本發(fā)明涉及激光加工系統(tǒng)，尤其涉及一種適合于脆性材料加工的智能型激光加工系統(tǒng)及其加工方法。

發(fā)明背景

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)基于脆性材料的二維平面或三維立體工件的要求和需求越來(lái)越高，例如，制造商正在越來(lái)越多地在消費(fèi)電子設(shè)備領(lǐng)域使用由脆性材料形成的三維基片并從三維基片襯底中切割除三維工件，以滿足所需的工業(yè)設(shè)計(jì)要求。然而，制造具有較高精度和質(zhì)量的基于脆性材料的二維平面或三維立體工件，如玻璃、晶體材料(例如藍(lán)寶石)或陶瓷目前仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

例如，傳統(tǒng)的制造業(yè)大多數(shù)使用數(shù)控機(jī)床、線鋸、以及研磨拋光等對(duì)脆性材料進(jìn)行加工并制造零件。這個(gè)加工過程是極其緩慢的，并且需要多重步驟來(lái)進(jìn)行加工。一個(gè)加工的工廠可能需要幾百臺(tái)機(jī)器來(lái)處理和加工零件。此外，這種方法是昂貴的和勞動(dòng)密集型的。而且，強(qiáng)力機(jī)械裝置(線鋸，CNC磨床)切割通常會(huì)導(dǎo)致較低的工件生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，生產(chǎn)過程中伴隨的機(jī)械力在脆性材料基板上的壓力可能直接導(dǎo)致工件的斷裂、碎裂和破損。

近來(lái)，一些制造商正試圖開發(fā)采用激光加工脆性材料的機(jī)器，如圖1所示，通常的機(jī)器包括激光器11、光學(xué)模組12、激光聚焦鏡或掃描鏡13、以及激光光路與加工件的聯(lián)動(dòng)裝置14。光學(xué)模組12通常包括激光時(shí)域與空間的調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、激光傳輸、偏振控制等。但是，這些機(jī)器只能切割二維零件，并且加工精度和質(zhì)量低。這些機(jī)器加工后的零件必須經(jīng)過多步的研磨加工，以達(dá)到所需的尺寸公差和質(zhì)量。而且，這些機(jī)器沒有采用系統(tǒng)的方法來(lái)創(chuàng)建一種加工程序，以處理和加工這些零件并達(dá)到所需的切割質(zhì)量，并且無(wú)后處理。因此，這些機(jī)器的加工工藝是基于不斷嘗試迭代生 成的，完全達(dá)不到現(xiàn)代制造業(yè)所要求的智能型激光加工系統(tǒng)的要求。

另外，從加工工藝上來(lái)說，利用冷激光，例如利用超短脈沖激光器處理脆性材料時(shí)不產(chǎn)生熱效應(yīng)，沒有熱影響區(qū)(HAZ)，故也是激光加工脆性材料的一種優(yōu)選工藝。超短脈沖激光器包括飛秒激光器和脈沖寬度小于10皮秒的皮秒激光器，而利用超短脈沖激光器進(jìn)行材料加工與處理有兩種方式：材料改性和材料消融(燒蝕)。材料改性是物質(zhì)局部吸收飛秒激光后折射率發(fā)生變化，利用雙光子聚合和光化學(xué)反應(yīng)等機(jī)理實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。材料消融(燒蝕)是冷激光燒蝕靶材產(chǎn)生高溫高壓等離子體。當(dāng)?shù)入x子體形成的時(shí)間小于將入射脈沖能量傳輸?shù)街苓叢牧系臅r(shí)間時(shí)，就不會(huì)引起熱擴(kuò)散效應(yīng)。因此，人們期望利用冷激光和微加工區(qū)域的多光子非線性吸收和電離，可對(duì)任何脆性材料實(shí)現(xiàn)無(wú)熱傳遞的微細(xì)加工。另一方面，人們還期望通過提高激光加工系統(tǒng)的智能化程度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的加工精度和質(zhì)量，并進(jìn)一步降低加工件的加工時(shí)間和加工成本，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平面和三維立體脆性材料的全自動(dòng)加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種適合于脆性材料加工的智能型激光加工系統(tǒng)及其操作系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種適合于脆性材料加工的智能型激光加工方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種智能型激光加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

激光加工裝置，所述激光加工裝置包括CCD攝像頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、用以?shī)A持加工件的夾具、光學(xué)模組、自動(dòng)化硬件和激光器；

工藝加工控制器，包括用以控制所述CCD攝像頭的視覺系統(tǒng)控制器、用以控制所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)/夾具/光學(xué)模組的運(yùn)動(dòng)控制器、用以控制自動(dòng)化硬件的加工件/材料處理控制器、以及用以控制所述激光器的激光控制器；

工作站控制器，包括用以產(chǎn)生協(xié)調(diào)工藝加工的各個(gè)子系統(tǒng)的指令算法的工藝產(chǎn)生與編輯器，以及用以存儲(chǔ)所述各個(gè)子系統(tǒng)的專有參數(shù)設(shè)置的智能 加工數(shù)據(jù)庫(kù)；

工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所述工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括基于所述智能加工數(shù)據(jù)庫(kù)建立的加工工藝程序庫(kù)；以及

圖形用戶接口，便于操作者以與所述工作站控制器同步或者獨(dú)立的方式控制所述激光加工裝置，并且能調(diào)用所述加工工藝程序庫(kù)中的加工工藝程序。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述加工件為包括玻璃、晶體、陶瓷或?qū)訅喊逶趦?nèi)的脆性材料。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述激光器包括超短脈沖激光器，其參數(shù)包括：波長(zhǎng)為紫外200nm-300nm，可見光500nm-600nm，近紅外900nm-1100nm；脈沖寬度為0.2ps-10ps；重復(fù)頻率為≥10kHz；單脈沖能量為0.5μJ-100μJ。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述激光器還包括用作輔助激光器的二氧化碳激光器或一氧化碳激光器，其參數(shù)包括：波長(zhǎng)為9000nm-11000nm，4000nm-6000nm；平均功率為≥5W。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述加工工藝包括對(duì)所述加工件的周邊切割、邊緣倒角和切/鉆孔。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述圖形用戶接口配置成接收所述加工件包括大小和形狀、材料特定類型和厚度在內(nèi)的參數(shù)輸入。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述圖形用戶接口配置成對(duì)所述加工件進(jìn)行包括加工路徑的編輯與修改、加工工藝參數(shù)的編輯與修改和加工作業(yè)的存儲(chǔ)在內(nèi)的參數(shù)編輯。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述圖形用戶接口配置成對(duì)所述系統(tǒng)進(jìn)行包括加工件的多方位可視化、系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)加工路徑的可視化和加工件的CAM可視化在內(nèi)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述工藝產(chǎn)生與編輯器配置成產(chǎn)生包括刀具軌跡、激光設(shè)置、激光觸發(fā)設(shè)置、光學(xué)模塊選擇、激光掃描算法和夾具控制與驅(qū)動(dòng)在內(nèi)的可執(zhí)行指令。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述智能加個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的參數(shù)設(shè)置包括脆性材料種類、刀具軌跡、激光設(shè)置、激光觸發(fā)設(shè)置、光學(xué)模塊選擇、激光掃描算法和夾具控制與驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述工作站控制器通過硬件I/O觸發(fā)信號(hào)控制所述激光控制器、視覺系統(tǒng)控制器、運(yùn)動(dòng)控制器以及加工件/材料處理控制器的驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述加工件/材料處理控制器配置成對(duì)所述加工件進(jìn)行包括上料、下料、夾具控制和廢料處理在內(nèi)的自動(dòng)化處理。

根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，其中，所述激光器通過獨(dú)立的應(yīng)用程式界面與所述工藝加工控制器互動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種智能型激光加工系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，所述操作系統(tǒng)包括；

工作站控制器，包括用以產(chǎn)生協(xié)調(diào)工藝加工的各個(gè)子系統(tǒng)的指令算法的工藝產(chǎn)生與編輯器，以及用以存儲(chǔ)所述各個(gè)子系統(tǒng)的專有參數(shù)設(shè)置的智能加工數(shù)據(jù)庫(kù)；

工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所述工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括基于激光加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的加工工藝程序庫(kù)；以及

圖形用戶接口，便于操作者以與所述工作站控制器同步或者獨(dú)立的方式控制激光加工裝置，并且能調(diào)用所述加工工藝程序庫(kù)中的加工工藝程序。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種智能型激光加工方法，所述方法包括以下步驟：

a.通過圖形用戶接口從數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)輸入的特定全局參數(shù)選擇一加工工藝程序；

b.判斷該加工工藝程序是否存在于一激光加工工藝程序庫(kù)中；

c.當(dāng)判斷該加工工藝程序未存在于所述激光加工工藝程序庫(kù)時(shí)，向系統(tǒng)提交新的加工工藝開發(fā)要求，并在新的加工工藝開發(fā)完成之后，將該加工工藝程序的所有數(shù)據(jù)備份并添加到所述激光加工工藝程序庫(kù)中以創(chuàng)建一 個(gè)新的加工工藝程序庫(kù)；

d.當(dāng)判斷該加工工藝程序已存在于所述激光加工工藝程序庫(kù)時(shí)，則自動(dòng)從所述加工工藝程序庫(kù)中加載能在激光加工系統(tǒng)上直接運(yùn)行的指令程序；

e.安裝用以?shī)A持加工件的夾具，并按照所述激光加工工藝程序的加工指令自動(dòng)執(zhí)行激光加工工序；

f.將與該激光加工工序相關(guān)的所有數(shù)據(jù)備份在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

根據(jù)以上所述的方法，其中，所述步驟c中創(chuàng)建新的加工工藝程序庫(kù)的步驟包括：

c1.獲得待加工的毛坯件和激光加工件的CAD文件以及毛坯件；

c2.當(dāng)判斷該CAD文件和毛坯件不符合各自的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，對(duì)其進(jìn)行修改，或者，當(dāng)判斷該CAD文件和毛坯件符合各自的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，通過第三方的CAM軟件生成G代碼的機(jī)器可運(yùn)行指令，并對(duì)夾具進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化；

c3.當(dāng)判斷所述開發(fā)和優(yōu)化的夾具不符合其設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，對(duì)夾具作進(jìn)一步的優(yōu)化，或者，當(dāng)判斷所述開發(fā)和優(yōu)化的夾具符合其設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)，對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化；

c4.當(dāng)判斷優(yōu)化后的加工工藝不符合客戶要求時(shí)，對(duì)所述加工工藝作進(jìn)一步的優(yōu)化，或者，當(dāng)判斷優(yōu)化后的加工工藝符合客戶要求時(shí)，對(duì)已符合客戶要求的加工工藝進(jìn)行鑒定和初步驗(yàn)收測(cè)試，并將該符合客戶要求的加工工藝參數(shù)備份在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

根據(jù)以上所述的方法，其中，所述步驟e還包括對(duì)所述加工件執(zhí)行上料和下料的自動(dòng)化操作的步驟。

根據(jù)以上所述的方法，其中，所述步驟e還包括在所述加工工序執(zhí)行視覺控制和加工件校準(zhǔn)的步驟。

根據(jù)以上所述的方法，其中，所述步驟e還包括在所述加工工序執(zhí)行多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制以實(shí)施加工工藝流程控制的步驟。

根據(jù)以上所述的方法，其中，所述步驟e還包括在所述加工工序執(zhí)行廢料自動(dòng)化處理的步驟。

根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)，能對(duì)二維平面和三維立體脆性材料進(jìn)行高精度和高質(zhì)量的加工，并且，根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)二維及三維脆性材料的快速加工(至少比現(xiàn)在所有的基于純數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工或激光與數(shù)控機(jī)床結(jié)合加工方法快10倍以上)。同時(shí)，該智能型激光加工系統(tǒng)為脆性材料尤其是三維立體脆性材料加工提供了一個(gè)加工成本低廉的激光加工系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是表示傳統(tǒng)的激光加工脆性材料的機(jī)器示意圖；

圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)框架示意圖；

圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，一個(gè)加工工藝程序庫(kù)的創(chuàng)建流程示意圖；

圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，一個(gè)加工工藝控制實(shí)施例的流程示意圖；

圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，一個(gè)自動(dòng)加工工藝實(shí)施例的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)和加工方法進(jìn)行詳細(xì)的描述，附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件或者操作步驟。本發(fā)明的其它的目的、優(yōu)點(diǎn)和效果在以下結(jié)合附圖和實(shí)施例的描述中將變得更加明白。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖2，智能型激光加工系統(tǒng)包括圖形用戶接口(也稱用戶界面)20、工作站控制器22、工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24、工藝加工控制器26和激光加工裝置28。其中，工作站控制器22通過激光加工管理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)激光加工系統(tǒng)的控制，包括對(duì)例如CCD攝像頭、用以?shī)A持加工件的夾具、光學(xué)模組和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等激光加工裝置28的控制，或者配合工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24實(shí)現(xiàn)對(duì)激光加工裝置28的激光 器的控制。工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24例如包括一個(gè)激光加工工藝程序庫(kù)，后者是基于激光加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的。而用戶界面20是便于工程師或操作者以與工作站控制器22同步或者獨(dú)立的方式控制激光加工裝置28的運(yùn)動(dòng)軸。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)合參見圖2和圖3，該智能型激光加工系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包含三個(gè)層面：加工軟件管理層31、工藝加工控制層32、以及底層硬件層33。其中，加工軟件管理層31包括用戶界面20、工作站控制器22和加工工藝程序庫(kù)241。工藝加工控制層32主要由工藝加工控制器26實(shí)現(xiàn)，它包括視覺系統(tǒng)控制器321、運(yùn)動(dòng)控制器322、加工件/材料處理控制器323和激光控制器324等等。硬件層33包括CCD攝像頭331、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)332、夾具333、光學(xué)模組334、自動(dòng)化硬件335、主激光器336和輔助激光器337等部件。

本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)通過激光加工軟件管理層31實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝加工控制層32、基于激光加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的加工工藝程序庫(kù)241、以及系統(tǒng)硬件層33的管理及控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平面及三維立體脆性材料的智能型高精度、高質(zhì)量、高速度和高效率的激光加工。

工作站控制器22通過硬件輸入輸出(硬件I/O)觸發(fā)信號(hào)326控制激光控制器324、視覺系統(tǒng)控制器321、運(yùn)動(dòng)控制器(例如多軸聯(lián)動(dòng)控制器)322、以及加工件/材料處理控制器323(包括上料、下料、夾具控制及廢料件處理控制)的驅(qū)動(dòng)。

底層硬件層33中的CCD攝像頭331、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(例如多軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái))332、夾具333、以及光學(xué)模組334由工藝加工控制層32通過視覺系統(tǒng)控制器321、運(yùn)動(dòng)控制器322、以及加工件/材料處理控制器323驅(qū)動(dòng)與控制。激光器，包括主激光器(例如超短脈沖激光器)336和輔助激光器337，由工藝加工控制層32通過激光控制器324驅(qū)動(dòng)，主激光器336和輔助激光器337還通過各自獨(dú)立的應(yīng)用程序界面與工藝加工控制層32的工藝加工控制器26實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。

具體而言，本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)是一個(gè)直觀的可觸摸的操作系統(tǒng)，用于處理激光脆性材料加工。其中的用戶界面20便于工程師/操作 者以同步或獨(dú)立的方式控制加工工作站控制器22。此圖形用戶界面20允許工程師/操作人員執(zhí)行基本配方文件操作，例如打開、保存、另存為、編輯、復(fù)制、剪切、粘貼、搜索、替換等。圖形用戶界面20含有特定工件的工藝元件，例如G碼、掃描圖案、以及工藝加工控制器320可執(zhí)行文件和可用的參數(shù)，它通過協(xié)調(diào)工作站控制器22的通用參數(shù)與特有的激光切割工藝組件支配流程的執(zhí)行，以保證加工質(zhì)量。在實(shí)際激光加工之前，工程師/操作員可以通過用戶界面20和工作站控制器22建立、可視化并模擬他們想加工的脆性材料毛坯件及激光加工件。當(dāng)工程師/操作員輸入特定的全局參數(shù)，包括加工件尺寸/形狀、材料以及厚度，該虛擬零件即被創(chuàng)建。全局參數(shù)的有效性將通過特定的滿足激光加工要求的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證。另外，工程師/操作員可以通過選擇，組合編輯預(yù)定形狀和工藝來(lái)創(chuàng)建虛擬加工件。設(shè)計(jì)規(guī)則、預(yù)定形狀等信息存儲(chǔ)在位于系統(tǒng)中，例如位于工作站控制器22的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

工程師/操作員還可以通過用戶界面20和工作站控制器22選擇加載第三方CAM軟件包生成刀具路徑。這個(gè)路徑也將通過設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證。如有必要工程師/操作員能夠手動(dòng)編輯工具路徑。

工程師/操作員還可以通過用戶界面20和工作站控制器22指定其他特定的任務(wù)，例如在每個(gè)加工件上標(biāo)記一個(gè)標(biāo)識(shí)、使用視覺系統(tǒng)對(duì)加工件進(jìn)行測(cè)量、將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行審查。

完成設(shè)計(jì)后，工程師/操作員可以通過用戶界面20和工作站控制器22保存文件并創(chuàng)建一個(gè)作業(yè)。在創(chuàng)建作業(yè)時(shí)，底層算法會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行文件，該文件加載程序和協(xié)調(diào)工藝加工控制器26并通過視覺系統(tǒng)控制器321、運(yùn)動(dòng)控制器322、加工件/材料處理控制器323和激光控制器324，分別控制CCD攝像頭331、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)332、夾具333、光學(xué)模組334、自動(dòng)化硬件335、以及主激光器336和輔助激光器337的動(dòng)作，以加工脆性材料毛坯件。

上述可執(zhí)行文件是通過調(diào)用工藝加工控制器26中存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的特定信息來(lái)創(chuàng)建的，該數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息是一套通過實(shí)驗(yàn)確定并優(yōu)化的硬脆性材料加工條件。

工程師/操作員通過用戶界面20進(jìn)行參數(shù)輸入、參數(shù)編輯、以及激光加工系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

參數(shù)輸入包括如下部分：

·加工件的大小和形狀。這些參數(shù)可以直接從形狀數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得，也可以從外部的激光路徑產(chǎn)生

·加工件的材料特定類型

·加工件的厚度

參數(shù)編輯包括如下部分：

·加工路徑的編輯與修改

·加工工藝參數(shù)的編輯與修改

·作業(yè)的存貯

激光加工系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控包括如下部分：

·激光加工件的多方位可視化

·激光加工系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

·加工件的實(shí)時(shí)加工路徑的可視化

·激光加工件的CAM可視化

工作站控制器22例如包括工藝產(chǎn)生與編輯器(未圖示)以及智能加工數(shù)據(jù)庫(kù)(未圖示)。其中，工藝產(chǎn)生與編輯器是一個(gè)產(chǎn)生協(xié)調(diào)工藝加工控制層32的各個(gè)子系統(tǒng)的指令的算法系統(tǒng)。該算法的執(zhí)行基于輸入的全局參數(shù)以及所生成的作業(yè)。當(dāng)作業(yè)生成并存儲(chǔ)之后，工藝產(chǎn)生與編輯器產(chǎn)生可執(zhí)行的指令。這些指令對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)輸入具體程序。這些指令可以是從預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得，或者通過工程師/操作員編輯產(chǎn)生。工藝產(chǎn)生與編輯器包括如下組成部分：

·刀具軌跡

·激光設(shè)置

·激光觸發(fā)設(shè)置

·光學(xué)模塊選擇

·掃描算法

·夾具控制與驅(qū)動(dòng)

智能加工數(shù)據(jù)庫(kù)包含工藝加工控制層32中所有子系統(tǒng)的專有參數(shù)設(shè)置，這些專有參數(shù)設(shè)置是通過對(duì)每個(gè)參數(shù)的反復(fù)試驗(yàn)而獲得的。智能加工數(shù)據(jù)庫(kù)包含如下內(nèi)容：

·脆性材料種類：包括玻璃、藍(lán)寶石、層壓板等。

·刀具軌跡：跟蹤周邊形狀的多軸聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)位置或形狀特定的運(yùn)動(dòng)(例如：曲線周圍的速度變化)。根據(jù)加工件厚度決定的掃描次數(shù)。通過對(duì)多軸“切割線”的位置的三維運(yùn)動(dòng)映射，確保激光束入射在切割線90±10°。

·激光設(shè)置：包括激光器波長(zhǎng)、脈沖頻率、脈沖能量、脈沖/脈沖串形式、脈沖寬度。

·激光觸發(fā)設(shè)置：基于材料、局部幾何形狀和全局形狀的激光設(shè)置與刀具路徑的精確協(xié)調(diào)。

·光學(xué)模塊選擇：該系統(tǒng)包含與所處理的材料相匹配的光學(xué)模塊和單元處理操作。適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)模塊的選擇是基于加工操作的類型和要求(例如：切割與倒角；玻璃和層壓板等)。

·掃描算法：將最終三維形狀分離為可以依次掃描的離散層。通過位置相關(guān)的形狀，并縫合在一起形成連續(xù)掃描層的整體三維結(jié)構(gòu)。

·夾具控制與驅(qū)動(dòng)：本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)使用專有設(shè)計(jì)的夾具來(lái)處理二維和三維脆性材料零件。夾具具有多個(gè)需要真空或空氣壓力驅(qū)動(dòng)器。協(xié)調(diào)多個(gè)驅(qū)動(dòng)的壓縮空氣壓力、真空、以及液體流動(dòng)需要通過專門的邏輯控制。

除了用戶界面20和工作站控制器22之外，加工軟件管理層31還包括加工工藝程序庫(kù)241，后者例如在工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24內(nèi)創(chuàng)建。

圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，例如一個(gè)加工工藝程序庫(kù)241的創(chuàng)建流程。參見圖4，流程從步驟S300開始，工程師/操作員從客戶處獲得待加工的毛坯件和激光加工件的CAD文件以及毛坯件。步驟S301和S302，工程師/操作員分別對(duì)CAD文件和毛坯件進(jìn)行檢查。步驟S303，流程判斷CAD文件和毛坯件是否符合各自的設(shè)計(jì)規(guī)則，如否，流程進(jìn)入步 驟S304，需要工程師/操作員與客戶溝通并進(jìn)行修改；如是，流程進(jìn)入步驟S305，系統(tǒng)通過例如第三方的CAM軟件生成例如G代碼的機(jī)器可運(yùn)行指令。步驟S306，系統(tǒng)對(duì)夾具進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化。步驟S307，系統(tǒng)判斷開發(fā)和優(yōu)化的夾具是否符合其設(shè)計(jì)規(guī)則，如否，流程返回步驟S306，系統(tǒng)對(duì)夾具作進(jìn)一步的優(yōu)化；如是，流程進(jìn)入步驟S308，系統(tǒng)對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。步驟S309，系統(tǒng)判斷優(yōu)化后的加工工藝是否符合客戶要求，如否，流程返回步驟S308，系統(tǒng)對(duì)加工工藝作進(jìn)一步的優(yōu)化；如是，流程進(jìn)入步驟S310，系統(tǒng)對(duì)已符合客戶要求的加工工藝進(jìn)行鑒定和初步驗(yàn)收測(cè)試，并在步驟S311將滿足客戶要求的激光加工工藝參數(shù)備份在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供系統(tǒng)使用。流程在步驟S312結(jié)束。

本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)是一個(gè)基于軟件控制的光機(jī)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過智能型軟件及操作系統(tǒng)集成了光機(jī)電硬件、驅(qū)動(dòng)、控制、以及加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

該智能型激光加工系統(tǒng)通常使用超短脈沖激光器336對(duì)脆性材料進(jìn)行激光加工。在某些條件下，另一個(gè)輔助的激光器337，例如脈沖的或連續(xù)波的，可以協(xié)助超短脈沖激光器336完成對(duì)脆性材料的加工。

該智能型激光加工系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平面及三維立體脆性材料的如下加工：

·脆性材料的周邊切割：將具有一定形狀的脆性材料從基板中切割出來(lái)。

·脆性材料邊緣倒角：將脆性材料加工件的邊緣按照一定形狀的要求進(jìn)行倒角以增加激光加工件的強(qiáng)度。

·脆性材料切/鉆孔：在脆性材料基板中切割出/鉆出例如菜單孔、聽筒孔/槽、以及微孔等。

通常用于此智能型激光加工系統(tǒng)的主激光器采用超短脈沖激光器336，它例如具有如下參數(shù)：

·波長(zhǎng)：紫外200nm-300nm；可見500nm-600nm；近紅外900nm-1100nm.

·脈沖寬度：0.2ps-10ps。

·重復(fù)頻率：≥10kHz

·單脈沖能量：0.5μJ-100μJ。

通常用于此智能型激光加工系統(tǒng)的輔助激光器337例如采用二氧化碳激光器或一氧化碳激光器，它例如具有如下參數(shù)：

·波長(zhǎng)：9000nm-11000nm，4000nm-6000nm

·平均功率：≥5W

如前所述，本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)采用冷激光，例如利用超短脈沖激光器336處理脆性材料時(shí)不產(chǎn)生熱效應(yīng)，沒有熱影響區(qū)(HAZ)，故也是激光加工脆性材料的一種優(yōu)選方法。但是，當(dāng)要求對(duì)脆性材料進(jìn)行曲線切割，以及對(duì)三維立體材料進(jìn)行切割時(shí)，單獨(dú)采用冷激光很難控制脆性材料沿切割曲線路徑分離/分裂。當(dāng)曲線半徑很小時(shí)(例如小于10毫米)，激光切割速度必須大大降低以控制脆性材料沿切割曲線路徑分離/分裂，同時(shí)保證切割面質(zhì)量。作為一種優(yōu)選的方案，本發(fā)明采用輔助激光器337配合主激光器336的激光加工就可以進(jìn)一步提高激光加工的速度和質(zhì)量。因?yàn)椋瑹峒す庠诖嘈圆牧现挟a(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定閾值時(shí)，脆性材料將在應(yīng)力的作用下沿著冷激光的作用線或面發(fā)生分裂/分離。

使用本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下二維及三維脆性材料加工質(zhì)量參數(shù)：

·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

·制程能力指標(biāo)(Cpk)：≥1.33

圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，一個(gè)加工工藝控制實(shí)施例的流程圖。參見圖5，流程在步驟S50開始，步驟S51，工程師/操作員首先通過用戶界面20從數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)輸入的特定全局參數(shù)選擇某加工工藝程序。步驟S52，系統(tǒng)判斷，該加工工藝程序在數(shù)據(jù)庫(kù)中存在與否，如否，流程進(jìn)入步驟S53，該工程師/操作員向系統(tǒng)提交新的加工工藝開發(fā)要 求(例如可以加入上述一個(gè)加工工藝程序庫(kù)241的創(chuàng)建流程)。新的加工工藝開發(fā)完成之后，所有數(shù)據(jù)將被備份，并添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果步驟S52判斷加工該加工件的加工工藝存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中，則系統(tǒng)在步驟S54自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中加載可以在該激光加工系統(tǒng)上直接運(yùn)行的指令程序。同時(shí)，在步驟S55，程序員安裝夾具。步驟S56，系統(tǒng)控制下的加工指令程序自動(dòng)執(zhí)行激光加工工序(以下將作詳細(xì)描述)。當(dāng)一個(gè)毛坯件的激光加工工序結(jié)束后，系統(tǒng)在步驟S57會(huì)通過用戶界面20提示并詢問工程師/操作員是否需要繼續(xù)加工下一個(gè)毛坯件。如是，流程返回步驟S56，系統(tǒng)上料下一個(gè)毛坯件，繼續(xù)下一個(gè)加工工序。如否，則系統(tǒng)在步驟S58將所有與此次激光加工作業(yè)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)備份在數(shù)據(jù)庫(kù)中以備將來(lái)查用。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的智能型激光加工系統(tǒng)中，一個(gè)自動(dòng)加工實(shí)施例的流程圖。結(jié)合參見圖5和圖6，當(dāng)在步驟S56，系統(tǒng)控制下的加工指令程序自動(dòng)執(zhí)行激光加工工序時(shí)，流程進(jìn)入步驟S61，系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)上料毛坯件。接著，流程進(jìn)入步驟S62，系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)毛坯件。在步驟S63，系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)控制器321執(zhí)行精確對(duì)準(zhǔn)毛坯件的工序。然后，流程進(jìn)入步驟S64，系統(tǒng)執(zhí)行激光加工毛坯件。在步驟S65，系統(tǒng)執(zhí)行全自動(dòng)廢料處理，并在步驟S66，執(zhí)行自動(dòng)下料激光加工件，最后，在步驟S67，系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)下料廢料的工序，至此，一個(gè)激光加工流程告一段落。

當(dāng)然，如前所述，根據(jù)本發(fā)明的激光加工方法不僅適用于對(duì)加工件的二維平面加工，同時(shí)也適用于對(duì)加工件的三維立體加工，其中的區(qū)別在于：1.三維立體加工必須要用到多軸聯(lián)動(dòng)與控制；2.三維立體加工要用到特殊的掃描算法：即，將三維掃描形狀分離成可以依次掃描的離散層，通過與位置相關(guān)的形狀，并縫合在一起形成連續(xù)掃描的層的整體三維結(jié)構(gòu)；3.毛坯件和夾具必須滿足三維立體加工的設(shè)計(jì)要求。

以上結(jié)合附圖和實(shí)施例描述了根據(jù)本發(fā)明的尤其適合于脆性材料的智能型激光加工系統(tǒng)及其加工方法的較佳實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，本領(lǐng)域的熟練人員還可以在此基礎(chǔ)上作出各種變化和變換，但這種變化和變換均屬于本發(fā)明的范圍。