智能型激光加工系统及其加工方法与流程

本发明涉及激光加工系统，尤其涉及一种适合于脆性材料加工的智能型激光加工系统及其加工方法。

发明背景

现代工业的发展对基于脆性材料的二维平面或三维立体工件的要求和需求越来越高，例如，制造商正在越来越多地在消费电子设备领域使用由脆性材料形成的三维基片并从三维基片衬底中切割除三维工件，以满足所需的工业设计要求。然而，制造具有较高精度和质量的基于脆性材料的二维平面或三维立体工件，如玻璃、晶体材料(例如蓝宝石)或陶瓷目前仍然是一个艰巨的挑战。

例如，传统的制造业大多数使用数控机床、线锯、以及研磨抛光等对脆性材料进行加工并制造零件。这个加工过程是极其缓慢的，并且需要多重步骤来进行加工。一个加工的工厂可能需要几百台机器来处理和加工零件。此外，这种方法是昂贵的和劳动密集型的。而且，强力机械装置(线锯，CNC磨床)切割通常会导致较低的工件生产质量和生产效率，生产过程中伴随的机械力在脆性材料基板上的压力可能直接导致工件的断裂、碎裂和破损。

近来，一些制造商正试图开发采用激光加工脆性材料的机器，如图1所示，通常的机器包括激光器11、光学模组12、激光聚焦镜或扫描镜13、以及激光光路与加工件的联动装置14。光学模组12通常包括激光时域与空间的调制、强度调制、激光传输、偏振控制等。但是，这些机器只能切割二维零件，并且加工精度和质量低。这些机器加工后的零件必须经过多步的研磨加工，以达到所需的尺寸公差和质量。而且，这些机器没有采用系统的方法来创建一种加工程序，以处理和加工这些零件并达到所需的切割质量，并且无后处理。因此，这些机器的加工工艺是基于不断尝试迭代生 成的，完全达不到现代制造业所要求的智能型激光加工系统的要求。

另外，从加工工艺上来说，利用冷激光，例如利用超短脉冲激光器处理脆性材料时不产生热效应，没有热影响区(HAZ)，故也是激光加工脆性材料的一种优选工艺。超短脉冲激光器包括飞秒激光器和脉冲宽度小于10皮秒的皮秒激光器，而利用超短脉冲激光器进行材料加工与处理有两种方式：材料改性和材料消融(烧蚀)。材料改性是物质局部吸收飞秒激光后折射率发生变化，利用双光子聚合和光化学反应等机理实现精细加工。材料消融(烧蚀)是冷激光烧蚀靶材产生高温高压等离子体。当等离子体形成的时间小于将入射脉冲能量传输到周边材料的时间时，就不会引起热扩散效应。因此，人们期望利用冷激光和微加工区域的多光子非线性吸收和电离，可对任何脆性材料实现无热传递的微细加工。另一方面，人们还期望通过提高激光加工系统的智能化程度，进一步提高系统的加工精度和质量，并进一步降低加工件的加工时间和加工成本，以实现对二维平面和三维立体脆性材料的全自动加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适合于脆性材料加工的智能型激光加工系统及其操作系统。

本发明的另一目的在于提供一种适合于脆性材料加工的智能型激光加工方法。

根据本发明的一个方面，提供一种智能型激光加工系统，该系统包括：

激光加工装置，所述激光加工装置包括CCD摄像头、运动平台、用以夹持加工件的夹具、光学模组、自动化硬件和激光器；

工艺加工控制器，包括用以控制所述CCD摄像头的视觉系统控制器、用以控制所述运动平台/夹具/光学模组的运动控制器、用以控制自动化硬件的加工件/材料处理控制器、以及用以控制所述激光器的激光控制器；

工作站控制器，包括用以产生协调工艺加工的各个子系统的指令算法的工艺产生与编辑器，以及用以存储所述各个子系统的专有参数设置的智能 加工数据库；

工艺数据存储器，所述工艺数据存储器包括基于所述智能加工数据库建立的加工工艺程序库；以及

图形用户接口，便于操作者以与所述工作站控制器同步或者独立的方式控制所述激光加工装置，并且能调用所述加工工艺程序库中的加工工艺程序。

根据以上所述的系统，其中，所述加工件为包括玻璃、晶体、陶瓷或层压板在内的脆性材料。

根据以上所述的系统，其中，所述激光器包括超短脉冲激光器，其参数包括：波长为紫外200nm-300nm，可见光500nm-600nm，近红外900nm-1100nm；脉冲宽度为0.2ps-10ps；重复频率为≥10kHz；单脉冲能量为0.5μJ-100μJ。

根据以上所述的系统，其中，所述激光器还包括用作辅助激光器的二氧化碳激光器或一氧化碳激光器，其参数包括：波长为9000nm-11000nm，4000nm-6000nm；平均功率为≥5W。

根据以上所述的系统，其中，所述加工工艺包括对所述加工件的周边切割、边缘倒角和切/钻孔。

根据以上所述的系统，其中，所述图形用户接口配置成接收所述加工件包括大小和形状、材料特定类型和厚度在内的参数输入。

根据以上所述的系统，其中，所述图形用户接口配置成对所述加工件进行包括加工路径的编辑与修改、加工工艺参数的编辑与修改和加工作业的存储在内的参数编辑。

根据以上所述的系统，其中，所述图形用户接口配置成对所述系统进行包括加工件的多方位可视化、系统状态的实时监控、实时加工路径的可视化和加工件的CAM可视化在内的系统实时监控。

根据以上所述的系统，其中，所述工艺产生与编辑器配置成产生包括刀具轨迹、激光设置、激光触发设置、光学模块选择、激光扫描算法和夹具控制与驱动在内的可执行指令。

根据以上所述的系统，其中，所述智能加个数据库存储的参数设置包括脆性材料种类、刀具轨迹、激光设置、激光触发设置、光学模块选择、激光扫描算法和夹具控制与驱动。

根据以上所述的系统，其中，所述工作站控制器通过硬件I/O触发信号控制所述激光控制器、视觉系统控制器、运动控制器以及加工件/材料处理控制器的驱动。

根据以上所述的系统，其中，所述加工件/材料处理控制器配置成对所述加工件进行包括上料、下料、夹具控制和废料处理在内的自动化处理。

根据以上所述的系统，其中，所述激光器通过独立的应用程式界面与所述工艺加工控制器互动。

根据本发明的另一方面，提供一种智能型激光加工系统的操作系统，所述操作系统包括；

工作站控制器，包括用以产生协调工艺加工的各个子系统的指令算法的工艺产生与编辑器，以及用以存储所述各个子系统的专有参数设置的智能加工数据库；

工艺数据存储器，所述工艺数据存储器包括基于激光加工工艺参数数据库建立的加工工艺程序库；以及

图形用户接口，便于操作者以与所述工作站控制器同步或者独立的方式控制激光加工装置，并且能调用所述加工工艺程序库中的加工工艺程序。

根据本发明的另一方面，提供一种智能型激光加工方法，所述方法包括以下步骤：

a.通过图形用户接口从数据库中根据输入的特定全局参数选择一加工工艺程序；

b.判断该加工工艺程序是否存在于一激光加工工艺程序库中；

c.当判断该加工工艺程序未存在于所述激光加工工艺程序库时，向系统提交新的加工工艺开发要求，并在新的加工工艺开发完成之后，将该加工工艺程序的所有数据备份并添加到所述激光加工工艺程序库中以创建一 个新的加工工艺程序库；

d.当判断该加工工艺程序已存在于所述激光加工工艺程序库时，则自动从所述加工工艺程序库中加载能在激光加工系统上直接运行的指令程序；

e.安装用以夹持加工件的夹具，并按照所述激光加工工艺程序的加工指令自动执行激光加工工序；

f.将与该激光加工工序相关的所有数据备份在数据库中。

根据以上所述的方法，其中，所述步骤c中创建新的加工工艺程序库的步骤包括：

c1.获得待加工的毛坯件和激光加工件的CAD文件以及毛坯件；

c2.当判断该CAD文件和毛坯件不符合各自的设计规则时，对其进行修改，或者，当判断该CAD文件和毛坯件符合各自的设计规则时，通过第三方的CAM软件生成G代码的机器可运行指令，并对夹具进行开发和优化；

c3.当判断所述开发和优化的夹具不符合其设计规则时，对夹具作进一步的优化，或者，当判断所述开发和优化的夹具符合其设计规则时，对加工工艺进行优化；

c4.当判断优化后的加工工艺不符合客户要求时，对所述加工工艺作进一步的优化，或者，当判断优化后的加工工艺符合客户要求时，对已符合客户要求的加工工艺进行鉴定和初步验收测试，并将该符合客户要求的加工工艺参数备份在数据库中。

根据以上所述的方法，其中，所述步骤e还包括对所述加工件执行上料和下料的自动化操作的步骤。

根据以上所述的方法，其中，所述步骤e还包括在所述加工工序执行视觉控制和加工件校准的步骤。

根据以上所述的方法，其中，所述步骤e还包括在所述加工工序执行多轴联动运动控制以实施加工工艺流程控制的步骤。

根据以上所述的方法，其中，所述步骤e还包括在所述加工工序执行废料自动化处理的步骤。

根据本发明的智能型激光加工系统，能对二维平面和三维立体脆性材料进行高精度和高质量的加工，并且，根据本发明的智能型激光加工系统，可以很容易地实现对二维及三维脆性材料的快速加工(至少比现在所有的基于纯数控机床机械加工或激光与数控机床结合加工方法快10倍以上)。同时，该智能型激光加工系统为脆性材料尤其是三维立体脆性材料加工提供了一个加工成本低廉的激光加工系统。

附图说明

图1是表示传统的激光加工脆性材料的机器示意图；

图2是表示根据本发明的智能型激光加工系统的一个结构框架示意图；

图3是表示根据本发明的智能型激光加工系统的一个实施例的结构示意图；

图4是表示根据本发明的智能型激光加工系统中，一个加工工艺程序库的创建流程示意图；

图5是表示根据本发明的智能型激光加工系统中，一个加工工艺控制实施例的流程示意图；

图6是表示根据本发明的智能型激光加工系统中，一个自动加工工艺实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的智能型激光加工系统和加工方法进行详细的描述，附图中相同的标号表示相同的部件或者操作步骤。本发明的其它的目的、优点和效果在以下结合附图和实施例的描述中将变得更加明白。

图2示出了根据本发明的智能型激光加工系统的一个结构示意图。参见图2，智能型激光加工系统包括图形用户接口(也称用户界面)20、工作站控制器22、工艺数据存储器24、工艺加工控制器26和激光加工装置28。其中，工作站控制器22通过激光加工管理程序实现对整个激光加工系统的控制，包括对例如CCD摄像头、用以夹持加工件的夹具、光学模组和运动平台等激光加工装置28的控制，或者配合工艺数据存储器24实现对激光加工装置28的激光 器的控制。工艺数据存储器24例如包括一个激光加工工艺程序库，后者是基于激光加工工艺参数数据库建立的。而用户界面20是便于工程师或操作者以与工作站控制器22同步或者独立的方式控制激光加工装置28的运动轴。

图3示出了根据本发明的智能型激光加工系统的一个实施例的结构示意图。结合参见图2和图3，该智能型激光加工系统的整体结构包含三个层面：加工软件管理层31、工艺加工控制层32、以及底层硬件层33。其中，加工软件管理层31包括用户界面20、工作站控制器22和加工工艺程序库241。工艺加工控制层32主要由工艺加工控制器26实现，它包括视觉系统控制器321、运动控制器322、加工件/材料处理控制器323和激光控制器324等等。硬件层33包括CCD摄像头331、运动平台332、夹具333、光学模组334、自动化硬件335、主激光器336和辅助激光器337等部件。

本发明的智能型激光加工系统通过激光加工软件管理层31实现对工艺加工控制层32、基于激光加工工艺参数数据库的加工工艺程序库241、以及系统硬件层33的管理及控制来实现对二维平面及三维立体脆性材料的智能型高精度、高质量、高速度和高效率的激光加工。

工作站控制器22通过硬件输入输出(硬件I/O)触发信号326控制激光控制器324、视觉系统控制器321、运动控制器(例如多轴联动控制器)322、以及加工件/材料处理控制器323(包括上料、下料、夹具控制及废料件处理控制)的驱动。

底层硬件层33中的CCD摄像头331、运动平台(例如多轴联动平台)332、夹具333、以及光学模组334由工艺加工控制层32通过视觉系统控制器321、运动控制器322、以及加工件/材料处理控制器323驱动与控制。激光器，包括主激光器(例如超短脉冲激光器)336和辅助激光器337，由工艺加工控制层32通过激光控制器324驱动，主激光器336和辅助激光器337还通过各自独立的应用程序界面与工艺加工控制层32的工艺加工控制器26实现互动。

具体而言，本发明的智能型激光加工系统是一个直观的可触摸的操作系统，用于处理激光脆性材料加工。其中的用户界面20便于工程师/操作 者以同步或独立的方式控制加工工作站控制器22。此图形用户界面20允许工程师/操作人员执行基本配方文件操作，例如打开、保存、另存为、编辑、复制、剪切、粘贴、搜索、替换等。图形用户界面20含有特定工件的工艺元件，例如G码、扫描图案、以及工艺加工控制器320可执行文件和可用的参数，它通过协调工作站控制器22的通用参数与特有的激光切割工艺组件支配流程的执行，以保证加工质量。在实际激光加工之前，工程师/操作员可以通过用户界面20和工作站控制器22建立、可视化并模拟他们想加工的脆性材料毛坯件及激光加工件。当工程师/操作员输入特定的全局参数，包括加工件尺寸/形状、材料以及厚度，该虚拟零件即被创建。全局参数的有效性将通过特定的满足激光加工要求的设计规则进行验证。另外，工程师/操作员可以通过选择，组合编辑预定形状和工艺来创建虚拟加工件。设计规则、预定形状等信息存储在位于系统中，例如位于工作站控制器22的数据库中。

工程师/操作员还可以通过用户界面20和工作站控制器22选择加载第三方CAM软件包生成刀具路径。这个路径也将通过设计规则验证。如有必要工程师/操作员能够手动编辑工具路径。

工程师/操作员还可以通过用户界面20和工作站控制器22指定其他特定的任务，例如在每个加工件上标记一个标识、使用视觉系统对加工件进行测量、将信息存储在数据库中进行审查。

完成设计后，工程师/操作员可以通过用户界面20和工作站控制器22保存文件并创建一个作业。在创建作业时，底层算法会自动创建一个可执行文件，该文件加载程序和协调工艺加工控制器26并通过视觉系统控制器321、运动控制器322、加工件/材料处理控制器323和激光控制器324，分别控制CCD摄像头331、运动平台332、夹具333、光学模组334、自动化硬件335、以及主激光器336和辅助激光器337的动作，以加工脆性材料毛坯件。

上述可执行文件是通过调用工艺加工控制器26中存储在数据库中的特定信息来创建的，该数据库中的信息是一套通过实验确定并优化的硬脆性材料加工条件。

工程师/操作员通过用户界面20进行参数输入、参数编辑、以及激光加工系统的实时监控。

参数输入包括如下部分：

·加工件的大小和形状。这些参数可以直接从形状数据库中获得，也可以从外部的激光路径产生

·加工件的材料特定类型

·加工件的厚度

参数编辑包括如下部分：

·加工路径的编辑与修改

·加工工艺参数的编辑与修改

·作业的存贮

激光加工系统的实时监控包括如下部分：

·激光加工件的多方位可视化

·激光加工系统状态的实时监控

·加工件的实时加工路径的可视化

·激光加工件的CAM可视化

工作站控制器22例如包括工艺产生与编辑器(未图示)以及智能加工数据库(未图示)。其中，工艺产生与编辑器是一个产生协调工艺加工控制层32的各个子系统的指令的算法系统。该算法的执行基于输入的全局参数以及所生成的作业。当作业生成并存储之后，工艺产生与编辑器产生可执行的指令。这些指令对每个子系统输入具体程序。这些指令可以是从预先存储的数据库中获得，或者通过工程师/操作员编辑产生。工艺产生与编辑器包括如下组成部分：

·刀具轨迹

·激光设置

·激光触发设置

·光学模块选择

·扫描算法

·夹具控制与驱动

智能加工数据库包含工艺加工控制层32中所有子系统的专有参数设置，这些专有参数设置是通过对每个参数的反复试验而获得的。智能加工数据库包含如下内容：

·脆性材料种类：包括玻璃、蓝宝石、层压板等。

·刀具轨迹：跟踪周边形状的多轴联动协调运动。根据位置或形状特定的运动(例如：曲线周围的速度变化)。根据加工件厚度决定的扫描次数。通过对多轴“切割线”的位置的三维运动映射，确保激光束入射在切割线90±10°。

·激光设置：包括激光器波长、脉冲频率、脉冲能量、脉冲/脉冲串形式、脉冲宽度。

·激光触发设置：基于材料、局部几何形状和全局形状的激光设置与刀具路径的精确协调。

·光学模块选择：该系统包含与所处理的材料相匹配的光学模块和单元处理操作。适当的光学模块的选择是基于加工操作的类型和要求(例如：切割与倒角；玻璃和层压板等)。

·扫描算法：将最终三维形状分离为可以依次扫描的离散层。通过位置相关的形状，并缝合在一起形成连续扫描层的整体三维结构。

·夹具控制与驱动：本发明的智能型激光加工系统使用专有设计的夹具来处理二维和三维脆性材料零件。夹具具有多个需要真空或空气压力驱动器。协调多个驱动的压缩空气压力、真空、以及液体流动需要通过专门的逻辑控制。

除了用户界面20和工作站控制器22之外，加工软件管理层31还包括加工工艺程序库241，后者例如在工艺数据存储器24内创建。

图4是表示根据本发明的智能型激光加工系统中，例如一个加工工艺程序库241的创建流程。参见图4，流程从步骤S300开始，工程师/操作员从客户处获得待加工的毛坯件和激光加工件的CAD文件以及毛坯件。步骤S301和S302，工程师/操作员分别对CAD文件和毛坯件进行检查。步骤S303，流程判断CAD文件和毛坯件是否符合各自的设计规则，如否，流程进入步 骤S304，需要工程师/操作员与客户沟通并进行修改；如是，流程进入步骤S305，系统通过例如第三方的CAM软件生成例如G代码的机器可运行指令。步骤S306，系统对夹具进行开发和优化。步骤S307，系统判断开发和优化的夹具是否符合其设计规则，如否，流程返回步骤S306，系统对夹具作进一步的优化；如是，流程进入步骤S308，系统对加工工艺进行优化。步骤S309，系统判断优化后的加工工艺是否符合客户要求，如否，流程返回步骤S308，系统对加工工艺作进一步的优化；如是，流程进入步骤S310，系统对已符合客户要求的加工工艺进行鉴定和初步验收测试，并在步骤S311将满足客户要求的激光加工工艺参数备份在数据库中，以供系统使用。流程在步骤S312结束。

本发明的智能型激光加工系统是一个基于软件控制的光机电系统。此系统通过智能型软件及操作系统集成了光机电硬件、驱动、控制、以及加工工艺数据库。

该智能型激光加工系统通常使用超短脉冲激光器336对脆性材料进行激光加工。在某些条件下，另一个辅助的激光器337，例如脉冲的或连续波的，可以协助超短脉冲激光器336完成对脆性材料的加工。

该智能型激光加工系统可以实现对二维平面及三维立体脆性材料的如下加工：

·脆性材料的周边切割：将具有一定形状的脆性材料从基板中切割出来。

·脆性材料边缘倒角：将脆性材料加工件的边缘按照一定形状的要求进行倒角以增加激光加工件的强度。

·脆性材料切/钻孔：在脆性材料基板中切割出/钻出例如菜单孔、听筒孔/槽、以及微孔等。

通常用于此智能型激光加工系统的主激光器采用超短脉冲激光器336，它例如具有如下参数：

·波长：紫外200nm-300nm；可见500nm-600nm；近红外900nm-1100nm.

·脉冲宽度：0.2ps-10ps。

·重复频率：≥10kHz

·单脉冲能量：0.5μJ-100μJ。

通常用于此智能型激光加工系统的辅助激光器337例如采用二氧化碳激光器或一氧化碳激光器，它例如具有如下参数：

·波长：9000nm-11000nm，4000nm-6000nm

·平均功率：≥5W

如前所述，本发明的激光加工系统采用冷激光，例如利用超短脉冲激光器336处理脆性材料时不产生热效应，没有热影响区(HAZ)，故也是激光加工脆性材料的一种优选方法。但是，当要求对脆性材料进行曲线切割，以及对三维立体材料进行切割时，单独采用冷激光很难控制脆性材料沿切割曲线路径分离/分裂。当曲线半径很小时(例如小于10毫米)，激光切割速度必须大大降低以控制脆性材料沿切割曲线路径分离/分裂，同时保证切割面质量。作为一种优选的方案，本发明采用辅助激光器337配合主激光器336的激光加工就可以进一步提高激光加工的速度和质量。因为，热激光在脆性材料中产生热应力，当热应力达到一定阈值时，脆性材料将在应力的作用下沿着冷激光的作用线或面发生分裂/分离。

使用本发明的智能型激光加工系统可以实现如下二维及三维脆性材料加工质量参数：

·加工尺寸精度(Dimension precision)：≤±15μm

·破裂尺寸(Chipping size)：≤150μm

·切割面平整度(Ra)：≤1.5μm

·有效加工速度：≥5mm/s

·制程能力指标(Cpk)：≥1.33

图5是表示根据本发明的智能型激光加工系统中，一个加工工艺控制实施例的流程图。参见图5，流程在步骤S50开始，步骤S51，工程师/操作员首先通过用户界面20从数据库中根据输入的特定全局参数选择某加工工艺程序。步骤S52，系统判断，该加工工艺程序在数据库中存在与否，如否，流程进入步骤S53，该工程师/操作员向系统提交新的加工工艺开发要 求(例如可以加入上述一个加工工艺程序库241的创建流程)。新的加工工艺开发完成之后，所有数据将被备份，并添加到数据库中。如果步骤S52判断加工该加工件的加工工艺存在于数据库中，则系统在步骤S54自动从数据库中加载可以在该激光加工系统上直接运行的指令程序。同时，在步骤S55，程序员安装夹具。步骤S56，系统控制下的加工指令程序自动执行激光加工工序(以下将作详细描述)。当一个毛坯件的激光加工工序结束后，系统在步骤S57会通过用户界面20提示并询问工程师/操作员是否需要继续加工下一个毛坯件。如是，流程返回步骤S56，系统上料下一个毛坯件，继续下一个加工工序。如否，则系统在步骤S58将所有与此次激光加工作业相关的所有数据备份在数据库中以备将来查用。

图6是根据本发明的智能型激光加工系统中，一个自动加工实施例的流程图。结合参见图5和图6，当在步骤S56，系统控制下的加工指令程序自动执行激光加工工序时，流程进入步骤S61，系统执行自动上料毛坯件。接着，流程进入步骤S62，系统执行预对准毛坯件。在步骤S63，系统通过视觉系统控制器321执行精确对准毛坯件的工序。然后，流程进入步骤S64，系统执行激光加工毛坯件。在步骤S65，系统执行全自动废料处理，并在步骤S66，执行自动下料激光加工件，最后，在步骤S67，系统执行自动下料废料的工序，至此，一个激光加工流程告一段落。

当然，如前所述，根据本发明的激光加工方法不仅适用于对加工件的二维平面加工，同时也适用于对加工件的三维立体加工，其中的区别在于：1.三维立体加工必须要用到多轴联动与控制；2.三维立体加工要用到特殊的扫描算法：即，将三维扫描形状分离成可以依次扫描的离散层，通过与位置相关的形状，并缝合在一起形成连续扫描的层的整体三维结构；3.毛坯件和夹具必须满足三维立体加工的设计要求。

以上结合附图和实施例描述了根据本发明的尤其适合于脆性材料的智能型激光加工系统及其加工方法的较佳实施例。根据本发明的构思，本领域的熟练人员还可以在此基础上作出各种变化和变换，但这种变化和变换均属于本发明的范围。