CN103722290A - 聚焦装置以及具有该聚焦装置的激光切割装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光切割装置的聚焦装置，设有透镜及调节透镜位置的调节机构，所述透镜包括中心聚焦片、环状聚焦透镜，所述中心聚焦片设置有中心聚焦透镜及环绕所述中心聚焦透镜并用以固定所述中心聚焦透镜的环状平面镜，所述环状聚焦透镜的外径和环宽与所述环状平面镜的外径和环宽均相同，所述调节机构包括用以调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点位于同一光轴上的调中装置以及调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点之间距离的调距装置。本发明的聚焦装置简化了具有不同曲率半径的聚焦透镜的制备工艺、两个焦点间距离调节方便、切割范围广、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚焦装置，尤其涉及一种具有双焦点、且两个焦点之间距离可调的聚焦装置以及具有该聚焦装置的激光切割装置。
背景技术
激光切割是利用高功率密度的激光束扫描工件表面，在极短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或者气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。由于是用不可见的光束代替了传统的机械刀，激光刀头的机械部分与工件无接触，在工作中不会对工件表面造成划伤。此外，激光切割还具有精度高、切割速度快、切割平滑、节省材料、加工成本低等优点，因此激光切割在各行各业得到了广泛应用。
为了提高激光切割的厚度，业内采用双聚焦法即具有两个焦点的聚焦透镜（如图1所示）将激光束聚焦在工件的上下表面上，使得工件的上下表面上各形成一个焦点，从而将激光切割的厚度提高到一倍以上。然而，生产制造这种具有两个焦点的聚焦镜片具有很大的难度。其次，在使用过程中，需要根据工件的厚度不时地更换焦距不同的镜片，从而加大了设备使用成本，不利于激光切割的推广。
鉴于上述问题，有必要提供一种聚焦装置，以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种聚焦装置以及具有该聚焦装置的激光切割装置，该聚焦装置制备工艺简单、两个焦点之间距离调节方便、切割范围广、成本低。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种聚焦装置，用于激光切割装置，所述聚焦装置设有透镜及调节透镜位置的调节机构，所述透镜包括中心聚焦片、环状聚焦透镜，所述中心聚焦片设置有中心聚焦透镜及环绕所述中心聚焦透镜并用以固定所述中心聚焦透镜的环状平面镜，所述环状聚焦透镜的外径和环宽与所述环状平面镜的外径和环宽均相同，所述调节机构包括用以调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点位于同一光轴上的调中装置以及调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点之间距离的调距装置。
进一步地，所述中心聚焦片、环状聚焦透镜沿激光入射方向依次排列。
进一步地，所述环状聚焦透镜设置有中心平面镜，所述中心平面镜的外径与所述中心聚焦透镜的外径相同且所述中心平面镜位于环状聚焦透镜的环内。
进一步地，所述中心聚焦透镜和所述环状聚焦透镜的曲率半径不同。
进一步地，所述聚焦装置还包括用以收容调节机构的外壳，所述外壳设置有前壁以及与前壁相对设置的后壁，所述调中装置设有偏摆装置及介于偏摆装置与透镜之间起缓冲作用的密封圈，所述偏摆装置包括收容密封圈的固定圈、设置于固定圈上背离密封圈的一侧且靠近后壁的弹簧以及设置于固定圈上背离密封圈的一侧且靠近前壁的两个对中调节螺丝，所述两个对中调节螺丝分设于所述弹簧与所述透镜中心点连线的两侧，所述对中调节螺丝的另一端裸露于所述外壳的外侧以方便调节，在透镜所在平面上所述透镜在对中调节螺丝及弹簧的合力下可移动至所述透镜的焦点与激光的光路位于同一轴线上。
进一步地，所述调距装置设有用于固定调中装置的容纳腔、与设置于所述聚焦装置外壳上的调焦旋钮相连接的拨杆，所述调焦旋钮可以带动所述拨杆运动以控制调距装置沿光轴方向上运动进而调节两个焦点之间的距离。
进一步地，所述拨杆位于所述调中装置的两个对中调节螺丝之间。
进一步地，调节所述中心聚焦片的调中装置固定于所述调距装置内，所述中心聚焦透镜的焦点可在调距装置的调节下沿光轴方向上运动。
进一步地，所述聚焦装置还包括与调中装置相对应的光阑抽屉以辅助调节两个焦点位于同一光轴上，在光阑抽屉所在平面上，所述光阑抽屉设有通过抽屉中心用以遮挡光的若干金属及被所述金属分割而形成的若干通光孔。
进一步地，所述金属呈十字架形状且其中一个通光孔位于所述光阑抽屉的正中心。
为解决上述技术问题，本发明提供另一技术方案：
一种激光切割装置，所述激光切割装置包括激光连接器接口、激光切割喷嘴及介于激光连接器接口与激光切割喷嘴之间的聚焦装置，所述聚焦装置选自权利要求1-10任意一项所述的聚焦装置。
本发明的有益效果是：相较于现有技术，本发明的聚焦装置一方面通过中心聚焦透镜与环状聚焦透镜形成两个焦点，简化了具有不同曲率半径的聚焦透镜的制备工艺；另一方面所述聚焦装置通过设置有调中装置及调距装置，在不需要更换其他规格透镜的情况下即可方便地调节所述两个焦点之间的距离，从而使得切割范围广，同时还降低了成本。
附图说明
图1为现有的双焦点镜片光路示意图。
图2为本发明聚焦装置的双焦点透镜光路示意图。
图3为本发明聚焦装置的主视图。
图4为图3所示聚焦装置在A-A方向上的剖视图。
图5为本发明中心聚焦片固定在调中装置中的立体图。
图6为图5在B-B方向上的剖视图。
图7为本发明环状聚焦透镜固定在调中装置中的立体图。
图8为图7在C-C方向上的剖视图。
图9为本发明光阑抽屉立体图。
图10为图9所示的光阑抽屉在D-D方向上的剖视图。
图11为与图9所示光阑抽屉相对设置的另一光阑抽屉立体图。
图12为图11所示的光阑抽屉在E-E方向上的剖视图。
图13为本发明另一实施例的双焦点透镜光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
请参阅图1，传统的双聚焦法（深焦镜头）是采用一片在同一光轴上具有两种曲率半径的聚焦镜片，使激光束在工件的不同部位形成两次聚焦。图中中心部位透镜的直径为D1，焦距为JF1；环绕中心部位透镜的环状部位透镜的直径为D2，焦距为JF2,；JF1与JF2的差值JSF为两个焦点之间的距离。沿激光入射方向上，所述工件的两个表面分别为上表面和下表面，透镜形成的两个焦点分别为上焦点和下焦点。由于中心部位透镜与环状部位透镜的曲率半径不一样，因此在工件的上下表面各形成一个焦点。在实施切割时，上焦点位于工件的上表面，下焦点位于工件的下表面。从而一方面能在工件的上表面保持高强度的激光光束，满足材料起燃所必需的条件同时在工件下表面也保持高强度的激光光束，以达到在整个材料厚度范围内产生干净平整的切口的目的，另一方面扩大了实施高质量切割的厚度范围。在激光功率相等条件下，采用双焦法可以将工件的加工厚度提高两倍以上。
然而这种方法具有一些不足之处：1、在同一镜片上，磨制出两种曲率半径的透镜，在技术上存在一定的难度，难以实施。2、为了应对不同厚度的材料，须准备一系列焦距的双焦镜头，且在使用时需适时更换，使用不便。
实施例1
请参阅图2至图12，本发明用于激光切割装置的聚焦装置（未标号）设有透镜200、调节透镜200位置的调节机构300以及用以收容调节机构300的外壳100，所述外壳100设置有前壁110以及与前壁110相对设置的后壁120，且所述前壁110上设有可以打开的护盖111，便于调节操作。所述聚焦装置还包括辅助调节两个焦点位于同一光轴上的光阑抽屉400。
所述透镜200包括中心聚焦片210、环状聚焦透镜220。所述中心聚焦片210设置有中心聚焦透镜211及环绕所述中心聚焦透镜211并用以固定所述中心聚焦透镜211的环状平面镜212。所述环状聚焦透镜220的外径D2和环宽H与所述环状平面镜212的外径D2和环宽H均相同。本实施例中，所述环状聚焦透镜220设置有中心平面镜221，所述中心平面镜221的外径D1与所述中心聚焦透镜211的外径D1相同且所述中心平面镜221位于环状聚焦透镜220的环内。
如图1所示，本实施例中，所述中心聚焦透镜211和所述环状聚焦透镜220沿激光入射方向依次排列且两者的曲率半径不同；所述中心聚焦透镜211的焦距为J1，所述环状聚焦透镜220的焦距为J2。
当激光光束经过扩束后垂直入射到聚焦装置的透镜200时，其中心部分的光束经过中心聚焦透镜211聚焦后穿过位于环状聚焦透镜220的环内的中心平面镜221并在工件的上表面形成第一焦点。而扩束后的光束的环状部分的光束经过固定所述中心聚焦透镜211的环状平面镜212后经环状聚焦透镜220聚焦到工件的下表面形成第二焦点。
为了实现两个焦点的距离能够从完全重合（0距离）到要求距离的线性调节，设定所述中心聚焦透镜211和所述环状聚焦透镜220的最小距离为JG，所述中心聚焦透镜211和所述环状聚焦透镜220之间的调节距离为JS，其中中心聚焦透镜211的焦距J1=J2+JG。在这种情况下，设工件的厚度为S，第一焦点距工件上表面的距离为SU，下焦点距工件下表面的距离为SD，则JS=S+SU+SD，式中当第一焦点位于工件上表面的上方且第二焦点位于工件下表面的下方时，SU、SD均为正数；而当第一焦点位于工件上表面的上方且第二焦点位于工件下表面的下方时，SU、SD均为负数。当然区别于本实施例，所述中心聚焦透镜211和所述环状聚焦透镜220在沿激光入射方向也可以呈反向排列且两者的曲率半径也可以相同。
请参阅图3至图8，所述调节机构300包括用以调节所述中心聚焦透镜211和环状聚焦透镜220的焦点位于同一光轴上的调中装置310以及调节所述中心聚焦透镜211和环状聚焦透镜220的焦点之间距离的调距装置320。
所述调中装置310设有偏摆装置311及介于偏摆装置311与透镜200之间起缓冲作用的密封圈312，所述偏摆装置311包括收容密封圈312的固定圈3111、设置于固定圈3111上背离密封圈312的一侧且靠近后壁120的弹簧3112以及设置于固定圈3111上背离密封圈312的一侧且靠近前壁110的两个对中调节螺丝3113，所述两个对中调节螺丝3113分设于所述弹簧3112与所述透镜200中心点连线的两侧，且所述对中调节螺丝3113的另一端穿过设于调中装置上310上的对中调节螺孔（未标号）裸露于所述外壳100的外侧以方便调节。在透镜200所在平面上，所述透镜200在两个对中调节螺丝3113的侧向挤压下朝向前壁110、后壁120及其他两个方向移动，同时置于对立面的弹簧3112因为发生形变而产生弹力，所述透镜200在两个对中调节螺丝3113与弹簧3112产生的力的合力下可移动至所述透镜200的焦点与激光的光路位于同一轴线上。分别用于调节所述中心聚焦透镜211和所述环状聚焦透镜220所采用的调中装置310的调节方法相同。
可沿光轴方向上运动的所述调距装置320设有用于固定调中装置310的容纳腔（未标号）、与设置于所述聚焦装置外壳100上的调焦旋钮112相连接的拨杆321，所述拨杆321位于所述调中装置310的两个对中调节螺丝3113之间。所述调焦旋钮112可以带动所述拨杆321运动以控制调距装置320沿光轴方向上运动进而调节两个焦点之间的距离；从而可以通过在所述聚焦装置外调节调焦旋钮112来实现两个焦点间距离能够从完全重合到要求距离的线性调节，操作简单。区别于本实施例，所述拨杆321也可以位于所述调中装置310的其他位置。
本实施例中，调节所述中心聚焦片210的调中装置310固定于所述调距装置320内，使得所述中心聚焦透镜211的焦点可在调距装置320的调节下沿光轴方向上运动，进而实现改变两个焦点间距离的目的。区别于本实施例，所述聚焦装置也可以通过调距装置320来调节环状聚焦透镜220的焦点沿光轴方向上运动，进而改变两个焦点间距离；也可以同时调节所述中心聚焦透镜211和环状聚焦透镜220的焦点，以改变两个焦点间的距离。
请参阅图9至图12，所述光阑抽屉400与调中装置310相对应，用以辅助调节两个焦点位于同一光轴上。在光阑抽屉400所在平面上，所述光阑抽屉400设有通过抽屉中心用以遮挡光的若干金属410及被所述金属410分割而形成的若干通光孔420。本实施例中，所述金属410呈十字架形状且其中一个通光孔420位于所述光阑抽屉400的正中心。精密加工的光阑抽屉400，可以辅助我们精密的将激光的入射轴精确调节到系统的机械轴心上，为所述中心聚焦透镜211和环状聚焦透镜220的焦点位于同一光轴上的调节创造条件。
本发明的激光切割装置包括激光连接器接口600、激光切割喷嘴500及介于激光连接器接口600与激光切割喷嘴500之间的聚焦装置。在使用时，激光连接器（未图示）通过激光连接器接头（未图示）安装在激光连接器接口600上，且激光连接器可被位于激光连接器接口600上的四个光轴调节螺丝（未图示）进行调节。
在激光切割前需要按照切割要求调节两个焦点之间的距离，步骤如下：第一步，打开护盖111将调节所述中心聚焦片210的调中装置310与调节所述环状聚焦透镜220的调中装置310全部从光路中卸下来，用本装置专门配置的与调中装置310相对应的光阑抽屉400代替。沿激光入射方向上，两个光阑抽屉400的十字架一一对应。第二步：激光器通过激光连接器发出激光指示红光，旋下激光切割喷嘴500，将被光阑抽屉400的十字架遮挡的图形投射到激光切割喷嘴500出口下方的白纸上。反复调节四个光轴调节螺丝，至到白纸上观察到被十字架形的光阑抽屉400分割的红色光斑的遮挡的阴影线条最细、中心的通光圆点最大；此时可以认定，从激光连接器发出的红光光束已经和透镜200的光轴同心。第三步：取下光阑抽屉400，换回调节所述中心聚焦片210的调中装置310装上激光切割喷嘴500，用常规办法检查并调节两个对中调节螺丝3113，直到被聚焦的红光在激光切割喷嘴500射出。第四步：装回与调节所述环状聚焦透镜220的调中装置310，用第三步同样的方法调节两个对中调节螺丝3113，直到在喷嘴的下方得到另一个焦点为止。在进行第三和第四步时，不能再调节位于激光连接器接口600上的四个光轴调节螺丝。第五步：根据工件厚度，调节所述调焦旋钮112并带动所述拨杆321运动以控制调距装置320沿光轴方向上运动进而调节两个焦点之间的距离与切割要求的距离一致。
本发明中，中心聚焦透镜211的直径D1和环状聚焦透镜220的环宽H的相对比例是不变的。鉴于激光强度的高斯分配的特点，中心聚焦透镜211的直径D1和环宽H的比例决定了两个焦点各自在光束中所能分配到的激光功率。为了使得激光功率能根据切割工艺的要求在两个焦点之间进行合理的分配，通过改变入射激光束的大小来对激光功率进行分配。中心聚焦透镜211的焦点的激光强度与入射的激光光束大小成反比，即光束越小，中心聚焦透镜211的焦点的激光强度越大；反之，环状聚焦透镜220的焦点的激光强度越大。因此，合理的设定中心聚焦透镜211的直径D1和环状聚焦透镜220的环宽H将直接影响到后续的激光功率分配。
实施例2
请参阅图13为本发明另一优选的实施例的双焦点透镜光路图，其与实施例1的区别仅在于第一焦点位于工件上表面的上方，第二焦点位于工件下表面的下方。一般情况下，激光切割喷嘴500的直径较小，上述实施例中经过透镜200聚焦后的激光束的直径较大，可能会有部分光线被激光切割喷嘴500所遮挡，或者需要将激光切割喷嘴500得直径设计的大一些。而本实施例中经过透镜200聚焦后的激光束的直径较小，全部光线均可以从激光切割喷嘴500射出。
本发明的有益效果是：相较于现有技术，本发明的聚焦装置一方面通过中心聚焦透镜211与环状聚焦透镜220形成两个焦点，简化了具有不同曲率半径的聚焦透镜的制备工艺；另一方面所述聚焦装置通过设置有调中装置310及调距装置320，在不需要更换其他规格透镜200的情况下即可方便地调节所述两个焦点之间的距离，从而使得切割范围广，同时降低了成本。
特别需要指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下所作的针对本发明的等效变化，仍应包含在本发明申请专利范围所主张的范围中。
Claims (11)
1.一种聚焦装置，用于激光切割装置，其特征在于：所述聚焦装置设有透镜及调节透镜位置的调节机构，所述透镜包括中心聚焦片、环状聚焦透镜，所述中心聚焦片设置有中心聚焦透镜及环绕所述中心聚焦透镜并用以固定所述中心聚焦透镜的环状平面镜，所述环状聚焦透镜的外径和环宽与所述环状平面镜的外径和环宽均相同，所述调节机构包括用以调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点位于同一光轴上的调中装置以及调节所述中心聚焦透镜和环状聚焦透镜的焦点之间距离的调距装置。
2.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述中心聚焦片、环状聚焦透镜沿激光入射方向依次排列。
3.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述环状聚焦透镜设置有中心平面镜，所述中心平面镜的外径与所述中心聚焦透镜的外径相同且所述中心平面镜位于环状聚焦透镜的环内。
4.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述中心聚焦透镜和所述环状聚焦透镜的曲率半径不同。
5.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述聚焦装置还包括用以收容调节机构的外壳，所述外壳设置有前壁以及与前壁相对设置的后壁，所述调中装置设有偏摆装置及介于偏摆装置与透镜之间起缓冲作用的密封圈，所述偏摆装置包括收容密封圈的固定圈、设置于固定圈上背离密封圈的一侧且靠近后壁的弹簧以及设置于固定圈上背离密封圈的一侧且靠近前壁的两个对中调节螺丝，所述两个对中调节螺丝分设于所述弹簧与所述透镜中心点连线的两侧，所述对中调节螺丝的另一端裸露于所述外壳的外侧以方便调节，在透镜所在平面上所述透镜在对中调节螺丝及弹簧的合力下可移动至所述透镜的焦点与激光的光路位于同一轴线上。
6.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述调距装置设有用于固定调中装置的容纳腔、与设置于所述聚焦装置外壳上的调焦旋钮相连接的拨杆，所述调焦旋钮可以带动所述拨杆运动以控制调距装置沿光轴方向上运动进而调节两个焦点之间的距离。
7.如权利要求6所述的聚焦装置，其特征在于：所述拨杆位于所述调中装置的两个对中调节螺丝之间。
8.如权利要求7所述的聚焦装置，其特征在于：调节所述中心聚焦片的调中装置固定于所述调距装置内，所述中心聚焦透镜的焦点可在调距装置的调节下沿光轴方向上运动。
9.如权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于：所述聚焦装置还包括与调中装置相对应的光阑抽屉以辅助调节两个焦点位于同一光轴上，在光阑抽屉所在平面上，所述光阑抽屉设有通过抽屉中心用以遮挡光的若干金属及被所述金属分割而形成的若干通光孔。
10.如权利要求9所述的聚焦装置，其特征在于：所述金属呈十字架形状且其中一个通光孔位于所述光阑抽屉的正中心。
11.一种激光切割装置，所述激光切割装置包括激光连接器接口、激光切割喷嘴及介于激光连接器接口与激光切割喷嘴之间的聚焦装置，其特征在于，所述聚焦装置选自权利要求1-10任意一项所述的聚焦装置。
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