同轴激光位移传感——自动对焦激光加工助力智能制造

新闻动态 | 2018-12-04 05:57

引文:本文主要介绍非接触式激光加工系统的实际应用。

熟悉激光加工的人都知道,现阶段多数的激光加工(打标、切割、焊接)都是基于平面加工,对于不同的样品,我们常规的聚焦处理方式为在已知焦平面基础上增加加工样品厚度(高度)值,通过移动Z轴实现激光焦点重新聚焦到材料表面。对于长焦深或者加工要求并不高的情况,这种处理方式已经可以满足加工要求。

但是我们依然常常碰到这样的问题,材料对于焦距变化很敏感,同一样品的不同区域加工效果不一致;本次测试与下次测试加工效果的不一致;同一加工参数,更换不同厚度样品后加工效果不一致(虽然输入了高度差值)等等。

如图1所示,除材料本身的吸收特性外,以上现象通常是由焦距变化(离焦),而可能的原因主要有:

1)加工材料表面自身的的高度浮动差异,如图2所示。理想的材料为平面结构,但是实际上材料本身的表面浮动以及材料上下两面的平行度,材料的刚性特性等等,都会造成表面差异。

图2 理想材料表面与实际材料表面差异

2)加工平台的平面度误差,如图3所示。无论常规的铝制平台还是蜂窝平台,平台的幅面越大,整幅面平面度越低,加工样品放置在平台上后也造成了高度方向的变化。 

图3  铝制平台与蜂窝台平面度差异

3)平台吸附的一致性变化。加工样品是否吸附,吸附气压的高低,样品刚性等等也会造成样品表面高低差异。

如上文所述,对于加工要求不高的情况,我们是通过差值补偿,即通过增加激光功率或者改变焦深范围以改善最差加工效果(牺牲最优加工效果)的方式来解决。同时,我们通过控制改善材料表面平整度、控制加工平台平面度、控制平台吸附指标一致性等来优化焦平面变化量。

但是随着显示半导体、微芯片等领域的快速发展,材料和样品的轻、薄、微等特性的逐步体现,自动化程度的进一步提高,我们将面对以下问题:

1、平面加工中,对于加工的精密、准确、质量一致性等指标提出了全新的要求。随着飞秒皮秒等超快激光器、物镜微透镜等光学器件逐步使用,激光加工更为精细,焦距更短,材料反应更为敏感,少许的焦平面变化就会造成较大的一致性差异,这种情况下,在改善材料本身平整度的同时,如何实现焦距精确实时控制?

2、随着产业自动化程度的提高,后续我们将碰到越来越多复杂型面材料的加工,对于已知样品3D图形的情况,如图4所示,如何保证3D图形与实际样品的一致性?如何缩小该一致性差异造成的激光加工差异?

 4  复杂形面3D

图5  PCB板芯片实物图纸

3、对于更多复杂形貌的样品,我们往往无法获得或者无法准确获得其加工部位的高度值,或者样品上有多处高低不一的待加工区域(无准确3D图纸,或有3D图纸但是实际制程造成高度较大差异),如何有限节省测量时间?如何实现准确、高效的聚焦加工?如图5所示。

基于以上实际问题,我们提出了一种用于实现激光自动对焦的同轴-非接触式激光加工系统,该系统适用于振镜-ftheta镜加工模组,以及传统物镜(平凸聚焦)平台式运动加工模组。模型如下:

图6 同轴-非接触式自动对焦系统

该模型的基础是建立在Optimet 公司研发的一款光学传感器的基础之上,该传感器基于锥光全息技术专利的非接触距离测量技术,传感器发出激光束,投射在被测物体上,所有的反射光线由物镜收集进入锥光模块,对产生的干涉图样进行分析,以确定物体的距离,原理图如图7所示。

图7 锥光全息技术测距原理

该产品系列由 Optimet公司光电专利设计,为全球红外光学、激光测量仪器和 3D 非接触测量设备的领导者。

该系统特点(如图8所示):

1、适用于振镜-ftheta系统以及物镜-平台运动控制系统,用户可以使用自己的ftheta镜及加工物镜。Optimet传感器的一个主要优点是传感器和镜头是分离的,每个传感器头可以与各种各样的镜头配合使用。这个优势使单个传感器覆盖一个大的测量范围,投距(从传感器到测量范围中心的距离)和精度;

2、同轴设计,视觉检测与激光加工同轴,保证加工准确性;

3、深度范围广,可以实现从几百微米至几百毫米量级深度方向测量;

4、材料适用性强,可针对反光表面、半透明材料、漫反射表面等多种材料表面进行测量。

图8 系统特点

如何使用该系统:

1、嵌入式实时测量加工

图9  嵌入式实时测量加工

传感器高速测量反馈(10Khz)位置高度信息,对于容差范围ΔZ以内的高度浮动,系统Z轴不做变动,对于超过容差的位置,系统做出Z轴移动量变化,保持焦点在加工样品焦平面。

2、先扫描后加工

对于振镜扫描速度过快,或者平台高速移动的样品,可以采用扫描后加工的方式运行。同轴系统先进行样品扫描,得出以下位置高度信息图,系统自动识别容差ΔZ以外的点,并规划Z轴运动变化信息进行加工。

图10 先扫描后加工

总结:

1、该同轴-非接触式自动对焦系统,可高速采集样品表面位置信息,采用同轴光学设计,可精确实现焦点定位加工,测量高度范围广,材料适应性强。

2、对于未知3D信息的复杂型面样品加工,有效的简化了高度测量流程,实现准确定位聚焦。

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