CN101804519A - 激光加工头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工头，包括加工头基体和装在基体上的激光加工功能单元，所述加工头基体由至少两个采用开放式加工的板块式单元组装而成，所述激光加工功能单元集成于板块式单元上。本发明用开放式加工的板块单元组装成激光加工头的基体，在基体上集成各激光加工功能单元，实现激光加工功能的高密度集成，并且降低成本，实现小型化、微型化。

Description

激光加工头

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别是涉及一种激光加工头。

背景技术

激光加工是一种被日益广泛应用的非接触式加工方法。通常可以将低强度平行激光能量通过光学系统聚焦形成很小直径的高强度能量场，作用于工件，将工件加热，熔化，或直接升华从而达到变形，硬化，焊接，切割或划线的加工目的。一个完整的激光加工系统包括激光器，光路传输单元，激光加工头，运动与控制系统，工件，以及辅助系统(如辅助加工气体等)。

激光加工虽然有很多优点，但此类系统相对于其它系统，如机械加工系统，价格偏高，操作复杂。激光加工头是激光加工系统中非常重要的部分。传统典型的激光加工头由一系列较为复杂的部件组成。激光器发出的光束经过激光入射口及反射镜单元进入分光镜单元，光能大部分反射向工件方向，经过透镜单元聚焦、间距微调单元、辅助气体接口及隔离镜片腔体，然后经过喷嘴施加于工件上进行加工。为方便定位和监测，一些激光头设置有同轴的CCD。整个激光头通过固定架与外部结构连接。为满足光路的精确调节，上述部件需要达到足够的定位与调节精度。由于许多部件普遍采用圆柱形结构，这些部件的加工需要加工内表面及外表面，还要与方形结构联结。这种结构的复杂性导致了制造成本较高，一定程度上制约了其大批量应用。使用同样的激光器与运动系统，改变激光头可以产生很不一样的加工结果。比如，切割与钻孔加工中激光加工头可以喷射气流保护透镜和增加工艺效率，焊接中激光加工头可以将保护气体施加于焊接区域提高焊接质量，升华去除加工中激光加工头可以减少去除物的粘连等。除了必需的光束调节单元(包括激光入射口，分光反射镜，透镜，保护玻璃片等)外，激光加工头往往还将CCD成像单元，微校正单元，间距调整控制单元，功率检测单元，辅助介质接口与喷射单元等集成为一体，形成各种复杂程度的激光加工头产品。

因为加工的复杂性，定位的精确要求，以及用户的特定要求，传统激光加工头的价格一直居高不下，交货滞后期长，在一定程度上制约了激光加工的广泛应用。举例来讲，一个典型实用的工业用激光加工头的价格在5000到10000美元之间。目前的激光加工头往往重量偏大。

造成上述现象的原因是多方面的。其中最重要的原因是因为目前的激光加工头由众多的部件组装而成，其中许多核心部件采用旋转式中空结构。这些中空结构用螺纹连接，又要加工出支撑台阶，中心孔，侧面固定孔，以及与管道的连接界面等。在封闭的内表面上加工精密结构，这不可避免地增加了加工成本。

另外，旋转组装结构的高成本制约了复杂功能的高密度集成。

综上所述，激光加工头需要降低成本，又需要集成所需功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光加工头，解决既要降低成本，又要集成所需功能的矛盾，进一步提高激光加工头的功能集成度。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：一种激光加工头，包括加工头基体和装在基体上的激光加工功能单元，所述加工头基体由至少两个采用开放式加工的板块式单元组装而成，所述激光加工功能单元集成于板块式单元上，提高激光加工头的功能集成度和实现小型化或微型化。

所述的板块式单元至少包括主板和封装板，主板与封装板装配连接，所述激光加工功能单元集成于主板上，所述主板为一层或多层结构。

所述激光加工功能单元至少包括：一个喷嘴，所述喷嘴装在基体下方，喷嘴上部容纳在主板和封装板形成的空腔内；一个激光接口，用于接受激光束入射；一个光束放大、平行与聚焦单元，用于将入射的激光束反射向出射光路并进行能量集中。

所述的板块式单元还包括温度调节板，所述温度调节板内具有介质流通槽，所述温度调节板的外表面具有介质流通槽接口。

所述的主板上还包括一个或多个介质流通接口，用于引入激光加工所需的辅助介质；一个或多个加工飞屑或废气抽取单元，用于抽取加工工件过程中产生的飞屑或者废气。

所述激光加工功能单元还包括一CCD单元，装在加工头基体上与喷嘴相对的一侧，用于定位和监测。

所述激光加工功能单元还包括激光快门单元，用于控制激光能量的通断。

所述激光加工功能单元还包括一智能控制单元，用于与计算机相连接。

所述激光加工功能单元还包括一间距控制传感单元，用于控制激光头与工作的距离。

所述激光加工功能单元还包括激光偏光镜单元。

本发明是在板块式单元上加工出三维功能结构，再将其组装到一起，形成功能高度集成的激光加工头。在板块材料上加工出三维功能结构属于普通难度的加工，因为其开放性(指刀具或工具可以直接对材料进行加工)，普通装卡定位即可。平面内的复杂结构，对于数控机床来讲都属于已经成熟解决的问题。同时，该结构可以用变形加工或模具铸造等来生产主体结构，从而大大降低总体成本。

用板块结构取代圆柱形结构是实用可行的。工业用激光束的直径一般在几个毫米到15毫米之间，因此采用厚度约20-25毫米厚的板材，可以妥善容纳激光能量。相比之下，目前的激光加工头往往在直径25毫米以上。

用板块结构取代圆柱形结构可以带来一系列好处。首先，平面结构与加工系统的连接可以方便地解决，而圆形结构需要额外的部件才能与外部妥善连接。其次，平面结构可以将各种功能结构在板材上的适当位置布置，非常灵活方便，而这些结构的加工可以在一次装卡中完成，因此对系统的成本影响不大，但功能却可以增加。比如，可以将众多的供气或供液接口布置在远离中心光路的地方，将各种介质通过平面上的通道连到最终的喷射腔即可。

再者，平面结构可以方便地集成冷却单元，从而提高系统的热受载能力。激光加工头传输激光时被吸收的热量如果不能适当散去，将造成性能的漂移或系统的烧毁。平板结构可以方便地附加水冷或气冷结构，控制温升，提高稳定性。或者，可以附加局部加热单元，实现某些特殊的要求。

进一步地，板块式集成结构中的一部分可以采用透明材料，从而方便地对加工头内部实施监控。这在目前的旋转式结构中实现起来相对困难得多。

最后，板块叠加的平板结构可以在同一平面内扩展或在另外层面上延伸，从而将激光加工的光路调节，加工控制，流体传输等功能集成到一起。如同集成电路一样，这类激光加工头强化功能的同时可以降低成本。

实用的激光加工头首先需要解决准确的光学定位与微调节问题。这可以通过将器件安装在机械导轨上来实现。

综上所述，本发明的核心是采用开放式加工的板块单元组装成激光加工头的基体，在基体上集成各激光加工功能单元，实现激光加工功能的高密度集成，并且降低成本，实现小型化、微型化，而激光加工各功能单元均能用现有技术实现。

通过附图与实施例，本发明的思想将得到更深入的阐述。

附图说明

图1为本发明中激光加工头结构示意图；

图2为图1的A-A向剖面图；

图3为本发明中功能密集集成的激光加工头结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为介质流通接口和加工飞屑或废气抽取单元的设置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，主板与封装板装配连接，本发明中的激光加工头将众多的圆柱形部件简化为板块单元叠加的三维结构，板块式单元主要包括主板2和封装板4，主板2和封装板4装配连接。主板2为扁平板材，由高热传导的材料比如铜、铝金属制造。主板2上面与CCD 1相连，下面与喷嘴3相连，主板2与封装板4之间形成喷嘴3所需的腔体，喷嘴3上部容纳在所述腔体内。主板2上具有安装孔6。主板上集成有一系列光学结构，如分光镜5、激光监测单元7、介质流通槽8等。如此，可以实现与传统激光头等价的激光传输系统20，但由于通过平面开放结构来实现，生产成本大大降低，而功能的集成度可以进一步提高。比如，介质流通槽8的接口可以设置于大量的方便区域，只需要将槽最终引入对应的腔体即可。

图3、图4进一步揭示了该发明在提升激光加工头功能密集集成的潜力。如图3所示，激光头主要由主板2、冷却板9、封装板4、喷嘴3和CCD单元1组成。冷却板9上有冷却介质流通槽8及接口结构，用于主动控制激光头可能发生的过热，使其运行更可靠。还可设置加热板，实现加工头的大范围温度调控。

主板上可以安装间隔控制传感单元10，用于控制激光头与工件11的间距。如图4所示，板状结构可以横向扩展以集成更多的功能结构。图中，激光接口12可以方便地与各种激光相连，包括固体激光器、光纤激光器等。光束经过一系列器件的调节，如光束放大、平行与聚焦单元13、激光快门单元14、激光偏光镜单元15、激光能量监测器16等等。图中17为智能控制单元，用于控制所需的位置、流体和温度等，该控制器可以方便地与计算机接口。而介质流通接口18则集中控制各种流体的进出。这里的流体包括气体和液体。如图5所示，除介质流通接口18外，还可在主板2上设置一个或多个加工飞屑或废气抽取单元19，用于抽取加工工件过程中产生的飞屑或者废气。

图1-4中的光学器件位置移动可以用多种机械结构来实现，如可滑动的导轨结构。光学器件如透镜可以采用自动同心的固定方法。在光学器件的固定中这些均为广泛应用的部件，在这里不详细论述。

另外，该发明非常有利于将激光加工头小型化及微型化，同时还适用于大功率激光。图3、图4所示的高密度功能集成型激光头可以以传统器件1/2到1/5的大小实现。比如传统的激光头尺寸为直径50毫米，长350毫米，所占空间大于687立方厘米，图3、图4的结构可以在100毫米×25毫米×125毫米的空间内实现，容积为312.5立方厘米。板面上可以将光路折叠，从而以小的空间实现大的光路传输距离。这样小型化的结构节约了材料，保留了所有必需的功能，但加工成本却因为平面开放结构以及加工量的减少而降低。在某些情况下，如微细加工中，激光束直径最大处可以小于等于5毫米，则可以采用直径小于12.5毫米的光学器件(透镜，反射镜，等)来实现通常由大于25毫米光学器件组成的激光头。这样，可以将精密激光加工头的体积降为约45立方厘米，同时强化辅助流体的调控流通等功能。

更进一步地，可以采用微米级的光束和光学结构，同时集成监测、辅助介质接口等功能。比如整体外形尺寸宽度小于5毫米，厚度小于5毫米。为实现功能的高度集成，可将设置为多层结构，可以将光路在多层机构上展开，从而在有限的空间实现复杂的光路调制。

本发明所涉及到的结构可以用任何实用的方法加工出来。如，可以用数控机械铣削加工或电火花电化学加工在板材上加工出所需结构。还可以通过精密铸造或变形加工加工主板主体，封盖，冷却板等，辅以关键部位的精密去除加工。相对于传统的圆柱组合结构，该发明所需加工的工件数量大大减少，所需工时也大大减少，有利于降低成本。同时，由于大量采用开放式平面结构，可以在提高精度的同时，不过度增加加工成本。

本发明所示的激光头可以用于去除加工，也可以用于其它激光加工，如焊接，熔覆，激光喷丸处理，激光清洗等。所有的激光加工头都需要保证达到所需的激光能量状态，又要引进必需的辅助介质和调控功能。本发明的意义在于强化功能的同时，可以减轻重量，降低成本，从而促进激光加工的进一步推广应用。

业内人士根据本发明提供的方案可以细化设计或发展出很多种技术方案，这里无法一一说明。凡符合上述技术特征者，皆在我们的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光加工头，包括加工头基体和装在基体上的激光加工功能单元，其特征在于，所述加工头基体由至少两个采用开放式加工的板块式单元组装而成，所述激光加工功能单元集成于板块式单元上，提高激光加工头的功能集成度和实现小型化或微型化。

2.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述的板块式单元至少包括主板和封装板，主板与封装板装配连接，所述激光加工功能单元集成于主板上，所述主板为一层或多层结构。

3.如权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元至少包括：一喷嘴，所述喷嘴装在基体下方，喷嘴上部容纳在主板和封装板形成的空腔内；一激光接口，用于接受激光束入射；一光束放大、平行与聚焦单元，用于将入射的激光束反射向出射光路并进行能量集中。

4.如权利要求2或3所述的激光加工头，其特征在于，所述的板块式单元还包括温度调节板，所述温度调节板内具有介质流通槽，所述温度调节板的外表面具有介质流通槽接口。

5.如权利要求4所述的激光加工头，其特征在于，所述的主板上还包括一个或多个介质流通接口，用于引入激光加工所需的辅助介质；一个或多个加工飞屑或废气抽取单元，用于抽取加工工件过程中产生的飞屑或者废气。

6.如权利要求3所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元还包括一CCD单元，装在加工头基体上与喷嘴相对的一侧，用于定位和监测。

7.如权利要求3所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元还包括激光快门单元，用于控制激光能量的通断。

8.如权利要求3所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元还包括一智能控制单元，用于与计算机相连接。

9.如权利要求3所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元还包括一间距控制传感单元，用于控制激光头与工作的距离。

10.如权利要求1或2所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工功能单元还包括激光偏光镜单元。

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