一种激光加工系统的制作方法

1.本发明涉及激光加工技术领域，尤其是涉及一种激光加工系统。


背景技术：

2.光伏硅材料、半导体硅材料、蓝宝石材料、磁性材料、光学玻璃、陶瓷材料等，都具有抗磨损、硬度高、脆性大等共同特点，统称为硬脆材料，这类硬脆材料在工业中有着广泛的应用。也正是因为硬度高、脆性大而容易发生断裂，使这些硬脆材料和脆性复合材料的加工难度较大。
3.传统硬脆材料的切割过程是用硬度较高的材料去磨削硬度较低的材料，磨削部分损耗、未磨削部分分离，从而达到切割效果。由于金刚石是目前天然形成的材料中硬度最高的，早期的脆性复合材料一般采用涂有金刚石微粉的内圆锯进行切割。这类方法加工的材料切缝大，材料损耗多，且对脆性复合材料的切割尺寸也有所限制。
4.后来发展出游离磨料和固结磨料切割两类主要切割方式。这类机械加工方式对于刀具的磨损很大，需要频繁更换刀具，其加工成本陡增，而且，由于脆性复合材料的性质较为复杂，刀具同样也容易对材料造成损伤，加工质量差，次品率高。
5.激光加工是利用高功率密度的激光束对材料进行加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，因此，激光加工已经广泛应用于现代制造中，特别是在精密加工、微加工领域，包括切割、标刻、喷印、钻孔、雕刻、扫描等。
6.专利号为zl201320507612.0(授权公告号为cn203509353u)的中国实用新型专利公开了一种激光切割设备，包括冷却水装置、激光气瓶、辅助气体瓶、空气干燥器、数控装置、操作盘、伺服电动机、切割工作台、割炬、聚焦透镜、丝杆、反射镜a、反射镜b、激光振荡器、激光电源、割炬驱动装置、主电源、反射镜c，其特征在于：所述冷却水装置下端设置有激光气瓶、辅助气体瓶，所述激光气瓶下端设置有空气干燥器，所述空气干燥器左端设置有数控装置，所述数控装置下端设置有操作盘，所述数控装置上端设置有激光电源，所述激光电源左端设置有激光振荡器，上端设置有主电源。所述割炬与所述丝杆固定连接，所述割炬顶端连接有割炬驱动装置，所述割炬上设置有聚焦透镜。
7.上述激光切割设备通过聚焦透镜对激光进行聚焦，以提高激光斑的能量密度，但是，激光光斑的功率密度仍较低，导致激光加工精度和加工效率不足，而且，激光长时间的加工会导致环境温度升高，造成激光光斑焦点变化，从而导致激光光斑的质量变化，也会影响激光的加工精度。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种激光光斑的功率密度更高从而能够提高加工精度和加工效率的激光加工系统。
9.本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能够对激
光光束进行监测的激光加工系统。
10.本发明解决上述的第一个技术问题所采用的技术方案为：一种激光加工系统，包括激光器，输出光束；
11.加工平台，承载待加工样品；
12.聚焦透镜，设于所述激光器和所述加工平台之间，所述聚焦透镜对光束进行聚焦，以对待加工样品进行加工；
13.其特征在于：所述聚焦透镜包括沿光路方向依次分布的长焦聚焦透镜和短焦聚焦透镜。
14.为了使激光光斑能够满足大部分的硬脆材料的切割需求，所述长焦聚焦透镜的焦距为780～890mm，所述短焦聚焦透镜的焦距为70～110mm。
15.为了便于移动材料的同时保障激光光斑的质量，还包括安装平台和驱动机构，所述安装平台固定设于所述加工平台的上方，且所述短焦聚焦透镜安装在所述安装平台上；所述驱动机构包括第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构，所述第一驱动机构能驱动所述加工平台上下移动，所述第二驱动机构能驱动所述加工平台左右移动，所述第三驱动机构能驱动所述加工平台前后方向移动。第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构均为电机、丝杆、螺母的配合结构，且第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机均由控制系统控制。
16.本发明解决上述的第二个技术问题所采用的技术方案为：还包括监测装置，该监测装置沿光路方向依次包括
17.二向色镜，设于所述长焦聚焦透镜和短焦聚焦透镜之间，来自长焦聚焦透镜的光束经所述二向色镜后形成第一光束和第二光束，该第一光束入射至短焦聚焦透镜；
18.第一反射镜，将所述第二光束反射至成像镜头；
19.所述成像镜头，对所述第二光束进行成像；
20.相机，对所述成像镜头上的成像进行拍摄并能将成像信号上传到终端设备上。
21.终端设备可以是电脑、手机、平板电脑、投影仪、电视等，且终端设备与控制系统电信号连接，能够将成像信息传输至控制系统中，使控制系统对成像信息进行数据处理，并根据处理结果控制驱动机构相应动作。监测装置能够在调焦和加工过程中对光斑进行实时监测，并通过终端设备进行观察，从而能够根据成像信号对待加工样品的位置进行调整，以与激光光斑的焦点适配，从而提高加工精度。
22.为了便于根据加工材料选择合适的激光，所述激光器包括至少两个子激光器，所述激光器和所述长焦聚焦透镜之间还设有波束整形器。多束激光可以通过波束整形器进行合束和重叠，以调整光斑形状和能量分布，然后根据材料的性质和加工需求来选择所需波长的激光束：单束激光或者合束重叠之后的激光束，从而能够达到最好的切割效果，也使激光光斑更加适于切割复合的脆性材料。
23.可以根据波束整形器和子激光器的实际尺寸对波束整形器和子激光器合理分布，如将所有子激光器与波束整形器正对，或，将部分子激光器与波束整形器正对、部分子激光器偏离波束整形器，或者，将所有子激光器偏离波束整形器，并且，偏离的子激光器与波束整形器之间设有将对应的子激光器输出的光束入射至该波束整形器中的第二反射镜。更为优选的是，其中一个子激光器的出光方向正对该波束整形器，其余子激光器均偏离所述波
束整形器，且偏离的子激光器与所述波束整形器之间设有将对应的子激光器输出的光束入射至该波束整形器中的第二反射镜。
24.为了便于调整光束的发散角和直径，所述波束整形器和所述长焦聚焦透镜之间还设有扩束器。扩束器能够校准光束的准直，使光斑的尺寸会更加均匀，且激光先整形、再扩束最后聚焦能够使得到的激光光斑更加优异。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过长焦聚焦透镜调整激光的光束分布，以实现更长的焦深分布，更有利于脆性材料的切割，再通过短焦聚焦透镜对激光再次聚焦，使两次聚焦后得到的光斑瑞利长度更长，尺寸更小，能量更加集中，功率密度更大，能够提高激光加工深度，从而提高加工效率，还能够提高加工精度；通过将短焦聚焦透镜固定设置，并通过驱动机构驱动加工平台在三维平面内移动，以对材料精准加工，且能够避免在加工过程中移动光斑而影响激光光斑的分布和尺寸，能够使激光光斑质量更稳定，从而使激光切割的平面更加平整，加工材料损伤更小；采用监测装置监测激光光束，能够根据监测情况调整待加工样品的位置，以与激光光斑的焦点适配，从而进一步提高加工精度。
附图说明
26.图1为本发明实施例中的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中的正视图。
具体实施方式
28.以下对本发明实施例作进一步详细描述。
29.如图1和图2所示，为本发明的最佳实施例。
30.如图1和图2所示，本实施例中的激光加工系统，沿光路方向依次包括激光器1、第二反射镜2、波束整形器3、扩束器4、长焦聚焦透镜51、短焦聚焦透镜52和加工平台9等主要零部件。
31.如图1和图2所示，该激光器1用于输出光束。该激光器1包括两个子激光器10，其中一个子激光器10的出光方向正对波束整形器3，另一个子激光器10的出光方向偏离波束整形器3并与波束整形器3之间设有两个第二反射镜2，以将另一个子激光器10输出的光束入射至波束整形器3中。多束激光可以通过波束整形器3进行合束和重叠，以调整光斑形状和能量分布，然后根据材料的性质和加工需求来选择所需波长的激光束：单束激光或者合束重叠之后的激光束，从而能够达到最好的切割效果，也使激光光斑更加适于切割复合的脆性材料。扩束器4能调整光束的发散角和直径，从而校准光束的准直，使光斑的尺寸会更加均匀。
32.如图1所示，本实施例中，长焦聚焦透镜51能够调整激光的光束分布，以实现更长的焦深分布，更有利于脆性材料的切割，再通过短焦聚焦透镜52对激光再次聚焦，使两次聚焦后得到的光斑瑞利长度更长，尺寸更小，能量更加集中，功率密度更大，能够提高激光加工深度，从而提高加工效率，还能够提高加工精度。其中，长焦聚焦透镜51的焦距为780～890mm，短焦聚焦透镜52的焦距为70～110mm，从而能够使激光光斑满足大部分的硬脆材料的切割需求。此外，激光先整形、再扩束，最后聚焦，能够使得到的激光光斑更加优异。
33.如图1和图2所示，还包括安装平台7和驱动机构，该安装平台7固定设于加工平台9
的上方，且短焦聚焦透镜52固定在安装平台7上，以将激光光斑固定。安装平台7可以作为机架的一部分，也可以是安装在立柱上。该驱动机构包括第一驱动机构81、第二驱动机构82和第三驱动机构83，该第一驱动机构81能驱动加工平台91上下移动，该第二驱动机构82能驱动加工平台9左右移动，该第三驱动机构83能驱动加工平台9前后方向移动，从而能驱动放置于加工平台9上的待加工样品91在三维空间中移动。其中，第一驱动机构81、第二驱动机构82和第三驱动机构83均为电机、丝杆和螺母的配合结构，可参考现有技术。第一驱动机构81、第二驱动机构82和第三驱动机构83均由控制系统控制而动作，如各电机沿某个方向转动多少圈。本实施例中的激光加工系统通过固定激光光斑，并在加工过程中移动加工材料，以对材料精准加工，且能够避免在加工过程中移动光斑而影响激光光斑的分布和尺寸，能够使激光光斑质量更稳定，从而使激光切割的平面更加平整，加工材料损伤更小。
34.如图1和图2所示，还包括监测装置，该监测装置沿光路方向依次包括二向色镜61、第一反射镜62、成像镜头63和相机64。其中，该二向色镜61设于长焦聚焦透镜51和短焦聚焦透镜52之间，且来自长焦聚焦透镜51的光束经二向色镜61后形成第一光束和第二光束，该第一光束入射至短焦聚焦透镜52，该第二光束经第一反射镜62反射至成像镜头63并在成像镜头63上成像。该相机64对成像镜头63上的成像进行拍摄并能将成像信号上传到终端设备上。终端设备可以是电脑、手机、平板电脑、投影仪、电视等，且终端设备与控制系统电信号连接，能够将成像信息传输至控制系统中，使控制系统对成像信息进行数据处理，并根据处理结果控制驱动机构相应动作。该监测装置能够在调焦和加工过程中对光斑进行实时监测，并通过终端设备进行观察，从而能够根据成像信号对待加工样品的位置进行调整，以与激光光斑的焦点适配，从而提高加工精度。