一种用于玻璃切割的激光设备及切割方法 【技术领域】，更具体地，涉及一种用于玻璃切割的激光设备及切割方法。 [0002]在玻璃加工行业，传统切割玻璃的方法是先采用金刚石刀轮把大片玻璃切割成近似成品大小，然后用铣床/磨床对前一工序的玻璃进行加工至设定尺寸。该技术存在工艺复杂、工序较多、良品率较低、工时过长、精度不高、污染重的问题。采用激光切割技术，能够有效的解决以上问题。 [0003]目前主流的激光切割玻璃方案大多通过激光光斑直接加热玻璃，使玻璃气化的方式来割裂玻璃。这样的加工方式将造成切口边缘有微裂纹，且断面不光滑，影响玻璃的强度，仍需要保留玻璃边缘的精密机械加工。通过冷热应力使玻璃沿预定路径裂开的方式能够有效避免激光直接切割造成的微裂纹现象。然而，现有的通过冷热应力切割玻璃的技术，未能保证在加工弧线时，冷却流体汇聚点也同时位于预定切割路径上，无法确保弧形尺寸的精度。

[0004]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于玻璃切割的激光设备及切割方法，可以用于玻璃直线切割和异形曲线切割，解决了传统机械玻璃切割工艺造成的玻璃强度损失和加工一致性差、精度差的技术问题。
[0005]本发明提供了一种用于玻璃切割的激光设备，包括底座、工作平台、立柱、光学平台、激光发生器、转折镜组件、振镜、X轴运动系统、Y轴运动系统、Zl轴运动系统、Z2轴运动系统、金刚石刀轮、流体冷却系统、真空吸附平台、DD旋转轴运动系统、工控机和显示器；所述工作平台与所述底座弹性连接；立柱位于所述工作平台两侧，并与所述工作平台固定连接；所述光学平台固定连接在所述立柱上，且所述光学平台的顶面与所述工作平台平行，所述光学平台的侧面与所述工作平台垂直；所述X轴运动系统固定在光学平台侧面且与设置在所述工作平台上的Y轴运动系统和所述真空吸附平台垂直；所述激光发生器和所述转折镜组件设置在所述光学平台上；光束通过所述转折镜组件反射至设置在Z2轴运动系统上的所述振镜内；所述真空吸附平台用于吸附待加工工件；所述真空吸附平台固定连接在所述DD旋转轴运动系统上；所述DD旋转轴运动系统固定连接至所述Y轴运动系统上,所述Y轴运动系统与所述工作平台固定连接；所述金刚石刀轮设置在所述Zl轴运动系统上，用于在玻璃预定切割路径的起始位置刻出初始划痕，以便于随后的激光切割；所述振镜和所述流体冷却系统的喷嘴设置在所述Z2轴运动系统上，位于真空吸附平台上方，所述振镜底部安装有透镜，通过安装在Z2轴运动系统上的振镜进行扫描，形成与加工路径相匹配的形状的激光光斑，通过X轴运动系统、Y轴运动系统和DD旋转轴运动系统带动待加工工件运动，使激光光斑沿预定的切割路径加热玻璃，通过同时安装在Z2轴运动系统上的冷却流体喷嘴冷却，通过应力使玻璃断裂以产生光亮断面。
[0006]其中，所述激光发生器为CO2激光器。
[0007]其中，所述Zl轴运动系统和所述Z2轴运动系统同时固定在支架上，所述支架通过螺栓连接至所述X轴运动系统上。
[0008]其中，所述DD旋转轴运动系统通过连接板紧固到所述Y轴运动系统上。
[0009]本发明还提供了一种基于上述的激光设备的切割方法，包括下述步骤:
[0010](I)将待加工工件置于所述真空吸附平台上；
[0011](2)使用金刚石刀轮在待加工工件的起始加工位置刻出初始划痕；
[0012](3)工控机根据预定切割路径控制振镜产生与所述预定切割路径相吻合的激光光斑；所述预定切割路径根据工件形状设定，所述预定切割路径的起始位置为所述初始划痕；
[0013](4)通过安装在振镜下方的冷却流体喷嘴喷出冷却流体，对已通过所述激光光斑加热的路径进行冷却，使工件在冷热应力的作用下裂开，实现工件切割。
[0014]其中，步骤⑶具体为:
[0015]加工直线时 ，由工控机控制Y轴带动待加工工件产生直线运动，同时控制振镜产生条形光斑投射到待加工工件预定切割路径上；
[0016]加工弧线时，由工控机控制XY轴和DD马达带动待加工工件产生复合运动，同时控制振镜产生弧形光斑，投射到待加工工件预定切割路径上并使所述弧形光斑始终与所述预定切割路径完全吻合；其中复合运动是指平移的同时旋转所构成的运动。
[0017]其中，步骤⑷具体为:
[0018]加工直线时，冷却流体汇聚点和激光光斑始终位于此直线加工路径上；
[0019]加工弧线时，工控机控制XY轴和DD马达进行三轴联动，使待加工工件产生复合运动，同时激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上。
[0020]其中，冷却流体汇聚点与激光光斑中心之间的间隔为3mm-10mm。
[0021]本发明通过冷热应力使玻璃裂开，切面为光亮表面，不会形成微裂纹；通过工控机控制振镜，在加工直线时产生条形光斑，加工弧线时产生弧形光斑，使光斑形状始终与预定切割路径吻合，确保加工精度；同时在做弧线切割的时候通过DD马达带动工件旋转，配合XY轴的运动，使激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上，确保弧形边缘加工的光洁度和尺寸精度。




[0022]图1是本发明提供的玻璃激光切割设备(激光玻璃切割机)的整体结构图。
[0023]图2为Y轴、DD马达和吸附平台整体结构图。
[0024]图3为X轴、Zl轴和Z2轴以及安装其上的振镜和冷却流体喷嘴整体结构图。
[0025]图4是本发明通过X轴、Y轴和DD旋转轴运动系统的联动，实现工件复合运动的示意图。
[0026]其中，I为底座、2为工作平台、3为立柱、4为光学平台、5为激光发生器、6为转折镜组件、7为振镜、8为X轴运动系统、9为Y轴运动系统、10为Zl轴运动系统、11为Z2轴运动系统、12为金刚石刀轮、13为流体冷却系统、14为真空吸附平台、15为DD旋转轴运动系统、16为工控机和17为显示器、21为吸附平台上层、22为吸附平台下层、23为连接板、31
为支架、41为激光光斑、42为冷却流体汇聚点、L4为预定切割路径。


[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]本发明通过使用DD旋转马达配合XY轴运动系统，使激光光斑与预定玻璃切割路线精密吻合；通过冷却应力让玻璃沿预定切割路线断裂，产生光亮切面；通过三轴联动控制，在切割玻璃曲线的过程中，使光斑和冷却流体的汇聚点始终位于加工轨迹上，从而实现高精度、高质量的异形玻璃切割，且切割断面为光亮表面，使其加工出来的玻璃切口能够满足特定行业的高标准要求。
[0029]本发明公开了一种玻璃激光切割设备，可以用于玻璃直线切割和异形曲线切割。具体实现装置包括工作平台、工控机、显示器、激光发生器、金刚石刀轮、振镜、真空吸附平台、X轴运动系统、Y轴运动系统、Zl轴运动系统、流体冷却系统、Z2轴运动系统和DD旋转轴运动系统。金刚石刀轮安装在Zl轴运动系统上，用于在玻璃预定切割路径的起始位置刻出初始划痕，以便于随后的激光切割。振镜和流体冷却系统的喷嘴安装在Z2轴运动系统上，位于真空吸附平台上方，振镜底部安装有透镜。通过安装在Z2轴上的振镜扫描，形成与加工路径相匹配的形状的激光光斑，通过X轴运动系统、Y轴运动系统和DD旋转轴运动系统带动工件运动，使激光光斑沿预定的切割路径加热玻璃，通过同时安装在Z2轴运动系统上的冷却流体喷嘴冷却， 通过应力使玻璃断裂，以产生光亮断面。
[0030]其实现步骤包括:先根据预定切割路径，在需要的加工位置用金刚石刀轮划出一个初始加工痕迹。再通过控制系统将激光束通过振镜扫描以形成一个与玻璃加工路线相匹配的光斑(加工直线时，形成条形光斑；加工曲线时，形成弧线光斑，使光斑形状与加工路径精密吻合)。加工直线时，通过Y轴工作平台的运动，使激光条形光斑与加工路径重合。加工曲线时，激光通过振镜扫描形成弧线光斑，再通过XY轴工作平台以及DD旋转平台的配合运动，通过三轴联动控制系统，使该加热光斑始终精确与加工路径重合。然后使得振镜固定在同一个运动系统上冷却流体系统的喷嘴冷却加热后的玻璃，通过冷热产生的应力使玻璃沿预定切割路径断裂，产生光亮切割面。并且该装置通过XY和DD三轴联动控制，使激光光斑和冷却流体/气体汇聚点始终都位于设定的加工轨迹上，使玻璃沿激光切割路线分裂。
[0031]本发明先使用金刚石刀轮在初始加工路径上产生初始划痕；使用振镜扫描产生与加工路径相匹配的任意形状的光斑，如条形光斑以及各类弧形光斑；通过使用DD旋转马达配合XY轴运动系统，使激光光斑与预定玻璃切割路线精密吻合；通过冷却应力让玻璃沿预定切割路线断裂，产生光亮切面；通过三轴联动控制，在切割玻璃曲线的过程中，使光斑和冷却流体/气体的汇聚点始终位于加工轨迹上，从而实现高精度、高质量的异形玻璃切割，且切割断面为光亮表面，使其加工出来的玻璃切口能够满足特定行业的高标准要求。本发明解决了传统机械玻璃切割工艺造成的玻璃强度损失和加工一致性差、精度差等问题，能够满足触摸屏等应用领域的质量要求。
[0032]本发明可以适用各种形状的玻璃切割加工(特别适用于弧线或R角的精密切割)。本发明是一种高效率、高良率、高精度的玻璃切割设备。
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0034]如图1所示，该激光切割设备包括底座1、工作平台2、立柱3、光学平台4、激光发生器5、转折镜组件6、振镜7、X轴运动系统8、Y轴运动系统9、Zl轴运动系统10、Z2轴运动系统11、金刚石刀轮12、流体冷却系统13、真空吸附平台14、DD旋转轴运动系统15、工控机16和显不器17。
[0035]工作平台2由整块厚实的大理石制成；底座I由金属结构件组成，其下端装有若干调整脚。工作平台2与底座I采用牢固而具有一定弹性的连接件连接，加上调整脚的调节性能，一并将机座调整至水平、稳定而墩实的设备平台。在工作平台的左右两侧，分别有一个立柱3，通过螺栓连接固定在大理石工作平台2上。立柱3也采用大理石经过精密加工，以保证其底面和顶面平行。光学平台4也通过螺栓连接至立柱3上。光学平台4也采用大理石材质，通过精密加工保证其上下两面的平面度和平行度，这样使得安装在立柱上的光学平台4的顶面能够保证与工作平台2平行，且其侧面能够与工作平台垂直。X轴运动系统8固定在光学平台4侧面，使其和安装在工作平台上的Y轴9以及吸附平台14完全垂直。激光发生器5和转折镜组件6安放于大理石光学平台4上。光束通过转折镜组件6反射到Z2轴11上的扫描振镜7内 。
[0036]由真空吸附平台14吸附待加工工件，使其固定不动便于加工。参见图2，吸附平台14由上、下层两部分构成。上层21可采用轻质合金材料制作，在数控机床上按设计要求获取尺寸精确、表面光滑、分布均匀的若干个小通孔。下层22内部有一空腔，上层的全部小通孔均正对空腔，下层的空腔壁上开有两螺孔，以便安装抽气管道。上、下层之间采用气密性连接，以便在工作时抽尽吸附平台中的气体，而将大面积待加工工件牢牢吸附在上层上。可将上、下层栓在一起一并制作，可获得更佳的效果。真空吸附平台14用螺栓安装在DD旋转轴运动系统(即DD马达)15上的相应连接孔中。DD马达再通过图3中连接板23，牢牢的紧固到垂直下方的Y轴运动系统9上，Y轴运动系统9通过机械连接方式安装在设备平台上的相应连接孔中，并可调整与工作平台2 —样的水平程度，以达到被吸附的待加工工件也呈水平状态，并能快速准确的将待加工工件向Y方向移动，同时可以转动，而使激光光斑位于预定的切割路径上。
[0037]参见图3，Zl和Z2轴同时固定在一个支架31上，支架31通过螺栓连接到X轴运动系统8上。Zl轴10上安装金刚石刀轮12，用于刻初始划痕；Z2轴11上安装扫描振镜7，冷却流体喷嘴13固定在Z2轴11下方的支架31上。
[0038]以上具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。例如:也可以对调Zl和Z2轴的相对位置；也可以用DD马达来旋转激光光斑和冷却流体喷嘴等等。
[0039]为了实现上述目的，本发明采用5轴控制:X轴运动控制系统由直线电机驱动产生横向运动，Y轴运动控制系统也由直线电机驱动产生竖向移动，D轴运动控制系统为旋转马达驱动，使吸附平台产生旋转运动，其与X、Y轴进行联动以满足切割弧线的要求；Zl轴运动控制系统由步进电机驱动，可控制金刚石刀轮的上下移动；Ζ2轴运动控制系统也使用步进电机驱动，控制安装在其上的振镜上下移动，调节激光的焦距。
[0040]为了让玻璃沿预定切割路径断裂，且实现封闭图形，通过控制Zl轴上的金刚石刀轮，在预定切割路径的起始位置，刻出初始划痕，使激光光斑在加工的初始位置，能够精密的沿预定路径断裂。
[0041]由于要使激光均匀分布在切割面上，才能保证玻璃切割的切口均匀一致，且不会出现微裂，以满足某些应用领域的高要求，本设备可通过控制器控制振镜产生与预定切割路径相吻合的激光光斑。切割直线时，使用的激光光斑为条形光斑；加工弧线时，使用的激光光斑为弧形，且该光斑与加工路径相吻合，从而使玻璃切割面加热均匀，以控制加工精度和表面光洁度。
[0042]通过三轴联动控制，由X轴、Y轴直线电机和DD旋转马达进行复合运动，始终使激光光斑和冷却流体汇聚点位于预定切割路径上，通过冷热应力使玻璃沿预定切割路径断裂，从而保证玻璃切口边缘各点的质量均匀一致。工件的复合运动示意图见附图4，L4实线表示待加工工件预定切割路径初始位置，虚线表示的是工件经过复合运动后的待加工工件的路径位置。激光光斑41和冷却流体汇聚点42的中心位置在加工过程中一直保持不动，通过三轴联动控制移动待加工工件，始终使激光光斑41和冷却流体汇聚点42精确的位于预定的切割路径L4上，以实现精密切割。
[0043]在本发明中，激光设备包括大理石工作平台、大理石立柱和大理石光学平台。大理石工作平台上安放有Y轴运动系统、吸附平台、DD旋转轴运动系统。大理石光学平台侧面安装有X轴运动系统；Z1轴运动系统(垂直升降机构)上安装有金刚石刀轮，Z2轴运动系统上安放有扫描振镜以及冷却流体喷嘴，Zl和Z2均固定在X轴运动系统上。大理石光学平台上安装有激光发生器组件和光束转折镜组件。垂直升降机构Zl和Z2均安放在X轴上，并安装在所述大理石立柱上，立柱的顶面与大理石工作平台的顶面平行；大理石光学平台安放在大理石立柱上，所述激光发生器和光束转折镜组件等放于大理石光学平台上。可先通过控制安装在Zl运动控制系统的金刚石刀轮，在预定切割路径所需位置，刻出初始划痕，以便于随后的玻璃切割。通过控制器，根据预设的加工路径，控制安装在Z2轴上的振镜扫描出所需形状的切割光斑(加工直线时，形成条形光斑；加工曲线时，形成弧线光斑，始终使光斑形状与加工路径精密吻合)。使激光光斑沿预定的切割路径加热玻璃，同时使安装在Z2轴上的冷却流体来冷却玻璃。通过冷热应力使玻璃断裂，以产生光亮断面，以满足某些应用领域对玻璃的高强度和断面高光洁度的要求。DD旋转马达安装在Y轴运动系统上。通过三轴联动插补技术，控制X轴、Y轴和DD旋转轴运动系统带动工件做复合运动，使激光加工光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上，从而保证切口加工质量和加工精度。
[0044]本发明具有以下优点:
[0045](1)高效率:由于激光的快速加工特点，相对于传统加工方式，该技术能高效率的完成切割作业。
[0046](2)高精度:由于该技术采用的是精度±1 μ m的直线电机进和高精度的旋转马达来驱动，且三轴联动控制始终保证了激光光斑和冷却流体汇聚点均能准确位于预定切割路径上，确保了加工尺寸的精度。
[0047] (3)高良率:由于激光在直线和弧线各点的加工速度一样，保证了切口的均匀一致性；通过冷热应力使玻璃裂开，而不是通过光斑直接切断玻璃，确保了切口为光亮表面，确保了玻璃的强度；通过三轴联动控制进行插补运算，加工弧形时，仍能确保激光光斑和冷却流体汇聚点均能准确位于预定切割路径上，使弧形加工的切口质量能够保证均匀一致；以上特点，确保了加工质量水平能够满足对切口表面光洁度和强度要求很高的应用领域的玻璃应用要求。
[0048](4)简易性:相对于传统加工工艺，本发明为一次工序，专用操作软件，操作更简单。
[0049]在本发明实施例中，用于玻璃精密切割的激光装置包含有激光器、全反镜片组、振镜系统、场镜、冷却流体系统、XYZ轴运动系统和DD马达旋转系统。激光器的输出端布置有全反镜片组，全反镜片组输出端依次布置有振镜系统和场镜。场镜输出端正对吸附平台，吸附平台安装在DD马达上，DD马达安装在Y轴运动系统上。振镜安装在Z轴运动系统(垂直升降机构)上，且冷却流体喷嘴安装在扫描振镜下方的Z轴上，流体汇聚点与激光光斑保持固定距离，且两点与Y轴平行。Z轴安装在X轴运动系统上。激光器、振镜系统、XYZ运动系统和DD马达均通过通讯系统与工控机相连。
[0050]本发明提供了一种采用激光实现精密玻璃切割的方法，包含以下步骤:
[0051](I)将待加工工件置于吸附平台上。
[0052](2)使用金刚石刀轮在待加工工件的起始加工位置刻出初始划痕，使玻璃能够在冷热应力的作用下沿初始划痕的路径裂开，确保激光加工的精度。
[0053](3)工控机根据预定切割路径控制振镜产生与所述预定切割路径相吻合的激光光斑；切割直线时，由工控机控制Y轴带动待加工工件产生直线运动，同时控制振镜产生条形光斑投射到待加工工件预定切割路径上；加工弧线时，由工控机控制XY轴和DD马达带动待加工工件产生复合运动，同时控制振镜产生弧形光斑，使光斑始终与预定切割路径完全吻合。复合运动是指平移的同时旋转所构成的运动；预定切割路径根据工件形状设定，一般为工件形状。
[0054](4)通过安装在振镜下方的冷却流体喷嘴喷出冷却流体，对已通过激光光斑加热的路径进行冷却，使玻璃产生冷热应力而裂开。加工直线时，冷却流体汇聚点和激光光斑始终位于此直线加工路径上；加工弧线时，工控机控制XY轴和DD马达进行三轴联动，使待加工工件产生复合运动，也使激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上。冷却流体汇聚点与激光光斑中心之间的间隔为3mm-1Omm。合适的间隔可以获得最佳的冷热应力切割效果，且能使加工弧线的半径小至3mm。无论加工直线和弧线，可以使激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上，从而实现精密切割。
[0055]在本发明实施例中，X轴运动控制系统可以控制振镜系统和冷却流体喷嘴横向移动，Y轴运动控制系统可以控制吸附平台竖向移动，D轴运动控制系统可以控制旋转马达，驱动吸附平台产生旋转运动，Z轴运动控制系统可以控制振镜的上下移动，调节激光的焦距。
[0056]本发明技术方案的突出实质性特点和显著的进步主要体现在:(I)通过激光光斑和冷却流体产生冷热应力从而使玻璃沿预定切割路径裂开，避免直接采用激光切割产生的微裂纹以及断面不光滑给玻璃造成的强度损失，免除后续的磨铣加工。(2)通过控制振镜产生和预定切割路径完全吻合的激光光斑，使得加热路径与预定切割路径完全吻合，确保加工的尺寸精度。(3)通过DD马达带动待加工工件旋转，同时驱动XY轴同时运动，使得冷却流体汇聚点也同时准确位于预定切割路径上，确保玻璃裂开的路径与预设加工路径完全吻合，从而实现高精度的加工尺寸。
[0057]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0058]如图1所示，本发明的实现装置包括激光器、振镜、全反镜片组、场镜、工控机、冷却流体系统、XYZ轴运动系统和DD旋转运动系统。所述激光器的输出端布直有全反镜片组，全反镜片组输出端依次布置有振镜系统和场镜。场镜输出端正对吸附平台，所述吸附平台安装在DD马达上，所述DD马达安装在Y轴运动系统上。所述振镜安装在Z轴运动系统(垂直升降机构)上，且冷却流体喷嘴安装在扫描振镜下方，流体汇聚点与激光光斑保持固定距离，且两点与Y轴平行。所述Z轴安装在X轴运动系统上。所述激光器、振镜系统、XYZ运动系统和DD马达均通过通讯系统与工控机相连。
[0059]本发明提供了一种采用上述装置进行切割的方法，具体包括下述步骤:
[0060](I)将待加工工件置于吸附平台上。
[0061](2)使用金刚石刀轮在待加工工件的起始加工位置，刻出初始划痕，以便于后续的激光加工。
[0062](3)将预定的切割路径转换为数字信号，由工控机控制振镜产生与预定切割路径相吻合的激光光斑。切割直线时，由工控机控制Y轴带动待加工工件产生直线运动，同时控制振镜产生条形光斑投射到预定切割路径上；加工弧线时，由工控机控制XY轴和DD马达带动待加工工件产生复合运动，同时控制振镜产生弧形光斑，使光斑始终与预定切割路径完全吻合。
[0063](4)通过安装在振镜下方的冷却流体喷嘴喷出冷却流体，对已通过激光光斑加热的路径进行冷却，使玻璃产生冷热应力而裂开。加工直线时，工控机控制Y轴移动，使冷却流体汇聚点和激光光斑始终位于此直线加工路径上；加工弧线时，工控机控制XY轴和DD马达进行三轴联动，使待加工工件产生复合运动，也使激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上。加工弧形时工件产生复合运动示意图如附图4所示。无论加工直线和弧线，可以使激光光斑和冷却流体汇聚点始终位于预定切割路径上，从而实现精密切割。
[0064]上述实施装置及方法是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实现装置做出种种修改或者变化，因而本发明的保护范围并不被上述装置所限，而应该是符合权利要求书提到的创新型特征的最大范围。