專利名稱：激光曝光刀具及基于激光的立體直接曝光成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)蝕刻加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種激光曝光刀具及基于激光的 立體直接曝光成像方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代加工技術(shù)領(lǐng)域中，材料表面上圖形的化學(xué)蝕刻加工是一種被廣泛應(yīng)用的技 術(shù)手段，如印刷電路板、標(biāo)牌銘牌的加工制造等。其中，傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻加工的基本流程大致 如下第一步、制版用光繪機(jī)或照排機(jī)制作需要蝕刻圖形的照相底片；第二步、涂敷在材料表面上涂敷感光抗蝕膠或粘貼感光抗蝕膜；第三步、曬版將底片緊密放置在所涂覆感光材料表面的感光抗蝕膜上，對(duì)其曝光 曬版，再經(jīng)顯影、定影后，形成需加工圖形的抗蝕掩模圖形；第四步、蝕刻用化學(xué)溶液對(duì)材料表面蝕刻、清洗，并形成所需圖形。實(shí)際使用過(guò)程中，化學(xué)蝕刻技術(shù)具有圖形精度高、重復(fù)性好、工藝簡(jiǎn)單以及成本低 廉等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但上述傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)基本上局限于對(duì)材料平面 的蝕刻加工。而對(duì)于三維立體曲面上的圖形，傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)往往無(wú)能為力，其三維立 體曲面上加工圖形的實(shí)際應(yīng)用情形逐漸增多，典型的應(yīng)用如帶通雷達(dá)罩。由于雷達(dá)罩本身 是由復(fù)合材料制造的三維立體曲面，且需在雷達(dá)罩表面加工出頻率選擇金屬圖形。在三維立體曲面上加工圖形時(shí)，傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻中在已涂敷感光抗蝕膠的立體曲 面上貼敷照相底片，成為現(xiàn)有加工技術(shù)中的難點(diǎn)。由于照相底片是平面膠片，無(wú)法與立體曲 面緊密貼合，必須根據(jù)曲面不同區(qū)域的曲率大小，將將膠片裁剪成大小不等的若干塊進(jìn)行 拼接、粘貼。因而，實(shí)際操作過(guò)程中，上述傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻方法存在以下主要嚴(yán)重缺陷1)圖 形精度差由于需要將膠片進(jìn)行手工拼接、粘貼，圖形拼接精度極低，不能滿足高精度圖形 的需求；2)重復(fù)精度低大量小膠片的手工拼接、粘貼，產(chǎn)生累計(jì)誤差，造成產(chǎn)品的重復(fù)性、 一致性偏差；3)效率低下，成本高且廢品率高由于膠片的拼接、粘貼需手工操作，且一次 性使用，生產(chǎn)效率極低，廢品率高，成本高；4)復(fù)雜曲面無(wú)法加工對(duì)于復(fù)雜曲面，須將膠片 分割成非常小面積的膠片，以至于完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，三維立體曲面上進(jìn)行高精度復(fù)雜圖 形的化學(xué)蝕刻一直是加工技術(shù)的難點(diǎn)，不能很好地滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用操作方便、使用效果好的激光曝光刀具。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種激光曝光刀具，其特征在 于包括前端部開口的外部殼體、安裝在所述外部殼體內(nèi)的控制電路板、用于產(chǎn)生激光光束 的激光器、對(duì)激光器所產(chǎn)生激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直鏡頭、對(duì)經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后的激光光 束強(qiáng)弱進(jìn)行控制調(diào)整的光闌和安裝在所述外部殼體前端部開口上的聚焦鏡頭，所述準(zhǔn)直鏡頭、光闌和聚焦鏡頭均布設(shè)在激光器所產(chǎn)生激光光束的投射方向上，且激光器、準(zhǔn)直鏡頭、 光闌和聚焦鏡頭由后至前布設(shè)在同一直線上，所述激光器、準(zhǔn)直鏡頭和光闌均布設(shè)在所述 外部殼體內(nèi)部；所述控制電路板上設(shè)置有對(duì)激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)控制器、與驅(qū)動(dòng)控 制器相接的控制信號(hào)輸入接口和對(duì)各用電單元進(jìn)行供電的電源模塊，所述電源模塊與驅(qū)動(dòng) 控制器相接；所述外部殼體的形狀與數(shù)控機(jī)床上所安裝刀具的刀柄形狀相同；所述外部殼 體安裝在數(shù)控機(jī)床的刀具驅(qū)動(dòng)主軸上；所述驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)控制信號(hào)輸入接口與所述數(shù)控 機(jī)床的控制主機(jī)相接。上述激光曝光刀具，其特征是所述外部殼體包括刀柄座和安裝在刀柄座上且前 端部開口的圓柱狀機(jī)殼，所述控制電路板、激光器、準(zhǔn)直鏡頭和光闌均安裝在圓柱狀機(jī)殼 內(nèi)，所述聚焦鏡頭安裝在圓柱狀機(jī)殼的前端部開口上，且激光器、準(zhǔn)直鏡頭、光闌和聚焦鏡 頭均與圓柱狀機(jī)殼呈同軸布設(shè)。上述激光曝光刀具，其特征是所述圓柱狀機(jī)殼后部設(shè)置有供與控制信號(hào)輸入接 口相接的控制電纜和與電源模塊相接的電源電纜穿出的穿線孔，所述控制信號(hào)輸入接口通 過(guò)所述控制電纜與控制主機(jī)相接，所述電源電纜接至電源插座上。上述激光曝光刀具，其特征是還包括對(duì)激光器的輸出亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將所 檢測(cè)信號(hào)同步傳送至驅(qū)動(dòng)控制器的光電檢測(cè)單元和對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的 調(diào)節(jié)電路，所述光電檢測(cè)單元和調(diào)節(jié)電路均與驅(qū)動(dòng)控制器相接。上述激光曝光刀具，其特征是所述激光器為半導(dǎo)體激光器Li，所述光電檢測(cè)單 元為光電二極管Dl，所述調(diào)節(jié)電路為可變電位器VRl。上述激光曝光刀具，其特征是所述驅(qū)動(dòng)控制器為控制芯片Maxim3263。上述激光曝光刀具，其特征是所述控制芯片MaXim3263的OUT+管腳經(jīng)電阻Rl后 半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極相接，控制芯片Maxim3263的IPin管腳與光電二極管Dl的陽(yáng)極相 接且光電二極管Dl的陰極與半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極相接，半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極與陰極 之間并接有電容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管腳經(jīng)電感Lll后與半導(dǎo)體激光器Ll 的陰極相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管腳經(jīng)電阻R3后與半導(dǎo)體激光器Ll的陰極 相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管腳依次經(jīng)電阻R4和電阻R2后與所述控制芯片 Maxim3263的OUT-管腳相接，電阻R4和電阻R2之間的連接點(diǎn)與所述控制芯片Maxim3263的 OUT-管腳之間并接有電容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管腳和SLW管腳分別經(jīng)電阻 R5和電阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管腳與IMO管腳相接且經(jīng)電阻R6 后與控制芯片MaXim3263的Oadj管腳相接，控制芯片MaXim3263的Refl管腳和Ref2管腳 相接且經(jīng)可變電位器VRl后與控制芯片Maxim3263的Oadj管腳相接，控制芯片Maxim3263 的Oadj管腳與Refl管腳和Ref2管腳之間并接有電容C4 ；控制芯片Maxim3263的VCC管 腳分別經(jīng)電容Cl和電容C6后均接地，所述控制信號(hào)輸入接口即控制接口 Jl的第1、第2、 第3和第4管腳分別與控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管腳相接，控制芯片 Maxim3263的GND管腳和IP管腳均接地，控制接口 Jl的第5和第6管腳均接VCC電源端， 控制接口 Jl的第7和第8管腳均接地；所述半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極接VCC電源端且VCC 電源端經(jīng)電容C3后接地。同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高且曝光成像圖形精度 高、重復(fù)精度高的利用激光曝光刀具進(jìn)行基于激光的立體直接曝光成像的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、需加工工件外表面測(cè)量與加工圖形設(shè)計(jì)采用測(cè)量工具對(duì)需加工工件的 外表面結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行測(cè)量，并相應(yīng)建立需加工工件的三維模型；同時(shí)對(duì)需加工工件外表 面上需加工的圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的需加工圖形進(jìn)行同步記錄；步驟二、需加工工件外表面處理在需加工工件的外表面上均勻涂覆一層感光材 料涂層；步驟三、掩模圖形設(shè)計(jì)根據(jù)需加工工件的三維模型和需獲得曝光圖形的設(shè)計(jì)要 求，采用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)需加工立體結(jié)構(gòu)工件外表面上的曝光位置、曝光控制 路線和整個(gè)曝光成像過(guò)程中激光器的輸出功率進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和計(jì)算，并相應(yīng)生成在需加工 立工件外表面上進(jìn)行曝光成像的CNC數(shù)控加工控制文件；所述需獲得曝光圖形為在需加工 立體結(jié)構(gòu)工件外表面上加工圖形之前，在需加工立體結(jié)構(gòu)工件的外表面上曝光成型的與步 驟一中所述需加工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形；步驟四、需加工工件安裝將需加工工件安裝在數(shù)控機(jī)床的工件安裝機(jī)構(gòu)上，并對(duì) 安裝在所述工件安裝機(jī)構(gòu)上的需加工工件進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)位調(diào)整，所述數(shù)控機(jī)床為多坐標(biāo)數(shù)控 機(jī)床；步驟五、激光曝光刀具安裝將激光曝光刀具的外部殼體后端部安裝在數(shù)控機(jī)床 的刀具驅(qū)動(dòng)主軸上，并采用鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行鎖緊以防止所述刀具驅(qū)動(dòng)主 軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)；步驟六、設(shè)備連接將所述數(shù)控機(jī)床的控制主機(jī)分別與CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) 和控制信號(hào)輸入接口相接，且將步驟三中所生成的所述CNC數(shù)控加工控制文件傳送至控制 主機(jī)；步驟七、曝光成像控制主機(jī)根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的曝光位 置和曝光控制路線對(duì)所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在控制 主機(jī)的控制作用下帶動(dòng)步驟五中所安裝的激光曝光刀具在需加工工件外表面上進(jìn)行三維 運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程；同時(shí)，控制主機(jī)根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的整個(gè)曝光成 像過(guò)程中激光器的輸出功率對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，且通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)激光器的輸出功 率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，直至完成需加工工件的整個(gè)曝光成像過(guò)程，并獲得與步驟一中所述需加 工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形；步驟八、需加工工件表面后續(xù)處理利用步驟七中所獲得的掩模圖形，且按照常規(guī) 的工件表面圖形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并獲得需加工的圖形。上述基于激光的立體直接曝光成像的方法，其特征是所述工件安裝機(jī)構(gòu)為所述 多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的X-Y軸拖板，所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床為四坐標(biāo)數(shù)控加工中心或五坐標(biāo)數(shù)控 加工中心。上述基于激光的立體直接曝光成像的方法，其特征是步驟二中所述的感光材料 涂層為感光膠涂層。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、所采用的激光曝光刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便且使用操作方便、使 用效果好。2、設(shè)計(jì)合理，以受控的紫外線激光束對(duì)需加工工件曲面上已涂敷的感光抗蝕膠直接進(jìn)行三維立體曝光，形成抗蝕圖形掩膜，再進(jìn)行化學(xué)蝕刻加工，提出了一種立體非金屬表 面金屬鍍層的高精度圖形制造新方法，它將傳統(tǒng)金屬鍍層圖形加工工藝中的制版與曬版工 序合并為激光立體直接曝光成像工藝，解決了現(xiàn)有制版工藝中存在的多種缺點(diǎn)，且本發(fā)明 相應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)①能有效解決解決平面底片與曲面表面緊密貼合的難題；②本發(fā)明曝 光成像后的圖形精度高，重復(fù)精度高；③工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率高，成本低廉且成品 率高；④可用于各種復(fù)雜曲面圖形的直接曝光，尤其適用于在三維立體曲面上進(jìn)行高精度 復(fù)雜圖形制作過(guò)程，有效解決了三維立體曲面上難以制版、曬版的瓶頸，使傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻 在立體曲面圖形的加工領(lǐng)域充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻中制版、曬版技術(shù)的革 新，使這種類型的高精度復(fù)雜圖形的加工成為可能，提供了廣泛的應(yīng)用前景。3、本發(fā)明所采用激光曝光刀具的光學(xué)系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、可靠且使用成本低、可 操作性強(qiáng)，能將激光器輸出的能量最大限度地聚集在一個(gè)規(guī)定尺寸的光點(diǎn)內(nèi)，同時(shí)盡量減 少光點(diǎn)以外的雜散光的能量，以獲得最佳的曝光效果。以激光二極管為光源的激光曝光刀 具光學(xué)系統(tǒng)是一種較為簡(jiǎn)單、傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，激光器發(fā)出的小直徑發(fā)散激光光束經(jīng)由擴(kuò) 束、準(zhǔn)直透鏡變換為一束較大孔徑的平行激光光束，然后經(jīng)孔徑可調(diào)節(jié)的光闌，提高平行光 束質(zhì)量，最后經(jīng)由聚焦透鏡將光線聚焦在曝光立體表面，形成一個(gè)直徑很小光強(qiáng)極大的光 點(diǎn)，對(duì)曲面體表面的感光涂層進(jìn)行曝光。同時(shí)，調(diào)節(jié)光闌直徑可調(diào)整曝光光點(diǎn)直徑。另外， 所采用的激光曝光刀具經(jīng)標(biāo)定、校準(zhǔn)后可長(zhǎng)期使用。4、適用范圍廣，本發(fā)明能應(yīng)用于多項(xiàng)產(chǎn)品的制作過(guò)程，特別是采用傳統(tǒng)技術(shù)和工 藝已無(wú)法勝任的精美圖形制作過(guò)程，如機(jī)翼前緣曲面天線罩、等角螺旋天線等。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、投入成本低、使用操作簡(jiǎn)便且使用效果好、應(yīng)用范圍 廣，能有效解決傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻方法存在圖形精度差、重復(fù)精度低、加工效率低下、廢品率高、 復(fù)雜曲面無(wú)法加工等多種實(shí)際問題。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明所采用激光曝光刀具的裝配示意圖。
圖2為本發(fā)明所采用激光曝光刀具的使用狀態(tài)參考圖。
圖3為本發(fā)明所采用激光曝光刀具的電路原理圖。
圖4為本發(fā)明進(jìn)行立體直接曝光成像時(shí)所用I 接曝光成像系統(tǒng)的電路原理框圖
圖5為本發(fā)明進(jìn)行立體直接曝光成像時(shí)的方法流程框圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
1-控制電路板； 1-1-驅(qū)動(dòng)控制器；1-2-調(diào)節(jié)電路；
1-3-控制信號(hào)輸入接口 ； 1-4-電源模塊；1-5-光電檢測(cè)單元；
2_激光器； 3-準(zhǔn)直鏡頭；4_光闌；
5-聚焦鏡頭； 6-1-刀柄座；6-2-圓柱狀機(jī)殼；
7-控制主機(jī)； 8-控制電纜；9-電源電纜；
10-X-Y軸拖板； 11-CAD計(jì)算機(jī)輔助12-加工中心主軸；
設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
13-旋轉(zhuǎn)主軸； 14-加工中心Z軸；15-圓形加工件。
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具體實(shí)施例方式如圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明所述的激光曝光刀具，包括前端部開口的外部殼 體、安裝在所述外部殼體內(nèi)的控制電路板1、用于產(chǎn)生激光光束的激光器2、對(duì)激光器2所產(chǎn) 生激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直鏡頭3、對(duì)經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭3準(zhǔn)直后的激光光束強(qiáng)弱進(jìn)行控制調(diào)整 的光闌4和安裝在所述外部殼體前端部開口上的聚焦鏡頭5，所述準(zhǔn)直鏡頭3、光闌4和聚 焦鏡頭5均布設(shè)在激光器2所產(chǎn)生激光光束的投射方向上，且激光器2、準(zhǔn)直鏡頭3、光闌4 和聚焦鏡頭5由后至前布設(shè)在同一直線上，所述激光器2、準(zhǔn)直鏡頭3和光闌4均布設(shè)在所 述外部殼體內(nèi)部。所述控制電路板1上設(shè)置有對(duì)激光器2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)控制器1-1、 與驅(qū)動(dòng)控制器1-1相接的控制信號(hào)輸入接口 1-3和對(duì)各用電單元進(jìn)行供電的電源模塊1-4， 所述電源模塊1-4與驅(qū)動(dòng)控制器1-1相接；所述外部殼體的形狀與數(shù)控機(jī)床上所安裝刀具 的刀柄形狀相同。所述外部殼體安裝在數(shù)控機(jī)床的刀具驅(qū)動(dòng)主軸上。所述驅(qū)動(dòng)控制器1-1 通過(guò)控制信號(hào)輸入接口 1-3與所述數(shù)控機(jī)床的控制主機(jī)7相接。本實(shí)施例中，所述外部殼體包括刀柄座6-1和安裝在刀柄座6-1上且前端部開口 的圓柱狀機(jī)殼6-2，所述控制電路板1、激光器2、準(zhǔn)直鏡頭3和光闌4均安裝在圓柱狀機(jī)殼 6-2內(nèi)，所述聚焦鏡頭5安裝在圓柱狀機(jī)殼6-2的前端部開口上，且激光器2、準(zhǔn)直鏡頭3、光 闌4和聚焦鏡頭5均與圓柱狀機(jī)殼6-2呈同軸布設(shè)。所述圓柱狀機(jī)殼6-2后部設(shè)置有供與控制信號(hào)輸入接口 1-3相接的控制電纜8和 與電源模塊1-4相接的電源電纜9穿出的穿線孔，所述控制信號(hào)輸入接口 1-3通過(guò)所述控 制電纜8與控制主機(jī)7相接，所述電源電纜9接至電源插座上。同時(shí)，本發(fā)明還包括對(duì)激光器2的輸出亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將所檢測(cè)信號(hào)同步傳 送至驅(qū)動(dòng)控制器1-1的光電檢測(cè)單1-5和對(duì)激光器2的輸出功率進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)電路 1-2，所述光電檢測(cè)單1-5和調(diào)節(jié)電路1-2均與驅(qū)動(dòng)控制器1-1相接。本實(shí)施例中，所述激光器2為半導(dǎo)體激光器Ll，所述光電檢測(cè)單元1-5為光電二極 管Dl，所述調(diào)節(jié)電路1-2為可變電位器VRl。所述驅(qū)動(dòng)控制器1-1為控制芯片Maxim3263。實(shí)際進(jìn)行接線時(shí)，所述控制芯片MaXim3263的OUT+管腳經(jīng)電阻Rl后半導(dǎo)體激光 器Ll的陽(yáng)極相接，控制芯片Maxim3263的IPin管腳與光電二極管Dl的陽(yáng)極相接且光電二 極管Dl的陰極與半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極相接，半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極與陰極之間并接有 電容C2，所述控制芯片Maxim3263即芯片Ul的IBO管腳經(jīng)電感Lll后與半導(dǎo)體激光器Ll 的陰極相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管腳經(jīng)電阻R3后與半導(dǎo)體激光器Ll的陰極 相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管腳依次經(jīng)電阻R4和電阻R2后與所述控制芯片 Maxim3263的OUT-管腳相接，電阻R4和電阻R2之間的連接點(diǎn)與所述控制芯片Maxim3263的 OUT-管腳之間并接有電容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管腳和SLW管腳分別經(jīng)電阻 R5和電阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管腳與IMO管腳相接且經(jīng)電阻R6 后與控制芯片MaXim3263的Oadj管腳相接，控制芯片MaXim3263的Refl管腳和Ref2管腳 相接且經(jīng)可變電位器VRl后與控制芯片Maxim3263的Oadj管腳相接，控制芯片Maxim3263 的Oadj管腳與Refl管腳和Ref2管腳之間并接有電容C4 ；控制芯片Maxim3263的VCC管 腳分別經(jīng)電容Cl和電容C6后均接地，所述控制信號(hào)輸入接口 1-3即控制接Jl的第1、第 2、第3和第4管腳分別與控制芯片MaXim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管腳相接，控制芯片Maxim3263的GND管腳和IP管腳均接地，控制接口 Jl的第5和第6管腳均接VCC電源端， 控制接口 Jl的第7和第8管腳均接地；所述半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極接VCC電源端且VCC 電源端經(jīng)電容C3后接地。實(shí)際使用過(guò)程中，控制芯片Maxim3263用于連接電源、接收數(shù)控機(jī)床控制主機(jī)7的 控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器Li，控制激光輸出能量的大小和通斷，其中Ll為405nm的半 導(dǎo)體激光器，可變電位器VRl用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器Ll上位輸出功率，光電二極管Dl監(jiān)測(cè) 半導(dǎo)體激光器Ll的輸出亮度。Jl是控制接口，輸入控制芯片MaXim3263用的155mpbs高速 差?？刂菩盘?hào)。結(jié)合圖4和圖5，本發(fā)明所述的利用激光曝光刀具進(jìn)行基于激光的立體直接曝光 成像的方法，包括以下步驟步驟一、需加工工件外表面測(cè)量與加工圖形設(shè)計(jì)采用測(cè)量工具對(duì)需加工工件的 外表面結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行測(cè)量，并相應(yīng)建立需加工工件的三維模型；同時(shí)對(duì)需加工工件外表 面上需加工的圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的需加工圖形進(jìn)行同步記錄。本實(shí)施例中，需加工 工件為圓形加工件15。步驟二、需加工工件外表面處理在需加工工件的外表面上均勻涂覆一層感光材 料涂層。本實(shí)施例中，所述感光材料涂層為感光抗蝕膠涂層。步驟三、掩模圖形設(shè)計(jì)根據(jù)需加工工件的三維模型和需獲得曝光圖形的設(shè)計(jì)要 求，采用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)11對(duì)需加工立體結(jié)構(gòu)工件外表面上的曝光位置、曝光控 制路線和整個(gè)曝光成像過(guò)程中激光器2的輸出功率進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和計(jì)算，并相應(yīng)生成在需 加工立工件外表面上進(jìn)行曝光成像的CNC數(shù)控加工控制文件；所述需獲得曝光圖形為在需 加工立體結(jié)構(gòu)工件外表面上加工圖形之前，在需加工立體結(jié)構(gòu)工件的外表面上曝光成型的 與步驟一中所述需加工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形。步驟四、需加工工件安裝將需加工工件安裝在數(shù)控機(jī)床的工件安裝機(jī)構(gòu)上，并對(duì) 安裝在所述工件安裝機(jī)構(gòu)上的需加工工件進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)位調(diào)整，所述數(shù)控機(jī)床為多坐標(biāo)數(shù)控 機(jī)床。步驟五、激光曝光刀具安裝將激光曝光刀具的外部殼體后端部安裝在數(shù)控機(jī)床 的刀具驅(qū)動(dòng)主軸上，并采用鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行鎖緊以防止所述刀具驅(qū)動(dòng)主 軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例中，所述工件安裝機(jī)構(gòu)為所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的X-Y軸拖板10，所述 多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床為四坐標(biāo)數(shù)控加工中心或五坐標(biāo)數(shù)控加工中心。此處具體采用四坐標(biāo)數(shù)控 加工中心，所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸包括加工中心主軸12、安裝在加工中心主軸12上的旋轉(zhuǎn)主軸 13和同軸安裝在加工中心主軸12上的加工中心Z軸14。因而，實(shí)際使用過(guò)程中，所述激光曝光刀具的刀柄之外形符合數(shù)控機(jī)床對(duì)刀具要 求的幾何尺寸，其能直接安裝在數(shù)控機(jī)床的刀具驅(qū)動(dòng)主軸上；刀柄的機(jī)殼部分堅(jiān)固不易變 形，激光曝光刀具經(jīng)標(biāo)定、校準(zhǔn)后可長(zhǎng)期使用。步驟六、設(shè)備連接將所述數(shù)控機(jī)床的控制主機(jī)7分別與CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) 11和控制信號(hào)輸入接口 1-3相接，且將步驟三中所生成的所述CNC數(shù)控加工控制文件傳送 至控制主機(jī)7。步驟七、曝光成像控制主機(jī)7根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的曝光位 置和曝光控制路線對(duì)所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在控制
10主機(jī)7的控制作用下帶動(dòng)步驟五中所安裝的激光曝光刀具在需加工工件外表面上進(jìn)行三 維運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程；同時(shí)，控制主機(jī)7根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的整個(gè)曝光 成像過(guò)程中激光器2的輸出功率對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器1-1進(jìn)行控制，且通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制器1-1對(duì)激 光器2的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，直至完成需加工工件的整個(gè)曝光成像過(guò)程，并獲得與步 驟一中所述需加工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形。步驟八、需加工工件表面后續(xù)處理利用步驟七中所獲得的掩模圖形，且按照常規(guī) 的工件表面圖形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并獲得需加工的圖形。本實(shí)施例中，步驟二中所述的感光材料涂層為感光膠涂層。綜上所述，實(shí)際使用過(guò)程中，將激光器2、控制電路板1、光闌4和聚焦鏡頭5等部 件集成安裝在一個(gè)刀柄形外部殼體內(nèi)，構(gòu)成一把標(biāo)準(zhǔn)加工刀具形式的激光曝光刀具。上述 刀柄形外部殼體可以安裝在各種多坐標(biāo)數(shù)控加工中心上且以標(biāo)準(zhǔn)刀具形式對(duì)立體工件表 面的感光膠涂層進(jìn)行圖形曝光加工。實(shí)際加工時(shí)，首先由CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)11設(shè)計(jì)、 編輯產(chǎn)生CNC數(shù)控?cái)?shù)據(jù)文件，并將CNC數(shù)控?cái)?shù)據(jù)文件輸入到多坐標(biāo)數(shù)控加工中心的控制主 機(jī)7內(nèi)且保存至系統(tǒng)內(nèi)存中；之后，控制主機(jī)7根據(jù)CNC數(shù)控?cái)?shù)據(jù)文件即CNC文件的控制指 令帶動(dòng)激光曝光刀具作三維立體運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，控制主機(jī)7通過(guò)控制信號(hào)輸入接口 1-3向控制 電路板1上所安裝的驅(qū)動(dòng)控制器1-1發(fā)出控制信號(hào)，控制激光曝光刀具在精確的位置對(duì)曲 面體表面即需加工工件外表面上的感光膠涂層進(jìn)行曝光。并且，進(jìn)行激光立體直接曝光時(shí)，具體是先將需要曝光加工的需加工工件安裝在 多坐標(biāo)加工中心的X-Y軸拖板10上，并將激光曝光刀具安裝在加工中心的刀具驅(qū)動(dòng)主軸 上，并將刀具驅(qū)動(dòng)主軸鎖定禁止旋轉(zhuǎn)。所述控制電纜8與電源電纜9與加工中心的控制主機(jī) 7連接，利用加工中心的精確立體定位與運(yùn)動(dòng)能力，且以激光曝光刀具輸出的激光束對(duì)需加 工工件表面進(jìn)行曝光。加工中心的立體運(yùn)動(dòng)受CNC數(shù)控?cái)?shù)據(jù)文件進(jìn)行控制，CNC文件輸入加 工中心的控制主機(jī)7后，加工中心則根據(jù)設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)X、Y和Z軸以及旋轉(zhuǎn)軸并利用激光 曝光刀具對(duì)工件表面的感光膠涂層進(jìn)行圖形曝光加工。另外，多坐標(biāo)數(shù)控加工中心所需要 的CNC文件是CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)11通過(guò)CAD輔助設(shè)計(jì)軟件根據(jù)需加工工件的三維 模型和曝光圖形的設(shè)計(jì)要求在計(jì)算機(jī)上生成的，CAD輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)需加工工件外表面上 曝光的位置、路線和激光曝光刀具的激光輸出功率進(jìn)行精確計(jì)算，生成CNC控制數(shù)據(jù)文件。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明 技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技 術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光曝光刀具，其特征在于包括前端部開口的外部殼體、安裝在所述外部殼 體內(nèi)的控制電路板(1)、用于產(chǎn)生激光光束的激光器O)、對(duì)激光器( 所產(chǎn)生激光光束進(jìn) 行準(zhǔn)直的準(zhǔn)直鏡頭(3)、對(duì)經(jīng)準(zhǔn)直鏡頭( 準(zhǔn)直后的激光光束強(qiáng)弱進(jìn)行控制調(diào)整的光闌(4) 和安裝在所述外部殼體前端部開口上的聚焦鏡頭(5)，所述準(zhǔn)直鏡頭(3)、光闌(4)和聚焦 鏡頭( 均布設(shè)在激光器( 所產(chǎn)生激光光束的投射方向上，且激光器O)、準(zhǔn)直鏡頭(3)、 光闌(4)和聚焦鏡頭(5)由后至前布設(shè)在同一直線上，所述激光器O)、準(zhǔn)直鏡頭C3)和光 闌(4)均布設(shè)在所述外部殼體內(nèi)部；所述控制電路板(1)上設(shè)置有對(duì)激光器( 進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 控制的驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)、與驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)相接的控制信號(hào)輸入接口(1-3)和對(duì)各用電 單元進(jìn)行供電的電源模塊(1-4)，所述電源模塊(1-4)與驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)相接；所述外部 殼體的形狀與數(shù)控機(jī)床上所安裝刀具的刀柄形狀相同；所述外部殼體安裝在數(shù)控機(jī)床的刀 具驅(qū)動(dòng)主軸上；所述驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)通過(guò)控制信號(hào)輸入接口(1- 與所述數(shù)控機(jī)床的控 制主機(jī)(7)相接。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光曝光刀具，其特征在于所述外部殼體包括刀柄座(6-1) 和安裝在刀柄座(6-1)上且前端部開口的圓柱狀機(jī)殼(6-2)，所述控制電路板(1)、激光器 O)、準(zhǔn)直鏡頭C3)和光闌(4)均安裝在圓柱狀機(jī)殼(6-2)內(nèi)，所述聚焦鏡頭( 安裝在圓 柱狀機(jī)殼(6-2)的前端部開口上，且激光器O)、準(zhǔn)直鏡頭(3)、光闌(4)和聚焦鏡頭(5)均 與圓柱狀機(jī)殼(6-2)呈同軸布設(shè)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的激光曝光刀具，其特征在于所述圓柱狀機(jī)殼(6-2)后 部設(shè)置有供與控制信號(hào)輸入接口(1- 相接的控制電纜(8)和與電源模塊(1-4)相接的電 源電纜(9)穿出的穿線孔，所述控制信號(hào)輸入接口(1-3)通過(guò)所述控制電纜(8)與控制主 機(jī)(7)相接，所述電源電纜(9)接至電源插座上。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的激光曝光刀具，其特征在于還包括對(duì)激光器O)的輸 出亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將所檢測(cè)信號(hào)同步傳送至驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)的光電檢測(cè)單元(1-5) 和對(duì)激光器⑵的輸出功率進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)電路(1-2)，所述光電檢測(cè)單元(1-5)和調(diào) 節(jié)電路(1-2)均與驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)相接。
5.按照權(quán)利要求4所述的激光曝光刀具，其特征在于所述激光器(2)為半導(dǎo)體激光 器Li，所述光電檢測(cè)單元(1-5)為光電二極管D1，所述調(diào)節(jié)電路(1-2)為可變電位器VR1。
6.按照權(quán)利要求5所述的激光曝光刀具，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)為控制 芯片 Maxim3263。
7.按照權(quán)利要求6所述的激光曝光刀具，其特征在于所述控制芯片MaXim3^3的 OUT+管腳經(jīng)電阻Rl后半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極相接，控制芯片Maxim3263的IPin管腳與光 電二極管Dl的陽(yáng)極相接且光電二極管Dl的陰極與半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng)極相接，半導(dǎo)體激 光器Ll的陽(yáng)極與陰極之間并接有電容C2，所述控制芯片Maxim3^3的IBO管腳經(jīng)電感Lll 后與半導(dǎo)體激光器Ll的陰極相接，所述控制芯片Maxim3^3的OUT-管腳經(jīng)電阻R3后與半 導(dǎo)體激光器Ll的陰極相接，所述控制芯片Maxim3263的i^ail管腳依次經(jīng)電阻R4和電阻R2 后與所述控制芯片Maxim3263的OUT-管腳相接，電阻R4和電阻R2之間的連接點(diǎn)與所述控 制芯片Maxim3^3的OUT-管腳之間并接有電容C5，所述控制芯片Maxim3^3的IBI管腳 和SLW管腳分別經(jīng)電阻R5和電阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管腳與IMO 管腳相接且經(jīng)電阻R6后與控制芯片MaXim3^3的Oadj管腳相接，控制芯片MaXim3^3的Refl管腳和Ref2管腳相接且經(jīng)可變電位器VRl后與控制芯片MaXim3263的Oadj管腳相 接，控制芯片Maxim3263的Oadj管腳與Refl管腳和Ref2管腳之間并接有電容C4 ；控制芯 片Maxim3263的VCC管腳分別經(jīng)電容Cl和電容C6后均接地，所述控制信號(hào)輸入接口(1_3) 即控制接口 Jl的第1、第2、第3和第4管腳分別與控制芯片Maxim3263的IN+、IN_、EN+和 EN-管腳相接，控制芯片MaXim3^3的GND管腳和IP管腳均接地，控制接口 Jl的第5和第 6管腳均接VCC電源端，控制接口 Jl的第7和第8管腳均接地；所述半導(dǎo)體激光器Ll的陽(yáng) 極接VCC電源端且VCC電源端經(jīng)電容C3后接地。
8.一種利用如權(quán)利要求1所述激光曝光刀具進(jìn)行基于激光的立體直接曝光成像的方 法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、需加工工件外表面測(cè)量與加工圖形設(shè)計(jì)采用測(cè)量工具對(duì)需加工工件的外表 面結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行測(cè)量，并相應(yīng)建立需加工工件的三維模型；同時(shí)對(duì)需加工工件外表面上 需加工的圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的需加工圖形進(jìn)行同步記錄；步驟二、需加工工件外表面處理在需加工工件的外表面上均勻涂覆一層感光材料涂層；步驟三、掩模圖形設(shè)計(jì)根據(jù)需加工工件的三維模型和需獲得曝光圖形的設(shè)計(jì)要求，采 用CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(11)對(duì)需加工立體結(jié)構(gòu)工件外表面上的曝光位置、曝光控制路 線和整個(gè)曝光成像過(guò)程中激光器O)的輸出功率進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和計(jì)算，并相應(yīng)生成在需加 工立工件外表面上進(jìn)行曝光成像的CNC數(shù)控加工控制文件；所述需獲得曝光圖形為在需加 工立體結(jié)構(gòu)工件外表面上加工圖形之前，在需加工立體結(jié)構(gòu)工件的外表面上曝光成型的與 步驟一中所述需加工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形；步驟四、需加工工件安裝將需加工工件安裝在數(shù)控機(jī)床的工件安裝機(jī)構(gòu)上，并對(duì)安 裝在所述工件安裝機(jī)構(gòu)上的需加工工件進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)位調(diào)整，所述數(shù)控機(jī)床為多坐標(biāo)數(shù)控機(jī) 床；步驟五、激光曝光刀具安裝將激光曝光刀具的外部殼體后端部安裝在數(shù)控機(jī)床的刀 具驅(qū)動(dòng)主軸上，并采用鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行鎖緊以防止所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸發(fā) 生旋轉(zhuǎn)；步驟六、設(shè)備連接將所述數(shù)控機(jī)床的控制主機(jī)(7)分別與CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng) (11)和控制信號(hào)輸入接口(1- 相接，且將步驟三中所生成的所述CNC數(shù)控加工控制文件 傳送至控制主機(jī)(7)；步驟七、曝光成像控制主機(jī)(7)根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的曝光位 置和曝光控制路線對(duì)所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的所述刀具驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)在控制 主機(jī)(7)的控制作用下帶動(dòng)步驟五中所安裝的激光曝光刀具在需加工工件外表面上進(jìn)行 三維運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程；同時(shí)，控制主機(jī)(7)根據(jù)所述CNC數(shù)控加工控制文件中所記載的整個(gè) 曝光成像過(guò)程中激光器O)的輸出功率對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器(1-1)進(jìn)行控制，且通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制器 (1-1)對(duì)激光器O)的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，直至完成需加工工件的整個(gè)曝光成像過(guò)程， 并獲得與步驟一中所述需加工圖形相對(duì)應(yīng)的掩模圖形；步驟八、需加工工件表面后續(xù)處理利用步驟七中所獲得的掩模圖形，且按照常規(guī)的工 件表面圖形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并獲得需加工的圖形。
9.按照權(quán)利要求8所述的基于激光的立體直接曝光成像的方法，其特征在于所述工件安裝機(jī)構(gòu)為所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的X-Y軸拖板10，所述多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床為四坐標(biāo)數(shù)控加 工中心或五坐標(biāo)數(shù)控加工中心。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的基于激光的立體直接曝光成像的方法，其特征在于步 驟二中所述的感光材料涂層為感光膠涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光曝光刀具及基于激光的立體直接曝光成像方法，所采用的激光曝光刀具包括外部殼體以及安裝在外部殼體內(nèi)的控制電路板、激光器、準(zhǔn)直鏡頭、光闌和聚焦鏡頭；控制電路板上設(shè)置有對(duì)激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)控制器、外部殼體形狀與數(shù)控機(jī)床上所安裝刀具的刀柄形狀相同，驅(qū)動(dòng)控制器與數(shù)控機(jī)床控制主機(jī)相接；其立體直接曝光成像方法包括以下步驟一、工件外表面測(cè)量與加工圖形設(shè)計(jì)；二、工件外表面處理；三、掩模圖形設(shè)計(jì)；四、工件安裝；五、激光曝光刀具安裝；六、設(shè)備連接；七、曝光成像；八、工件表面后續(xù)處理。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、投入成本低、操作簡(jiǎn)便且使用效果好、應(yīng)用范圍廣，能解決傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻方法存在的多種實(shí)際問題。
文檔編號(hào)B23K26/00GK102126082SQ20101060466
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者聶延平, 陳乃奇, 馬鴻煒 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所, 陳乃奇