五轴联动超快激光加工系统的制作方法

本实用新型涉及超快激光加工系统，尤其涉及五轴联动超快激光加工系统。

背景技术：

近年来，超快激光加工系统已经被用于多种材料例如金属以及脆性材料等的二维平面加工。例如对玻璃和蓝宝石的二维平面加工。最具代表性的三轴联动系统如图1-a至1-d所示。专利号为201080055561.1的中国专利披露了双侧加工、准秘密切割及多光束秘密切割的系统方法，承载待加工工件的支撑平台安装在由空气轴承X-Y定位平台上。由于支撑平台只能在二维的平面上运动，只能进行二维激光加工。

随着诸如手机和显示器面板功能及设计多样化的不断推陈出新，越来越多的设计及加工需要采用三维立体脆性材料。

但是，现有的基于二轴或三轴联动激光加工系统仅能对脆性材料在二维平面上进行加工，不能对脆性材料进行三维立体加工。专利号为201420090180.2的中国专利披露了一种激光快速分离光学晶体装置，待分离的晶体固定于二维工作台，单焦点激光加工系统中的聚焦透镜可以沿Z轴移动，从而改变激光焦点伸入晶体内的深度。该装置的工作台只能二维移动的，聚焦透镜也是线形运动，不能旋转，故不能对晶体作三维立体加工。专利号为201310102578.3的中国专利披露了触摸屏玻璃打孔开料装置和加工方法，工作台与X轴相连接、在该工作台上设有与治具相连的Y轴位移组件，玻璃开料模组与Z轴相偶联。该专利通过控制机床线性运动对玻璃进行二维加工操作，但不能进行三维立体加工。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本实用新型提供了一种多轴联动超快激光 加工系统，可以对脆性材料进行任意的三维立体精细加工，例如切割、倒角、以及切钻孔等等。

本实用新型提供了一种五轴联动超快激光加工系统，其包括，超快激光发生器、光学模组、透镜组件、承载加工件的加工件平台、控制所述透镜组件或所述加工件平台运动的联动控制器和联动驱动器，其中，所述透镜组件和/或所述加工件平台可沿五个轴做线性和/或旋转运动，其中，所述光学模组包括与多轴联动同步的偏振装置和/或激光束整形及调制装置，且其中，所述联动控制器同时还控制所述超快激光发生器和所述光学模组。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种多轴联动超快激光加工系统，其包括，超快激光发生器、光学模组、透镜组件、承载加工件的加工件平台、控制所述透镜组件或所述加工件平台运动的联动控制器和联动驱动器，其中，所述透镜组件和/或所述加工件平台可沿X轴和/或Y轴和/或Z轴中的至少一个轴做线性运动，所述透镜组件和/或所述加工件平台可沿X轴、Y轴或Z轴中的至少一个轴旋转。在光学模组中通常包括与多轴联动同步的偏振装置和/或激光束整形及调制装置。所述超快激光包括飞秒激光和脉冲宽度小于10皮秒的皮秒激光，也称冷激光，其在处理脆性材料时不产生没有热效应，没有热影响区(HAZ)。当然其对加工工艺要求也更为苛刻。优选的是超快激光发生器产生的激光束的脉冲宽度为0.1ps到10ps。

由所述超快激光发生器产生的激光束通过光学模组传输到所述透镜组件，所述透镜组件将所述激光束聚焦在所述加工件上，对加工件进行加工。通过本实用新型的系统，激光束可以聚焦在加工件的任意位置，从而实现对加工件的三维加工。

本实用新型的超快激光发生器产生的激光束可以是超快激光束或冷激光等。超快激光束通过光学模组传导到透镜组件，所述透镜组件可以是聚焦镜或扫描振镜。激光束通过透镜组件后聚焦于加工件上的工作面上。该工作面实际上是包含了聚焦在加工件中的激光束焦点。由于本实用新型超快激光加工系统可以对加工件进行三维加工，该工作面可以是预设的和动态的。根据加工件拟加工成的最终产品的外表面，激光束焦点与该外表面相切的平面就是工作面。该工作面可能是物理上存在的平面，例如加工件的上、 下表面，也可能是加工件内部的一个虚拟平面。

所述激光束的主轴与所述加工件的工作面表面法线之间的夹角(也就是激光束的入射角)始终小于10度，优选小于8度。该工作面表面法线是指在激光束焦点处垂直于工作面的线。在一个优选的实施例中，所述激光束的主轴始终与所述加工件的工作面接近垂直。这里的接近垂直，是指呈90度垂直或者±5度。这就保证了激光束的加工效率、减少了激光束在加工件中产生影响加工质量的色散、减少了激光束反射损耗、提高了加工件加工表面质量、同时还减少了崩边尺寸和数量。

所述光学模组(尤其是自由空间光学模组)、透镜组件与所述加工件的组合光焦度大于0。这样就可以保证激光束在加工件中会聚从而有效的进行激光加工。也就是说，光学系统与加工件构成的组合的光焦度应该大于0，以保证激光束在加工件中会聚。如果光焦度小于零，光束发散而不聚焦，不能用于激光加工。通常激光加工系统考虑的光焦度不是所述自由空间光学模组、透镜组件与所述加工件的组合光焦度，而是不包括所述加工件的光焦度。所述加工件，特别是三维透明材料，将直接影响光焦度，从而影响激光加工效果。特别是如果加工件是由多种材料和/或多层材料组成，则组合光焦度大于零尤为重要，可以保证激光可以加工由多种材料和/或多层材料组成的加工件。光焦度(P)，(也称为屈光度、折射光焦、聚焦光度、或收敛光度)是光学系统中透镜、反射镜、或者其他光学系统会聚或发散的光的程度。它等于该光学系统的焦距(F)的倒数：P＝1/F。

所述光学模组为自由空间光学模组或光束传输光纤或其组合。光束传输光纤是指通过光纤(光纤是柔软的，可以弯曲)直接将激光从激光发生器引导到透镜组件。光纤的一端与激光发生器相连，另一端可与透镜组件相连。本发明人发现，透镜组件的移动特别是旋转将对与其相连的光束传输光纤的光路稳定性及可靠性几乎没有影响，这会在制造和使用上带来便利。因此，对于采用光束传输光纤的技术方案，透镜组件也可以采用旋转轴。在一个优选的实施例中，所述光束传输光纤为非传统空心光纤。非传统空心光纤可以提高激光传输质量、光路稳定性及可靠性。

自由空间光学模组通过光学元件例如多个反射镜将激光从激光 发生器传输到透镜组件。在一个优选的实施例方案中，所述光学模组为自由空间光学模组，同时对于透镜组件使用线形轴而不是旋转轴，自由空间光学模组还可以带来两大优点，即：第一是克服超快激光脉冲通过传输光纤会因为光纤材料(通常为玻璃)的非线性及光纤的波导性导致脉冲宽度及脉冲形状发生改变这一问题；第二是克服超快激光脉冲通过传输光纤因为光纤材料的非线性光纤的波导性导致脉冲的偏振状态发生不可控制的随机变化这一问题。因此，自由空间光学模组可以保证超快激光加工系统中脉冲宽度、脉冲形状以及偏振状态的稳定性及可控制性，从而大大提高超快激光加工系统，脉冲宽度、脉冲形状以及偏振状态的稳定性及可控制性；加工件的精度、可重复性以及质量。

所述加工件平台用于承载和固定加工件，其可以是本领域普通技术人员知晓的夹具等。加工件平台可以通过负压吸引等方式固定加工件。加工件的运动可以通过加工件平台的运动来实现。

在多轴联动加工过程中，所述加工件和加工件平台与所述透镜组件不会发生碰撞。在多轴联动加工过程中，所述加工件和加工件平台与所述激光束也不会产生干涉，从而不会阻挡或部分阻挡激光束。

所述透镜组件或所述加工件平台沿X轴和/或Y轴和/或Z轴线性运动的定位精度为±5μm，动态重复精度≤3μm。从而保证加工尺寸精度以及加工质量，包括加工表面平整度、崩边数量与尺寸、加工件强度(例如四点弯曲强度)等。所述透镜组件或所述加工件平台沿X轴和/或Y轴和/或Z轴旋转的定位精度为±10arc-sec，动态重复精度≤6arc-sec。从而保证加工尺寸精度以及加工质量，包括加工表面平整度、崩边数量与尺寸、加工件强度(例如四点弯曲强度)等。

本实用新型中加工件可以是脆性材料。脆性材料是指本领域中的常规脆性材料，例如，半导体材料、陶瓷材料、玻璃和蓝宝石等材料。加工件与激光束的整个相互作用区域应该对激光束保持透明。加工件面向激光束的工作面应该具有光学平整表面质量。加工件材料不应该对激光束有过度吸收和散射。从而保证加工件的加工表面平整度、崩边数量与尺寸、表面均匀性、加工件强度(例如四点弯曲强度)、加工件的重复性与一致性等。

本实用新型的线性轴是指X轴、Y轴、Z轴。X轴和Y轴在本说明书中是对等的并可互换的。常用的线性轴可以采用直线电机平移台和电动平移台等。线性运动是沿直线运动。本实用新型的旋转轴是指A轴(绕X轴)、B轴(绕Y轴)、C轴(绕Z轴)。A轴和B轴在本说明书中是对等的并可互换的。常用的旋转轴可以采用步进马达和压电电机等。

本实用新型的多轴联动超快激光加工系统可以为五轴联动，其中，透镜组件除了不叠加C轴以外，可以和加工件平台分享其他线性轴或旋转轴。如果加工件平台具有C轴运动，则透镜组和加工件平台分享X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴这五轴中的四轴；如果加工件平台不具有C轴运动，则透镜组和加工件平台分享X轴、Y轴、Z轴、A轴和B轴这五轴。

本实用新型提供了一种五轴联动超快激光加工系统，其包括，超快激光发生器、光学模组、透镜组件、承载加工件的加工件平台、控制所述透镜组件或所述加工件平台运动的联动控制器和联动驱动器，其中，所述透镜组件和/或所述加工件平台可沿五个轴做线性和/或旋转运动。线性运动是指相对于旋转而言沿着直线运动。

在一个实施例中，所述透镜组件固定不动；所述加工件平台可沿X、Y和Z轴做线性运动，同时还可沿X和Z轴旋转。

在另一个实施例中，所述透镜组件可沿Z轴做线性运动；所述加工件平台可沿X和Y轴做线性运动，同时还可沿X和Z轴旋转。

在一个实施例中，所述透镜组件可沿Z轴做线性运动，同时还可沿X轴旋转；所述加工件平台可沿X和Y轴做线性运动，同时还可沿Z轴旋转。

在另一个实施例中，所述透镜组件可沿Y和Z轴做线性运动；所述加工件平台可沿X轴做线性运动，同时还可沿X和Z轴旋转。

在一个实施例中，所述透镜组件可沿Y和Z轴做线性运动，同时还可沿X轴旋转；所述加工件平台可沿Z轴旋转。

在另一个实施例中，所述透镜组件可沿X、Y和Z轴做线性运动；所述加工件平台可沿X和Z轴旋转。

在一个实施例中，所述透镜组件可沿X和Z轴做线性运动，同 时还可沿X轴旋转；所述加工件平台可沿Y轴做线性运动，同时还可沿Z轴旋转。

在另一个实施例中，所述透镜组件可沿下X、Y和Z轴做线性运动，同时还可沿X轴旋转；所述加工件平台可沿Z轴旋转。

根据本实用新型，透镜组件的联动轴和加工件平台的联动轴可以以任意次序叠加。

根据本实用新型的一个实施例，透镜组件和加工件平台通过多轴联动运动平台控制，该多轴联动运动平台由多轴联动驱动器所驱动，该多轴联动驱动器由多轴联动控制器所控制。

附图说明

图1-a至1-d是现有的3轴联动激光加工系统示意图。

图1-a示出了现有技术中，一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统的示意图。

图1-b示出了现有技术中，又一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统的示意图。

图1-c示出了现有技术中，再一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统的示意图。

图1-d示出了现有技术中，另一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统的示意图。

图2是本实用新型的一个实施例的框图。

图3-a和3-b显示了本实用新型超快激光束运动路径的框图。

图3-a显示了一个实施例中激光束传导的路径的框图。

图3-b显示了又一个实施例中激光束传导的路径的框图。

图4-a至4-h是本实用新型五轴联动系统各种形式联动的具体实施方式的示意图。

图4-a显示了本实用新型五轴联动的一种实施方式的示意图。

图4-b显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-c显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-d显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-e显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-f显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-g显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

图4-h显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型更加清晰易懂，仅通过举例而非限定的方式，结合下文附图，描述本实用新型实施例：

图1-a示出了现有技术中，一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统。光学模组1可沿Z轴在垂直方向上运动，加工件3可以沿X和Y轴在平面上线性运动。

图1-b示出了现有技术中，又一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统。其中光学模组1可以沿X、Y和Z轴做线性运动，而加工件3是固定不动的。

图1-c示出了现有技术中，再一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统。光学模组1可沿Z和Y轴做线性运动，而加工件3可以沿X轴在平面上线性运动。

图1-d示出了现有技术中，另一个基于三轴联动系统对脆性材料进行二维平面加工的系统。其中光学模组1是固定不动的，而加工件可以沿X、Y和Z轴做线性运动。

图2示出了本实用新型一个实施例的框图。其中聚焦镜或扫描镜等光学模组和加工件与多轴联动运动平台相偶联，多轴联动运动平台的运动受多轴联动驱动器的控制。多轴联动驱动器的工作状态由多轴联动控制器发指令控制。多轴联动控制器同时还控制超快激光发生器和光学模组，从而使得超快激光发生器发生的激光束在预定的时间聚焦在预设的空间焦点上。聚焦透镜运动平台上的联动轴可以以任意次序叠加。加工件运动平台上的联动轴可以以任意次序叠加。

图3-a显示了一个实施例中激光束传导的路径。超快激光器发 生激光后通过自由空间光学模组传导至聚焦镜或扫描镜，并通过聚焦镜或扫描镜聚焦在加工件上的工作面上。

图3-b显示了又一个实施例中激光束传导的路径。激光器发生激光后通过光束传输光纤传导至聚焦镜或扫描镜，并通过聚焦镜或扫描镜聚焦在加工件上的工作面上。激光器发生激光后也可以通过自由空间光学模组和光束传输光纤组合传导至聚焦镜或扫描镜，并通过聚焦镜或扫描镜聚焦在加工件上的工作面上(图中未示出)。

图4-a显示了本实用新型五轴联动的一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1是固定不动的；加工件3可以通过加工件平台沿X、Y和Z轴做线性运动，同时还可以沿Z和X轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了自由空间光学模组；在再一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-b显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿Z轴做直线运动；加工件3可以通过加工件平台沿X和Y轴做线性运动，同时还可以沿Z和X轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了自由空间光学模组；在再一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-c显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿Z轴做直线运动，同时还可以沿X轴旋转；加工件3可以通过加工件平台沿X和Y轴做线性运动，同时还可以沿Z轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-d显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿Z和Y轴做直线运动；加工件3可以通过加工件平台沿X轴做线性运动，同时还可以沿X和Z轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光 束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了自由空间光学模组；在再一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-e显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿Z和Y轴做直线运动，同时还可以沿X轴旋转；加工件3可以通过加工件平台沿X轴做线性运动，同时还可以沿Y轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-f显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿X、Y和Z轴做直线运动；加工件3可以沿X和Z轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了自由空间光学模组；在再一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-g显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿Z和X轴做直线运动，同时还可以沿X轴旋转；加工件3可以通过加工件平台沿Y轴做线性运动，同时还可以沿Z轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

图4-h显示了本实用新型五轴联动的另一种实施方式，其中，1为透镜组件，2为激光束，3为加工件。在本实施方式中，透镜组件1可以沿X、Y和Z轴做直线运动，同时还可以沿X轴旋转；加工件3可以沿Z轴旋转。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

本实用新型多轴联动的另一种实施方式图中未示出。在本实施方式中，透镜组件可以沿X轴、和Y轴旋转；加工件可以沿Z轴旋转；透镜组件和加工件可以以任意方式组合X轴和/或Y轴和/或Z轴做直线运动。在该实施方式中，一个实施例中光学模组采用了光束传输光纤；另一个实施例中光学模组采用了非传统空心光纤。

上述实施例仅仅是通过举例的方式描述。在不偏离本实用新型所附权利要求限定的保护范围的情况下，可有各种变体。