专利名称：一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法
技术领域：
本发明属于化学蚀刻加工技术领域，尤其是涉及一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法。
背景技术：
在现代加工技术领域中，材料表面上图形的化学蚀刻加工是一种被广泛应用的技术手段，如印刷电路板、标牌铭牌的加工制造等。其中，传统化学蚀刻加工的基本流程大致如下:第一步、底片制版:用光绘机或照排机制作需要蚀刻图形的照相底片；第二步、感光胶涂敷:在材料表面上涂敷感光抗蚀胶或粘贴感光抗蚀膜；第三步、底片粘贴:由于底片是平面材料，无法紧密贴附在工件的曲面表面上，因而必需根据底片的曲率大小将底片剪裁成小片,再粘贴在工件的曲面表面上；第四步、晒版曝光:将晒版灯放置在工件周围，对其曝光晒版，再经显影、定影，形成需加工图形的抗蚀掩模图形；第五步、蚀刻:用化学溶液对材料表面蚀刻、清洗，并形成所需图形。实际使用过程中，化学蚀刻技术具有图形精度高、重复性好、工艺简单以及成本低廉等优点，因此得到了广泛的应用。但上述传统的化学蚀刻技术基本上局限于对材料平面的蚀刻加工。而对于三维立体曲面上的图形，传统的化学蚀刻技术往往无能为力，其三维立体曲面上加工图形的实际应用情形逐渐增多，典型的应用如带通雷达罩。由于雷达罩本身是由复合材料制造的三维立体曲面，且需在雷达罩表面加工出频率选择金属图形。雷达罩表面为回转曲面，具体为抛物面或椭球面。在三维立体曲面上加工图形时，传统的化学蚀刻中在已涂敷感光抗蚀胶的立体曲面上贴敷照相底片，成为现有加工技术中的难点。由于照相底片是平面胶片，无法与立体曲面紧密贴合，必须根据曲面不同区域的曲率大小，将将胶片裁剪成大小不等的若干块进行拼接、粘贴。因而，实际操作过程中，上述传统化学蚀刻方法存在以下主要严重缺陷，有时甚至不可操作:第一、图形精度差:由于需要将胶片进行手工拼接、定位、粘贴，图形拼接精度极低，不能满足高精度图形的加工需求；第二、重复精度低:大量小胶片的手工拼接、粘贴，产生累计误差，造成产品的重复性、一致性偏差；第三、效率低下，成本高且废品率高:由于胶片的拼接、粘贴需手工操作,且一次性使用，生产效率极低，废品率高，成本高；第四、复杂曲面或复杂图形无法加工:对于复杂曲面，须将胶片分割成非常小面积的胶片，以致于完全无法实现。而复杂、高精度图形更加不可操作。综上，三维立体曲面上进行高精度复杂图形的化学蚀刻一直是加工技术的难点，没有很好的加工手段，不能满足现代工业特别是军事工业的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、加工制作方便且投入成本较低、使用操作简便、使用效果好的回转面用激光旋转直接曝光成像装置。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:包括带动工件进行连续旋转的旋转主轴、所述工件旋转的同时对其外表面上所涂覆的感光材料涂层进行曝光处理并获得曝光成像图形的激光器、带动激光器沿旋转主轴的中心轴线方向进行前后移动的轴向移动小车、对激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在所述垂直移动托板上且对激光器所发出激光光束的投射方向进行调整的激光束投射方向调整件，所述旋转主轴的一端与驱动电机的动力输出轴进行传动连接，且所述工件安装在旋转主轴的另一端上，所述激光器安装在所述激光束投射方向调整件上；所述工件的外表面为普通回转面或变线回转面；所述普通回转面为由同一条母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述普通回转面的母线为直线或曲线；所述变线回转面为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线为直线或曲线；所述旋转主轴与工件的回转轴呈同轴布设，所述轴向移动小车位于工件下方，且激光器位于工件的一侧；所述垂直移动托板安装在轴向移动小车上；所述轴向移动小车包括移动小车和对所述移动小车进行驱动的小车驱动机构，所述垂直移动托板包括带动激光器沿与旋转主轴中心轴线相垂直的方向进行上下移动的托板且带动所述托板进行上下移动的托板驱动机构，所述激光束投射方向调整件由投射方向调整驱动机构进行驱动，所述移动小车与小车驱动机构之间、所述托板与托板驱动机构之间以及所述激光束投射方向调整件与投射方向调整驱动机构之间均通过传动机构进行传动连接，所述小车驱动机构、托板驱动机构、投射方向调整驱动机构、驱动电机和激光器均由控制主机进行控制，所述小车驱动机构、托板驱动机构、投射方向调整驱动机构、驱动电机和激光器均与控制主机相接。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:所述激光器包括前后两端均开口的外壳、安装在外壳内的激光管、位于激光管后侧且对激光管进行卡装的激光管压圈、位于激光管正前方的第一孔径光阑、位于第一孔径光阑正前方的聚焦透镜和位于聚焦透镜正前方的第二孔径光阑，所述激光管压圈、第一孔径光阑、聚焦透镜和第二孔径光阑均安装在外壳内。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:所述旋转主轴呈水平向布设。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:所述激光束投射方向调整件为带动激光器在水平面上进行左右转动的旋转夹头。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:还包括水平底座，所述水平底座上设置有供所述移动小车在水平方向上进行前后移动的移动轨道。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:还包括对所述轴向移动小车的移动位置进行实时检测的位置检测单元和对旋转主轴的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元，所述位置检测单元和旋转角度检测单元均与控制主机相接。
上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:所述激光管压圈、激光管、第一孔径光阑、聚焦透镜和第二孔径光阑均呈同轴布设；所述激光器还包括对激光管进行驱动控制的驱动控制器、对激光管的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器的光电检测单元、对激光管的输出功率进行手动调节的调节电路和与驱动控制器相接的电源模块，所述光电检测单元和调节电路均与驱动控制器相接；所述驱动控制器通过控制信号输入接口与控制主机相接。上述一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征是:所述激光管为半导体激光器LI，所述光电检测单元为光电二极管Dl，所述调节电路为可变电位器VRl，所述驱动控制器为控制芯片Maxim3263 ；所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻Rl后半导体激光器LI的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管Dl的阳极相接且光电二极管Dl的阴极与半导体激光器LI的阳极相接，半导体激光器LI的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感Lll后与半导体激光器LI的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器LI的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的MI管脚与MO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Refl管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VRl后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Refl管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4 ;控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容Cl和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口即控制接口 Jl的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口 Jl的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口 Jl的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器LI的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、控制简便、生产效率高且曝光成像图形精度高、图形质量易于控制的回转面用激光旋转直接曝光成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤:步骤一、回转面三维模型建立:当工件的外表面为普通回转面时，所述控制主机记录回转形成所述普通回转面的母线的几何函数，并根据所述普通回转面的母线的几何函数构建出所述普通回转面的三维模型；当工件的外表面为变线回转面时，所述控制主机记录回转形成所述变线回转面过程中各回转角度所采用母线的几何函数，并根据各回转角度所采用母线的几何函数构建出所述变线回转面的三维模型；步骤二、机械结构控制参数确定:实际进行曝光处理过程中，激光器由先至后分多次进行曝光处理，轴向移动小车由先至后分多次进行向前移动，且激光器的各次曝光处理过程与轴向移动小车的各次向前移动过程交替进行；每一次轴向移动小车向前移动过程中，所述旋转主轴均停止旋转，与此同时激光器停止向外发射激光光束；每一次轴向移动小车向前移动到位后，旋转主轴开始旋转，且旋转主轴旋转过程中，激光器在控制主机的控制作用下在需进行曝光处理的曝光位置启动并向外发射激光光束；待旋转主轴旋转一周后，激光器同步完成一次曝光处理过程，之后轴向移动小车开始进行下一次向前移动；当工件的外表面为普通回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器所发出激光光束的投射方向和激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距均保持不变；所述控制主机根据步骤一中所建立的所述普通回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距S，对每一次曝光处理过程中所述托板的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度进行确定；当工件的外表面为变线回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器所发出激光光束的投射方向随回转角度的变化进行相应调整，且所述激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距s保持不变；所述控制主机根据步骤一中所建立的所述变线回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距S，对每一次曝光处理过程中各回转角度对应的托板的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度分别进行确定；与此同时，每一次曝光处理过程中，所述控制主机根据本次曝光处理过程中激光器所发出激光光束在旋转主轴中心轴线方向上的宽度d,确定轴向移动小车下一次向前移动时的移动距离L且L=d;并且，所述控制主机根据预先设定的旋转主轴的旋转角速度W，确
定轴向移动小车前后两次向前移动之间的间隔时间At且
权利要求
1.一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:包括带动工件(I)进行连续旋转的旋转主轴(2)、所述工件(I)旋转的同时对其外表面上所涂覆的感光材料涂层进行曝光处理并获得曝光成像图形的激光器(3)、带动激光器(3)沿旋转主轴(2)的中心轴线方向进行前后移动的轴向移动小车(4)、对激光器(3 )与工件(I)外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在所述垂直移动托板上且对激光器(3)所发出激光光束的投射方向进行调整的激光束投射方向调整件，所述旋转主轴(2)的一端与驱动电机(7)的动力输出轴进行传动连接，且所述工件(I)安装在旋转主轴(2)的另一端上，所述激光器(3)安装在所述激光束投射方向调整件上；所述工件(I)的外表面为普通回转面或变线回转面；所述普通回转面为由同一条母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述普通回转面的母线为直线或曲线；所述变线回转面为由一条线形随回转角度变化而变化的母线绕回转轴回转所形成的曲面，回转形成所述变线回转面的母线为直线或曲线；所述旋转主轴(2)与工件(I)的回转轴呈同轴布设，所述轴向移动小车(4)位于工件(I)下方，且激光器(3)位于工件(I)的一侧；所述垂直移动托板安装在轴向移动小车(4)上；所述轴向移动小车(4)包括移动小车和对所述移动小车进行驱动的小车驱动机构(4-1)，所述垂直移动托板包括带动激光器(3)沿与旋转主轴(2)中心轴线相垂直的方向进行上下移动的托板(5-2)且带动所述托板(5-2)进行上下移动的托板驱动机构(5-1)，所述激光束投射方向调整件由投射方向调整驱动机构(8-1)进行驱动，所述移动小车与小车驱动机构(4-1)之间、所述托板(5-2)与托板驱动机构(5-1)之间以及所述激光束投射方向调整件与投射方向调整驱动机构(8-1)之间均通过传动机构进行传动连接，所述小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)、驱动电机(7)和激光器(3)均由控制主机(9)进行控制，所述小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)、驱动电机(7)和激光器(3)均与控制主机(9)相接。
2.按照权利要求1所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:所述激光器(3 )包括前后两端 均开口的外壳(3-1 )、安装在外壳(3-1)内的激光管(3-2 )、位于激光管(3-2 )后侧且对激光管(3-2 )进行卡装的激光管压圈(3-3 )、位于激光管(3-2 )正前方的第一孔径光阑(3-4)、位于第一孔径光阑(3-4)正前方的聚焦透镜(3-5)和位于聚焦透镜(3-5)正前方的第二孔径光阑(3-6)，所述激光管压圈(3-3)、第一孔径光阑(3-4)、聚焦透镜(3-5)和第二孔径光阑(3-6)均安装在外壳(3-1)内。
3.按照权利要求1或2所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:所述旋转主轴(2)呈水平向布设。
4.按照权利要求3所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:所述激光束投射方向调整件为带动激光器(3 )在水平面上进行左右转动的旋转夹头(8 )。
5.按照权利要求3所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:还包括水平底座(10)，所述水平底座(10)上设置有供所述移动小车在水平方向上进行前后移动的移动轨道。
6.按照权利要求1或2所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:还包括对所述轴向移动小车(4)的移动位置进行实时检测的位置检测单元(13)和对旋转主轴(2)的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元(14)，所述位置检测单元(13)和旋转角度检测单元(14)均与控制主机(9)相接。
7.按照权利要求2所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:所述激光管压圈(3-3)、激光管(3-2)、第一孔径光阑(3-4)、聚焦透镜(3-5)和第二孔径光阑(3-6)均呈同轴布设；所述激光器(3)还包括对激光管(3-2)进行驱动控制的驱动控制器(3-7)、对激光管(3-2)的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器(3-7)的光电检测单元(3-8)、对激光管(3-2)的输出功率进行手动调节的调节电路(3-9)和与驱动控制器(3-7 )相接的电源模块(3-10 )，所述光电检测单元(3-8 )和调节电路(3-9 )均与驱动控制器(3-7)相接；所述驱动控制器(3-7)通过控制信号输入接口(12)与控制主机(9)相接。
8.按照权利要求7所述的一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置，其特征在于:所述激光管(3-2)为半导体激光器LI，所述光电检测单元(3-8)为光电二极管Dl，所述调节电路(3-9)为可变电位器VRl，所述驱动控制器(3-7)为控制芯片Maxim3263 ； 所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻Rl后半导体激光器LI的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管Dl的阳极相接且光电二极管Dl的阴极与半导体激光器LI的阳极相接，半导体激光器LI的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感Lll后与半导体激光器LI的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器LI的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的MI管脚与MO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Refl管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VRl后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Refl管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4 ;控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容Cl和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口(12)即控制接口 Jl的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口 Jl的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口 Jl的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器LI的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。
9.一种利用如权利要求1所述装置对回转面进行激光旋转直接曝光成像的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、回转面三维模型建立:当工件(I)的外表面为普通回转面时，所述控制主机(9)记录回转形成所述普通回转面的母线的几何函数，并根据所述普通回转面的母线的几何函数构建出所述普通回转面的三维模型；当工件(I)的外表面为变线回转面时，所述控制主机(9)记录回转形成所述变线回转面过程中各回转角度所采用母线的几何函数，并根据各回转角度所采用母线的几何函数构建出所述变线回转面的三维模型； 步骤二、机械结构控制 参数确定:实际进行曝光处理过程中，激光器(3)由先至后分多次进行曝光处理，轴向移动小车(4)由先至后分多次进行向前移动，且激光器(3)的各次曝光处理过程与轴向移动小车(4)的各次向前移动过程交替进行；每一次轴向移动小车(4)向前移动过程中，所述旋转主轴(2)均停止旋转，与此同时激光器(3)停止向外发射激光光束；每一次轴向移动小车(4)向前移动到位后，旋转主轴(2 )开始旋转，且旋转主轴(2 )旋转过程中，激光器(3)在控制主机(9)的控制作用下在需进行曝光处理的曝光位置启动并向外发射激光光束；待旋转主轴(2)旋转一周后，激光器(3)同步完成一次曝光处理过程，之后轴向移动小车(4)开始进行下一次向前移动； 当工件(I)的外表面为普通回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器(3)所发出激光光束的投射方向和激光器(3)与工件(I)外表面上对应曝光点之间的间距均保持不变；所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的所述普通回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器(3)与工件(I)外表面上对应曝光点之间的间距S，对每一次曝光处理过程中所述托板(5-2)的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度进行确定； 当工件(I)的外表面为变线回转面时，每一次曝光处理过程中，所述激光器(3)所发出激光光束的投射方向随回转角度的变化进行相应调整，且所述激光器(3)与工件(I)外表面上对应曝光点之间的间距s保持不变；所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的所述变线回转面的三维模型，并结合预先设定的激光器(3)与工件(I)外表面上对应曝光点之间的间距S，对每一次曝光处理过程中各回转角度对应的托板(5-2)的高度和所述激光束投射方向调整件的调整角度分别进行确定； 与此同时，每一次曝光处理过程中，所述控制主机(9)根据本次曝光处理过程中激光器(3 )所发出激光光束在旋转主轴(2 )中心轴线方向上的宽度d，确定轴向移动小车(4)下一次向前移动时的移动距离L且L=d;并且，所述控制主机(9)根据预先设定的旋转主轴(2)的旋转角速度W，确定轴向移动小车(4)前后两次向前移动之间的间隔时间A t且Ar=—； w 步骤三、激光器控制参数确定:所述控制主机(9)根据步骤一中所建立的回转面三维模型，并结合需加工图形，对工件(I)外表面上的所有曝光位置进行确定； 步骤四、需加工工件外表面处理:在工件(I)的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层；步骤五、工件及激光器安装:将工件(I)安装在旋转主轴(2 )上，并将激光器(3 )安装在所述激光束投射方向调整件上； 步骤六、曝光成像:在控制主机(9)的控制作用下，完成需加工图形的曝光成像过程；且曝光成像过程中，所述控制主机(9)根据步骤二中所确定的机械结构控制参数对小车驱动机构(4-1)、托板驱动机构(5-1)、投射方向调整驱动机构(8-1)和驱动电机(7)分别进行控制；与此同时，控制主机(9)结合步骤三中所确定工件(I)外表面上的所有曝光位置和预先设定的激光器(3)的输出功率，对曝光成像过程中激光器(3)输出激光光束的时间和所输出激光光束的功率进行控制。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于:步骤四中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。
全文摘要
本发明公开了一种回转面用激光旋转直接曝光成像装置及方法，其装置包括带动工件进行连续旋转的旋转主轴、激光器、带动激光器进行前后移动的轴向移动小车、对激光器与工件外表面上对应曝光点之间的间距进行调整的垂直移动托板和安装在垂直移动托板上的激光束投射方向调整件；其方法包括以下步骤一、回转面三维模型建立；二、机械结构控制参数确定；三、激光器控制参数确定；四、需加工工件外表面处理；五、工件及激光器安装；六、曝光成像。本发明设计合理、投入成本低、使用操作简便且使用效果好、应用范围广，能有效解决传统回转面化学蚀刻方法存在图形精度差、重复精度低、加工效率低下、废品率高、复杂回转面无法加工等问题。
文档编号B23K26/00GK103197509SQ201310084859
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月16日 优先权日2013年3月16日
发明者陈乃奇, 陈静漪 申请人:陈乃奇, 陈静漪