CN102046323B - 利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备及方法。具体地，本发明通过利用一装置成形激光束的截面使得当激光束照射在多面镜上时衰减激光束的损失最小，并且通过将各表面处理套件的激光发生装置排列在同一平面上(假设该设备具有多个表面处理套件)，可使该设备的尺寸紧凑，以便于维护。该设备包括表面处理套件(300)，其包括：用于产生具有预定孔径的第一激光束(21)的激光发生装置(20)；用于成形第一激光束(21)的截面以获得第二激光束(22)的第一光束成形单元(30)；用于成形第二激光束(22)的截面以获得第三激光束(23)的第二光束成形单元(40)；第三激光束(23)照射在其上的多面镜(50)，所述多面镜以恒定速度旋转；聚焦镜(60)，用于聚焦从多面镜(50)反射的第三激光束(23)，以放射第四激光束(24)，利用第四激光束在正行进的目标物(100)上产生光斑；以及用于以交互影响的方式控制目标物(100)的输送速度、激光发生装置(20)的输出以及多面镜(50)的转速的装置。

Description

利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备及方法

技术领域

本发明涉及一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备及方法，并且更具体地涉及一种用于成形激光束的横截面以使多面镜的反射面上损失的衰减激光束最小并实现紧凑设备的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备和方法。

背景技术

通常而言，利用激光束的表面处理设备被用于多种操作，包括：向物体投射激光束以在该物体中形成预定间隔的槽的过程；使钢板的内部结构均匀的过程；以及表面处理过程。使用激光束的表面处理设备的示例包括磁畴细化设备。

参照图1，传统的磁畴细化设备包括：多个激光束发生器200和200’；用于将从激光束发生器200和200’产生的激光束向指定方向引导的多个镜210和210’；用于将从镜210和210’反射的激光束分布到指定方向的多个光束分布镜240和240’；以及用于将从光束分布镜240和240’反射的激光束照射到由输送装置10’输送的目标物100的多个镜250、250’和260、260’。磁畴细化设备还包括用于沿目标物100的宽度方向将从镜250、250’和260、260’反射的激光束投射到目标物100的聚焦镜220。

当传统的磁畴细化设备采用光束分布镜240和240’时，镜250、250’和260、260’可被布置成使所述镜250、250’和260、260’可摇摆，从而加宽照射区域。

此外，当磁畴细化设备采用光束分布镜240和240’以及镜250、250’和260、260’时，光束分布镜240和240’以及镜250、250’和260、260’的数量增多，并且光束分布镜240和240’以及镜250、250’和260、260’的布置变得复杂，因此磁畴细化设备使用能够取代这些镜的多面镜。多面镜根据反射面的位置自动地改变激光束反射区域，所述反射面的位置根据多面镜的旋转而变化。

然而，传统的磁畴细化设备存在下列问题：

1)由于镜的反射范围受限，因此，当目标物宽度较大且输送速度较高时，激光束应从一定距离投射到目标物。这需要较宽间隔并使维护困难。

2)镜摇摆结构在两端处包括加速和减速部分，因此能量集中于两端而致使质量不均匀。

3)传统的镜由于较小而难以应对强激光束。

4)传统的多面镜结构复杂。具体地，多面镜需要多个透镜，以使从多面镜的反射面反射的激光束进入加工区域。

5)当采用传统的多面镜时，当激光束为圆形截面时，许多衰减激光束偏离多面镜的反射面而被损失。这使效率变差。

6)激光发生器被竖直地布置，因此从该激光发生器产生的激光束利用光学工具来平面化。从而，传统的磁畴细化设备的构造变得复杂且设备变得庞大。

发明内容

从而，鉴于现有技术中存在的上述问题做出本发明，本发明的主要目的在于提供一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备及方法，用于利用光束成形装置成形激光束的横截面形状，以使激光束投射到多面镜时衰减激光束的损失最小，并且在所述设备包括多个表面处理套件时，通过将这些表面处理套件的激光发生器布置在同一平面上，而获得紧凑的设备并且便于维护设备。

为了实现本发明的以上目的，根据本发明，提供了一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备，该激光表面处理设备包括至少一个表面处理套件300，该表面处理套件300包括：用于输送待处理的目标物100的输送单元10；产生具有预定直径的第一激光束21的激光发生器20；成形所述第一激光束21的横截面以获得第二激光束22的第一光束成形单元30；成形所述第二激光束22的横截面以获得第三激光束23的第二光束成形单元40；在以指定速度旋转的同时接收所述第三激光束23的多面镜50；聚焦镜60，该聚焦镜聚焦从所述多面镜50反射的所述第三激光束23，并且投射第四激光束24，该第四激光束在所述目标物100上产生光斑；以及控制器，该控制器控制所述目标物100的输送速度、所述多面镜50的与所述输送速度相关的转速以及所述激光发生器的功率。

所述输送单元10可以以在80米/分至200米/分范围内的速率输送所述目标物100。

所述第一光束成形单元30可以是凹面镜或凸透镜，并且所述第二光束成形单元40可以是凸面镜或凹透镜。所述第一光束成形单元30和所述第二光束成形单元40可具有不同的半径。

所述多面镜50的转速可在1000rpm至2000rpm的范围内。

所述目标物100可以为织物、玻璃、木材、皮革、钢板、铝板、铜板、不锈钢板、陶瓷、塑料或橡胶。

所述激光表面处理设备还可包括能够控制扫描宽度的光束收集器80。

所述第三激光束23具有椭圆形截面，该椭圆形截面不偏离所述多面镜50的反射面51a，并且不会到达与所述反射面51a相邻的反射面51b。

所述第四激光束24的横截面可以呈宽度为0.4mm，长度为5mm的狭缝的形式。

根据所述目标物100的类型和处理形式控制所述第二激光束22、第三激光束23和第四激光束24的横截面的长轴和短轴的长度。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备，该激光表面处理设备包括沿所述目标物100的宽度方向布置的至少两个表面处理套件300。所述表面处理套件300的相应的激光发生器20a、20b、20c和20d布置在同一平面上。

所述激光表面处理设备还可包括在所述目标物100被卷绕时以预定速度输送所述目标物100的输送单元10。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理方法，该方法包括：将待处理的目标物100安装在输送单元10上的第一步骤S100；设定控制变量的第二步骤S200，所述控制变量包括：多面镜50的转速；所述目标物100的输送速度，该输送速度与所述转速相关；以及表面处理套件300的激光发生器20a、20b、20c和20d的功率；以设定速率驱动所述多面镜50和所述目标物100的第三步骤S300；从所述表面处理套件300的所述激光发生器20a、20b、20c和20d产生具有预定直径的第一激光束21的第四步骤S400；利用至少两个成形单元30和40成形所述第一激光束21的横截面以获得第三激光束23的第五步骤S500；将所述第三激光束23投射到所述多面镜50的反射面51a的第六步骤S600；以及使根据所述第三激光束23在所述反射面51a处的分割获得的第四激光束24聚焦并且将聚焦后的所述第四激光束24投射到所述目标物100的第七步骤S700。

所述多面镜50可以以与所述目标物100的输送速度相关的在1000rpm至2000rpm范围内的速率旋转，并且所述目标物100以80米/分至200米/分范围内的速度被输送。

所述第三激光束23可具有椭圆形截面，该椭圆形截面不偏离所述多面镜50的所述反射面51a，并且不会到达与所述反射面51a相邻的反射面51b。

本发明具有下列优点。

1)当使用多个表面处理套件时，由于可将这些表面处理套件的激光发生器布置在同一平面上，因此可使整个设备纤薄。

2)利用光束成形单元使激光束的横截面变成椭圆形，而使投射到多面镜的激光束的损失最小，因此可使激光束的使用效率最大。

3)光束成形单元利用凹或凸的镜或透镜，因此，能够容易构造表面处理套件。

4)使用聚焦透镜可使形成在目标物上的激光光斑的投射轴线缩短，从而实现微加工。

附图说明

下面结合附图从本发明的优选实施方式的详细说明，将清楚本发明的以上和其它目的、特征和优点，附图中：

图1是示出了传统的磁畴细化设备的平面图；

图2是示出了根据本发明的实施方式的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备的构造的立体图；

图3是根据本发明的第一实施方式的光束成形单元的立体图；

图4是根据本发明的第二实施方式的光束成形单元的立体图；

图5是示出了在根据本发明的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备中激光束的横截面的变化；

图6是示出了根据本发明的第三激光束在投射到多面镜时的横截面；

图7示出了投射到传统的多面镜的激光束的横截面；

图8是示出了根据本发明的另一个实施方式的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备的构造的立体图；

图9是示出了根据图8中所示的激光表面处理设备的激光发生器的设置状态的立体图；以及

图10是示出了根据本发明的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理方法的流程图。

附图标记说明

10：输送单元

20：激光发生器

21～24：第一至第四激光束

30：第一光束成形单元

40：第二光束成形单元

50：多面镜

51a、52b：反射面

60：聚焦镜

80：光束收集器

100：目标物

300：表面处理套件

具体实施方式

下面，将参照附图通过说明本发明的优选实施方式详细地描述本发明。

(第一实施方式)

图2是示出了根据本发明的第一实施方式的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备的构造的示意立体图。根据本发明的第一实施方式的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备包括表面处理套件300。

表面处理套件300包括激光发生器20、第一和第二光束成形单元30和40、多面镜50、聚焦镜60以及控制器(未示出)。当待被处理的目标物100被卷绕或较长时，表面处理套件300还包括输送单元10。

输送单元10输送目标物100，并且包括输送器。输送单元10在稍后描述的控制器的控制下以80米/分至200米/分范围的速度输送目标物100。输送速度取决于目标物100的类型和处理形式。

激光发生器20产生指定大小的第一激光束21。第一激光束21的横截面通常而言不对应于正圆形但接近于正圆形。然而，为了便于说明，下列的说明假设第一激光束21的横截面具有正圆形形状。即，第一激光束21的截面对应于图5(a)中所示的正圆形。激光发生器20可使用CO₂激光发生器、Nd:YAG激光发生器、半导体激光发生器或者光纤激光发生器。

第一光束成形单元30接收第一激光束21，并且成形第一激光束21的横截面，以产生第二激光束22。如图3所示，第一光束成形单元30可使用凹面镜或凸透镜。第二激光束22的横截面的形状如图5(b)所示。在图5(b)中，用虚线示出的圆表示第一激光束21的横截面轨迹。尽管在本发明的当前实施方式中第一光束成形单元30使用凹面镜或凸透镜，但也可以使用凸面镜或凹透镜作为第一光束成形单元30。

第二光束成形单元40接收第二激光束22，并且将第二激光束22的横截面成形为这样的椭圆形截面，该椭圆形截面的短轴比第二激光束22的横截面的短轴短，其长轴比第二激光束22的横截面的长轴长。如图4所示，第二光束成形单元40可使用凸面镜或凹透镜。第三激光束23的横截面的形状如图5(c)所示。在图5(c)中，用虚线示出的圆表示第一激光束21的横截面轨迹。

在本发明的优选实施方式中，如图6所示，第三激光束23可具有这样的横截面，该横截面使该第三激光束23不偏离多面镜50的实际对该第三激光束23进行反射的反射面51a，从而使所损失的衰减激光束最小。此外，与图7中所示的具有圆形截面的激光束相比可容易地得知，第三激光束23被成形为使该第三激光束23不会到达与反射面51a相邻的另一个反射面51b，以使衰减激光束最小。在图7中，由偏移隐线示出的半圆与衰减激光束对应。

尽管在当前实施方式中第二光束成形单元40使用凸面镜或凹透镜，但也可以使用凹面镜或凸透镜作为第二光束成形单元40。

此外，第一光束成形单元30和第二光束成形单元40可以被制造成具有不同的半径，使得当激光束穿过第一光束成形单元30和第二光束成形单元40时，激光束的横截面的长轴变长而横截面的短轴变短。例如，第一光束成形单元30可利用半径在1m至3m范围内的凸透镜形成，第二光束成形单元40可利用半径在30cm至80cm范围内的凹面镜形成。

多面镜50在以预定速度旋转的同时对投射到其上的第三激光束23进行反射。具体地，多面镜50旋转成即使在第三激光束23向指定方向投射时，也会始终将第三激光束23的反射范围灵活地控制在指定范围内。多面镜50由控制器控制成根据目标物100的输送速度操作。即，控制器将多面镜50的转速控制在从停滞状态至2000rpm的范围内。具体地，控制器将多面镜50的转速控制在经常使用的1000rpm至2000rpm的范围内。可考虑目标物100的类型和用激光束在目标物100上保持的时间，基于目标物100的速度确定多面镜50的转速。

聚焦镜60将通过使第三激光束23聚集获得的第四激光束24投射到目标物100的表面，以执行所需要的操作。具体而言，根据第四激光束24的强度进行各种操作，即：处理目标物100的表面；在目标物100中刻画图案；以及稳定目标物100的内部分子结构。这里，第四激光束24具有椭圆形截面。例如，第四激光束可具有呈短轴为0.4mm，长轴为4mm的狭缝形式的截面。

控制器根据目标物100的类型和在目标物100上执行的操作控制从激光发生器20产生的第一激光束21的强度和多面镜50的旋转。控制器未在图2中示出。

在本发明的优选实施方式中，表面处理套件还可包括布置于多面镜50与聚焦镜60之间的光束收集器80。光束收集器80用于控制第四激光束24的辐射宽度。即，光束收集器80吸收偏离期望范围的激光束，从而使激光束始终仅照射在固定范围内。

此外，目标物100可从多种板、塑料和织物中选择，例如织物、玻璃、木材、皮革、钢板、铝板、铜板、不锈钢板、陶瓷、塑料和橡胶。

而且，第二激光束22、第三激光束23和第四激光束24的横截面的长轴和短轴的长度可根据目标物100的类型和处理形式而变化。为此，第一光束成形单元30和第二光束成形单元40可被构造成光学模块的形式，该模块能够控制激光束的焦点，使得激光束的横截面的长轴和短轴的长度比可任意调整。

(第二实施方式)

图8是示出了根据本发明的第二实施方式的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备的构造的示意立体图。省略了与根据本发明的第一实施方式的激光表面处理设备的部件相同的部件的说明。

当因目标物100宽度较大而使单个表面处理套件不能覆盖目标物100的宽度时，在目标物100的宽度方向上布置至少两个表面处理套件。

图8示出了四个表面处理套件300a、300b、300c和300d。如图9所示，表面处理套件300a、300b、300c和300d的相应的激光发生器20a、20b、20c和20d被布置在与表面处理套件300a、300b、300c和300d垂直的同一平面上。激光发生器20a、20b、20c和20d可被安装在同一平面上，这与传统的激光表面处理设备不同，因此，利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备可被制造成紧凑结构。

(表面处理方法)

图10是示出了根据本发明的利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理方法的流程图。在本发明的当前实施方式中，输送单元10输送目标物100。

在第一步骤S100中将目标物100安装在输送单元10上。这里，目标物100可被安装在输送器上。

在第二步骤S200中设置控制变量。控制变量由控制器(未示出)设置。控制变量包括多面镜50的转速、目标物100的输送速度和激光发生器20a、20b、20c和20d的输出功率强度。这些变量可基于目标物100的类型和在目标物100上执行的操作的类型以适当的比率相对于彼此控制。

在第三步骤S300中以预定速率驱动多面镜50和目标物100。这里，所述速率取决于控制变量。

在第四步骤S400中产生第一激光束21。从表面处理套件300a、300b、300c和300d的激光发生器20a、20b、20c和20d产生具有指定直径的第一激光束21。第一激光束21的输出功率强度取决于控制变量。

在第五步骤S500中成形第一激光束21的横截面。通过对应于凹面镜或凸透镜的第一光束成形单元30和对应于凸面镜或凹透镜的第二光束成形单元40进行横截面成形。具体而言，第一光束成形单元30接收具有圆形截面的第一激光束21，并且将第一激光束21变成具有椭圆形截面的第二激光束22。第二光束成形单元40接收第二激光束22，并且产生具有椭圆形截面的第三激光束23，该椭圆形截面不偏离多面镜50的反射面51a。

在第六步骤S600中将第三激光束23投射到多面镜50的反射面51a上。第三激光束23被连续地投射并且操作面积随着多面镜50的旋转而波动。

在第七步骤S700中，将因第三激光束23从多面镜50的反射面51a反射而获得的第四激光束24聚焦并投射到目标物100上。即，通过将第四激光束24投射到目标物100可执行以下操作：对目标物100的表面进行处理、使目标物100的内部分子结构均匀或者在目标物100中形成槽。

尽管已参照具体的示意性实施方式描述了本发明，但是本发明不受这些实施方式的限制，而是仅由所附的权利要求限制。应理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以改变和修改这些实施方式。

Claims (11)

1.一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理设备，该激光表面处理设备包括至少一个表面处理套件（300），该表面处理套件（300）包括：

用于输送待处理的目标物（100）的输送单元（10）；

产生具有预定直径的第一激光束（21）的激光发生器；

第一光束成形单元（30），该第一光束成形单元是凹面镜或凸透镜，用于成形所述第一激光束（21）的横截面，以获得第二激光束（22）；

第二光束成形单元（40），该第二光束成形单元是凸面镜或凹透镜，用于成形所述第二激光束（22）的横截面，以获得具有椭圆形截面的第三激光束（23），当所述第三激光束投射到多面镜（50）时，所述椭圆形截面不偏离该多面镜（50）的反射面（51a），并且不会到达与所述反射面（51a）相邻的反射面（51b）；

所述多面镜（50），该多面镜在以指定速度旋转的同时接收所述第三激光束（23）；

聚焦镜（60），该聚焦镜使从所述多面镜（50）反射的所述第三激光束（23）聚焦，并投射第四激光束（24），该第四激光束在所述目标物（100）上产生光斑；以及

控制器，该控制器控制所述目标物（100）的输送速度、所述多面镜（50）的与所述输送速度相关的转速以及所述激光发生器的功率。

2.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述输送单元（10）以在80米/分至200米/分范围内的速率输送所述目标物（100）。

3.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述第一光束成形单元（30）和所述第二光束成形单元（40）具有不同的半径。

4.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述多面镜（50）的转速在1000rpm至2000rpm的范围内。

5.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述目标物（100）为织物、玻璃、木材、皮革、钢板、铝板、铜板、不锈钢板、陶瓷、塑料或橡胶。

6.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，该激光表面处理设备还包括能够控制扫描宽度的光束收集器（80）。

7.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述第四激光束（24）的横截面呈短轴为0.4mm，长轴为5mm的狭缝的形式。

8.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，根据所述目标物的类型和处理形式控制所述第二激光束（22）、所述第三激光束（23）和所述第四激光束（24）的横截面的长轴和短轴的长度。

9.根据权利要求1所述的激光表面处理设备，其中，所述表面处理套件（300）的激光发生器（20a，20b，20c，20d）布置在同一平面上。

10.一种利用光束截面成形和多面镜的激光表面处理方法，该方法包括：

将待处理的目标物（100）安装在输送单元（10）上的第一步骤（S100）；

设定控制变量的第二步骤（S200），所述控制变量包括：多面镜（50）的转速；所述目标物（100）的输送速度，该输送速度与所述转速相关；以及表面处理套件（300）的激光发生器（20a，20b，20c，20d）的功率；

以设定速率驱动所述多面镜（50）和所述目标物（100）的第三步骤（S300）；

从所述表面处理套件（300）的所述激光发生器（20a，20b，20c，20d）产生具有预定直径的第一激光束（21）的第四步骤（S400）；

利用至少两个成形单元（30，40）成形所述第一激光束（21）的横截面以获得第三激光束（23）的第五步骤（S500）；

将所述第三激光束（23）投射到所述多面镜（50）的反射面（51a）的第六步骤（S600）；以及

使根据所述第三激光束（23）在所述反射面（51a）处的分割获得的第四激光束（24）聚焦并且将聚焦后的所述第四激光束（24）投射到所述目标物（100）的第七步骤（S700），并且

其特征在于，所述第三激光束（23）具有椭圆形截面，该椭圆形截面不偏离所述多面镜（50）的所述反射面（51a），并且不会到达与所述反射面（51a）相邻的反射面（51b）。

11.根据权利要求10所述的激光表面处理方法，其中，所述多面镜（50）以与所述目标物（100）的输送速度相关的在1000rpm至2000rpm范围内的速率旋转，并且所述目标物（100）以80米/分至200米/分范围内的速度被输送。