作者: Bryan Germann
       产品经理, Aerotech

 

五轴扫描振镜提供快速灵活的解决方案，用于加工精确的孔、轮廓槽以及其他具有完整横截面的几何形状。借助合适的系统，可以控制整个微加工过程——激光器、扫描振镜和工件定位——从而生产尺寸公差达到亚微米级的部件。

本文概述了 Aerotech 的 AGV5D 五轴激光扫描振镜的工作原理，该扫描振镜与精密线性运动轴和控制系统相结合。文中解释了该系统的工作原理，包括基于 G 代码的强大编程方法，该方法能够使标准 CAM 软件和内置运动功能执行微米级的复杂钻孔和铣削操作。

 

五轴激光运动系统：工作原理

 

要充分理解使用 5 轴激光运动系统进行微钻孔和铣削的优势（如图 1 所示），以及如何在这些过程中量化其精度，需要充分了解示例系统的工作原理及其编程方式。

 

 图 1.本文引用的 5 轴激光运动系统采用 AGV5D 5 轴激光扫描振镜。

 

本文引用的示例系统使用 Aerotech 的 AGV5D 5 轴激光扫描振镜来操纵五个自由度 (DOF) 的激光束，如图 2 所示：

●       X 和 Y - 光斑在视场内任意 Z 轴高度的定位（双自由度）

●       Z - 光斑焦距控制在任意位置（单自由度）

●       A - 光束锥角或偏离 Z 轴的倾斜角（单自由度）

●       C - 光束时钟角或绕 Z 轴旋转（单自由度）

 

AGV5D 扫描振镜的最大工作范围为直径 2 毫米（X 轴和 Y 轴）且高度 2 毫米（Z 轴）的圆形区域。光束锥角 (A) 为 +/- 9°，光束时钟角 (C) 为 360° 连续旋转。

 

图 2. 该图描绘了 Aerotech AGV5D 5 轴激光扫描振镜的五个自由度。

 

AGV5D 的工作原理与五轴 CNC 加工中心非常相似，它利用符合 RS-274 标准的 G 代码指令，沿二维和/或三维路径（直线和圆弧）移动光束。光束从扫描振镜最低点的硬件喷嘴射出，因此进行激光加工的工作空间延伸至喷嘴尖端以下。所有为 AGV5D 的 X-Y-Z-A-C 轴编程的指令轨迹，都会使聚焦点在工作空间内移动。

 

除了五自由度光束操控外，该系统还支持由同一控制器和 G 代码指令控制的附加轴。外部 X、Y 和 Z 轴可将工件移动到扫描振镜下方，以扩展视野并与光束路径运动协调。由于 Aerotech 的 Automation1 软件机器控制器 (iSMC) 可监控整个系统，因此 G 代码轨迹可以与强大的 AeroScript 编程工具进行协调。

 

在示例系统中，AGV5D 各轴 (X-Y-Z-A-C) 的激光定位运动由 200 kHz 驱动器驱动，而用于移动基板和扫描振镜（外部 X-Y-Z）的伺服频率则为 20 kHz。所有驱动器均属于同一网络，由 Automation1 协调。因此，在生成控制八个轴的轨迹时，所有驱动器均使用同一控制器实时执行。这种实现方式是 AGV5D 独有的，因为它采用单控制器架构来控制物理伺服和激光扫描振镜的运动，从而实现更灵活的部署和零件加工。

 

灵活的编程功能

 

对于本文示例中使用的系统，有多种编程工具可供选择。如果用户拥有适合系统运动学的后处理器，则可以从标准CAM软件生成G代码。这可能涉及在铣削模式​​下直接编程特征，该功能允许用户定义切削直径、路径和速度，以达到目标切削质量。图3显示了使用铣削模式的渐开线齿轮特征示例。

图 3. 渐开线齿轮轮廓，齿宽 63 µm，圆形特征直径 413 µm

 

然而，对于常见的钻孔轮廓和形状（例如圆形孔），这种方法会非常繁琐。因此，AGV5D 可以使用参数化代码块生成各种预置的钻孔函数。其中包括针对圆形、方形和圆角的预置函数。以下是一些圆形和方形钻孔阵列的示例，这些阵列的侧壁几乎垂直，顶部和底部尺寸的间距在 1 微米以内。

 

图 4 显示了使用预先设定的钻孔功能创建满足以下标准的圆孔阵列的可视化效果和结果：

●       圆孔

●       直壁（无锥度）

●       直径100 µm

●       基底：厚度320 µm的氮化硅

 

        

图 4. 左图：堆叠圆柱体预置函数调用过程中激光器开启和关闭运动的可视化。右图：堆叠圆柱体预置函数产生的钻孔质量。

 

图 5 显示了使用预先设定的钻孔功能创建符合以下标准的方孔阵列的可视化效果和结果：

●       方孔

●       直壁（无锥度）

●       直径100 µm

●       基底：厚度320 µm的氮化硅

 

图 5. 左图：调用 Stacked Square 预置函数期间激光开启和关闭运动的可视化效果。右图：使用 Stacked Square 预置函数后获得的钻孔质量。

 

函数在 AeroScript 程序内部调用，其中函数的参数可以是数值，也可以是其他函数中计算出的变量。以下代码块显示了一个用于创建单向堆叠圆柱体钻孔操作的示例函数，该操作用于钻孔形成圆孔。

       

定义这些参数类似于定义 CNC 加工中心钻孔程序的主轴速度、进给速度和切削深度。

 

AGV5D 还利用位置同步输出 (PSO) 实现基于距离的触发和能量密度控制。PSO 是一项强大的控制功能，它允许根据运动系统中每个轴的位置反馈定义输出触发器。可以使用 MHz 范围内的编码器反馈，在路径上的特定位置触发激光脉冲。因此，用户可以避免基于速度或加速度变化的触发误差，从而确保一致的光斑间距。

 

由于激光触发基于行进距离，而非激光脉冲的速度或固定频率，因此用户可以在微加工操作过程中控制特定位置的具体能量密度。图 6 显示了直径 300 μm 的螺旋线示例，其激光点间距为 6 μm。粒子群优化算法 (PSO) 用于创建等距触发。

 

图 6.针对堆叠圆柱体单层预编程特征的粒子群优化算法示例。请注意，随着指令速度和加速度的变化，激光点之间的距离始终保持控制一致。

 

功能强大的数据可视化和流程优化工具包

 

Automation1 不仅仅是一个编程软件工具，它还是一个全自动控制器，具备数据可视化和流程调整功能，这些功能在伺服平台的运动控制平台中非常常见。由于用户可以在虚拟控制器上优化参数并运行运动控制，并且硬件可以物理连接到控制器，因此示例系统可以深入了解（如图 7 所示）指令运动和激光触发的运行情况。

图 7. Aerotech Automation1 可视化工具的屏幕截图，显示了 AGV5D 的 3D 轮廓

 

该示例系统采用了 Automation1 的一维、二维和三维数据可视化技术，使用户能够将实时位置误差可视化，以便进行工艺评估。该工具允许用户绘制变量，例如激光点的位置指令和所有五个自由度的位置误差。在激光工艺开发过程中，用户可以查看计划轨迹上是否存在大量位置误差（这些误差可能会在工艺质量问题中明显体现）。此外，还可以绘制沿路径的激光触发图，以评估光点定位精度。该工具无需切割零件即可优化工艺。

 

处理速度

 

任何给定特征的加工时间取决于多种参数，包括激光器类型、激光加工配方、材料、零件公差和运动性能。例如，图 4 所示的 100 µm 孔，在 320 µm 厚的氮化硅上加工 10 次，耗时不到 1 秒。AGV5D 为 100 µm 孔提供 800 Hz 的峰值工作频率。

 

然而，需要注意的是，任何伺服控制系统的动态极限完全取决于指令的几何形状。Automation1 控制平台中的数据可视化功能允许用户优化轨迹，同时保持适当的零件公差和处理速度。

 

额定功率和热稳定性

 

在使用高功率脉冲激光器开发工艺时，必须了解激光能量对 AGV5D 内部光学元件的影响。AGV5D 的光学元件在 1030-1064nm 和 515-530nm 波长范围内均可处理 400 µJ 的最大额定功率。这一能量水平与许多用于微加工的激光工艺相符，使 AGV5D 能够充分利用其高动态运动设计，实现更高的产能。

由于保持热稳定性同样重要，AGV5D 扫描振镜内未配备控制器或驱动电子设备。这种设计最大限度地减少了扫描振镜内部的热传递，避免了热漂移。此外，所有电机均采用主动水冷，确保在长时间加工过程中保持热稳定性。扫描振镜还采用主动空气吹扫，以最大限度地减少灰尘进入，并对反射镜和光学元件进行直接气冷。总而言之，这些标准功能显著提高了加工的长期重复性和不同机器之间的重复性，从而生产出更高质量的零件。

 

应用示例：激光微铣削

 

使用单层激光铣削功能，保持相同的 Z 轴高度，并应用进给速率移动 X 轴和 Y 轴，可实现一致的切削深度。单层铣削功能具有直径和套料速度的参数值，这些参数值定义了特定的材料去除率。铣削功能可以通过简单的 G 代码命令开启和关闭，并且是参数定义的，这意味着切削宽度、切削速度、停留时间等都由变量定义。这使得在定义和执行粗加工和精加工切削轮廓时具有灵活性。

 

图 8 展示了单层铣削操作的示例，该操作在 100 µm 厚的不锈钢板上以 3 mm/s 的进给速度铣削出 200 µm 宽的铣削路径，每次铣削深度为 10 µm。执行 10 次铣削将导致下图所示的特征贯穿整个板材厚度，从而形成完全垂直的侧壁，并且入口/出口尺寸彼此之间的间距在 1 µm 以内。

图 8. 从左到右：上述过程的第 1、2 和 5 次流程。

 

由于铣削功能灵活，改变单层铣刀直径对切割深度几乎没有影响。例如，即使从 200 µm 到 35 µm 的较大变化，由于工艺操作的激光速度相同，切割深度也保持不变。此外，由于 PSO 算法，光斑间距的重叠也相同。图 9 显示了 35 µm 特征的完整切割深度，在整个 1 mm 宽度的图案上，顶部和底部尺寸的误差在 1 µm 以内。

 

图9.此示例展示了用户如何轻松开发高质量的激光工艺并进行优化，以达到目标切割质量。使用输出标准 G 代码的 CAM 软件包，可以实现更复杂、更精密的运动控制功能。

 

总结

五轴激光扫描振镜是激光微加工不可或缺的一部分。它们能够在高纵横比特征上创建垂直侧壁，这对于一系列精密应用而言至关重要。这项技术进步有助于生产具有复杂几何形状和严格公差的组件，服务于对精度和细节要求极高的各行各业。

 

该技术支持的应用包括:

●      医疗器械制造，例如心血管支架和机械加工皮下注射管等组件

●      微电子加工，对于高密度互连 (HDI) 基板和印刷电路板 (PCB) 的探针卡和微砖孔的制作至关重要

●      汽车零部件制造，特别是燃油喷射器喷嘴等精密零件

 

AGV5D 系统以其独特的设计和编程方法脱颖而出。其架构显著降低了加工过程中的热漂移，这对于在长时间操作中保持精度至关重要。此外，AGV5D 与 G 代码编程的兼容性，使其能够充分利用商用 CAM 软件，弥补传统 CNC 加工实践与先进激光微加工功能之间的差距。这种集成增强了系统的灵活性，并简化了已熟悉 CNC 加工的行业的工艺，使其成为应对高精度制造挑战的关键解决方案。