CN102126082B - 激光曝光刀具及基于激光的立体直接曝光成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光曝光刀具及基于激光的立体直接曝光成像方法，所采用的激光曝光刀具包括外部壳体以及安装在外部壳体内的控制电路板、激光器、准直镜头、光阑和聚焦镜头；控制电路板上设置有对激光器进行驱动控制的驱动控制器、外部壳体形状与数控机床上所安装刀具的刀柄形状相同，驱动控制器与数控机床控制主机相接；其立体直接曝光成像方法，包括以下步骤：一、工件外表面测量与加工图形设计；二、工件外表面处理；三、掩模图形设计；四、工件安装；五、激光曝光刀具安装；六、设备连接；七、曝光成像；八、工件表面后续处理。本发明设计合理、投入成本低、操作简便且使用效果好、应用范围广，能解决传统化学蚀刻方法存在的多种实际问题。

Description

激光曝光刀具及基于激光的立体直接曝光成像方法

技术领域

本发明属于化学蚀刻加工技术领域，尤其是涉及一种激光曝光刀具及基于激光的立体直接曝光成像方法。

背景技术

在现代加工技术领域中，材料表面上图形的化学蚀刻加工是一种被广泛应用的技术手段，如印刷电路板、标牌铭牌的加工制造等。其中，传统化学蚀刻加工的基本流程大致如下：

第一步、制版：用光绘机或照排机制作需要蚀刻图形的照相底片；

第二步、涂敷：在材料表面上涂敷感光抗蚀胶或粘贴感光抗蚀膜；

第三步、晒版：将底片紧密放置在所涂覆感光材料表面的感光抗蚀膜上，对其曝光晒版，再经显影、定影后，形成需加工图形的抗蚀掩模图形；

第四步、蚀刻：用化学溶液对材料表面蚀刻、清洗，并形成所需图形。

实际使用过程中，化学蚀刻技术具有图形精度高、重复性好、工艺简单以及成本低廉等优点，因此得到了广泛的应用。但上述传统的化学蚀刻技术基本上局限于对材料平面的蚀刻加工。而对于三维立体曲面上的图形，传统的化学蚀刻技术往往无能为力，其三维立体曲面上加工图形的实际应用情形逐渐增多，典型的应用如带通雷达罩。由于雷达罩本身是由复合材料制造的三维立体曲面，且需在雷达罩表面加工出频率选择金属图形。

在三维立体曲面上加工图形时，传统的化学蚀刻中在已涂敷感光抗蚀胶的立体曲面上贴敷照相底片，成为现有加工技术中的难点。由于照相底片是平面胶片，无法与立体曲面紧密贴合，必须根据曲面不同区域的曲率大小，将将胶片裁剪成大小不等的若干块进行拼接、粘贴。因而，实际操作过程中，上述传统化学蚀刻方法存在以下主要严重缺陷：1）图形精度差：由于需要将胶片进行手工拼接、粘贴，图形拼接精度极低，不能满足高精度图形的需求；2）重复精度低：大量小胶片的手工拼接、粘贴，产生累计误差，造成产品的重复性、一致性偏差；3）效率低下，成本高且废品率高：由于胶片的拼接、粘贴需手工操作，且一次性使用，生产效率极低，废品率高，成本高；4）复杂曲面无法加工：对于复杂曲面，须将胶片分割成非常小面积的胶片，以至于完全无法实现。因此，三维立体曲面上进行高精度复杂图形的化学蚀刻一直是加工技术的难点，不能很好地满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光曝光刀具，其特征在于：包括前端部开口的外部壳体、安装在所述外部壳体内的控制电路板、用于产生激光光束的激光器、对激光器所产生激光光束进行准直的准直镜头、对经准直镜头准直后的激光光束强弱进行控制调整的光阑和安装在所述外部壳体前端部开口上的聚焦镜头，所述准直镜头、光阑和聚焦镜头均布设在激光器所产生激光光束的投射方向上，且激光器、准直镜头、光阑和聚焦镜头由后至前布设在同一直线上，所述激光器、准直镜头和光阑均布设在所述外部壳体内部；所述控制电路板上设置有对激光器进行驱动控制的驱动控制器、与驱动控制器相接的控制信号输入接口和对各用电单元进行供电的电源模块，所述电源模块与驱动控制器相接；所述外部壳体的形状与数控机床上所安装刀具的刀柄形状相同；所述外部壳体安装在数控机床的刀具驱动主轴上；所述驱动控制器通过控制信号输入接口与所述数控机床的控制主机相接。

上述激光曝光刀具，其特征是：所述外部壳体包括刀柄座和安装在刀柄座上且前端部开口的圆柱状机壳，所述控制电路板、激光器、准直镜头和光阑均安装在圆柱状机壳内，所述聚焦镜头安装在圆柱状机壳的前端部开口上，且激光器、准直镜头、光阑和聚焦镜头均与圆柱状机壳呈同轴布设。

上述激光曝光刀具，其特征是：所述圆柱状机壳后部设置有供与控制信号输入接口相接的控制电缆和与电源模块相接的电源电缆穿出的穿线孔，所述控制信号输入接口通过所述控制电缆与控制主机相接，所述电源电缆接至电源插座上。

上述激光曝光刀具，其特征是：还包括对激光器的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器的光电检测单元和对激光器的输出功率进行手动调节的调节电路，所述光电检测单元和调节电路均与驱动控制器相接。

上述激光曝光刀具，其特征是：所述激光器为半导体激光器L1，所述光电检测单元为光电二极管D1，所述调节电路为可变电位器VR1。

上述激光曝光刀具，其特征是：所述驱动控制器为控制芯片Maxim3263。

上述激光曝光刀具，其特征是：所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻R1后与半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，光电二极管D1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

同时，本发明还公开了一种工艺简单、操作简便、生产效率高且曝光成像图形精度高、重复精度高的利用激光曝光刀具进行基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、需加工工件外表面测量与加工图形设计：采用测量工具对需加工工件的外表面结构和尺寸进行测量，并相应建立需加工工件的三维模型；同时对需加工工件外表面上需加工的图形进行设计，并对所设计的需加工图形进行同步记录；

步骤二、需加工工件外表面处理：在需加工工件的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层；

步骤三、掩模图形设计：根据需加工工件的三维模型和需获得曝光图形的设计要求，采用CAD计算机辅助设计系统对需加工立体结构工件外表面上的曝光位置、曝光控制路线和整个曝光成像过程中激光器的输出功率进行精确设计和计算，并相应生成在需加工立工件外表面上进行曝光成像的CNC数控加工控制文件；所述需获得曝光图形为在需加工立体结构工件外表面上加工图形之前，在需加工立体结构工件的外表面上曝光成型的与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形；

步骤四、需加工工件安装：将需加工工件安装在数控机床的工件安装机构上，并对安装在所述工件安装机构上的需加工工件进行基准对位调整，所述数控机床为多坐标数控机床；

步骤五、激光曝光刀具安装：将激光曝光刀具的外部壳体后端部安装在数控机床的刀具驱动主轴上，并采用锁紧机构对所述刀具驱动主轴进行锁紧以防止所述刀具驱动主轴发生旋转；

步骤六、设备连接：将所述数控机床的控制主机分别与CAD计算机辅助设计系统和控制信号输入接口相接，且将步骤三中所生成的所述CNC数控加工控制文件传送至控制主机；

步骤七、曝光成像：控制主机根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的曝光位置和曝光控制路线对所述多坐标数控机床的所述刀具驱动主轴进行驱动控制，实现在控制主机的控制作用下带动步骤五中所安装的激光曝光刀具在需加工工件外表面上进行三维运动的控制过程；同时，控制主机根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的整个曝光成像过程中激光器的输出功率对驱动控制器进行控制，且通过驱动控制器对激光器的输出功率进行自动调整，直至完成需加工工件的整个曝光成像过程，并获得与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形；

步骤八、需加工工件表面后续处理：利用步骤七中所获得的掩模图形，且按照常规的工件表面图形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并获得需加工的图形。

上述基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征是：所述工件安装机构为所述多坐标数控机床的X-Y轴拖板，所述多坐标数控机床为四坐标数控加工中心或五坐标数控加工中心。

上述基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征是：步骤二中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的激光曝光刀具结构简单、设计合理、加工制作方便且使用操作方便、使用效果好。

2、设计合理，以受控的紫外线激光束对需加工工件曲面上已涂敷的感光抗蚀胶直接进行三维立体曝光，形成抗蚀图形掩膜，再进行化学蚀刻加工，提出了一种立体非金属表面金属镀层的高精度图形制造新方法，它将传统金属镀层图形加工工艺中的制版与晒版工序合并为激光立体直接曝光成像工艺，解决了现有制版工艺中存在的多种缺点，且本发明相应具有以下优点：①能有效解决解决平面底片与曲面表面紧密贴合的难题；②本发明曝光成像后的图形精度高，重复精度高；③工艺简单，操作简便，生产效率高，成本低廉且成品率高；④可用于各种复杂曲面图形的直接曝光，尤其适用于在三维立体曲面上进行高精度复杂图形制作过程，有效解决了三维立体曲面上难以制版、晒版的瓶颈，使传统的化学蚀刻在立体曲面图形的加工领域充分发挥其优势，是对传统的化学蚀刻中制版、晒版技术的革新，使这种类型的高精度复杂图形的加工成为可能，提供了广泛的应用前景。

3、本发明所采用激光曝光刀具的光学系统工作性能稳定、可靠且使用成本低、可操作性强，能将激光器输出的能量最大限度地聚集在一个规定尺寸的光点内，同时尽量减少光点以外的杂散光的能量，以获得最佳的曝光效果。以激光二极管为光源的激光曝光刀具光学系统是一种较为简单、传统的光学结构，激光器发出的小直径发散激光光束经由扩束、准直透镜变换为一束较大孔径的平行激光光束，然后经孔径可调节的光阑，提高平行光束质量，最后经由聚焦透镜将光线聚焦在曝光立体表面，形成一个直径很小光强极大的光点，对曲面体表面的感光涂层进行曝光。同时，调节光阑直径可调整曝光光点直径。另外，所采用的激光曝光刀具经标定、校准后可长期使用。

4、适用范围广，本发明能应用于多项产品的制作过程，特别是采用传统技术和工艺已无法胜任的精美图形制作过程，如机翼前缘曲面天线罩、等角螺旋天线等。

综上所述，本发明设计合理、投入成本低、使用操作简便且使用效果好、应用范围广，能有效解决传统化学蚀刻方法存在图形精度差、重复精度低、加工效率低下、废品率高、复杂曲面无法加工等多种实际问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所采用激光曝光刀具的装配示意图。

图2为本发明所采用激光曝光刀具的使用状态参考图。

图3为本发明所采用激光曝光刀具的电路原理图。

图4为本发明进行立体直接曝光成像时所用直接曝光成像系统的电路原理框图。

图5为本发明进行立体直接曝光成像时的方法流程框图。

附图标记说明:

1—控制电路板；                 1-1—驱动控制器；         1-2—调节电路；

1-3—控制信号输入接口；         1-4—电源模块；           1-5—光电检测单元；

2—激光器；                     3—准直镜头；             4—光阑；

5—聚焦镜头；                   6-1—刀柄座；             6-2—圆柱状机壳；

7—控制主机；                   8—控制电缆；             9—电源电缆；

10—X-Y轴拖板；                 11—CAD计算机辅助         12—加工中心主轴；

                                设计系统。

13—旋转主轴；                  14—加工中心Z轴；         15—圆形加工件。

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本发明所述的激光曝光刀具，包括前端部开口的外部壳体、安装在所述外部壳体内的控制电路板1、用于产生激光光束的激光器2、对激光器2所产生激光光束进行准直的准直镜头3、对经准直镜头3准直后的激光光束强弱进行控制调整的光阑4和安装在所述外部壳体前端部开口上的聚焦镜头5，所述准直镜头3、光阑4和聚焦镜头5均布设在激光器2所产生激光光束的投射方向上，且激光器2、准直镜头3、光阑4和聚焦镜头5由后至前布设在同一直线上，所述激光器2、准直镜头3和光阑4均布设在所述外部壳体内部。所述控制电路板1上设置有对激光器2进行驱动控制的驱动控制器1-1、与驱动控制器1-1相接的控制信号输入接口1-3和对各用电单元进行供电的电源模块1-4，所述电源模块1-4与驱动控制器1-1相接；所述外部壳体的形状与数控机床上所安装刀具的刀柄形状相同。所述外部壳体安装在数控机床的刀具驱动主轴上。所述驱动控制器1-1通过控制信号输入接口1-3与所述数控机床的控制主机7相接。

本实施例中，所述外部壳体包括刀柄座6-1和安装在刀柄座6-1上且前端部开口的圆柱状机壳6-2，所述控制电路板1、激光器2、准直镜头3和光阑4均安装在圆柱状机壳6-2内，所述聚焦镜头5安装在圆柱状机壳6-2的前端部开口上，且激光器2、准直镜头3、光阑4和聚焦镜头5均与圆柱状机壳6-2呈同轴布设。

所述圆柱状机壳6-2后部设置有供与控制信号输入接口1-3相接的控制电缆8和与电源模块1-4相接的电源电缆9穿出的穿线孔，所述控制信号输入接口1-3通过所述控制电缆8与控制主机7相接，所述电源电缆9接至电源插座上。

同时，本发明还包括对激光器2的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器1-1的光电检测单元1-5和对激光器2的输出功率进行手动调节的调节电路1-2，所述光电检测单元1-5和调节电路1-2均与驱动控制器1-1相接。

本实施例中，所述激光器2为半导体激光器L1，所述光电检测单元1-5为光电二极管D1，所述调节电路1-2为可变电位器VR1。所述驱动控制器1-1为控制芯片Maxim3263。

实际进行接线时，所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻R1后与半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，光电二极管D1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263即芯片U1的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口1-3即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

实际使用过程中，控制芯片Maxim3263用于连接电源、接收数控机床控制主机7的控制信号以驱动半导体激光器L1，控制激光输出能量的大小和通断，其中L1为405nm的半导体激光器，可变电位器VR1用于调节半导体激光器L1上位输出功率，光电二极管D1监测半导体激光器L1的输出亮度。J1是控制接口，输入控制芯片Maxim3263用的155mpbs高速差模控制信号。

结合图4和图5，本发明所述的利用激光曝光刀具进行基于激光的立体直接曝光成像的方法，包括以下步骤：

步骤一、需加工工件外表面测量与加工图形设计：采用测量工具对需加工工件的外表面结构和尺寸进行测量，并相应建立需加工工件的三维模型；同时对需加工工件外表面上需加工的图形进行设计，并对所设计的需加工图形进行同步记录。本实施例中，需加工工件为圆形加工件15。

步骤二、需加工工件外表面处理：在需加工工件的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层。本实施例中，所述感光材料涂层为感光抗蚀胶涂层。

步骤三、掩模图形设计：根据需加工工件的三维模型和需获得曝光图形的设计要求，采用CAD计算机辅助设计系统11对需加工立体结构工件外表面上的曝光位置、曝光控制路线和整个曝光成像过程中激光器2的输出功率进行精确设计和计算，并相应生成在需加工立工件外表面上进行曝光成像的CNC数控加工控制文件；所述需获得曝光图形为在需加工立体结构工件外表面上加工图形之前，在需加工立体结构工件的外表面上曝光成型的与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形。

步骤四、需加工工件安装：将需加工工件安装在数控机床的工件安装机构上，并对安装在所述工件安装机构上的需加工工件进行基准对位调整，所述数控机床为多坐标数控机床。

步骤五、激光曝光刀具安装：将激光曝光刀具的外部壳体后端部安装在数控机床的刀具驱动主轴上，并采用锁紧机构对所述刀具驱动主轴进行锁紧以防止所述刀具驱动主轴发生旋转。本实施例中，所述工件安装机构为所述多坐标数控机床的X-Y轴拖板10，所述多坐标数控机床为四坐标数控加工中心或五坐标数控加工中心。此处具体采用四坐标数控加工中心，所述刀具驱动主轴包括加工中心主轴12、安装在加工中心主轴12上的旋转主轴13和同轴安装在加工中心主轴12上的加工中心Z轴14。

因而，实际使用过程中，所述激光曝光刀具的刀柄之外形符合数控机床对刀具要求的几何尺寸，其能直接安装在数控机床的刀具驱动主轴上；刀柄的机壳部分坚固不易变形，激光曝光刀具经标定、校准后可长期使用。

步骤六、设备连接：将所述数控机床的控制主机7分别与CAD计算机辅助设计系统11和控制信号输入接口1-3相接，且将步骤三中所生成的所述CNC数控加工控制文件传送至控制主机7。

步骤七、曝光成像：控制主机7根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的曝光位置和曝光控制路线对所述多坐标数控机床的所述刀具驱动主轴进行驱动控制，实现在控制主机7的控制作用下带动步骤五中所安装的激光曝光刀具在需加工工件外表面上进行三维运动的控制过程；同时，控制主机7根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的整个曝光成像过程中激光器2的输出功率对驱动控制器1-1进行控制，且通过驱动控制器1-1对激光器2的输出功率进行自动调整，直至完成需加工工件的整个曝光成像过程，并获得与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形。

步骤八、需加工工件表面后续处理：利用步骤七中所获得的掩模图形，且按照常规的工件表面图形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并获得需加工的图形。

本实施例中，步骤二中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。

综上所述，实际使用过程中，将激光器2、控制电路板1、光阑4和聚焦镜头5等部件集成安装在一个刀柄形外部壳体内，构成一把标准加工刀具形式的激光曝光刀具。上述刀柄形外部壳体可以安装在各种多坐标数控加工中心上且以标准刀具形式对立体工件表面的感光胶涂层进行图形曝光加工。实际加工时，首先由CAD计算机辅助设计系统11设计、编辑产生CNC数控数据文件，并将CNC数控数据文件输入到多坐标数控加工中心的控制主机7内且保存至系统内存中；之后，控制主机7根据CNC数控数据文件即CNC文件的控制指令带动激光曝光刀具作三维立体运动；同时，控制主机7通过控制信号输入接口1-3向控制电路板1上所安装的驱动控制器1-1发出控制信号，控制激光曝光刀具在精确的位置对曲面体表面即需加工工件外表面上的感光胶涂层进行曝光。

并且，进行激光立体直接曝光时，具体是先将需要曝光加工的需加工工件安装在多坐标加工中心的X-Y轴拖板10上，并将激光曝光刀具安装在加工中心的刀具驱动主轴上，并将刀具驱动主轴锁定禁止旋转。所述控制电缆8与电源电缆9与加工中心的控制主机7连接，利用加工中心的精确立体定位与运动能力，且以激光曝光刀具输出的激光束对需加工工件表面进行曝光。加工中心的立体运动受CNC数控数据文件进行控制，CNC文件输入加工中心的控制主机7后，加工中心则根据设计要求驱动X、Y和Z轴以及旋转轴并利用激光曝光刀具对工件表面的感光胶涂层进行图形曝光加工。另外，多坐标数控加工中心所需要的CNC文件是CAD计算机辅助设计系统11通过CAD辅助设计软件根据需加工工件的三维模型和曝光图形的设计要求在计算机上生成的，CAD辅助设计软件对需加工工件外表面上曝光的位置、路线和激光曝光刀具的激光输出功率进行精确计算，生成CNC控制数据文件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光曝光刀具，包括前端部开口的外部壳体、安装在所述外部壳体内的控制电路板（1）、用于产生激光光束的激光器（2）、对激光器（2）所产生激光光束进行准直的准直镜头（3）、对经准直镜头（3）准直后的激光光束强弱进行控制调整的光阑（4）和安装在所述外部壳体前端部开口上的聚焦镜头（5），所述准直镜头（3）、光阑（4）和聚焦镜头（5）均布设在激光器（2）所产生激光光束的投射方向上，且激光器（2）、准直镜头（3）、光阑（4）和聚焦镜头（5）由后至前布设在同一直线上，其特征在于：所述激光器（2）、准直镜头（3）和光阑（4）均布设在所述外部壳体内部；所述控制电路板（1）上设置有对激光器（2）进行驱动控制的驱动控制器（1-1）、与驱动控制器（1-1）相接的控制信号输入接口（1-3）和对各用电单元进行供电的电源模块（1-4），所述电源模块（1-4）与驱动控制器（1-1）相接；所述外部壳体的形状与数控机床上所安装刀具的刀柄形状相同；所述外部壳体安装在数控机床的刀具驱动主轴上；所述驱动控制器（1-1）通过控制信号输入接口（1-3）与所述数控机床的控制主机（7）相接。

2.按照权利要求1所述的激光曝光刀具，其特征在于：所述外部壳体包括刀柄座（6-1）和安装在刀柄座（6-1）上且前端部开口的圆柱状机壳（6-2），所述控制电路板（1）、激光器（2）、准直镜头（3）和光阑（4）均安装在圆柱状机壳（6-2）内，所述聚焦镜头（5）安装在圆柱状机壳（6-2）的前端部开口上，且激光器（2）、准直镜头（3）、光阑（4）和聚焦镜头（5）均与圆柱状机壳（6-2）呈同轴布设。

3.按照权利要求2所述的激光曝光刀具，其特征在于：所述圆柱状机壳（6-2）后部设置有供与控制信号输入接口（1-3）相接的控制电缆（8）和与电源模块（1-4）相接的电源电缆（9）穿出的穿线孔，所述控制信号输入接口（1-3）通过所述控制电缆（8）与控制主机（7）相接，所述电源电缆（9）接至电源插座上。

4.按照权利要求1或2所述的激光曝光刀具，其特征在于：还包括对激光器（2）的输出亮度进行实时检测并将所检测信号同步传送至驱动控制器（1-1）的光电检测单元（1-5）和对激光器（2）的输出功率进行手动调节的调节电路（1-2），所述光电检测单元（1-5）和调节电路（1-2）均与驱动控制器（1-1）相接。

5.按照权利要求4所述的激光曝光刀具，其特征在于：所述激光器（2）为半导体激光器L1，所述光电检测单元（1-5）为光电二极管D1，所述调节电路（1-2）为可变电位器VR1。

6.按照权利要求5所述的激光曝光刀具，其特征在于：所述驱动控制器（1-1）为控制芯片Maxim3263。

7.按照权利要求6所述的激光曝光刀具，其特征在于：所述控制芯片Maxim3263的OUT+管脚经电阻R1后与半导体激光器L1的阳极相接，控制芯片Maxim3263的IPin管脚与光电二极管D1的阳极相接且光电二极管D1的阴极与半导体激光器L1的阳极相接，光电二极管D1的阳极与阴极之间并接有电容C2，所述控制芯片Maxim3263的IBO管脚经电感L11后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚经电阻R3后与半导体激光器L1的阴极相接，所述控制芯片Maxim3263的Fail管脚依次经电阻R4和电阻R2后与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚相接，电阻R4和电阻R2之间的连接点与所述控制芯片Maxim3263的OUT-管脚之间并接有电容C5，所述控制芯片Maxim3263的IBI管脚和SLW管脚分别经电阻R5和电阻R7后均接地，所述控制芯片Maxim3263的IMI管脚与IMO管脚相接且经电阻R6后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Ref1管脚和Ref2管脚相接且经可变电位器VR1后与控制芯片Maxim3263的Oadj管脚相接，控制芯片Maxim3263的Oadj管脚与Ref1管脚和Ref2管脚之间并接有电容C4；控制芯片Maxim3263的VCC管脚分别经电容C1和电容C6后均接地，所述控制信号输入接口（1-3）即控制接口J1的第1、第2、第3和第4管脚分别与控制芯片Maxim3263的IN+、IN-、EN+和EN-管脚相接，控制芯片Maxim3263的GND管脚和IP管脚均接地，控制接口J1的第5和第6管脚均接VCC电源端，控制接口J1的第7和第8管脚均接地；所述半导体激光器L1的阳极接VCC电源端且VCC电源端经电容C3后接地。

8.一种利用如权利要求1所述激光曝光刀具进行基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、需加工工件外表面测量与加工图形设计：采用测量工具对需加工工件的外表面结构和尺寸进行测量，并相应建立需加工工件的三维模型；同时对需加工工件外表面上需加工的图形进行设计，并对所设计的需加工图形进行同步记录；

步骤二、需加工工件外表面处理：在需加工工件的外表面上均匀涂覆一层感光材料涂层；

步骤三、掩模图形设计：根据需加工工件的三维模型和需获得曝光图形的设计要求，采用CAD计算机辅助设计系统（11）对需加工立体结构工件外表面上的曝光位置、曝光控制路线和整个曝光成像过程中激光器（2）的输出功率进行精确设计和计算，并相应生成在需加工立工件外表面上进行曝光成像的CNC数控加工控制文件；所述需获得曝光图形为在需加工立体结构工件外表面上加工图形之前，在需加工立体结构工件的外表面上曝光成型的与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形；

步骤四、需加工工件安装：将需加工工件安装在数控机床的工件安装机构上，并对安装在所述工件安装机构上的需加工工件进行基准对位调整，所述数控机床为多坐标数控机床；

步骤五、激光曝光刀具安装：将激光曝光刀具的外部壳体后端部安装在数控机床的刀具驱动主轴上，并采用锁紧机构对所述刀具驱动主轴进行锁紧以防止所述刀具驱动主轴发生旋转；

步骤六、设备连接：将所述数控机床的控制主机（7）分别与CAD计算机辅助设计系统（11）和控制信号输入接口（1-3）相接，且将步骤三中所生成的所述CNC数控加工控制文件传送至控制主机（7）；

步骤七、曝光成像：控制主机（7）根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的曝光位置和曝光控制路线对所述多坐标数控机床的所述刀具驱动主轴进行驱动控制，实现在控制主机（7）的控制作用下带动步骤五中所安装的激光曝光刀具在需加工工件外表面上进行三维运动的控制过程；同时，控制主机（7）根据所述CNC数控加工控制文件中所记载的整个曝光成像过程中激光器（2）的输出功率对驱动控制器（1-1）进行控制，且通过驱动控制器（1-1）对激光器（2）的输出功率进行自动调整，直至完成需加工工件的整个曝光成像过程，并获得与步骤一中所述需加工图形相对应的掩模图形；

步骤八、需加工工件表面后续处理：利用步骤七中所获得的掩模图形，且按照常规的工件表面图形加工方法，在需加工工件的外表面上加工并获得需加工的图形。

9.按照权利要求8所述的基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征在于：所述工件安装机构为所述多坐标数控机床的X-Y轴拖板（10），所述多坐标数控机床为四坐标数控加工中心或五坐标数控加工中心。

10.按照权利要求8或9所述的基于激光的立体直接曝光成像的方法，其特征在于：步骤二中所述的感光材料涂层为感光胶涂层。

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