CN102689098B - 一体化激光切割头 - Google Patents

Abstract

一种用于材料激光加工的一体化激光切割头，该激光切割头包括激光器，第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、动态聚焦机构、高速扫描振镜、F-Theta场镜、激光及扫描控制系统和一个长方形密封的箱体，所述的激光器，第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、动态聚焦机构、高速扫描振镜、F-Theta场镜、激光及扫描控制系统密封在所述的箱体内。本发明具有结构稳定、恒温、恒湿、无尘的特点，能保证激光器件运行所需的理想工作环境。既可以独立工作进行小范围切割作业，又可以配合X-Y平台进行大幅面切割作业。

Description

一体化激光切割头

技术领域

本发明涉及激光切割机，特别是一种用于激光切割的一体化激光切割头

技术背景      

传统的激光切割机采用比较松散光路结构，激光器、光学部件等分散安装在切割机机架内，由于机架易受外界温度的影响而产生热变形，从而影响激光光路的可靠性及稳定性，而且对激光部件的防护也比较难实现，在激光设备中对光学器件的防尘、防湿很重要，因为光学器件的损坏，主要是由于器件上吸附的灰尘及水汽再经过激光的照射后所产生的损伤导致的。而且分散安装机器内的部件容易收到其它部件的干扰产生不稳定，一旦器件损坏，更换器件需要专业人员进行操作，而且光路校准很复杂，维修作业时间长。

故需设计一种新的激光切割光路系统，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于激光加工的一体化激光切割头，该激光切割头应具有结构紧凑，恒温、恒湿、无尘的特点，安装方便，防护性能高，器件工作寿命长，稳定性高，既可以独立工作进行小范围切割作业，又可以配合X-Y平台进行大幅面切割作业。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于激光加工的一体化激光切割头，其特点在于：

该激光切割头包括激光器，第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、动态聚焦机构、高速扫描振镜、F-Theta 场镜、激光及扫描控制系统和一个长方形密封的箱体，所述的激光器，第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、动态聚焦机构、高速扫描振镜、F-Theta 场镜、激光及扫描控制系统密封在所述的箱体内； 

所述的箱体由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，箱体基架由两块密封隔板分为前中后三层，前层包括上部的激光发生腔，右下部的激光传输整形腔和左下部激光扫描腔，中间层是水冷循环腔，后层为电器控制腔，在所述的激光发生腔内安装所述的激光器和第一反射镜；在所述的激光传输整形腔内安装所述的第二反射镜、扩束镜和动态聚焦机构；在所述的激光扫描腔内安装所述的高速扫描振镜和F-Theta 场镜；在所述的电器控制腔内安装激光及扫描控制系统；在所述的电器控制腔和激光传输整形腔之间设有第一气密电器连接通道，用于激光及扫描控制系统到动态聚焦机构的电器连接，在所述的电器控制腔和激光扫描腔之间设有第二气密电器连接通道，用于激光及扫描控制系统到高速扫描振镜的电器连接，在所述的电器控制腔和激光发生腔之间设有第三气密电器连接通道，用于激光及扫描控制系统到激光器的电器连接，在所述的电器控制腔的一个端面设有第四气密电器连接通道，用于激光及扫描控制系统与上位机控制系统之间的电器连接；在所述的激光发生腔和激光传输整形腔之间安装有第一气密激光窗口，在激光传输整形腔和激光扫描腔之间安装有第二气密激光窗口，同时激光扫描腔的底面还安装有第三气密激光窗口，供激光输出；在所述的箱体的一端设有与所述的水冷循环腔相通的进水口和出水口，供与外接的水冷循环机组相连；

在所述的激光及扫描控制系统的控制下，激光器产生高能单模脉冲激光，该脉冲激光经第一反射镜、第一气密激光窗口和第二反射镜反射，进入扩束镜进行整形扩束成一定直径的平行激光束后输入动态聚焦机构，经该动态聚焦机构对激光束再次扩束并输出所述的高速扫描振镜所能接收的发散角动态调整后的激光束，该高速扫描振镜控制激光束产生X-Y方向的角度偏移，再经过所述的F-Theta场镜和所述的第三气密激光窗口聚焦在工件上进行切割加工。 

所述的箱体由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，在所述的箱体基架的正面设有第一密封槽、第一组定位孔和第一组安装孔，第一密封槽供所述的前面板与箱体基架的封装，所述的第一组定位孔和第一组安装孔供所述的箱体的水平定位和安装；所述的箱体基架的背面的周边设有第三密封槽，供所述的后面板与所述的箱体基架的封装；在所述的箱体基架的底面的周沿设有第二密封槽、第二组定位孔和第二组安装孔，第二密封槽供所述的底板与箱体基架的封装，所述的第二组定位孔和第二组安装孔供所述箱体的纵向定位和安装。

所述的箱体基架是由整块的铝合金加工而成。

所述的水冷循环腔内设有散热翼片，以提高热交换面积，

所述的光发生腔、激光传输整形腔、激光扫描腔和电器控制腔内均放有干燥剂。

本发明的技术效果如下：

所述的箱体基架是由整块的铝合金加工而成,并经过热处理，结构稳定、变形量小，

整个箱体为密闭腔体，具有恒温、恒湿、无尘的特点，能很好的保证激光器件运行所需的理想工作环境。

密封箱体内互相独立的密封腔，保证不同功能区的器件的独立运行，不会相互干扰。

本发明装置在统一工装平台上调试安装，并且箱体上有定位孔和安装孔，从而保证总体安装一致性，维修替换极为方便。

附图说明

图1 为本发明装置结构框图及与相关装置的关联示意图。

图中： 1—激光器  2—第一反射镜  3—第二反射镜  4—扩束镜   5—动态聚焦机构  6—高速扫描振镜  7—F-Theta 场镜  8—工件  9—激光及扫描控制系统  10—上位机控制系统  11—内循环水冷机组  12—箱体  13—X-Y移动工作台

图2为本发明箱体基架的正视图（不包括前面板）。

图中：12-1—激光传输整形腔  12-2—激光发生腔  12-3—第一密封槽  12-4—第一气密电器连接口  12-5—激光扫描腔  12-6—第二气密电器连接口  12-7—第三气密电器连接口  12-8—第一组定位孔  12-9—第一组安装孔  12-10—第二密封槽  

图3为本发明箱体基架的右视图。

图中：12-11—进水口  12-12—第四气密电器连接口  12-13—第一气密激光窗口  12-14—水冷循环腔  12-15—第二气密激光窗口  12-16—出水口

图4为本发明箱体基架的后视图（不包括后面板）。

图中：12-17—第三密封槽  12-18—电器控制腔

图5为本发明箱体基架的仰视图。

图中：12-19—第二组定位孔  12-20—第二组安装孔  12-21—第三气密激光窗口  

图6为本发明箱体基架的AA剖视图。

 具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6，图1 为本发明装置结构框图及与相关装置的关联示意图，图2为本发明箱体基架12的正视图（不包括前面板），图3为本发明箱体基架的右视图，图4为本发明箱体基架的后视图（不包括后面板），图5为本发明箱体基架的仰视图，图6为本发明箱体基架的AA剖视图，由图可见，本发明用于激光切割的一体化激光切割头，包括激光器1，第一反射镜2、第二反射镜3、扩束镜4、动态聚焦机构5、高速扫描振镜6、F-Theta 场镜7、激光及扫描控制系统9和一个长方形密封的箱体12，所述的激光器1，第一反射镜2、第二反射镜3、扩束镜4、动态聚焦机构5、高速扫描振镜6、F-Theta 场镜7、激光及扫描控制系统9密封在所述的箱体12内； 

所述的箱体12由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，箱体基架由两块密封隔板分为前中后三层，前层包括上部的激光发生腔12-2，右下部的激光传输整形腔12-1和左下部激光扫描腔12-5，中间层是水冷循环腔12-14，后层为电器控制腔12-18，在所述的激光发生腔12-2内安装所述的激光器1和第一反射镜2；在所述的激光传输整形腔12-1内安装所述的第二反射镜3、扩束镜4和动态聚焦机构5；在所述的激光扫描腔12-5内安装所述的高速扫描振镜6和F-Theta 场镜7；在所述的电器控制腔12-18内安装激光及扫描控制系统9；在所述的电器控制腔12-18和激光传输整形腔12-1之间设有第一气密电器连接通道12-4，用于激光及扫描控制系统9到动态聚焦机构5的电器连接，在所述的电器控制腔12-18和激光扫描腔12-5之间设有第二气密电器连接通道12-6，用于激光及扫描控制系统9到高速扫描振镜6的电器连接，在所述的电器控制腔12-18和激光发生腔12-2之间设有第三气密电器连接通道12-7，用于激光及扫描控制系统9到激光器1的电器连接，在所述的电器控制腔12-18的一个端面设有第四气密电器连接通道12-12，用于激光及扫描控制系统9与上位机控制系统10之间的电器连接；在所述的激光发生腔12-2和激光传输整形腔12-1之间安装有第一气密激光窗口12-13，在激光传输整形腔12-1和激光扫描腔12-5之间安装有第二气密激光窗口12-15，同时激光扫描腔12-5的底面还安装有第三气密激光窗口12-21，供激光输出；在所述的箱体12的一端设有与所述的水冷循环腔12-14相通的进水口12-11和出水口12-16，供与外接的水冷循环机组11相连；

在所述的激光及扫描控制系统9的控制下，激光器1产生高能单模脉冲激光，该脉冲激光经第一反射镜2、第一气密激光窗口12-13和第二反射镜3反射，进入扩束镜4进行整形扩束成一定直径的平行激光束后输入动态聚焦机构5，经该动态聚焦机构5对激光束再次扩束并输出所述的高速扫描振镜6所能接收的发散角动态调整后的激光束，该高速扫描振镜6控制激光束产生X-Y方向的角度偏移，再经过所述的F-Theta场镜7和所述的第三气密激光窗口12-21聚焦在工件8上进行切割加工。 

所述的箱体12由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，在所述的箱体基架12的正面设有第一密封槽12-3、第一组定位孔12-8和第一组安装孔12-9，第一密封槽12-3供所述的前面板与箱体基架的封装，所述的第一组定位孔12-8和第一组安装孔12-9供所述的箱体的水平定位和安装；所述的箱体基架的背面的周边设有第三密封槽12-17，供所述的后面板与所述的箱体基架的封装；在所述的箱体基架的底面的周沿设有第二密封槽12-10、第二组定位孔12-19和第二组安装孔12-20，第二密封槽12-10供所述的底板与箱体基架的封装，所述的第二组定位孔12-19和第二组安装孔12-20供所述的箱体12的纵向定位和安装。

所述的箱体基架12是由整块的铝合金加工而成。

本实施例中，所述的水冷循环腔12-14内设有散热翼片，请参见图6，以提高热交换面积，所述的光发生腔12-2、激光传输整形腔12-1、激光扫描腔12-5和电器控制腔12-18内均放有干燥剂。

本实施例中，在激光及扫描控制系统9的控制下，激光器1产生高能单模脉冲激光，脉冲宽度在几个纳秒，重复频率0—100KHz可调，经过第一反射镜2和第二反射镜3反射，进入扩束镜4进行整形扩束成一定直径的平行激光束后输入动态聚焦机构5，对激光束再次扩束并输出高速扫描振镜6所能接收的发散角可动态调整激光束，高速扫描振镜6控制激光束产生X-Y方向的角度偏移，再经过F-Theta场镜7使激光束聚焦于工件8，由动态聚焦机构5与高速扫描振镜6及F-Theta场镜7相互配合作用，使得激光焦点能在一定的三维空间内高速移动对工件8进行切割加工。上位机控制系统10用于输入所需加工的图形，将其转换成具体的切割指令传送给激光及扫描控制系统9，控制一体化激光切割头完成切割工作，另外在上位机控制系统10内增加一套运动控制卡就能用来控制X-Y平台工作，从而完成大范围的切割作业。内循环水冷机组11对箱体基架12进行水冷恒温控制，在环境温度为5—40℃范围内，将箱体基架12的工作温度恒定在25℃±0.1℃，从而保证激光器件能在恒温环境中工作。

图2、3、4、5所示为本发明箱体基架12的结构示意图

箱体基架12是有整块的铝合金加工而成的。其中激光发生腔12-2安装有激光器1和第一反射镜2；激光传输整形腔12-1安装有第二反射镜3、扩束镜4和动态聚焦机构5；激光扫描腔12-5安装有高速扫描振镜6和F-Theta 场镜7；电器控制腔12-18安装有激光及扫描控制系统9；在电器控制腔12-18中还安装有，第一气密电器连接口12-4用于激光及扫描控制系统9到动态聚焦机构5的电器连接，第二气密电器连接口12-6用于激光及扫描控制系统9到高速扫描振镜6的电器连接，第三气密电器连接口12-7用于激光及扫描控制系统9到激光器1的电器连接，第四气密电器连接口12-12用于激光及扫描控制系统9到上位机控制系统10的电器连接；在激光发生腔12-2和激光传输整形腔12-1之间安装有第一气密激光窗口12-13，在激光传输整形腔12-1和激光扫描腔12-5之间安装有第二气密激光窗口12-15，同时激光扫描腔12-5下面还安装有第三气密激光窗口12-21，从而完成激光在不同器件腔之间的传输及输出；第一密封槽12-3、第二密封槽12-10及第三密封槽12-17用于将各腔分别密封，同时在各腔中还按放有干燥剂，一体化激光切割头的装配都是在恒温、恒湿的千级净化车间内的统一调试工装平台上进行的，从而保证了一体化激光切割头的一致性及内部激光部件始终保持在恒湿、无尘的环境中运行；冷却水从进水口12-11进入水冷循环腔12-14，在水冷循环腔12-14内进行充分热交换后由出水口12-16流出，为提高热交换效率，在水冷循环腔12-14内加工有许多散热翼片以提高热交换面积，冷却水是由内循环水冷机组11进行精密控温后进行强制循环流动，水温始终保持在25℃±0.1℃，从而保证了一体化激光切割头及其内部组件始终保持在恒温环境中运行；第一组定位孔12-8和第一组安装孔12-9用于一体化激光切割头的垂直定位安装，第二组定位孔12-19和第一组安装孔12-20用于本发明一体化激光切割头的水平定位安装。

本发明装置具有结构稳定、恒温、恒湿、无尘的特点，能保证激光器件运行所需的理想工作环境。箱体上有定位孔和安装孔，可保证总体安装一致性，维修替换极为方便。既可以独立工作进行小范围切割作业，又可以配合X-Y平台进行大幅面切割作业。

Claims (5)

1.一种用于激光切割的一体化激光切割头，包括激光器(1)，第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、扩束镜(4)、动态聚焦机构(5)、高速扫描振镜(6)、F-Theta场镜(7)、激光及扫描控制系统(9)和一个长方形密封的箱体(12)，所述的激光器(1)，第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、扩束镜(4)、动态聚焦机构(5)、高速扫描振镜(6)、F-Theta场镜(7)、激光及扫描控制系统(9)密封在所述的箱体(12)内，其特征在于：

所述的箱体(12)由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，箱体基架由两块密封隔板分为前中后三层，前层包括上部的激光发生腔(12-2)，右下部的激光传输整形腔(12-1)和左下部激光扫描腔(12-5)，中间层是水冷循环腔(12-14)，后层为电器控制腔(12-18)，在所述的激光发生腔(12-2)内安装所述的激光器(1)和第一反射镜(2)；在所述的激光传输整形腔(12-1)内安装所述的第二反射镜(3)、扩束镜(4)和动态聚焦机构(5)；在所述的激光扫描腔(12-5)内安装所述的高速扫描振镜(6)和F-Theta场镜(7)；在所述的电器控制腔(12-18)内安装激光及扫描控制系统(9)；在所述的电器控制腔(12-18)和激光传输整形腔(12-1)之间设有第一气密电器连接通道(12-4)，用于激光及扫描控制系统(9)到动态聚焦机构(5)的电器连接，在所述的电器控制腔(12-18)和激光扫描腔(12-5)之间设有第二气密电器连接通道(12-6)，用于激光及扫描控制系统(9)到高速扫描振镜(6)的电器连接，在所述的电器控制腔(12-18)和激光发生腔(12-2)之间设有第三气密电器连接通道(12-7)用于激光及扫描控制系统(9)到激光器(1)的电器连接，在所述的电器控制腔(12-18)的一个端面设有第四气密电器连接通道(12-12)，用于激光及扫描控制系统(9)与上位机控制系统(10)之间的电器连接；在所述的激光发生腔(12-2)和激光传输整形腔(12-1)之间安装有第一气密激光窗口(12-13)，在激光传输整形腔(12-1)和激光扫描腔(12-5)之间安装有第二气密激光窗口(12-15)，同时激光扫描腔(12-5)的底面还安装有第三气密激光窗口(12-21)，供激光输出；在所述的箱体(12)的一端设有与所述的水冷循环腔(12-14)相通的进水口(12-11)和出水口(12-16)，供与外接的水冷循环机组(11)相连；

在所述的激光及扫描控制系统(9)的控制下，激光器(1)产生高能单模脉冲激光，该脉冲激光经第一反射镜(2)、第一气密激光窗口(12-13)和第二反射镜(3)反射，进入扩束镜(4)进行整形扩束成一定直径的平行激光束后输入动态聚焦机构(5)，经该动态聚焦机构(5)对激光束再次扩束并输出所述的高速扫描振镜(6)所能接收的发散角动态调整后的激光束，该高速扫描振镜(6)控制激光束产生X-Y方向的角度偏移，再经过所述的F-Theta场镜(7)和所述的第三气密激光窗口(12-21)聚焦在工件(8)上进行切割加工。

2.根据权利要求1所述的一体化激光切割头，其特征在于所述的箱体(12)由箱体基架、前面板、后面板和底板构成，在所述的箱体基架的正面设有第一密封槽(12-3)、第一组定位孔(12-8)和第一组安装孔(12-9)，第一密封槽(12-3)供所述的前面板与箱体基架的封装，所述的第一组定位孔(12-8)和第一组安装孔(12-9)供所述的箱体(12)的水平定位和安装；所述的箱体基架的背面的周边设有第三密封槽(12-17)，供所述的后面板与所述的箱体基架的封装；在所述的箱体基架的底面的周沿设有第二密封槽(12-10)、第二组定位孔(12-19)和第二组安装孔(12-20)，第二密封槽(12-10)供所述的底板与箱体基架的封装，所述的第二组定位孔(12-19)和第二组安装孔(12-20)供所述的箱体(12)的纵向定位和安装。

3.根据权利要求1所述的一体化激光切割头，其特征在于所述的箱体基架是由整块的铝合金加工而成。

4.根据权利要求1所述的一体化激光切割头，其特征在于所述的水冷循环腔(12-14)内设有散热翼片，以提高热交换面积。

5.根据权利要求1所述的一体化激光切割头，其特征在于所述的激光发生腔(12-2)、激光传输整形腔(12-1)、激光扫描腔(12-5)和电器控制腔(12-18)内均放有干燥剂。