，且细分角度与孔径成一一对应的关系，当关闭直动气缸时，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴受到第二压簧的推力作用与第一支承轴重新啮合，当第一支承轴被驱动旋转时，两轴又共同旋转，从而改变加工孔径的大小，所述的两支承轴的端面齿数决定了孔径的调节精度，低速电机旋转的角度是两支承轴端面单个齿细分角度的整数倍，低速电机的旋转角度值由计算机控制系统设定。所述的振镜扫描加工头包括XY 二维振镜扫描头、f - θ透镜。一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，对不同极限尺寸的孔径进行加工的方法步骤如下当需要加工的极限孔径在20-300微米时1)将光路切换组件中的限位销插在45度斜面滑块上的限位孔内，第一反射镜不在光路之中，则DPSS激光器输出的光束经10倍扩束镜扩束后直接传输进入旋转双光楔加工头；2)启动直动气缸，直动气缸的直线往复运动推动第二支承轴脱离第一支承轴的啮合面，并同时切入至齿轮传动系统，在计算机控制系统上设定与所需孔径相对应的低速电机的旋转角度值，由计算机控制系统控制低速电机旋转相应的角度，通过齿轮传动系统驱动第二支承轴也旋转相应的角度，使固定在第二支承轴内的第二光楔片相对第一光楔片产生相对的角位移，关闭直动气缸，直动气缸不再作用于第二支承轴，则第二支承轴由于第二压簧的推力作用脱离齿轮传动系统，其上端面齿与第一支承轴的下端面重新啮合；3)计算机控制系统驱动Z轴平移台上下移动，通过CXD视觉监测系统监测，将工件加工表面调在聚焦镜的焦面上；移动XY 二维平移台，转动Z轴旋转台，通过CCD视觉监测系统找到工件的微孔加工位置； 4)在计算机控制系统上设置孔的行距、列距、行数、列数、高速电机的转速、DPSS激光器的激光参数、加工时间参数，同时开启辅助气体系统和吸尘系统，由计算机控制系统控制高速电机旋转，通过带轮传动系统，使第一和第二支承轴被驱动共同旋转，并控制DPSS激光器的激光输出和XY平移台的位移，实现所需孔径单个微孔或列阵微孔的加工；当需要加工的极限孔径在300微米以上时1)将光路切换组件中本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，该装置包括一台ＤＰＳＳ激光器、１０倍扩束镜、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、精度为微米量级的ＸＹＺ平移台和Ｚ轴旋转台、工件吸附台、辅助气体系统、吸尘系统、ＣＣＤ视觉监测系统和计算机控制系统；所述的ＤＰＳＳ激光器输出光束经１０倍扩束镜扩束后至光路切换组件，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头，由计算机控制系统控制高速电机旋转，并带动两光楔片一起旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合ＸＹ平移台改变工件位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件中的第一反射镜片反光至振镜扫描加工头，由计算机控制系统控制振镜扫描加工头中的ＸＹ扫描镜，获得极限孔径３００微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制系统与ＤＰＳＳ激光器、旋转双光楔微孔加工头的高速电机、低速电机和直动气缸，振镜扫描加工头的ＸＹ扫描镜、ＣＣＤ视觉监测系统、ＸＹＺ平移台、辅助气体系统相连接，ＤＰＳＳ激光器的参数、高速电机的转速、低速电机的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制系统设置和控制。...

【技术特征摘要】
1.一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，该装置包括一台DPSS激光器、10倍扩束镜、光路切换组件、旋转双光楔微孔加工头、振镜扫描加工头、 精度为微米量级的XYZ平移台和Z轴旋转台、工件吸附台、辅助气体系统、吸尘系统、CCD视觉监测系统和计算机控制系统；所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后至光路切换组件，分成两光路，一路直接至旋转双光楔微孔加工头，由计算机控制系统控制高速电机旋转，并带动两光楔片一起旋转，从而使得光束旋转，实现孔径几百微米的单个微孔加工，结合XY平移台改变工件位置，实现列阵微孔的加工，另一路经光路切换组件中的第一反射镜片反光至振镜扫描加工头，由计算机控制系统控制振镜扫描加工头中的XY扫描镜， 获得极限孔径300微米以上的圆孔和毫米级以上复杂图形的加工；所述的计算机控制系统与DPSS激光器、旋转双光楔微孔加工头的高速电机、低速电机和直动气缸，振镜扫描加工头的XY扫描镜、CCD视觉监测系统、XYZ平移台、辅助气体系统相连接，DPSS激光器的参数、 高速电机的转速、低速电机的角位移量、列阵孔的行距列距和行数列数、扫描速度由所述的计算机控制系统设置和控制。2.根据权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，所述的光路切换组件包括支架模块、45度斜面滑块、第一反射镜片、导向滑轨、第一压簧、连接块、定位板和限位销，所述第一反射镜片固定在45度斜面滑块的斜面上，45度斜面滑块和导向滑轨两轴平行，由连接块相连，与支架模块配合，在支架模块内进行往复运动，限位销固定在定位板上。3.根据权利要求1所述一种用于不同极限孔径的紫外激光双光头精细加工装置，其特征在于，所述的旋转双光楔微孔加工头包括第二反射镜片、第一支承轴、第二支承轴、第一、 第二两个光楔片、带轮传动系统、齿轮传动系统、高速电机、低速电机、第二压簧、直动气缸、 与聚焦镜连接的气嘴，两个完全相同的固定在第一支承轴和第二支承轴内的顶角为α的第一、第二两个光楔片互相平行放置，所述两个光楔片中心线与经第二反射镜片反射的入射光束的光轴同轴、第一支承轴和第二支承轴的旋转轴共轴，所述的DPSS激光器输出光束经10倍扩束镜扩束后直接至旋转双光楔微孔加工头，光束经第二反射镜片反射和两个光楔片折射后，经聚焦镜聚焦在偏离聚焦镜中心光轴O-R位置的焦面上，最大偏离量由光楔片的顶角α决定；所述的第一支承轴的下端面和第二支承轴的上端面加工有相同的端面齿，由第二压簧将两轴端面啮合，当两个支承轴的一个端面啮合时，高速电机通过带轮传动系统驱动第一、第二两个支承轴共同旋转，实现光束旋转的微孔加工，所述直动气缸和第二支承轴相连接，当直动气缸启动时，直动气缸作用于第二支承轴，使其与第一支承轴脱离啮合，同时切入至齿轮传动系统上，由低速电机驱动第二支承轴独立旋转，使两个光楔片...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兆华，张伟，潘涌，骆公序，
申请(专利权)人：上海市激光技术研究所，
类型：发明
国别省市：31