一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法，激光拉丝模打孔机包括计算机控制系统、编码及驱动单元、运动系统、激光器、旋转系统、聚焦成像系统、光束传输系统、模具，还包括支撑平台。本发明的一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法，采用线性变频控制方法，激光打孔过程中实现了材料的均匀去除，提高加工精度，没有过度加工，保证孔形质量。
【专利说明】
一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法，尤其是一种用于高精 度激光打孔的激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法。
【背景技术】
[0002] 集成电路产业的迅猛发展也带动了相关产业，特别是上游基础产业的蓬勃发展， 作为集成电路、大规模集成电路的关键材料，随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、 高集成度和小型化发展，键合金丝的技术指标也越来越高，高纯度、高温、超细、超长的丝材 需求量迅速增长，因此，对集成电路引线模具的需求量大大增加。金刚石及人造单晶金刚石 是集成电路引线模具理想的材料，一般地金刚石集成电路精密引线模具包括连续的几个区 域，最初的孔一般通过激光加工技术完成，为了得到亚微米级精度和镜面光洁度，一般要经 过研磨和抛光工艺。但是金刚石材料的研磨和抛光非常困，激光加工后的孔型和质量决定 着研磨和抛光的去除量，影响模具的质量和加工效率。
[0003] 金刚石引线模具的激光加工一般采用高频率、窄脉宽的激光束。每个脉冲具有较 高的能量密度，但是总的能量不大。这使得微小区域的材料可以在瞬间内可靠地气化，在模 具上留下一个微坑。在激光加工过程中，经常采用数控扫描的方法，大量的微坑连成一片， 最终便得到了三维的孔型。对于集成电路精密引线模具来说，其孔型一般包括入口、润滑、 压缩、定径、倒锥和出口区。
[0004] 传统的激光打孔方式为轮廓成型法，它是目前经常采用的激光打孔方法，其基本 原理如图1所示:激光束在模具表面聚焦，工件以一定的转速沿 Z轴旋转，激光束沿径向从模 具中心到边缘进行扫描，R是扫描半径，其合成轨迹为阿基米德螺旋线，当一层材料去除后， 激光焦距下降A Z，扫描半径减为R-A R，激光去除另一层材料，直至整个厚度H的材料被蚀 除。
[0005] 传统的激光打孔模型工件的转速不变，激光输出的频率不变，点的线速度随着扫 描半径的减小而变小，蚀除坑的重叠变得更密，如图2所示，因此激光束越接近孔的中心，去 除的材料越多，这将导致工件中心过度去除，激光加工过程中中心烧蚀比边缘严重，在数控 程序结束之前，孔的中心会过早穿透，烧蚀疤痕严重，严重影响加工质量，因此，精确的孔型 很难得到。
【发明内容】
[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法。本 发明所采用的设计方案如下：
[0007] 提供一种激光拉丝模打孔机，其特征在于：包括计算机控制系统、编码及驱动单 元、运动系统、激光器、旋转系统、聚焦成像系统、光束传输系统、模具;运动系统包括X轴平 移台、Y轴平移台、Z轴平移台，旋转系统包括旋转台、定心卡具、驱动电机，聚焦成像系统包 括聚焦镜头、(XD、显示器，编码及驱动单元包括旋转驱动控制单元、运动系统控制单元、坐 标测量单元、激光驱动单元;计算机控制系统分别与编码及驱动单元、聚焦成像系统连接， 编码及驱动单元分别与运动系统、激光器、旋转系统连接，旋转驱动控制单元连接旋转系 统，运动系统控制单元与坐标测量单元连接运动系统，激光驱动单元连接激光器，激光器经 过光束传输系统连接聚焦成像系统，旋转台安装在运动系统的X轴平移台上，模具通过定心 卡具安装在旋转台上，模具上方对应安装Z轴平移台，聚焦镜头安装在Z轴平移台上，运动系 统还包括坐标反馈系统，坐标反馈系统与坐标测量单元连接。
[0008] 如以上所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:还包括支撑平台，运动系统安 装在支撑平台上，支撑平台采用大理石支撑框架结构。
[0009] 如以上所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:定心卡具5采用自定心卡具， 转台采用高精度高速转台，聚焦成像系统可以采用显微聚焦成像系统。
[0010] 如以上所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于：激光器采用的激光波长为 1.064M1、10.6wn、0.532微米、0.355微米、0.266微米。
[0011] 如以上所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:激光器采用固体激光器、气体 激光器或光纤激光器。
[0012] 如以上所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:坐标反馈系统采用光栅尺、电 机编码器。
[0013] 提供一种如以上所述的一种激光拉丝模打孔机的线性变频控制方法，其特征在 于:包括以下步骤：
[0014] 用户将所需要的加工孔形参数输入计算机控制系统，计算机控制系统根据设定参 数计算控制参数输入给编码及驱动单元，参数包括加工孔形参数、激光功率参数、运动系统 参数、旋转系统参数;旋转驱动控制单元控制驱动电机，带动旋转台转动，当转速恒定后，激 光驱动单元控制激光器工作，包括控制激光器输出功率和激光初始工作频率，还包括模具 圆心处激光工作频率，同时运动系统控制单元根据计算机控制系统指令驱动X轴平移台按 设定速度和加速度移动;移动过程中坐标反馈系统测量位移量，并将位移编码实时传输给 坐标测量单元，坐标测量单元将位置坐标进行数据处理传输给计算机控制系统，计算机控 制系统根据输入的加工孔形参数及激光功率参数，计算变频数据量，实时控制激光驱动单 元改变激光频率，控制激光器实时根据运动系统坐标位置关系变频输出，变频过程始终跟 随X轴平移台运动参数，直至一层平面加工完成，X轴平移台运动回归原点；计算机控制系 统判定X轴平移台回归原点后，指令运动系统控制单元驱动Z轴平移台下降一层加工厚度， 重复X轴平移台移动变频加工打孔过程，控制激光光束线性变频、逐层累积加工，使激光光 束按阿基米德曲线轨迹加工孔形，最后形成所设置的加工孔形。
[0015] 本发明提供的一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法，其有益效果为：
[0016] 采用线性变频控制方法，激光打孔过程中实现了材料的均匀去除，提高加工精度， 没有过度加工，保证孔形质量。激光拉丝模打孔机设备结构稳定、操作方便、精度高、效率 高、安全可靠，功耗低、降低用户的使用成本。
【附图说明】
[0017] 图1现有激光打孔原理图
[0018] 图2现有激光打孔效果图
[0019] 图3激光拉丝模打孔机整体图
[0020] 图4激光拉丝模打孔机侧视图 [0021 ]图5激光拉丝模打孔系统图 [0022]图6激光线性变频流程图 [0023]图7激光线性变频打孔原理图 [0024]图8激光线性变频打孔效果图
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。图中：
[0026] 1计算机控制系统、2编码及驱动单元、3运动系统、3IX轴平移台、32Y轴平移台、33Z 轴平移台、4激光器、5旋转系统、51旋转台、52定心卡具、53驱动电机、6聚焦成像系统、61聚 焦镜头、62(XD、63显示器、7光束传输系统、8模具、9支撑平台、21旋转驱动控制单元、22运动 系统控制单元、23坐标测量单元、24激光驱动单元;621激光光束、622加工孔形、623阿基米 德曲线轨迹、311坐标反馈系统。
[0027] 实施例1
[0028]如图3所示，提供一种激光拉丝模打孔机，包括:计算机控制系统1、编码及驱动单 元2、运动系统3、激光器4、旋转系统5、聚焦成像系统6、光束传输系统7、模具8;运动系统3包 括X轴平移台31、Y轴平移台32、Z轴平移台33,旋转系统5包括旋转台51、定心卡具52、驱动电 机53，聚焦成像系统6包括聚焦镜头61、(XD62、显示器63，编码及驱动单元2包括旋转驱动控 制单元21、运动系统控制单元22、坐标测量单元23、激光驱动单元24;计算机控制系统1分别 与编码及驱动单元2、聚焦成像系统6连接，编码及驱动单元2分别与运动系统3、激光器4、 旋转系统5连接，旋转驱动控制单元21连接旋转系统5,运动系统控制单元22与坐标测量单 元23连接运动系统3,激光驱动单元24连接激光器4,激光器4经过光束传输系统7连接聚焦 成像系统6,旋转台51安装在运动系统3的X轴平移台31上，模具8通过定心卡具52安装在旋 转台51上，模具8上方对应安装Z轴平移台33,聚焦镜头61安装在Z轴平移台33上，运动系统3 包括坐标反馈系统311，坐标反馈系统311与坐标测量单元23连接。
[0029] 实施例2
[0030]提供一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:包括计算机控制系统1、编码及驱动单 元2、运动系统3、激光器4、旋转系统5、聚焦成像系统6、光束传输系统7、模具8、支撑平台9; 运动系统3包括X轴平移台31、Y轴平移台32、Z轴平移台33,旋转系统5包括旋转台51、定心卡 具52、驱动电机53,聚焦成像系统6包括聚焦镜头61、(XD62、显示器63,编码及驱动单元2包 括旋转驱动控制单元21、运动系统控制单元22、坐标测量单元23、激光驱动单元24;计算机 控制系统1分别与编码及驱动单元2、聚焦成像系统6连接，编码及驱动单元2分别与运动系 统3、激光器4、旋转系统5连接，旋转驱动控制单元21连接旋转系统5,运动系统控制单元22 与坐标测量单元23连接运动系统3,激光驱动单元24连接激光器4,激光器4经过光束传输系 统7连接聚焦成像系统6,旋转台51安装在运动系统3的X轴平移台31上，模具8通过定心卡具 52安装在旋转台51上，模具8上方对应安装Z轴平移台33,聚焦镜头61安装在Z轴平移台33 上，运动系统3包括坐标反馈系统311，坐标反馈系统311与坐标测量单元23连接;运动系统3 安装在支撑平台9上。
[0031]提供一种激光拉丝模打孔机，支撑平台9采用大理石支撑框架结构，使结构更稳 固，减少振动，利于提尚加工精度。
[0032] 实施例3
[0033] 提供一种激光拉丝模打孔机，定心卡具52可以采用自定心卡具，转台模具卡具52 具有自定心功能，能够根据模具外圆自动将模具圆心与旋转心对正，对心精度小于10微米。 转台采用高精度高速转台，转台轴承可以是机械滚珠轴承、气浮轴承、油压轴承，转台的旋 转速度1 -3000转/分钟，径向跳动小于1微米。
[0034] 实施例4
[0035]提供一种激光拉丝模打孔机，聚焦成像系统可以采用显微聚焦成像系统。显微成 像系统由光学放大和CCD放大组成，其中光学放大物镜同时是激光聚焦透镜，透镜焦距 10mm-200mm，激光聚焦焦点5微米一20微米。显微聚焦成像系统放大倍率10-1000倍。
[0036] 实施例5
[0037] 提供一种激光拉丝模打孔机，坐标反馈系统311采用光栅尺、电机编码器，坐标测 量单元23采用单片机、CPLD、FPGA处理器等。
[0038] 实施例6
[0039] 提供一种激光拉丝模打孔机，激光器4采用固体激光器、气体激光器、光纤激光器 等。使用激光波长包括：10.6微米，1.064WI1，0.532微米，0.355微米，0.266微米等。激光器采 用调Q技术，调Q方式为声光调Q或电光调Q，输出激光脉冲宽度5-200ns，输出频率10Hz-lOOKHz，激光器也可采用锁模激光器，皮秒或飞秒脉宽输出。
[0040]本发明的激光拉丝模打孔机采用了先进的激光变频去除技术，在激光打孔过程 中，实现了材料的均匀去除，其工作原理如下：
[0041 ]从图中可以知道工件上某一点的线速度可表示为：
[0043] 工件的线速度与材料蚀除区的形状有关，其关系可以用下式表示：
[0044] v = f X A (2)
[0045] 其中A是两相邻蚀除点的距离，f?是激光重复频率，如果f?是定值，A将随v的增大 而增大，随着v的减小而减小。
[0046] -般的激光加工激光频率f为定值，或者随着Z方向分层变频，都避免不了去除不 均匀的问题。而我们采用先进的激光变频技术，也就是激光频率随着加工件X方向的移动， 线性的改变，从而实现两相邻蚀除点的距离△恒定，可以达到均匀去除的目的，尤其更适合 高精度的孔形加工中。
[0047]本发明的激光拉丝模打孔机，其线性变频控制方法包括以下步骤：
[0048]用户将所需要的加工孔形参数输入计算机控制系统1，计算机控制系统根据设定 参数计算控制参数输入给编码及驱动单元2,参数包括加工孔形参数、激光功率参数、运动 系统参数、旋转系统参数;旋转驱动控制单元21控制驱动电机53，带动旋转台51转动，当转 速恒定后，激光驱动单元24控制激光器4工作，包括控制激光器输出功率和激光初始工作频 率，还包括模具8圆心处激光工作频率，同时运动系统控制单元22根据计算机控制系统指令 驱动X轴平移台31按设定速度和加速度移动;移动过程中坐标反馈系统311测量位移量，并 将位移编码实时传输给坐标测量单元23，坐标测量单元23将位置坐标进行数据处理传输给 计算机控制系统1，计算机控制系统1根据输入的加工孔形参数及激光功率参数，计算变频 数据量，即时控制激光驱动单元24改变激光频率，控制激光器4实时根据运动系统3坐标位 置关系变频输出，变频过程始终跟随X轴平移台运动参数，直至一层平面加工完成，X轴平 移台运动回归原点；计算机控制系统1判定X轴平移台回归原点后，指令运动系统控制单元 22驱动Z轴平移台33下降一层加工厚度，重复X轴平移台移动变频加工打孔过程，控制激光 光束621线性变频、逐层累积加工，使得激光光束按阿基米德曲线轨迹623加工孔形，最后形 成所设置的加工孔形。
[0049] 采用本发明的激光拉丝模打孔机，其加工孔形622的控制方法包括以下步骤：
[0050] 系统开机后，初始化，由计算机控制系统1控制运动系统3坐标归零，输出控制命令 给编码及驱动单元2,控制运动系统3回归代加工状态;手动安装模具8到自定心卡盘上52; 模具厚度及高度参数输入计算机控制系统，计算机软件自动计算调整启动Z轴平移台33运 动，调整聚焦成像系统6移动到模具8上，成像清晰加工面，同时清晰成像激光加工的焦平 面;启动旋转台51工作旋转，根据显示器63显示的旋转轴心，控制调整X移动台31和Y移动台 32,使得激光焦点和旋转轴心重合;输入激光加工孔形参数，计算机控制系统启动加工程 序，激光器4启动，激光光束621通过聚焦镜头61聚焦于加工孔形622上，转台带动模具8转 动，同时X轴平移台31运动，使得激光按阿基米德曲线轨迹623加工，完成平面的去除；当一 层加工完后，Z轴屏移台33向下移动，激光开始加工下一层，逐层累积加工，最后形成所设置 的加工孔形。
[0051] 本发明的激光拉丝模打孔机及其打孔方法，可加工的工件材料包括:金刚石、人造 金刚石、聚晶材料、陶瓷、玻璃、蓝宝石、红宝石、金属等。
[0052]本发明提供的一种激光拉丝模打孔机及其线性变频控制方法，其有益效果为:采 用线性变频控制方法，激光打孔过程中实现了材料的均匀去除，提高加工精度，没有过度加 工，保证孔形质量。激光拉丝模打孔机设备结构稳定、操作方便、精度高、效率高、安全可靠， 功耗低、降低用户的使用成本。
[0053]随着制造行业的不断发展提高，对激光打孔的要求也越来越高，在孔形的控制、孔 的圆度、内壁的光洁度都到了微米甚至纳米精度的要求。因此传统的加工工艺越来越无法 满足要求。我们通过对设备结构的改进，提高精度，及特有的线性激光加工方法的使用，达 到了传统工艺无法实现的水平。在微孔领域，我们实现了微米级的微孔，内壁光洁度达到纳 米水平。在中大孔领域，在未经研磨的情况下，我们在行业里直接激光实现了加工内壁磨砂 感甚至镜面感的加工效果，引起了行业的广泛关注。
[0054]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:包括计算机控制系统1、编码及驱动单元2、运 动系统3、激光器4、旋转系统5、聚焦成像系统6、光束传输系统7、模具8;运动系统3包括X轴 平移台31、Y轴平移台32、Z轴平移台33,旋转系统5包括旋转台51、定心卡具52、驱动电机53， 聚焦成像系统6包括聚焦镜头61、(XD62、显示器63,编码及驱动单元2包括旋转驱动控制单 元21、运动系统控制单元22、坐标测量单元23、激光驱动单元24;计算机控制系统1分别与编 码及驱动单元2、聚焦成像系统6连接，编码及驱动单元2分别与运动系统3、激光器4、旋转系 统5连接，旋转驱动控制单元21连接旋转系统5,运动系统控制单元22与坐标测量单元23连 接运动系统3,激光驱动单元24连接激光器4,激光器4经过光束传输系统7连接聚焦成像系 统6,旋转台51安装在运动系统3的X轴平移台31上，模具8通过定心卡具52安装在旋转台51 上，模具8上方对应安装Z轴平移台33,聚焦镜头61安装在Z轴平移台33上，运动系统3还包括 坐标反馈系统311，坐标反馈系统311与坐标测量单元23连接。2. 根据权利要求1所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:还包括支撑平台9，运动 系统3安装在支撑平台9上，支撑平台9采用大理石支撑框架结构。3. 根据权利要求1所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:定心卡具52采用自定心 卡具，转台采用高精度高速转台，聚焦成像系统可以采用显微聚焦成像系统。4. 根据权利要求1所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:激光器4采用的激光波 长为1·064μπι、10.6μπι、0· 532微米、0.355微米、0.266微米。5. 根据权利要求1所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:激光器4采用固体激光 器、气体激光器或光纤激光器。6. 根据权利要求1所述的一种激光拉丝模打孔机，其特征在于:坐标反馈系统311采用 光栅尺、电机编码器。7. -种激光拉丝模打孔机的线性变频控制方法，其特征在于:具体包括以下步骤:用户 将所需要的加工孔形参数输入计算机控制系统1，计算机控制系统根据设定参数计算控制 参数输入给编码及驱动单元2,参数包括加工孔形参数、激光功率参数、运动系统参数、旋转 系统参数;旋转驱动控制单元21控制驱动电机53，带动旋转台51转动，当转速恒定后，激光 驱动单元24控制激光器4工作，包括控制激光器输出功率和激光初始工作频率，还包括模具 8圆心处激光工作频率，同时运动系统控制单元22根据计算机控制系统指令驱动X轴平移台 31按设定速度和加速度移动;移动过程中坐标反馈系统311测量位移量，并将位移编码实时 传输给坐标测量单元23,坐标测量单元23将位置坐标进行数据处理传输给计算机控制系统 1，计算机控制系统1根据输入的加工孔形参数及激光功率参数，计算变频数据量，实时控制 激光驱动单元24改变激光频率，控制激光器4实时根据运动系统3坐标位置关系变频输出， 变频过程始终跟随X轴平移台运动参数，直至一层平面加工完成，X轴平移台运动回归原点； 计算机控制系统1判定X轴平移台回归原点后，指令运动系统控制单元22驱动Ζ轴平移台33 下降一层加工厚度，重复X轴平移台移动变频加工打孔过程，控制激光光束621线性变频、逐 层累积加工，使激光光束按阿基米德曲线轨迹623加工孔形，最后形成所设置的加工孔形。
【文档编号】B23K26/382GK106001941SQ201610289706
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】张玉峰
【申请人】张玉峰