CN102500920A - 一种切割头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种用于激光精细切割的切割头。本发明包括光路入射镜头、光路出射镜头以及用于反射光路的反射镜组件，主光线由光路入射镜头进入经反射镜组件反射后通过光路出射镜头射出，光路出射镜头包括聚焦头组件，切割头还包括可用于使聚焦头组件产生沿Z轴方向移动的调节机构。当需加工工件的厚度产生变化时，可直接通过调节位于切割头本体的Z轴调节机构来达到精确控制聚焦头组件的聚焦点位置的目的，以实现充分利用焦深范围内激光的高能量，提高加工精度，从而最终保证工件的切割质量和稳定性；相对传统的需要整个调节连接激光切割头的机械臂相对高度的繁琐操作而言，本发明的操作更为方便快捷。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种用于激光精细切割的切割头。
背景技术
激光切割机是利用从激光发生器发射出的激光束，经激光切割头，聚焦成高功率密度的激光束照射工件，激光热量被工件材料吸收，工件该点处温度急剧上升并到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞，随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料相应处形成切缝。激光切割机的各部件中，其切割头的合理选用对于最终激光切割质量高低与否至关重要。现有的激光切割头由光路入射装置、用于反射光线的反射镜组件以及用于出射光线的聚焦头组件组成。国内现有的激光切割头普遍存在以下缺陷：首先，难以实现在Z轴方向上的快速调节，当需加工工件的厚度产生变化时，往往需要整个调节连接激光切割头的机械臂的相对高度，操作繁琐复杂，给工作人员带来极大困扰；其次，切割头的聚焦光斑调节存在问题，由于切割头各部件在加工并安装后本身即存在误差累计，或导致在切割头内光线的实际出射角度与切割头的聚焦头组件轴线存在偏差，或为其输出激光聚焦光斑的聚焦点与工件相对位置产生偏差，轻则影响其实际加工效果，重则因光路阻挡而导致聚焦头组件过热烧毁，极大的增加了厂家的维护成本；最后，激光切割头在实际加工前，都依据工作人员进行人工尺寸测量安装以确定激光切割初始点，存在人工误差大，切割初始点难以精确确定的缺陷，极大的影响了产品的最终成品品质；最后，现有切割头往往体积庞大，难于搬运安装，同时也极大的增加了机械臂的实际负载，能耗较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种切割头，可实现其在Z轴方向上的可靠快速调节。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种切割头，包括光路入射镜头、光路出射镜头以及用于反射光路的反射镜组件，主光线由光路入射镜头进入经反射镜组件反射后通过光路出射镜头射出，所述光路出射镜头包括聚焦头组件，所述切割头还包括可用于使聚焦头组件产生沿Z轴方向移动的调节机构。
本发明的主要优点在于：本发明在光路出射路径处设置Z轴调节机构，从而实现了聚焦头组件沿Z轴方向的可调性；当需加工工件的厚度产生变化时，可直接通过调节切割头本体来达到精确控制聚焦头组件的聚焦点位置的目的，以实现充分利用焦深范围内激光的高能量，提高加工精度，从而最终保证工件的切割质量和稳定性；相对传统的需要整个调节连接激光切割头的机械臂相对高度的繁琐操作而言，本发明的操作更为方便快捷。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1结构的分解视图；
图3是本发明的半剖视图；
图4是图3的A-A剖视示意图。
具体实施方式
一种切割头，包括光路入射镜头、光路出射镜头以及用于反射光路的反射镜组件10，主光线由光路入射镜头进入经反射镜组件10反射后通过光路出射镜头射出，所述光路出射镜头包括聚焦头组件20，所述切割头还包括可用于使聚焦头组件产生沿Z轴方向移动的调节机构40，如图1-2以及图4所示。
激光切割机在实际加工中，其待加工的工件是水平方向铺设于激光切割机的加工平面上的，切割头的出射光路路径即为垂直于工件设置，即为上述的Z轴设置，此时，当需要调节切割头相对电池极板的间距时，通过设置于光路出射路径处的Z轴调节机构，即可实现了聚焦头组件也就是整个切割头沿Z轴方向的可调性；相对传统的需要整个调节连接激光切割头的机械臂相对高度的繁琐操作而言，本发明的操作更为方便快捷。
作为上述方案的进一步优选方案：如图1-2所示，所述光路出射镜头包括用于连接聚焦头组件20与反射镜组件10的扩束镜套筒组件30，所述反射镜组件10包括反射镜片11以及用于固定反射镜片11的固定座，所述固定座沿Z轴方向下顺延构成与扩束镜套筒组件30外壁间配合的壳架12，所述扩束镜套筒组件30与聚焦头组件10的光路入射端固接，所述调节机构40驱使扩束镜套筒组件30相对壳架12产生沿Z轴方向的往复移动。由于切割头的反射镜片11为平面镜片，其主要为光路的转向提供反射平台，也就是说，在反射镜片11至扩束镜套筒组件30上端部的空间内，其光路通行路径不会产生变化，本发明将调节机构40的调节部位设置为调节扩束镜套筒组件30相对壳架12产生沿Z轴方向的往复移动，从而避免影响其切割头的整体工作性能，为其正常有效使用提供了可靠保证。
为进一步实现上述结构的具体构造：所述壳架12在其一侧壁上沿调节机构40调节方向开设有腰形孔121，所述调节机构40固接于该侧壁上，所述调节机构40包括沿Z轴方向由上而下依次设置的手柄41、与手柄41间构成丝杆螺母配合的固定块42、外形呈直角弯折状的传动杆43、压簧44、压簧导向柱45以及用于固定压簧导向柱45的托架46，所述托架46与固定块42以及壳架12侧壁围合构成调节机构40的外部箱体，传动杆43一端水平穿过壳架12侧壁的腰形孔121并与扩束镜套筒组件30间构成插杆式固接，另一端沿Z轴方向向下顺延构成压簧套筒431，所述压簧44套接于压簧导向柱45上且其上端与压簧套筒431间构成配合，所述手柄41下端与传动杆43上部抵合设置。实际连接关系可参考图1-4所示，传动杆43具体为类似“L”字型结构，传动杆43水平端也即是与扩束镜套筒31的插杆式螺纹连接端设置有8mm长左右的外螺纹，两者间螺纹固接，传动杆43顶部的与手柄41的结合端设计成与手柄41顶端相吻合的凹坑状结构，传动杆43顺延端也即是与压簧44的结合端同样设计成柱形凹坑，以保证压簧44刚好能插入该柱形凹坑内，凹坑的深度略大于压簧导向杆的长度，从而保证两者的可靠配合。
具体如图4所示，当在需要加工的工件厚度变薄而需要调节聚焦头组件20沿Z轴方向下移时，拧动手柄41，由于手柄41与固定块42构成可微距调节的丝杆螺母配合，手柄41本身即构成测微丝杆，此时手柄41产生Z向下移动作并通过一端抵合配合的传动杆43压迫压簧44，相应的传动杆43产生Z轴方向位移，由于其水平端固接扩束镜套筒组件30，相应的扩束镜套筒组件30也就自然带动整个聚焦头组件产生Z轴方向的下移动作；同理，当在需要加工的工件厚度增厚而需要调节聚焦头组件20沿Z轴方向上移时，再拧动手柄41，此时手柄41产生Z向上移动作并通过一端抵合配合的传动杆43松开压簧44，其压迫力低于压簧44弹性力，压簧44相应的复位上升，顶动传动杆43产生Z轴方向上移，最终扩束镜套筒组件30也就带动整个聚焦头组件产生Z轴方向的上移动作；由于丝杆螺母配合可有效保证聚焦头组件的微量动作，其调节精度取决于手柄41与固定块42的配合精度，以实现从手柄41旋转到聚焦头组件20沿Z轴方向上±10mm范围内精密升降的机械传动，聚焦头组件20升降的精度完全取决于手柄41也即微调丝杆的精度，从而能够真正实现其聚焦光斑在Z轴方向上微米级精密调节，最终为切割头的相对Z轴方向位置的高精度调节提供的可靠保证。
进一步的，如图1-4所示，所述聚焦头组件20包括沿Z轴方向由上而下布置的上外圈21、下外圈22以及与下外圈22间固接配合的喷嘴组件23，所述上外圈21内壁与扩束镜套筒组件30下端部外壁固接，其外壁与下外圈22内壁螺纹连接，所述喷嘴组件23可转动的安装于下外圈22下部，所述聚焦头组件20的组合聚焦镜设置于上外圈21内。这样，所述上外圈21、下外圈22以及喷嘴组件23共同构成喷嘴喷口相对工件的间距微调机构，当输出激光聚焦光斑聚焦点位于喷嘴组件23内时，可通过上外圈21与下外圈22的相对转动来实现其调节，从而露出光斑聚焦点，不但可为调节机构40作辅助调节，为其聚焦头组件的Z轴向调节提供了保证，同时下外圈22之上的部件和之下的部件也无需相对旋转，从而使其加工安装误差的影响局限于聚焦头组件20内，避免了因误差累计而影响其实际的调节可靠性。
为具体实现本发明的聚焦光斑在Z轴方向上相对位置±5mm范围内精密可调，本发明的实施例为：所述上外圈21螺纹外螺纹长度为10mm，所述下外圈22内螺纹为全内螺纹，所述上外圈21外螺纹和下外圈22内螺纹牙间距均小于等于1mm，所述上外圈21侧面标识了±5mm，间隔为1mm标尺，所述上外圈21与下外圈22可在Z轴方向上上下调节±5mm，从而在±5mm范围内精密调节聚焦光斑焦点与喷嘴在Z轴方向上的间距；同时，下外圈22的侧面开了一个螺纹孔，通过螺栓从侧面紧固上外圈21和下外圈22，防止其相对旋转。
进一步的，如图1-4所示，所述扩束镜套筒组件30下端部周向均布有三个盲孔，所述上外圈21的与之配合处相应设置螺纹配合孔211，三个内六角球头螺钉的球头端通过螺纹配合孔211顶住各盲孔，所述扩束镜套筒组件30外壁与上外圈21内壁间存在间隙；也就是说，当聚焦头组件的光学聚焦点产生偏差时，通过手动调节螺纹配合孔211处的呈120度方位分布的螺钉，最终调节上外圈21内的组合聚焦镜沿水平面动作，从而使切割头的输出激光聚焦光斑位于指定位置。
更进一步的，为具体化实现喷嘴组件23与下外圈22间的可转动配合，所述喷嘴组件23外形呈阶梯轴状，所述下外圈22包括与上外圈21外壁螺纹配合的套筒端221以及固接于套筒端221下方的与喷嘴组件23配合的喷嘴调节架222，所述喷嘴调节架222外形呈环套状，其内壁外形呈上大下小的阶梯形布置，所述喷嘴组件23轴肩处与喷嘴调节架222的台肩处构成配合，实际应用中可如图3-4所示，先将喷嘴调节架222的一侧端面加工出用于与喷嘴组件23配合的与其本体同轴设置的沉孔，在单独设置与沉孔端面配合的喷嘴支架外挡圈，两者配合后的剖面即为如图3所示的“T”形槽状，从而实现喷嘴组件23轴肩处与喷嘴调节架222的台肩处的可靠配合；当然，也可进一步参考图2所示，将套筒端221与喷嘴调节架222间无螺栓和螺纹连接，通过螺钉将连接板a固定在喷嘴调节架222上，将套筒端221底部限制在连接板a和喷嘴调节架222间。
为进一步实现喷嘴组件23的X、Y向可调性，避免喷嘴组件23因误差关系阻挡光路而导致的装置无法工作问题，所述喷嘴组件23外周与喷嘴调节架222内壁间存有间隙，所述喷嘴组件23外周处周向均布有相互平行的两对平面部，所述构成下外圈22的喷嘴调节架222的对应处相应设置螺纹孔223；其原理与调节上外圈21内的组合聚焦镜沿X、Y轴动作原理相同，此处不作赘述。实际应用中，可在喷嘴组件23侧面开设用于装配气管快接的螺纹孔，以保证其具备同轴吹气辅助切割的功能。
进一步的，为实现切割初始点的精确定位，所述反射镜组件10上方设置红外发射单元50，所述红外发射单元50的红外光线透过反射镜片11进入光路出射镜头内且其照射路径与聚焦头组件20的聚焦光线路径重合设置。当激光切割头在实际加工时，打开红外发射单元50，其红外光透过反射镜片11进入光路出射镜头内并最终照射至待加工的工件上，由于其照射路径与聚焦头组件20的聚焦光线路径重合设置，其红外照射点即为切割初始点，从而实现了本发明的切割初始点的快速可靠定位，结构简单而实用，摒弃了传统的高强度大误差的人工测算，为产品的高品质生产提供了可靠保证；本发明所优选采用的红外发射单元50可参考图2-3所示，红外发射单元50包括He-Ne激光器固定调节件50a、He-Ne激光器固定底座50b以及连接板50c，通过He-Ne激光器固定调节件50a的轴线与聚焦头组件20轴线重合，He-Ne激光器固定底座50b通过连接板50c固定在45度反射镜组件10的固定板上。
进一步的，为保证切割头内光线的实际出射角度与切割头的聚焦头组件轴线的同轴性，所述的反射镜组件10的反射镜片11镜面的法线与主光线的夹角为45°。考虑到误差影响，实际应用中，也可为其反射镜片11单独设置镜架，再将其与固定座通过高精度螺纹副配合，从而达到小范围调节反射镜组件10的反射角度的目的，为其聚焦光斑的圆润提供保证。
进一步的，所述光路入射镜头包括准直器套筒60、与准直器套筒60间构成插接配合的套筒连接件80以及用于连接两者的准直器套筒外挡圈70，所述准直器套筒60插入套筒连接件80内部分沿其周向均布四个锥形凹坑，所述套筒连接件80上的与之配合端相应设置有有四个螺纹孔，如图2-3所示。也即是说，其套筒连接件80连接斜劈12，所述准直器套筒60则是通过准直器套筒外挡圈70将其固定在套筒连接件80内，通过四个穿过套筒连接件80的锥形螺钉顶住准直器套筒60外壁，需要调节时即可通过拧动该锥形螺钉达到调节准直器套筒60平移目的，从而最终使其实现在XZ平面上下左右各方向的±0.5mm精密调节。
Claims (10)
1.一种切割头，包括光路入射镜头、光路出射镜头以及用于反射光路的反射镜组件(10)，主光线由光路入射镜头进入经反射镜组件(10)反射后通过光路出射镜头射出，其特征在于：所述光路出射镜头包括聚焦头组件(20)，所述切割头还包括可用于使聚焦头组件产生沿Z轴方向移动的调节机构(40)。
2.根据权利要求1所述的切割头，其特征在于：所述光路出射镜头包括用于连接聚焦头组件(20)与反射镜组件(10)的扩束镜套筒组件(30)，所述反射镜组件(10)包括反射镜片(11)以及用于固定反射镜片(11)的固定座，所述固定座沿Z轴方向下顺延构成与扩束镜套筒组件(30)外壁间配合的壳架(12)，所述扩束镜套筒组件(30)与聚焦头组件(10)的光路入射端固接，所述调节机构(40)驱使扩束镜套筒组件(30)相对壳架(12)产生沿Z轴方向的往复移动。
3.根据权利要求2所述的切割头，其特征在于：所述壳架(12)在其一侧壁上沿调节机构(40)调节方向开设有腰形孔(121)，所述调节机构(40)固接于该侧壁上，所述调节机构(40)包括沿Z轴方向由上而下依次设置的手柄(41)、与手柄(41)间构成丝杆螺母配合的固定块(42)、外形呈直角弯折状的传动杆(43)、压簧(44)、压簧导向柱(45)以及用于固定压簧导向柱(45)的托架(46)，所述托架(46)与固定块(42)以及壳架(12)侧壁围合构成调节机构(40)的外部箱体，传动杆(43)一端水平穿过壳架(12)侧壁的腰形孔(121)并与扩束镜套筒组件(30)间构成插杆式固接，另一端沿Z轴方向向下顺延构成压簧套筒(431)，所述压簧(44)套接于压簧导向柱(45)上且其上端与压簧套筒(431)间构成配合，所述手柄(41)下端与传动杆(43)上部抵合设置。
4.根据权利要求2或3所述的切割头，其特征在于：所述聚焦头组件(20)包括沿Z轴方向由上而下布置的上外圈(21)、下外圈(22)以及与下外圈(22)间固接配合的喷嘴组件(23)，所述上外圈(21)内壁与扩束镜套筒组件(30)下端部外壁固接，其外壁与下外圈(22)内壁螺纹连接，所述喷嘴组件(23)可转动的安装于下外圈(22)下部，所述聚焦头组件(20)的组合聚焦镜设置于上外圈(21)内。
5.根据权利要求4所述的切割头，其特征在于：所述扩束镜套筒组件(30)下端部周向均布有三个盲孔，所述上外圈(21)的与之配合处相应设置螺纹配合孔(211)，所述扩束镜套筒组件(30)外壁与上外圈(21)内壁间存在间隙。
6.根据权利要求4所述的切割头，其特征在于：所述喷嘴组件(23)外形呈阶梯轴状，所述下外圈(22)包括与上外圈(21)外壁螺纹配合的套筒端(221)以及固接于套筒端(221)下方的与喷嘴组件(23)配合的喷嘴调节架(222)，所述喷嘴调节架(222)外形呈环套状，其内壁外形呈上大下小的阶梯形布置，所述喷嘴组件(23)轴肩处与喷嘴调节架(222)的台肩处构成配合。
7.根据权利要求5所述的切割头，其特征在于：所述喷嘴组件(23)外周与喷嘴调节架(222)内壁间存有间隙，所述喷嘴组件(23)的大端外周处周向均布有相互平行的两对平面部，，所述构成下外圈(22)的喷嘴调节架(222)的对应处相应设置螺纹孔(223)。
8.根据权利要求2或3所述的切割头，其特征在于：所述反射镜组件(10)上方设置红外发射单元(50)，所述红外发射单元(50)的红外光线透过反射镜片(11)进入光路出射镜头内且其照射路径与聚焦头组件(20)的聚焦光线路径重合设置。
9.根据权利要求2或3所述的切割头，其特征在于：所述的反射镜组件(10)的反射镜片(11)镜面的法线与主光线的夹角为45°。
10.根据权利要求2或3所述的切割头，其特征在于：所述光路入射镜头包括准直器套筒(60)、与准直器套筒(60)间构成插接配合的套筒连接件(80)以及用于连接两者的准直器套筒外挡圈(70)，所述准直器套筒(60)插入套筒连接件(80)内部分沿其周向均布四个锥形凹坑，所述套筒连接件(80)上的与之配合端相应设置有有四个螺纹孔。
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