CN103260813B

CN103260813B - 包括用于光聚焦的单透镜的激光束机械加工装置和激光机械加工的方法

Info

Publication number: CN103260813B
Application number: CN201180060342.7A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·威特沃
Original assignee: Bystronic Laser AG
Current assignee: Bystronic Laser AG
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: US20130200052A1; JP2014503359A; EP2651594B1; JP2017221979A; JP6253410B2; US11154948B2; EP2651594A1; EP3693122B1; RU2607500C2; RU2013132762A; CN103260813A; WO2012080883A1; EP3693122A1; PL3693122T3

Abstract

提供一种激光束机械加工装置(1)，其中来自出光点(B)的未聚焦光(A)被辐射到单透镜(8)上，其中单透镜(8)聚焦未聚焦光(A)并且将它引导到工件(7)的机械加工点上。透镜(8)与出光点(B)之间的距离(m_a，m_b)和透镜(8)与工件(7)的机械加工点之间的距离(l_a，l_b)和出光点(B)与前述机械加工点之间的距离可以变化。而且，提供了一种使用激光束机械加工装置(1)的方法。

Description

包括用于光聚焦的单透镜的激光束机械加工装置和激光机械加工的方法

本申请请求2010年12月16日提交的EPO申请案(号码为EP10195433)的外国优先权，并且还请求2010年12月16日提交的US临时申请案(系列号为61/423,992)的优先权并且作为它的非临时申请案，EPO申请案EP10195433和US临时申请案系列号61/423,992均以它们的整体通过参考的方式在此清楚地并入，用于所有意图和目的，就像同样地在此完全地阐明的一样。

技术领域

本发明涉及一种包括出光点和沿辐射方向在出光点之后的单透镜的激光束机械加工装置，该出光点发射未聚焦激光，而该单透镜聚焦该激光并且被设计成将被聚焦的激光引导到工件的机械加工点上，并且该单透镜沿辐射方向能够移动。而且，本发明涉及一种激光束机械加工装置的使用。

背景技术

早已得知用激光辅助物料加工处理。高赋能光束被指向到物料上并且熔化它、蒸发它和/或燃烧它。因此物料可以被分离(激光切割)并且也可以被结合(激光焊接)。例如，CO₂激光器、圆盘激光器、Nd:YAG激光器、纤维激光器以及还有最近的二极管激光器都用于此目的。在使用激光器的物料加工处理的情况下的重点是将激光束聚焦到焦点上。

例如，DE202007018689U1公开了一种旨在主动调节用于物料的激光束机械加工的高能激光辐射的光学系统中的聚焦位置的系统。该系统由用于检测聚焦位置的传感器、控制处理器和用于改变和修正聚焦位置的光学系统的可移动轴构成。

WO2008/019681A1，US2010/0096370A1，EP2042258A1，WO2009/016645A2，US7,786,404B2，EP1998215A1和EP0536951A2中公开了用于调节激光束的聚焦位置的另外的解决方案。

其它文献描述了一种激光束机械加工头，其除了用于聚焦光学系统的驱动装置以外，还包括与工作气体、清洁气体和/或冷却气体相关联的或多或少的复杂的补偿装置。这些补偿装置的原理大致基于前述辅助气体的压强变化可能导致聚焦光学系统的不希望有的移位的事实。例如，聚焦光学系统之下的工作或者切割气体导致聚焦光学系统中压强的升高。这种补偿装置的目标在于经由在相反方向上起作用的活塞表面补偿该升高的压强。

在这种类型的激光束机械加工装置中，用于聚焦光学系统的驱动装置既可以由布置在激光束机械加工头外侧的机械或者液压驱动器构成，或者又可以集成到激光束机械加工头的壁中。壁腔用流体加压，该流体在每种情形下作用在活塞表面上，该活塞表面本质上连接至聚焦光学系统或者形成它的一部分。

具体地，这些文件包括EP1743726B1和EP2018933B1，(均来自Fanuc)，EP2062676A1和EP2062679A1(均来自申请人)以及DE4317384A1，DE4129278A1，DE19628857A1，US6204473B1，FR2923168A1和US6204473B1。

这种实施例的缺点在于补偿装置需要许多空间并且驱动装置“鼓动”激光束机械加工头，以及，作为它们集成到激光束机械加工头的壁中的结果，不可进行维护和修理工作。

另外，US5,815,626A公开了一种用于传输激光束的光传输装置，包括具有渐变折射率的光纤，其中所述光纤的所述核心的中心处和周边部分处的折射指数是不同的。另外，装置包括在所述光纤的入射侧面处具有最小聚焦点的光纤入射系统，激光束通过该光纤入射系统被引入所述光纤或者接近所述光纤的所述入射侧面。

并且，JP2001-129679公开了一种光学系统，其中非球面透镜上的入射激光束的强度分布通过布置在由激光束发生器所产生的激光束的轴线上的非球面透镜转化成能量强度朝向圆周区域不对称的这样一种强度分布。

此外，JP2002-283085公开了一种在激光振荡放大器的共振器外部的非球面透镜，其中非球面透镜的曲率元件(curvature element)是收敛的曲率元件和扩散的曲率元件的总和，收敛的曲率元件在整个平面上是均匀的，而扩散的曲率元件与束强度在透镜位置的分布成正比。而且，此装置包括束传输光学系统，其被提供用于引导从非球面透镜传输的激光束至机械加工点并且将与非球面透镜的收敛的曲率元件相对应的聚焦点位置复制到机械加工点上。

最后，JP2006-035247公开了一种具有发射部件和非球面透镜的光学系统，该发射部件用于围绕光轴中心发射激光束，而非球面透镜布置在瓦特级单芯片半导体激光器前方的光轴中心周围。通过改变由发射部件至非球面透镜的焦点位置的距离和由非球面透镜的焦点位置至光收集部件的距离而改变F值。采用非球面透镜使得激光束的形状能够变形成理想形状，从而改善软焊(soldering)效率。

现有技术中所公开的技术方案部分地以技术上非常复杂的方式进行构造。这加大了激光束机械加工装置的成本并且也使得它易于出现故障。而且，尽管这些机器复杂，它们的适应性很差。

发明内容

本发明致力的问题是提供一种改进的激光束机械加工装置。具体地，激光束机械加工装置的适应性应该被改善，同时这种装置的复杂性较低。

根据本发明，这个问题通过最开头所述的那种类型的激光束机械加工装置解决，其中透镜与出光点之间的距离和透镜与工件的机械加工点之间的距离和出光点与前述机械加工点之间的距离是可以变化的。

根据本发明，这个问题进一步地通过一种包括出光点和沿辐射方向在出光点之后的单透镜的激光束机械加工装置的用法解决，所述出光点被设置用于发射未聚焦激光，而所述单透镜聚焦该激光并且被设计成将被聚焦的激光引导到工件的机械加工点上，其中透镜与出光点之间的距离是可以变化的，用于切割所述工件。

根据本发明，可以改变出自透镜的激光束收敛度并因此可以改变聚焦位置和处理束的聚焦深度两者。越短的距离导致具有相对大的焦点和相对大的焦深的弱收敛束。相反地，越长的距离导致相对小的焦点和相对小的焦深。

这与现有技术相比具有一个大的优势。在当前商业可获得的用于激光束机械加工的机械加工头中，尤其是用于利用光纤激光进行切割的机械加工头中，具有这样的限制，聚焦后的束的焦深基本小于2mm。这意味着，在工件具有小的厚度的情况下，可以获得高功率密度并且因而获得高馈送率。然而，在工件具有从4mm起的更大的厚度的情况下，焦点公差低并且束半径的曲率不再适用于此工件尺寸。功率密度和馈送率因此降低或者不得不通过更高的激光功率抵消。然而，更高激光功率不会解决相对宽泛且“难看的”切口这样的问题并且在成本上具有相当大的提高。

本发明现在具有用于图像的衍射优化的单独透镜的轴向移位轴的帮助下实现了处理光束的聚焦区域的侧向和轴向扩大。因此光束的几何形状可以被持续应用至工件尺寸，而不需要改变光束质量或者替换处理光纤。本发明因此不仅提供一种特别简化结构的激光机械，而且与待机械加工的工具的厚度的激光功率相匹配。

由于透镜与工件的机械加工点之间的距离(具体地处理光束出光点，和/或出光点和前述机械加工点之间的距离)可以变化，所以聚焦可以独立于焦深的调节而设定。例如，激光出口嘴(例如切割嘴)的端部可以被理解成处理光束出光点，也就是说，激光束的终点仍然位于激光束机械加工装置内侧。在此具体变化例中，处理光束出光点可以与工件保持不变距离，因为透镜和/或出光点在激光束机械加工装置内侧移位，例如，在其机械加工头中。

具体地，激光被直接引导至机械加工点上，也即是说，没有进一步光束成形元件的中间定位。

根据本发明，激光束机械加工装置的结构等被相当程度地简化。因此，该装置可以以更加成本有效的方式生产，并且也更少地受到技术故障。在深度测试已经惊奇地显示对于单透镜来说足以影响激光束，从而准备用于材料处理的所述光束。

如果将光纤的端部或者二极管激光器设置为出光点，那是有利的。例如，采用光纤，CO₂激光器、Nd:YAG激光器或二极管激光器的光可以被引导向透镜。然而，还可以想象的是出光点由光纤激光器的端部形成。还对于出光点还可能的是由相对有利的二极管激光器直接形成。

为了完整的目的，要注意激光束机械加工装置自然地可以包括总共超过一个单透镜，例如，用于将激光耦合到光纤中或者用于其它光学系统。

本发明的进一步有利的实施例和拓展可以从从属权利要求以及从结合附图的描述中得出。

如果透镜是非球面的，那是有利的。激光因此可以被轻易地制备用于材料处理。

如果透镜/出光点的移动范围由激光A照明的区域限定，激光A照明的区域在所述透镜区域的25％至100％的范围中，那是有利的。以此方式，可以避免由所述透镜的局部照明引起的效果，例如，透镜曲率、热透镜和基于热过载的透镜8的端部崩溃。

如果所述透镜的/所述出光点的移动范围上的斯特列尔比大于0.9，那也是有利的。斯特列尔比(以物理学家和数学家卡尔斯特列尔命名)是对光学器件的光学质量的量度。它被定义为图像平面中点光源的最大强度与完美光学系统的理论最大强度的比例。通过将光束机械加工装置的移动范围/扩大范围的斯特列尔比保持在0.9以上，可以获得高质量切割。

如果所述透镜的非球面表面具有均匀的非球面性形状以保持低象差，那是特别有利的。非球面性通过由定义球面曲率的公式加上多项式给出。根据光束机械加工装置的此变化例，所述多项式刚好包括偶数项(eventerm)，即a₂*x²+a₄*x⁴+...均匀的非球面性对于轴向对称光束出射是有益处的。具体地，它可以以在短聚焦距离的情况下设置接近1的斯特列尔比的方式定义非球面性，因为那时偏差趋向于相对高。通过以上述的方式定义非球面性，在透镜的整个移动范围上可以保持低的偏差。

如果出光点以未聚焦激光直接接触透镜的方式与透镜相关联，那也是有利的。本发明的这种变化例在结构上特别简单，因为仅一个单透镜被布置在出光点和机械加工点之间，并且在本发明的一个具体实施例中，仅单此透镜被布置成单个光束成形元件。

这样一种激光束机械加工装置是特别有利的，这种激光束机械加工装置包括被设计以使出光点和透镜相对于工件的机械加工点(特别是相对于激光束机械加工装置的处理光束出光点)同步移位相同距离的驱动系统。在此情况中，仅光学布局和工件之间的距离被改变，但不影响激光束的焦深。

作为最简化的可选例，激光束机械加工装置被设计以小范围移位透镜的驱动系统。在此配置中，在焦深保持几乎不变的同时可以改变相对于出光口的聚焦位置。

关于这方面，如果激光束机械加工装置具有用于透镜和激光束机械加工点的共同移位的第一驱动系统，以及用于改变透镜和激光束机械加工点之间的距离的第二驱动系统，那是特别有利的。然而，也可以想象用于透镜的一个驱动系统和用于出光点的另一个驱动系统。

如果所述透镜由ZnS(硫化锌)制成，那是有利的。由ZnS制成的透镜与常规的玻璃透镜相比提供更佳的热导率以及更高的折射率。

透镜和/或其保持器被流体冷却，那也是有利的。以此方式，在由吸收高功率激光的高热负载的情况下，透镜和/或其保持器保持匀称形状。流体可以是液态或者气态媒介。

如果透明盘，具体地玻璃盘或塑性材料盘，被布置在透镜沿辐射方向的后面，那是进一步有利的。因此透镜可以轻易地防止焊接和切割溅射以及防止烟雾。透明盘不是被提供用于光束成形，但是是基本平面的。因此可以有成本效益地被替换。

如果在透明盘和透镜之间设置一空间，并且透镜和/或出光点通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而可以移位，那是特别有利的。在本发明的此变化例中，透镜和/或出光点因此可以用气动或者液压驱动系统移位。如果出光点保持稳定，那么因此可以改变透镜和出光点之间的距离。相反地，如果透镜和出光点是可移位的，并且两者之间的体积保持不变，那么通过将流体引入透明盘和透镜之间的空间或者从此空间吸取流体而可以将透镜和出光点同步地移位。例如，在任何情况下通常被提供用于激光切割和激光焊接的处理气体也可以用于上述调节。

如果出光点和透镜之间设置一空间，并且透镜和/或出光点通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而可以移位，那是有利的。与前述变化例类似地，透镜和/或出光点可以被液压或气动地调节。出光点和透镜之间的距离被改变。

另外，如果沿辐射方向在出光点(B)之前设置一空间，并且出光点通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而可以移位，那是有利的。在本发明的此变化例中，透镜和/或出光点可以被气动或液压驱动系统调节。如果出光点保持稳定，那么因此可以改变透镜和出光点之间的距离。相反地，如果透镜和出光点是可移位的，并且两者之间的体积保持不变，那么通过将流体引入出光点之前的间隙或者从此间隙吸取流体而可以将透镜和出光点同步地移位。例如，在任何情况下通常被提供用于激光切割和激光焊接的处理气体也可以用于上述调节。

如果光敏传感器布置在透镜的散射光锥的区域中，那是有利的。因此在不需要为此目的将传感器引入高能激光束以及不需要耦合接出此光束的一部分并将其引导到传感器上的情况下可以确定光束性能和/或透镜的性能。这种实际上不是用于激光束机械加工的杂散光可以因此仍被有利地利用。

关于这方面，如果根据本发明的激光束机械加工装置包括连接至传感器并且被设计以实现以下步骤的评估单元：在出光点和/或透镜的移动期间检测通过传感器测量的发光强度的实际曲线，以及比较所采用的透镜的实际曲线与理想透镜的选点曲线并且如果选点曲线和实际曲线之间的偏差超出可预先限定的阈值则触发警报，那是有利的。

在此变化例中，漫射光锥在传感器之上移动，该传感器检测漫射光锥的横截面上的发光强度的曲线。这使得得出关于光束性能但是具体地也关于透镜的性能的结论成为可能。例如，由焊接溅射沉积造成的透镜上的凹坑或凸块导致不规则的实际曲线。如果这与理想透镜的选点曲线偏离的太厉害，这是透镜已经变得不可能再用的事实的有利指示。

如果未聚焦激光在出光点处的出射角小于90°，具体地小于60°，并且更佳地小于45°，那是有利的。因此可以使用其中对出射光束的质量上没有过多高要求的光源。因此，可以以成本有效的方式生产激光束机械加工装置。

如果激光束机械加工装置包括出光点和透镜布置在其中的机械加工头，那是有利的。机械加工头形成被布置在运动学的驱动系统的端部处并且激光束从其射出的每个部分。如果前述部件被集成到机械加工头中，形成技术上更加特别简单并且因而更少地出现故障的机械加工头。

本发明的上述实施例和扩展内容可以以任何方式结合。

附图说明

下面参考附图中的示意图中所示的实施例更加详细地描述本发明，其中：

图1是根据本发明的激光束机械加工装置的示意图；

图2是使用根据本发明的布局如何将激光束引导至不同厚度的工具的示意图；

图3是根据本发明的布局的示意图，其中传感器布置在漫射光锥中；

图4显示由图3中的传感器记录强度曲线的实例；

图5显示本发明的变化例，其中透镜和出光点能够被气动地或者液压制动地调节；

图6显示用于透镜的气体冷却系统。

在这些图中，除非另有说明，相同和类似的部分由相同的参考数字表示，并且功能相同的元件和特征也由相同的参考数字表示。

具体实施方式

图1显示了一种示例性激光束机械加工装置1，例如，其包括二极管激光器2，、光纤3、机械加工头4、龙门架滑动装置5和轨道6、以及激光束机械加工装置1机械加工的工件7。

图1中所示的激光束机械加工装置1起到如下作用：

机械加工头4自身可以在方向x上沿着龙门架滑动装置5的方式移动，并且所述龙门架滑动装置可以在方向y上依次沿着轨道6移动，这样机械加工头4可以执行在x-y平面上的任何移动。在二极管激光器2的帮助下，产生激光，该激光凭借光纤被引导至机械加工头4，在此它继而被指向到工件7上。接着激光束A在机械加工点接触工件7。在机械加工头4的移动期间，工件7继而沿着机械加工头4行进的路径被切割，因而产生切口。

图2显示机械加工头4的细节的示意图，具体地为光纤3的端部，其形成出光口B，以及透镜8。激光束机械加工装置1因而包括出光点或出光口B和单透镜8，出光点或出光口B发射聚焦激光A，而单透镜8聚焦激光A并且将其引导至工件7的机械加工点上。在此具体实例中，出射角a与出光点B成90°。出光点B布置成以未聚焦激光A直接接触透镜8的方式与透镜8相关联。另外，这是假设在透镜8为非球面的的实例中，当然，也可能是例如使用平凸透镜。

非球面透镜优选地由ZnS、塑性材料或者光学玻璃(例如熔融石英、透明石英)构成。透镜8有利地被水冷，具体地在超过2kW的激光功率下。还优选地是在透镜8的入射侧上的压缩力补偿。

如图2中所示的，出光点B可以由光纤3的端部形成，具体地是光纤激光器的端部。然而，还可想像的是出光点B用二极管激光器(未显示)形成，其优选地直接布置在激光束机械加工装置1的机械加工头4中或者之上。

在具体测试中，采用多模式梯度折射率光纤(multimode step-indexfibre)，其具有NA＞0.08的数值孔径并且生成具有光束传播因子(根据ISO标准11146描述激光的聚焦性能)M²＞＝2的多模式光束。从光纤激光束A耦合输出的激光束A由单非球面单透镜8聚焦，其中此图在衍射方面是最优的。当然，这些图将会被认作纯示意性的。其它值也可以导致满意的结果。

左手侧的图显示厚工件7a的机械加工期间的光纤3和出光点B和透镜8，而右手侧的图显示薄工件7b的机械加工。

在本发明的特定有利实施例中，出光点B和透镜8以在厚工件7a的机械加工期间将相对弱的收敛光束指向至厚工件7a上的方式移位。因此当然选择直径d_a的相对大的焦点，尽管由于光束的弱收敛性会产生大的焦深，但是这在机械加工厚工件7a时是有利的。

相反地，当机械加工薄工件7b时，出光点B和透镜8以将相对强的收敛光束指向至工件7b上的方式设定。由于光束的强收敛性会产生小的焦深，尽管仅产生为距离d_b的相对小的焦点，这在机械加工薄工件7b时是有利的。

因此可以变化透镜8与出光点B之间的距离m_a，m_b和透镜8与工件7的机械加工点之间的距离l_a，l_b以及出光点B与前述机械加工点之间的距离。

在一个特定有利实施例中，根据本发明的激光束机械加工装置1还包括被设计以使出光点B和透镜8相对于工件7的机械加工点同步移位相同距离的驱动系统。例如，激光束机械加工装置1可以包括平行于辐射轴线的两个线性移动轴/线性电机19，20。在此实例中，线性移动轴/线性电机19，20均通过它们的下端固定至透镜保持器。第一轴/线性电机19另外还固定至激光机械加工设备的支撑件，例如，激光机械加工设备的一个部件，其或多或少与工件7保持恒定的距离。第一轴/线性电机19因此移动出光点B连同透镜8，并且改变工作距离l_a，l_b。

第二轴/线性电机20的下端固定至透镜保持器而其上端固定至光纤保持器。第二轴/线性电机20因此改变出光点B和透镜8之间的距离m_a，m_b，从而改变激光束A的焦距位置和焦深两者。

如果出光点B和透镜8之间的距离m_a，m_b缩短，则加大了焦深l_a，l_b和聚焦半径。第二轴/线性电机20因此不得不补偿更大的工作距离l_a，l_b以使聚焦再次处于工件7上。

在此实例中，线性移动轴/线性电机19，20可以具体化为气动的或者液压缸，又或者例如电主轴驱动。然而，也可以应用其他类型的线性电动机，例如同步或非同步限定电动机或齿轮杆驱动器。

除此之外还要注意，线性移动轴/线性电机19，20可以以不同方式布置。例如，第一轴/线性电机19可以布置在固定的机械加工支撑体和光纤保持器之间，而第二轴/线性电机20的下端固定至透镜保持器而其上端固定至光纤保持器。而且，也可能地是，第一轴/线性电机19布置在固定的机械加工支撑体和透镜保持器之间，而第二轴/线性电机20布置在固定的机械加工支撑体和光纤保持器之间。

本发明旨在通过在Z方向上可移位的单透镜8(单线透镜，优选ZnS)产生例如光纤激光束的成像(聚焦)，其中目的在于获取理想的聚焦位置的工作距离l_a，l_b的每次变化通过机械装置补偿。成像在关于透镜8的移动区域上的衍射方面是最优的，并且获得了由激光束A照明的光纤内芯的侧向和纵向放大区域。在成像后的(聚焦后的)光束A中，因而用最大焦深获取超高斯分布强度。

在本发明的变化例中，由于与工件的大的距离，可以分配玻璃保护罩。在此方面，特别是大的工作距离时，90°光束偏转的结合是有利的。

如果出光点B的/透镜8的移动范围由激光束A照明的区域限定，激光束A照明的区域在透镜区域的25％至100％的范围中，这是有利的。以此方式，可以避免由所述透镜8的局部照明所引起的效果，诸如透镜曲率、热透镜和基于热过载的透镜8的端部崩溃。如果所述移动范围上的斯特列尔比大于0.9以致高质量切割，那也是有利的。如果所述透镜的非球面表面具有均匀的非球面性形状以保持低象差，那也是特别有利的。

下面将描述两个具体实例情形，其已经采用用于设计光学系统的软件(例如ZEMAX)进行计算：

实例情形1：

50μm处理光纤、ZnS制作的非球面透镜、平面入射侧、曲率半径为90mm的凸面出射侧、第四阶和第六阶非球面校正。

a)小聚焦：工作距离约290mm、光纤端/透镜距离90mm、总聚焦半径约50μm、瑞利长度(焦深)约1.44mm。

b)大聚焦：工作距离约780mm、光纤端/透镜距离75mm、总聚焦半径约177μm、瑞利长度(焦深)约15mm。

实例情形2：

50μm处理光纤、ZnS制作的非球面透镜、平面入射侧、曲率半径为60mm的凸面出射侧、第四阶非球面校正。

a)小聚焦：工作距离约150mm、光纤端/透镜距离65mm、总聚焦半径约38μm、瑞利长度(焦深)约0.7mm。

b)大聚焦：工作距离约465mm、光纤端/透镜距离50mm、总聚焦半径约158μm、瑞利长度(焦深)约12mm。

图3现在显示了本发明的进一步变化例。光敏传感器9布置在透镜8的散射光锥C的区域中。

用可移位的透镜8，特别是用由多光谱ZnS制成的这种透镜，用通过衬底的激光束A的透射产生散射辐射，并且散射辐射在围绕处理光束的光锥C中射出。散射输出和散射角均取决于透镜衬底中的散射方法以及透镜8的光束出射侧的形状。

通过使得出光点B和/或透镜8移位，现在散射光锥C可以相对于(固定的)传感器9(当然，尽管传感器9还可以是可移位的)移位，这样所述传感器可以检测到散射光锥C横截面上的强度曲线。图4显示用于透镜8的这种示例性曲线，其中在出光点B的和/或透镜8的位移路径上显示透镜强度I。移位位置s₁表示图3中右侧图中所示的位置，而s₂表示图3中左侧图中所示的位置。除了用于理想透镜8的连续曲线，不是理想曲线的用于透镜8′的虚线曲线也没有显示。例如，这是由于来自工件7的溅起而被污染或者变形的。相应地给出用于光强度I的与理想曲线偏离的曲线，并且正如所示的，还可以展示缺口。

评估单元21现在连接至传感器9并且设计成执行如下步骤：在出光点B和/或透镜8的移动期间检测通过传感器9测量的发光强度I的实际曲线，以及比较所采用的透镜8′的实际曲线与理想透镜8的选点曲线，并且如果选点曲线和实际曲线之间的偏差超出可预先限定的阈值则触发警报。

因此可以确认和替换由于过度污染或者其它原因不可再用的透镜8′。

本发明的此变化例旨在，例如，当通过在z方向上可移位的单透镜8(单线透镜，优选为ZnS)成像光纤激光束时，在透镜的使用期限中由其散射光性能和双折射引起的倍频效应(绿色光谱范围中的弱输出)的帮助下监控透镜8。为此目的，以在透镜8移动时散射光锥C的边缘通过传感器9的方式选择这种布局。当是新的时，Z方向移动路径上的散射光的强度曲线具有关于与曲线相关的透镜8的实际状态的信息。另外，因此可以在散射光信号和处理光信号之间进行区分。

用于在激光波长中偏斜透镜8的涂层在用于二次谐波的波长的下透镜侧上部分地反射。可以从透镜8的z方向上沿移动路径的二次谐波飞反射光的强度检测中读出关于光学状态的信息。

通过布置在光束路径中的可线性移位的透镜8和传感器9，可以记录所述的散射光信号的曲线，因为散射光锥的边界经过传感器9。如果接触透镜8的处理光束保持稳定，那么可以从因而所记录的散射光中读出透镜8的变化。

可选地，特别是使用多光谱ZnS作为透镜衬底时，所产生的二次谐波可以被用以检测透镜的状态。因为在处理光束波长的情况下透镜8偏转，所以在激光束A的半波长处的二次谐波的光仅部分在透镜的表面上反射。二次谐波的出射光的比例还可以被检测并用以分析透镜的状态。

此外，为了强化二次谐波的检测信号，对于二次谐波，上涂层可以被部分弱地反射而下涂层高度反射。因此，二次谐波的光优选地向上反射。然而，涂层可以以颠倒的顺序贴附至透镜8，这样二次谐波的光向下反射。如果采用不同光谱敏感度的传感器9或过滤器，因为ZnS向下偏转激光，所以同时可以从透镜8处获得两个信号。因此，透镜8总共向下发送两个信号而向上发送一个信号，其可以被馈送至传感器9并且用于检测透镜8的质量。

在出光点B和透镜8之间不变距离的情况下，出光点B和透镜8有利地移动行程s，而传感器9的位置保持相同。传感器信号是散射光中透镜8的响应函数，这随着光学系统的不同状态而不同。

在此实例中，评估单元21包括中央处理器22和存储器23。中央处理器22连接至传感器9以获取发光强度的实际曲线并且将其与存储在存储器23中的理想透镜8的选点曲线比较。如果选点曲线和实际曲线之间的偏差超出可预先设定的阈值，那么在此实例中启动报警灯24。中央处理器22和存储器23可以是印刷电路板上离散的部件。然而，中央处理器22和存储器23可以集成到单个装置中，例如微控制器中。此外，评估单元21可以具体化为专用集成电路(ASIC)。当然，报警装置可以具体化为不同形式，例如，扬声器。

图5现在显示了本发明的进一步变化例。激光束机械加工装置1的机械加工头4基本由管10形成，管10下端以压强密封方式由透明盘，在此情况下由玻璃盘11封闭。可移位透镜8位于上面。玻璃盘11因此在辐射方向上布置在透镜8的后面。可移位活塞12布置在透镜8的上面，光纤3的端部固定至该活塞。这最终通过遮盖件13以压强密封方式引导。

因此设置如下内容：

玻璃盘11和透镜8之间的压强密封空间，使得透镜8和/或出光点B可以通过将流体引入此空间或者从中提取的方式移位，

出光点B和透镜8之间的压强密封空间，使得透镜8和/或出光点B可以通过将流体引入此空间或者从中提取的方式移位，以及

辐射方向上在出光点B之前的压强密封空间，使得透镜8和/或出光点B可以通过将流体引入此空间或者从中提取的方式移位。

为了控制透镜8和出光点B的活塞，该布局包括三个可控阀14，15，16，这些阀用压强p加压。这些阀14，15，16通过电子控制系统17控制。为了简单起见，在所示的实例中省略放气阀。

在此实例中，假设处理气体用作用于调节透镜8和出光点B的气体，该处理气体也用于切割或焊接。为此目的，喷气嘴18也供应气体。然而，可以想到地是使用用于可控阀14，15，16和喷气嘴18的两种不同的媒介，或者全部用喷气嘴18分配。

例如，如果阀14现在是打开的，而透镜8和出光点B之间的空间(受到压力降低而)被脱气或被去压强，透镜8和出光点B之间的距离因此会减少。取而代之，如果透镜8和玻璃盘11之间的空间被脱气，那么透镜8和出光点B会因此沿着相同路径被同步移动。类似地，阀15和16还可以用于移位透镜8和/或出光点B。然而，图5应该仅呈现凭借流体调节激光束机械加工装置的可能性。当然，各种流体，意味着气态或者液态流体，可以被用以通过施加正压或负压而调节机械加工装置。在一个有利地实施例中，用于调节机械加工装置的流体也可被用作，例如用于透镜8的，冷却剂。

图5当然仅被提供以在原理上图示出透镜8和出光点B在(可以是液态或者气态的)流体的帮助下可以如何移位。为此目的，在此原理下并且在本领域技术人员常规考虑的范围内，可以想到多种可构建的实施例。如果采用在任何情况下是被加压的并且被用于切割或焊接的处理气体被用作流体并因此执行双重功能是特别有利的。具体地，对于盘11，可以想到的是，它的任何一个都是平面的，以被直接布置在透镜后面并且与透镜8一起可以移位。通过吸纳激光的盘构件的热机械加载因而在实践中保持不变而在任何距离m_a，m_b，l_a，l_b处在高激光功率最小化。

还可以想象的是独立的腔没有填充并且在阀的帮助下脱气，取而代之是以自给自足的方式闭合并因此形成气压弹簧。例如，如果省略阀16，那么透镜8可以因此通过加大透镜8上方的压力而向下压住气压弹簧的阻力。当然，也可以采用其它类型的弹簧，例如盘簧。

图5中所示的实施例的具体特征在于机械加工头4的其中光束路径也延伸到的内部是驱动装置的一部分。因此两倍地，或者更多倍的被用来驱动和用来引导激光束。换言之，激光束经过驱动流体。在此实施例中，流体从两侧直接作用在透镜8上或者透镜支撑体上以及出光点上或保持出光点的活塞12上。因此驱动流体起到多个作用：驱动、清洁和冷却透镜以及其它部件。

代替用压强p加压常规压力线，还可能在各种情况下用可变地可调节压强经过分离的压强线对透明盘11和透镜8之间、透镜8和活塞12之间和活塞12和遮盖件13之间的分离空间或腔加压。因此在移动系统部件，特别是透镜的单独移动、出光点的单独移动、或者透镜和出光点的共同移动时可以实现更大的多样性和更大的精确性。这些独立空间中的移动系统部件的流体之间的压差，可以被精确地设定和调整。如有必要，独立空间还可以通过分离的气体供给而注入不同气体。

与现有技术相比，实质上的简化，特别是空间的节约，通过这种驱动产生更长的使用寿命和简易维护。此外，需要压力补偿的复杂的补偿装置不是必须的，特别是因为根据本发明的空间彼此相对密封并且相对于外部环境密封，并且在任何情况下根据需要通过流体压强(例如气体或液体)被加压或者精确调节。

图6最终显示了用于透镜8、尤其用于由ZnS制造的透镜8的一种示例性气体冷却系统。从图6中可见的是，冷却气体或空气流经多个径向孔道25并且被引至透镜8的底侧。因此，可以提供透镜8的有效冷却。有利地是，在冷却透镜8之后，气体还被用于由激光实施的切割或焊接处理。

最后要注意的是变化例仅示例性地表示根据本发明的激光束机械加工装置1的多种可能性中的一部分，并且不应该被用于限制本发明的应用的领域。在不偏离本发明所请求保护的范围的情况下，本领域技术人员可以基于这里所描述的考虑将本发明使用到他们的需要中。

具体地，所呈现的激光束机械加工装置1不仅适用于激光切割，而且适用于激光焊接。

当然，本发明也不限于如图1中所示的便携式机器人，而且还被应用到基本实现所有六个自由度的移动的工业机器人。因此，在此情况下，安装在机器人上的机械加工头可以“根据设定”从工件7上移开，可以用对机械加工头4中的出光点B和透镜8的共同移动的具体调节进行分配。

而且，要注意的是附图中的图示有时不是按比例绘制的并且也是被相当程度地简化的。因此实际中构建的激光束机械加工装置1可能包含比所示的更多的部件并且因此可以以比图中所示的更加复杂的方式构建。图中所示的布局中的部件也可以形成用于独立发明的基础。具体地，图3和5中所示的本发明的变化例每一个还可以形成独立发明。

下面的参考标号列表和权利要求书中的技术启示，单独地或者结合附图，被考虑用来在本发明公开内容的范围内展示并且向本领域技术人员公开本发明及其实施例中的进一步细节。

参考标号列表

1 激光束机械加工装置

2 二极管激光器

3 光纤

4 机械加工头

5 龙门架滑动装置

6 轨道

7 工件

8 透镜(理想)

8′ 残损透镜

9 传感器

10 管

11 玻璃盘

12 光纤用活塞

13 遮盖件

14，15，16 控制阀

17 控制系统

18 喷气嘴

19 第一线性移动轴/第一线性电机

20 第二线性移动轴/第二线性电机

21 评估单元

22 中央处理器

23 存储器

24 信号灯

25 孔道

A 激光束

B 出光点

C 散射光锥

a 出射角

d_a，d_b 焦点直径

I 发光强度

l_a，l_b 工件/透镜间距

m_a，m_b 透镜/出光点间距

s位移路径

s₁，s₂ 位移位置

x，y，z 坐标轴

Claims

1.一种激光束机械加工装置(1)，包括出光点(B)和沿辐射方向在出光点(B)之后的单透镜(8)，所述出光点被设置用于发射未聚焦激光(A)，而所述单透镜聚焦该激光(A)并且被设计成将被聚焦的激光(A)引导到工件(7)的机械加工点上，并且所述单透镜沿所述辐射方向能够移动，

特征在于，

单透镜(8)与出光点(B)之间的距离(m_a，m_b)和单透镜(8)与工件(7)的机械加工点之间的距离(l_a，l_b)以及出光点(B)与前述机械加工点之间的距离是能够变化的。

2.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)是非球面的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)/出光点(B)的移动范围由激光(A)照明的区域限定，激光(A)照明的区域在所述单透镜区域的25％至100％的范围中。

4.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)/出光点(B)的移动范围的斯特列尔比大于0.9。

5.根据权利要求2所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)的非球面表面具有均匀的非球面性形状。

6.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于出光点(B)以未聚焦激光(A)直接接触单透镜(8)的方式与单透镜(8)相关联。

7.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于被设计以使出光点(B)和单透镜(8)相对于工件(7)的机械加工点同步移位相同距离的驱动系统。

8.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)由ZnS制成。

9.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于所述单透镜(8)和/或其保持器被流体冷却。

10.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于透明盘(11)被布置在单透镜(8)沿辐射方向的后面。

11.根据权利要求10所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于透明盘(11)和单透镜(8)之间的空间是压强密封的并且单透镜(8)和/或出光点(B)通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而能够移位。

12.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于出光点(B)和单透镜(8)之间的空间是压强密封的并且单透镜(8)和/或出光点(B)通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而能够移位。

13.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于沿辐射方向在出光点(B)之前的空间是压强密封的并且单透镜(8)和/或出光点(B)通过将流体引入此空间或者从此空间吸取流体而能够移位。

14.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于光敏传感器(9)布置在单透镜(8)的散射光锥(C)的区域中。

15.根据权利要求14所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于连接至光敏传感器(9)并且被设计以实现以下步骤的评估单元(21)：

在出光点(B)和/或单透镜(8)的移动期间检测通过光敏传感器(9)测量的发光强度(I)的实际曲线，

比较所采用的单透镜的实际曲线与理想透镜的选点曲线并且如果选点曲线和实际曲线之间的偏差超出可预先限定的阈值则触发警报。

16.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于未聚焦激光(A)在出光点(B)处的出射角(a)小于45°。

17.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于光纤(3)的端部或二极管激光器设置作为出光点(B)。

18.根据权利要求1所述的激光束机械加工装置(1)，特征在于机械加工头(4)，出光点(B)和单透镜(8)布置在机械加工头(4)中。

19.一种激光机械加工设备，包括：

出光口，配置成发射未聚焦激光；

透镜，沿由所述出光口发射的激光的辐射方向定位，所述透镜与所述出光口隔开第一可控可变距离；

激光机械加工位置，设置在所述透镜后面，所述激光机械加工位置与所述透镜隔开第二可控可变距离；所述激光机械加工位置与所述出光口隔开第三可控可变距离；

驱动系统，配置成可控地调节所述第一可控可变距离、第二可控可变距离和第三可控可变距离；以及

所述驱动系统可操作地连接至所述透镜以及所述出光口。

20.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：所述透镜是非球面的。

21.根据权利要求20所述的激光机械加工设备，还包括：

所述透镜(8)上的至少一个非球面表面，所述至少一个非球面表面具有均匀的非球面性形状。

22.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

所述透镜由ZnS制成。

23.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

第一、第二和第三可控可变距离的操作范围的斯特列尔比大于0.9。

24.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

所述驱动系统将所述可控可变距离限定至一限定范围之内，所述限定范围产生所述透镜的区域的照明百分比，所述透镜的区域的照明百分比在所述透镜的区域的25％至100％的范围中。

25.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

所述透镜直接接收来自所述出光口的未聚焦激光。

26.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

未聚焦激光(A)在出光口(B)处的出射角(a)小于45°。

27.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，还包括：

提供激光至所述出光口的二极管激光器。

28.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，还包括：

提供激光至所述出光口的光纤的端部。

29.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，其中：

所述驱动系统可操作地连接以同时改变所述第二和第三可控可变距离一个相同的量。

30.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，还包括：

布置成位于所述透镜的散射光锥之内的光传感器。

31.根据权利要求30所述的激光机械加工设备，还包括：

评估单元，配置成检测通过所述光传感器测量的发光强度的实际曲线，以及比较实际曲线与理想透镜的选点曲线，所述评估单元以可操作通信的方式与所述光传感器连接。

32.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，还包括：

位于所述透镜和所述激光机械加工位置之间的光传输盘。

33.根据权利要求32所述的激光机械加工设备，还包括：

所述光传输盘和所述透镜之间的第一流体腔。

34.根据权利要求33所述的激光机械加工设备，还包括：

所述出光口和所述透镜之间的第二流体腔。

35.根据权利要求34所述的激光机械加工设备，还包括：

第三流体腔，所述第三流体腔与所述第二流体腔可操作地堆叠；和

所述第二流体腔与所述第一流体腔可操作地堆叠。

36.根据权利要求19所述的激光机械加工设备，还包括：

机械加工头，所述出光口和所述透镜设置在所述机械加工头中；

光发射盘，位于所述透镜和所述激光机械加工位置之间。

37.一种激光机械加工的方法，包括如下步骤：

从出光口提供未聚焦激光；

通过操作驱动系统以可控地调节出光口和沿由出光口发射的激光束的辐射方向设置的单透镜之间的第一可变距离而聚焦激光束；

操作驱动系统以可控地调节激光机械加工位置和单透镜之间的第二可变距离；

操作驱动系统以可控地调节激光机械加工位置和出光口之间的第三可变距离；

将聚焦后的激光束提供至设置在单透镜后面的激光机械加工位置；和

用聚焦后的激光束影响激光机械加工操作。

38.根据权利要求37所述的激光机械加工的方法，还包括如下步骤：限定第一可变距离的范围，以使得单透镜的区域的照明百分比在区域的25％至100％的范围中。

39.根据权利要求37所述的激光机械加工的方法，还包括如下步骤：在单透镜的散射光锥之内设置光敏传感器；将来自光敏传感器的数据可操作地通信至评估单元；在出光口或单透镜中的任何一个或者出光口和单透镜两者的移动期间检测通过光敏传感器测量的发光强度的实际曲线；

比较发光强度的实际曲线与理想透镜的选点发光强度曲线；并且

如果发光强度的实际曲线与理想透镜的选点发光强度曲线的比较产生超出阈值的偏差，则发送警报信号。