CN103801826A - 激光加工调焦装置、调焦方法及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备，所述装置包括：Z向升降机构；振镜组件及电动变焦聚焦镜，固定于所述Z向升降机构上；坐标生成器，用于获取工件曲面坐标数据；控制系统，其分别电连接于所述Z向升降机构、电动变焦聚焦镜及坐标生成器；所述控制系统根据所述坐标生成器提供的曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。本发明实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，其精确度高且性能稳定，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

Description

激光加工调焦装置、调焦方法及激光加工设备

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备。

背景技术

在三维激光加工过程中，经常需要在具有不规则的三维曲面的工件上进行激光标刻、切割等的加工，而该工件表面的高度差往往远超过激光光束的焦深范围，这样导致激光光束聚焦点位置偏离工件的表面，造成照射在工件表面的激光光束能量密度大幅下降，且激光光束在工件表面的光斑尺寸增大，从而将严重影响到激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。因此，需要通过激光动态调焦装置对激光加工过程中焦点位置进行调节，以保证激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

现有的激光动态调焦装置通常是电动调焦方式，其通过电机驱动丝杠导轨运动，进而带动振镜系统整体升降，以动态调节激光光束焦点位置。然而，上述调焦装置一般结构复杂，重量大，且运动速度响应频率低，无法实现激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节。

发明内容

本发明的目的是提出一种激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备，能实现激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，其精确度高且性能稳定。

为达到上述目的，本发明提出了一种激光加工调焦装置，包括：

Z向升降机构；

振镜组件及电动变焦聚焦镜，固定于所述Z向升降机构上；

坐标生成器，用于获取工件曲面坐标数据；

控制系统，其分别电连接于所述Z向升降机构、电动变焦聚焦镜及坐标生成器；

所述控制系统根据所述坐标生成器提供的曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述坐标生成器为测高传感器或存储有工件曲面坐标数据的存储介质。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述Z向升降机构具体包括固定立板、Z向溜板及步进电机，所述固定立板朝向Z向溜板的侧面上设有沿工件高度方向延伸的导轨，所述Z向溜板朝向固定立板的侧面上固定有可沿所述导轨滑动的滑块，所述步进电机设于所述固定立板上，且所述滑块固定连接于步进电机的输出轴。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述激光加工调焦装置还包括沿工件高度方向相对设置的定反射镜及动反射镜，所述定反射镜通过连接弯板固定于所述固定立板上，所述动反射镜固定连接于所述电动变焦聚焦镜的入光端面。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述定反射镜与动反射镜之间可拆卸连接有可伸缩的密封套筒。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述振镜组件固定于所述Z向溜板背离固定立板的侧面，所述测高传感器通过连接板也固定于所述Z向溜板背离固定立板的侧面，所述电动变焦聚焦镜固定于所述Z向溜板朝向固定立板的侧面，且所述电动变焦聚焦镜同轴安装于振镜组件的入光口。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述电动变焦聚焦镜包括壳体、设于所述壳体内的固定镜组、与所述固定镜组同轴设置的可调镜组以及连接于所述可调镜组的伺服电机，所述可调镜组可在伺服电机驱动下进行轴向移动。

进一步，在上述激光加工调焦装置中，所述振镜组件包括依次设置于工件上方的振镜及远心物镜，所述远心物镜设于振镜的出光口且与所述振镜同轴设置。

本发明还提供一种激光加工设备，包括激光器、用于放置工件的工作台以及上述的激光加工调焦装置，所述激光器产生激光光束并通过所述激光加工调焦装置聚焦于工件的表面。

本发明还提供一种激光加工调焦方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一Z向升降机构及控制系统，所述Z向升降机构上分别固定有振镜组件及电动变焦聚焦镜，所述控制系统分别电连接于所述Z向升降机构及电动变焦聚焦镜；

步骤S2：获取工件的曲面坐标数据；

步骤S3：所述控制系统根据所述曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。

进一步，在上述激光加工调焦方法中，所述步骤S2具体包括：

通过固定于所述Z向升降机构上的测高传感器实时检测工件的曲面坐标数据，并发送给所述控制系统。

进一步，在上述激光加工调焦方法中，所述步骤S2具体包括：

通过存储介质将所述曲面坐标数据直接导入所述控制系统，所述存储介质存储有工件曲面坐标数据。

进一步，在上述激光加工调焦方法中，所述步骤S3中控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面的步骤具体包括：

通过所述电动变焦聚焦镜内的伺服电机驱动可调镜组相对固定镜组进行轴向移动，以使激光光束聚焦于工件表面。

本发明激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备通过Z向升降机构带动振镜组件及电动变焦聚焦镜在高度方向Z向运动，并通过电动变焦聚焦镜微调节激光光束的焦点位置，实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，其精确度高且性能稳定，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

附图说明

图1为本发明激光加工调焦装置一实施例的结构示意图；

图2为图1中激光加工调焦装置的部分结构示意图； 

图3为本发明激光加工调焦装置的光路原理示意图；

图4为本发明激光加工设备的结构示意图；

图5为本发明激光加工调焦方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1至图3，本发明激光加工调焦装置100包括Z向升降机构1、固定于所述Z向升降机构1上的振镜组件2、电动变焦聚焦镜3及用于获取工件曲面坐标数据的坐标生成器4，所述电动变焦聚焦镜3同轴安装于振镜组件2的入光口，还包括一控制系统5，其分别电连接于所述Z向升降机构1、电动变焦聚焦镜3及坐标生成器4，所述控制系统5根据所述坐标生成器4提供的曲面坐标数据控制所述Z向升降机构1进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜3将激光光束聚焦于工件表面。这样，就通过Z向升降机构1带动振镜组件2及电动变焦聚焦镜3在高度方向Z向运动，且通过电动变焦聚焦镜3微调节激光光束的焦点位置，实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

其中，所述Z向升降机构1的可调行程较大，可在较大范围内满足多种厚度规格材料的加工，本实施例中，所述Z向升降机构1的可调焦行程为20mm，也可以根据需要设计其他所述调焦行程。

所述Z向升降机构1具体包括固定立板11、Z向溜板12及步进电机13，所述固定立板11朝向Z向溜板12的侧面上设有沿工件高度方向（Z向）延伸的导轨14，所述Z向溜板12朝向固定立板11的侧面上固定有可沿所述导轨14滑动的滑块15，所述步进电机13设于所述固定立板1上，且所述滑块15固定连接于步进电机13的输出轴，从而通过所述步进电机13驱动所述滑块15沿所述导轨14进行滑动。

所述振镜组件2固定于所述Z向溜板12背离固定立板11的侧面，所述电动变焦聚焦镜3固定于所述Z向溜板12朝向固定立板11的侧面，且所述电动变焦聚焦镜3同轴安装于振镜组件2的入光口，即加工激光光束经过所述电动变焦聚焦镜3后直接由振镜组件2的入光口进入所述振镜组件2。这样，所述振镜组件2及电动变焦聚焦镜3均可在Z向溜板12带动下同步进行升降运动，从而实现大行程调焦的目的。

为了保证激光光束在升降运动时均能垂直射入电动变焦聚焦镜3，所述激光加工调焦装置100还包括沿工件高度方向相对设置的定反射镜6及动反射镜7，所述定反射镜6通过连接弯板8固定于所述固定立板11上，所述动反射镜7固定连接于所述电动变焦聚焦镜3的入光端面，且所述定反射镜6与动反射镜7之间可拆卸连接有可伸缩的密封套筒9，起到对光路进行密封防尘的作用。

当所述动反射镜7随电动变焦聚焦镜3沿Z向升降运动时，所述密封套筒9可随之进行伸缩，且所述密封套筒9的伸缩量大于所述Z向升降机构的可调焦行程20mm。这样就保证了在Z向升降机构的可调焦行程内，所述密封套筒9可进行自由伸缩。

请参阅图3，所述电动变焦聚焦镜3包括壳体31、设于所述壳体31内的固定镜组32、与所述固定镜组32同轴设置的可调镜组33以及连接于所述可调镜组33的伺服电机34，所述可调镜组33可在伺服电机34驱动下进行轴向移动，从而改变所述可调镜组33与固定镜组32之间的间隔距离。

所述振镜组件2包括依次设置于工件上方的振镜22及远心物镜24，所述远心物镜24设于振镜22的出光口且与所述振镜22同轴设置。

当激光光束进入所述电动变焦聚焦镜3中，经过可调镜组33及固定镜组32进行发散及会聚作用，再经过振镜22并最终由远心物镜24聚焦于工件表面I。当所述工件的加工面高度变化后，激光光束的焦点位置位于工件表面I上方的平面I’，此时，通过伺服电机34驱动可调镜组33进行轴向移动，改变所述可调镜组33与固定镜组32之间的间隔距离，从而改变进入振镜22的激光光束发散角，并最终由远心物镜24聚焦于工件表面I；或者，当所述工件的加工面高度变化后，激光光束的焦点位置位于工件表面I下方的平面I”，此时，通过伺服电机34驱动可调镜组33进行轴向移动，改变所述可调镜组33与固定镜组32之间的间隔距离，从而改变进入振镜22的激光光束发散角，并最终由远心物镜24聚焦于工件表面I。这样，所述电动变焦聚焦镜3通过其内部的伺服电机34驱动可调镜组33进行轴向移动，从而微动调节激光光束的焦点位置，使得激光光束聚焦于工件表面I，本实施例中，所述电动变焦聚焦镜3的调焦行程为±3mm，即激光光束的聚焦光斑可以在理论加工面±3mm范围内动态调节。

所述坐标生成器4获取工件曲面坐标数据的方式可包括：直接由工件的CAD文件导入或实际检测工件表面的曲面坐标。

本实施例中，所述坐标生成器4为测高传感器，其为非接触式激光传感器，其作用是实际测得三维工件的曲面坐标数据，通过软件拟合算法的处理，并将工件的曲面坐标数据发送给控制系统5，所述控制系统5根据所述曲面坐标数据控制所述Z向升降机构1进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜3将激光光束聚焦于工件表面。本实施例中，所述测高传感器4通过连接板42也固定于所述Z向溜板12背离固定立板11的侧面。

具体地，所述控制系统5内设有振镜控制卡（图未示），所述电动变焦聚焦镜3内设有与所述振镜控制卡进行数据通信的驱动卡（图未示），所述振镜控制卡根据所述曲面坐标数据发送控制命令给所述电动变焦聚焦镜3的驱动卡，通过伺服电机34驱动可调镜组33进行轴向移动，从而微动调节激光光束的焦点位置，使得激光光束聚焦于工件表面I，以实时跟随工件坐标的变化而快速调焦，真正实现工件的三维加工。

可以理解，所述坐标生成器4还可为存储有工件曲面坐标数据的存储介质，例如存储有工件CAD文件的硬盘、移动硬盘、U盘或网络硬盘等。通过所述存储介质连接于所述控制系统5，从而将工件曲面坐标数据直接导入控制系统5，并由控制系统5进行图形数据转换，形成控制系统5可执行的数字信号，以对工件进行三维加工。

请参阅图3，本发明还提供一种激光加工设备，其包括激光器10、用于放置工件20的工作台30以及上述的激光加工调焦装置100，所述激光器10产生激光光束并通过所述激光加工调焦装置聚焦于工件20的表面。这样，通过上述的激光加工调焦装置实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

请参阅图4，本发明还提供一种激光加工调焦方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一Z向升降机构及控制系统，所述Z向升降机构上分别固定有振镜组件及电动变焦聚焦镜，所述控制系统分别电连接于所述Z向升降机构及电动变焦聚焦镜；

步骤S2：获取工件的曲面坐标数据；

步骤S3：所述控制系统根据所述曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。

其中，所述步骤S2具体包括：

通过固定于所述Z向升降机构上的测高传感器实时检测工件的曲面坐标数据，并发送给所述控制系统；

或者，

通过存储介质将所述曲面坐标数据直接导入所述控制系统，所述存储介质存储有工件曲面坐标数据。

所述步骤S3中控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面的步骤具体包括：

通过所述电动变焦聚焦镜内的伺服电机驱动可调镜组相对固定镜组进行轴向移动，以使激光光束聚焦于工件表面。

相比于现有技术，本发明激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备通过将大行程的Z向升降机构与小行程高速响应的电动变焦聚焦镜巧妙组合起来，既满足多种尺寸规格的材料加工，又适应在三维复杂曲面加工时焦点实时跟随的特殊要求。三维工件的曲面数据可以直接导入CAD图形文件，也可以利用高精度的测高传感器实际测量得到，通过软件系统的计算处理并传输给控制系统，从而驱动电动变焦聚焦镜内部可调镜组的运动，以微调节激光光束的焦点位置，实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

综上，本发明激光加工调焦装置、调焦方法及加工设备通过Z向升降机构带动振镜组件及电动变焦聚焦镜在高度方向Z向运动，并通过电动变焦聚焦镜微调节激光光束的焦点位置，实现了激光光束焦点位置随工件表面实时动态调节，其精确度高且性能稳定，保证了激光加工工件的质量及尺寸的稳定性及一致性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (13)

1.一种激光加工调焦装置，其特征在于，包括：

Z向升降机构；

振镜组件及电动变焦聚焦镜，固定于所述Z向升降机构上；

坐标生成器，用于获取工件曲面坐标数据；

控制系统，其分别电连接于所述Z向升降机构、电动变焦聚焦镜及坐标生成器；

所述控制系统根据所述坐标生成器提供的曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。

2.根据权利要求1所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述坐标生成器为测高传感器或存储有工件曲面坐标数据的存储介质。

3.根据权利要求2所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述Z向升降机构具体包括固定立板、Z向溜板及步进电机，所述固定立板朝向Z向溜板的侧面上设有沿工件高度方向延伸的导轨，所述Z向溜板朝向固定立板的侧面上固定有可沿所述导轨滑动的滑块，所述步进电机设于所述固定立板上，且所述滑块固定连接于步进电机的输出轴。

4.根据权利要求3所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述激光加工调焦装置还包括沿工件高度方向相对设置的定反射镜及动反射镜，所述定反射镜通过连接弯板固定于所述固定立板上，所述动反射镜固定连接于所述电动变焦聚焦镜的入光端面。

5.根据权利要求4所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述定反射镜与动反射镜之间可拆卸连接有可伸缩的密封套筒。

6.根据权利要求5所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述振镜组件固定于所述Z向溜板背离固定立板的侧面，所述测高传感器通过连接板也固定于所述Z向溜板背离固定立板的侧面，所述电动变焦聚焦镜固定于所述Z向溜板朝向固定立板的侧面，且所述电动变焦聚焦镜同轴安装于振镜组件的入光口。

7.根据权利要求1~5任一项所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述电动变焦聚焦镜包括壳体、设于所述壳体内的固定镜组、与所述固定镜组同轴设置的可调镜组以及连接于所述可调镜组的伺服电机，所述可调镜组可在伺服电机驱动下进行轴向移动。

8.根据权利要求7所述的激光加工调焦装置，其特征在于，所述振镜组件包括依次设置于工件上方的振镜及远心物镜，所述远心物镜设于振镜的出光口且与所述振镜同轴设置。

9.一种激光加工设备，其特征在于，包括激光器、用于放置工件的工作台以及如权利要求1~8任一项所述的激光加工调焦装置，所述激光器产生激光光束并通过所述激光加工调焦装置聚焦于工件的表面。

10.一种激光加工调焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提供一Z向升降机构及控制系统，所述Z向升降机构上分别固定有振镜组件及电动变焦聚焦镜，所述控制系统分别电连接于所述Z向升降机构及电动变焦聚焦镜；

步骤S2：获取工件的曲面坐标数据；

步骤S3：所述控制系统根据所述曲面坐标数据控制所述Z向升降机构进行升降运动，并控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面。

11.根据权利要求10所述的激光加工调焦方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

通过固定于所述Z向升降机构上的测高传感器实时检测工件的曲面坐标数据，并发送给所述控制系统。

12.根据权利要求10所述的激光加工调焦方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

通过存储介质将所述曲面坐标数据直接导入所述控制系统，所述存储介质存储有工件曲面坐标数据。

13.根据权利要求10所述的激光加工调焦方法，其特征在于，所述步骤S3中控制所述电动变焦聚焦镜将激光光束聚焦于工件表面的步骤具体包括：

通过所述电动变焦聚焦镜内的伺服电机驱动可调镜组相对固定镜组进行轴向移动，以使激光光束聚焦于工件表面。

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