专利名称：组合式多波长激光多用加工机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种以激光为加工手段的组合加工机械，具体涉及一种通过自动 调节加工平台和激光波长从而实现激光打标，激光雕刻等多种功能的激光加工装置。
背景技术：
各种材料的激光打标广泛的分布于众多工业中，是激光加工最大的应用领域之 一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色 变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号 和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。雕刻机虽然在 国内出现较早，但随着经济和行业的进步，从线条到图象、从单色到彩色、从平面到立体，从 无光到发光或打光。激光雕刻/切割和打标是一种崭新的加工技术，广泛应用于很多行业。 雕刻机依据其加工原理，可以分为机械雕刻机、激光雕刻机、喷沙雕刻机、水刀切割机等，但 由于激光加工较传统的加工方式具有非接触无损加工，标记持久清楚，雕刻快捷高效等特 点，故激光打标机和激光雕刻机的应用越发广泛。但是，不论是激光打标机还是激光雕刻机在现实应用中仍存在着一些问题1、工作台的大小和高度都相对固定，自由度不够，限制了对某些材料进行灵活的 深度加工。2、激光器的波长和能量不能自动变化，不便于操作，这样无形中就加大了人为工 作量，削弱了机器的应用性能。3、无论是激光打标机还是激光雕刻机其作用都相对单一，只能实现固定的打标或 雕刻功能，而且价格较为昂贵，性价比较低。目前还没有一种集打标和雕刻功能于一身的多 用加工机。本装置即针对以上不足，通过建立在工控机上的程序对激光器发出指令得到所需 波长，运用运动控制卡实现对加工平台的自动控制，形成多种组合加工方法，从而达到打 标，雕刻，一机多用的目的。
发明内容本实用新型的目的是提供一种能够自由组合一机多用的激光加工设备，增加激光 加工机的性价比，进而促进激光加工设备的推广。本实用新型的组合式多波长激光加工装置，包括电脑系统、激光器，其特征在于 还包括工作台和控制系统、He-Ne激光器、激光源参数采集系统。其中，所述激光器可选用红宝石激光器、钕玻璃激光器、Nd YAG激光器等多窗口单 波长输出激光器。本实用新型选用Nd:YAG多波长激光器用以具体说明，其基础构件包括 反射镜、放大级聚光腔、本振级聚光腔、丝杆、联轴器、步进电机、丝杆、联轴器、Q开关、分光 镜、光阑，其中，分光镜在激光器出光口部位，Q开关在分光镜之后，放大级聚光腔在反射镜 和光阑之间，第二丝杆连接第二步进电机和第二联轴器，第三丝杆连接第三步进电机和第三联轴器。其中，所述工作台和控制系统包括有多螺纹孔工作台底座、支撑杆、滑动装置、滑 动装置底座、出光口吸光挡板、U轴伺服电机、多螺纹孔支架面、控制台夹具、U轴方向导轨、 激光器工作台、Z轴伺服电机、联轴器、丝杆、二维电控平台、聚光镜、反光镜、Y轴步进电机、 X轴步进电机、二维电控平台底座、工控机、运动控制卡，激光器固定在滑动装置上，滑动装 置安装在滑动装置底座上，能沿着Y轴方向滑动。滑动装置底座在激光器工作台上，激光器 工作台由支撑杆固定在多螺纹孔工作台底座上面；所述反光镜和聚光镜固定在U轴方向导 轨上，可以沿着U轴方向做进给运动，U轴伺服电机与U轴方向导轨相连，U轴方向导轨安装 在多螺纹孔支架面上，多螺纹孔支架面固定在多螺纹孔工作台上面。其中，反光镜高度须与 激光器出光口高度平齐，聚焦镜位于反光镜正下方，控制台夹具位于聚焦镜正下方。所述控 制台夹具装在二维电控平台上，可以分别沿着X轴和Y轴两个方向做进给运动，X轴步进电 机和Y轴步进电机连接在二维电控平台上，二维电控平台底座固定在多螺纹孔工作台底座 上面；工控机通过运动控制卡与二维电控平台、U轴方向导轨相连。所述滑动装置下面装有传动螺母连接滑动装置底座。所述Z轴伺服电机可以驱动第一联轴器，带动第一丝杆旋转，使滑动装置移动。其中，所述He-Ne激光器和激光源参数采集系统由支撑杆固定在多螺纹孔支架面 上，并与工控机相连。根据加工要求在工控机的Windows操作平台上编写生成加工程序。通过工控机给 激光器电源控制系统与液压装置发出指令，得到所需波长的激光。同时运动控制卡得到工 控机的指令使三维工作平台系统(X、Y、U)和Z的伺服电机产生相应的运动。在加工过程 中Z伺服电机先动使激光器处于对应位置，激光出光口出光。输出激光束通过透镜聚焦在 工件表面，装夹在夹具上的工件随着二维电控平台(χ、γ)运动，形成所需的直线或弧线刻 痕得到水平二维图像。He-Ne激光器发出的低功率红外光与激光焦点对准，低功率红外光照 在加工表面产生的反射光被激光源参数采集系统采集，采集信息输入由信号分析处理系统 进行处理分析而后反馈给工控机，工控机根据信息调整输出。通过运动控制卡控制U方向 伺服电机改变透镜与工件距离改变光斑大小进而变化刻痕粗细深浅，由激光器电源控制系 统变化激光输出功率进而变化刻痕深浅。结合先前的二维图可形成三维图案。只要激光器 能正常工作，就可以长时间连续加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由计算机自动 控制，生产时不需人为干预。只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么加工机就 可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。因此软件的功能实际上很大程度上决定了系 统的功能。该激光加工机的特点1、工作台的大小和高度可以任意变化。本设备的机架采用多螺纹孔工作台和支撑 杆组合而成，该工作台表面布满螺纹孔可以组装成任何规则形状和高度。激光加工使用的 “刀具”是聚焦后的光点，主要去除材料的方式是汽化烧蚀，因此加工时对夹具和工作台的 作用力不大。工作台主要用于支撑激光器、电控平台、夹具、工件等，所以该组合机架可以完 全胜任。2、激光器的波长和能量可以自动变化。激光器的原始波长是1064nm经过二倍晶 体倍频后得到532nm三倍晶体倍频后得到355nm四倍晶体倍频后266nm。倍频过程由工控机控制通过运动控制卡控制的步进电机装置自动实现。能量的变化可以通过工控机对YAG 激光器电源控制系统控制实现。3、控制系统结构简单容易实现，价格便宜，柔性较高。控制系统采用工控机加运动 控制卡加步进电机和伺服电机实现，采购容易，接线简单，因而易于实现。控制系统软件使 用MFC编程组建基于Windows平台的控制软件。不同的加工要求，不同的组合方式都可以 通过更改软件程序实现。4、该激光加工机开放性较好，易于增加新功能。5、一机多用，性价比高，易于推广。
本实用新型装置结构附图说明如下图1组合式多波长激光多用加工机原理图图2组合式多波长激光多用加工机结构示意主视图图3组合式多波长激光多用加工机结构示意俯视图图4多波长YAG激光器结构示意图1、多螺纹孔工作台底座；2、支撑杆；3、固定螺钉；4、滑动装置；5、传动螺母；6、激 光器；7、滑动装置底座；8、出光口吸光挡板；9、二维电控平台X ；10、聚光镜；11、反光镜； 12、U轴伺服电机；13、多螺纹孔支架面；14、控制台夹具；15、U轴方向导轨；16、支撑杆；17、 激光器工作台；18、Z轴伺服电机；19、第一联轴器；20、第一丝杆；21、二维电控平台Y ；22、 Y轴步进电机；23、X轴步进电机；24、二维电控平台底座；25、安全开关；26、反射镜；27、反 射镜；28、放大级聚光腔；29、本振级聚光腔；30、第二丝杆；31、第二联轴器；32、第二步进电 机；33、第三丝杆；34、第三步进电机；35、第三联轴器；36、Q开关；37、355、266分光镜；38、 532分光镜；39、光阑；40、二倍晶体；41、三倍晶体靠架；42、三倍晶体；43、四倍晶体靠架； 44、四倍晶体；45、355、266分光镜；46、532分光镜；47、Q驱动电路板；48、出光口 ；49、工控 机；50、运动控制卡；51、工件；52、He-Ne激光器；53、激光源参数采集系统；
具体实施方案以下实施例用于说明本实用新型，但不是用来限制本实用新型。实施方案中使用的激光器选择Nd:YAG多波长激光器，可分别输出波长为1064nm、 532nm、355nm和266nm的激光光束。实施方案一激光刻蚀打标系统如图1所示，根据加工要求在工控机49的Windows操作平台上编写生成加工程 序。如图4多波长YAG激光器包括有25、安全开关；26、反射镜；27、反射镜；28、放大级聚 光腔；29、本振级聚光腔；30、丝杆；31、联轴器；32、步进电机；33、丝杆；34、步进电机；35、 联轴器；36、Q开关；37、355、266分光镜；38、532分光镜；49、光阑；40、二倍晶体；41、三倍晶 体靠架；42、三倍晶体；43、四倍晶体靠架；44、四倍晶体；45、355、266分光镜；46、532分光 镜；47、Q驱动电路板；48、出光口。泵浦灯发出的光聚焦到激光晶体中去，以激励工作物质， 产生激光由本级聚光腔29出光由反射镜26、27之间形成一个光的震荡而后进入放大级聚 光腔28在Q驱动电路板47激发Q开关36出光，由光阑39调节光线的强弱。在工控机49的Windows操作平台上编写生成加工程序，运动控制卡50得到工控机49的指令，使步进电 机32通过联轴器31带动丝杆30旋转使三倍晶体42，步进电机34通过联轴器35带动丝 杆33旋转使四倍晶体44。步进电机的旋转改变了倍频晶体40、42、44的组合可以得到所需 波长的激光。其中没有经过晶体出波长为1064nm的光束；经过二倍晶体出波长为532nm的 光束；经过二倍晶体和三倍晶体出波长为355nm的光束；经过二倍晶体和四倍晶体出波长 为266nm的光束。355、266分光镜45对1064nm与532nm其激光全透对355、266nm激光全 透，532分光镜46对1064nm激光全透对532nm激光全反.1064nm由出光口 48输出；532nm 由出光口 48a输出355nm和266nm由出光口 48b输出。运动控制卡50在工控机49中控制 Z轴伺服电机18，Z轴伺服电机18带动丝杆20旋转，从而带动传动螺母5使激光器盒体随 之运动，盒体与激光器出光口相对位置变化使所需要光束通过出光口吸光挡板8输出，其 余光被出光口吸光挡板8吸收。如图2、3所示，运动控制卡52得到工控机49的指令使装 在二维电控平台底座24的二维电控平台系统(X9、21 ；Y2U22)、竖直方向U轴方向导轨15、 U轴伺服电机12和Z轴伺服电机产生相应的运动。在加工过程中Z轴伺服电机18在运动 控制卡50的驱动下旋转，由联轴器19带动丝杆20旋转，使与传动螺母5联结滑动装置4Y 方向运动，使激光器处于对应位置，激光出光口出光。输出激光束在反光镜11的发射下通 过聚光镜10聚焦在工件51表面，装夹在夹具14上的工件随着二维电控平台(X9、21 ；Y21、 22)运动，形成所需的直线或弧线刻痕得到水平二维图像。He-Ne激光器52发出的低功率 红外光与激光焦点对准，低功率红外光照在加工表面产生的反射光被激光源参数采集系统 53采集信息输入由工控机49由专用信号处理软件等组成信号分析处理系统进行处理分析 而后反馈给工控机49，工控机49根据信息调整输出。通过运动控制卡50控制U方向伺服 电机12使聚光镜10在U轴方向导轨15竖直方向运动，改变聚光镜10与工件51的距离改 变光斑大小进而变化刻痕粗细深浅，由激光器6改变激光输出功率进而变化刻痕深浅。结 合先前的二维图可形成三维图案只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么加工 机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。实施方案二 激光掩模打标系统如图1所示，根据加工要求在工控机49的Windows操作平台上编写生成激光打标 加工程序。如图4多波长YAG激光器包括有25、安全开关；26、反射镜；27、反射镜；28、放大 级聚光腔；29、本振级聚光腔；30、丝杆；31、联轴器；32步进电机；33、丝杆；34、步进电机； 35、联轴器；36、Q开关；37,355,266分光镜；38,532分光镜；39、光阑；40、二倍晶体；41、三 倍晶体靠架；42、三倍晶体；43、四倍晶体靠架；44、四倍晶体；45、355、266分光镜；46、532 分光镜；47、Q驱动电路板；48、出光口。泵浦灯发出的光聚焦到激光晶体中去，以激励工作 物质，产生激光由本级聚光腔29。出光由反射镜26、27之间形成一个光的震荡而后进入放 大级聚光腔28在Q驱动电路板47激发Q开关36出光，由光阑39调节光线的强弱。在工 控机49的Windows操作平台上编写生成加工程序，运动控制卡50得到工控机49的指令， 使步进电机32通过联轴器31带动丝杆30旋转使三倍晶体42，步进电机34通过联轴器35 带动丝杆33旋转使四倍晶体44。步进电机的旋转改变了倍频晶体40、42、44的组合可以 得到所需波长的激光。其中没有经过晶体出波长为1064nm的光束；经过二倍晶体出波长为 532nm的光束；经过二倍晶体和三倍晶体出波长为355nm的光束；经过二倍晶体和四倍晶体 出波长为266nm的光束。355、266分光镜45对1064nm与532nm其激光全透对355、266nm激光全透，532分光镜46对1064nm激光全透对532nm激光全反.1064nm由出光口 48输出； 532nm由出光口 48a输出355nm和266nm由出光口 48b输出。运动控制卡50在工控机49 中控制伺服电机18，伺服电机18带动丝杆20旋转，从而带动传动螺母5使激光器盒体随之 运动，盒体与激光器出光口相对位置变化使所需要光束通过出光口吸光挡板8输出，其余 光被出光口吸光挡板8吸收。在出光口吸光挡板8的出光口设置掩模。如图2、3所示，运 动控制卡50得到工控机49的指令使装在二维电控平台底座24的二维电控平台系统(X9、 21 ；Y2U22)、竖直方向U轴方向导轨15、U轴伺服电机12和Z轴伺服电机18产生相应的运 动。在加工过程中Z轴伺服电机18在运动控制卡50的驱动下旋转，由联轴器19带动丝杆 20旋转，使与传动螺母5联结滑动装置4Y方向运动，使激光器处于对应位置，激光出光口 出光。输出激光束在反光镜11的发射下通过聚光镜10将缩小的实像聚焦在工件51表面。 He-Ne激光器52发出的低功率红外光与激光焦点对准，低功率红外光照在加工表面产生的 反射光背激光源参数采集系统53，采集信息输入由工控机49由专用信号处理软件等组成 信号分析处理系统进行处理分析而后反馈给工控机49，工控机49根据信息调整输出。通过 运动控制卡50控制U方向伺服电机12使聚光镜10在U轴方向导轨15竖直方向运动，改 变聚光镜10与工件51的距离改变光斑大小进而变化刻痕粗细深浅，由激光器6改变激光 输出功率进而变化刻痕深浅。那么加工机就可以将设计信息精确的复制在合适的载体上。实施方案三激光雕刻系统如图1所示，根据加工要求在工控机49的Windows操作平台上编写生成激光雕刻 加工程序。如图4多波长YAG激光器包括有25、安全开关；26、反射镜；27、反射镜；28、放大 级聚光腔；29、本振级聚光腔；30、丝杆；31、联轴器；32、步进电机；33、丝杆；34、步进电机； 35、联轴器；36、Q开关；37,355,266分光镜；38,532分光镜；39、光阑；40、二倍晶体；41、三 倍晶体靠架；42、三倍晶体；43、四倍晶体靠架；44、四倍晶体；45、355、266分光镜；46、532 分光镜；47、Q驱动电路板；48、出光口。泵浦灯发出的光聚焦到激光晶体中去，以激励工作 物质，产生激光由本级聚光腔29。出光由反射镜26、27之间形成一个光的震荡而后进入放 大级聚光腔28在Q驱动电路板47激发Q开关36出光，由光阑39调节光线的强弱。在工 控机49的Windows操作平台上编写生成加工程序，运动控制卡50得到工控机49的指令， 使步进电机32通过联轴器31带动丝杆30旋转使三倍晶体42，步进电机34通过联轴器35 带动丝杆33旋转使四倍晶体44。步进电机的旋转改变了倍频晶体40、42、44的组合可以 得到所需波长的激光。其中没有经过晶体出波长为1064nm的光束；经过二倍晶体出波长为 532nm的光束；经过二倍晶体和三倍晶体出波长为355nm的光束；经过二倍晶体和四倍晶体 出波长为266nm的光束。355、266分光镜45对1064nm与532nm其激光全透对355、266nm 激光全透，532分光镜46对1064nm激光全透对532nm激光全反.1064nm由出光口 48输出； 532nm由出光口 48a输出355nm和266nm由出光口 48b输出。运动控制卡50在工控机49 中控制伺服电机18，伺服电机18带动丝杆20旋转，从而带动传动螺母5使激光器盒体随之 运动，盒体与激光器出光口相对位置变化使所需要光束通过出光口吸光挡板8输出，其余 光被出光口吸光挡板8吸收。如图2、3所示，运动控制卡50得到工控机49的指令使装在 二维电控平台底座24的二维电控平台系统(X9、21 ；Y2U22)、竖直方向U轴方向导轨15、U 轴伺服电机12和Z轴伺服电机产生相应的运动。在加工过程中Z轴伺服电机18在运动控 制卡50的驱动下旋转，由联轴器19带动丝杆20旋转，使与传动螺母5联结滑动装置4Y方向运动，使激光器处于对应位置，激光出光口出光。输出激光束在反光镜11的发射下通过 聚光镜10聚焦在工件51表面，装夹在夹具14上的工件随着二维电控平台(X9、21 ；Y2U22) 运动，形成所需的直线或弧线刻痕得到水平二维图像。He-Ne激光器52发出的低功率红外 光与激光焦点对准，低功率红外光照在加工表面产生的反射光背激光源参数采集系统53， 采集信息输入由工控机49由专用信号处理软件等组成信号分析处理系统进行处理分析而 后反馈给工控机49，工控机49根据信息调整输出。通过运动控制卡50控制U方向伺服电 机12使聚光镜10在U轴方向导轨15竖直方向运动，改变聚光镜10与工件51的距离改变 光斑大小进而变化刻痕粗细深浅，由激光器6改变激光输出功率进而变化刻痕深浅，Z轴步 进电机改变出光口位置改变激光波长进而变化刻痕深浅。结合先前的二维图可形成三维图 案只要计算机里设计出的图稿雕刻系统能够识别，那么加工机就可以将设计信息精确的还 原在合适的载体上。
权利要求组合式多波长激光多用加工机，包括电脑系统、激光器(6)，其特征在于还设有工作台和控制系统，所述工作台和控制系统包括有多螺纹孔工作台底座(1)、支撑杆(2)、滑动装置(4)、滑动装置底座(7)、出光口吸光挡板(8)、U轴伺服电机(12)、多螺纹孔支架面(13)、控制台夹具(14)、U轴方向导轨(15)、激光器工作台(17)、Z轴伺服电机(18)、联轴器、丝杆、二维电控平台(21)、聚光镜(10)、反光镜(11)、Y轴步进电机(22)、X轴步进电机(23)、二维电控平台底座(24)、工控机(49)和运动控制卡(50)，激光器(6)固定在滑动装置(4)上，滑动装置(4)安装在滑动装置底座上(7)，能沿着Y轴方向滑动，滑动装置底座(7)在激光器工作台(17)上，激光器工作台(17)固定在多螺纹孔工作台底座(1)上面；所述反光镜(11)和聚光镜(10)固定在U轴方向导轨(15)上，能沿着U轴方向做进给运动，U轴伺服电机(10)与U轴方向导轨(15)相连，U轴方向导轨(15)安装在多螺纹孔支架面(13)上，多螺纹孔支架面(13)固定在多螺纹孔工作台(1)上面；其中，反光镜(11)高度须与激光器(6)出光口高度平齐，聚焦镜(10)位于反光镜(11)正下方，控制台夹具(14)位于聚焦镜(10)正下方；所述控制台夹具(14)装在二维电控平台(21)上，能分别沿着X轴和Y轴两个方向做进给运动，X轴步进电机(23)和Y轴步进电机(22)连接在二维电控平台(21)上，二维电控平台底座(24)固定在多螺纹孔工作台底座(1)上面；工控机(49)通过运动控制卡(50)与二维电控平台(21)、U轴方向导轨(15)相连。
2.权利要求1所述的组合式多波长激光多用加工机，其特征在于所述滑动装置(4) 下面装有传动螺母(5)连接滑动装置底座(7)，Z轴伺服电机(18)驱动第一联轴器(19)， 带动第一丝杆(20)旋转，使滑动装置(4)移动。
3.权利要求1所述的组合式多波长激光多用加工机，其特征在于所述激光器(6)为 多窗口单波长输出激光器，包括红宝石激光器、钕玻璃激光器或Nd YAG激光器。
4.权利要求1所述的组合式多波长激光多用加工机，其特征在于所述加工机还设有 He-Ne激光器(52)、激光源参数采集系统(53)，He-Ne激光器(52)和激光源参数采集系统 (53)固定在多螺纹孔支架面上(13)，并与工控机(49)相连，He-Ne激光器(52)发出的低 功率红外光与激光焦点对准，低功率红外光照在加工表面产生的反射光被激光源参数采集 系统(53)采集，采集信息输入处理分析后反馈给工控机(49)。
专利摘要组合式多波长激光多用加工机，包括电脑系统、激光器工作台和控制系统、He-Ne激光器、激光源参数采集系统。运动控制卡得到工控机的指令使三维工作平台系统(X、Y、U)和Z的伺服电机产生相应的运动，在加工过程中Z伺服电机先动使激光器处于对应位置，激光出光口出光。输出激光束通过透镜聚焦在工件表面，装夹在夹具上的工件随着二维电控平台(X、Y)运动，形成所需的直线或弧线刻痕得到水平二维图像。He-Ne激光器发出的低功率红外光与激光焦点对准，低功率红外光照在加工表面产生的反射光被采集后输入信号分析处理系统进行处理分析而后反馈给工控机，工控机根据信息调整输出。激光加工速度快，成本低廉。
文档编号B41J2/435GK201659822SQ201020162909
公开日2010年12月1日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者冯爱新, 叶勇, 周鹏程, 孙淮阳, 徐传超, 曹宇鹏, 王俊伟, 聂贵锋 申请人:江苏大学