CN104852255A - 激光器机械光闸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器机械光闸装置，其脉冲扫描机构包括旋转盘固定支架，旋转盘固定支架上安装有上旋转盘和下旋转盘，其上各加工有数个通孔，上旋转盘和下旋转盘分别通过旋转盘中心孔与伺服电机的传动轴相连接，伺服电机安装在转盘固定支架上；脉冲调节机构包括上旋转盘侧面安装的数个反射镜、下旋转盘侧面安装的数个反射镜、半导体激光器和旋转盘光电检测装置，半导体激光器安装在半导体激光器支架上，半导体激光器支架与支座相连接，支座固定在底座上；旋转盘光电检测装置底部固定在旋转盘固定支架上；出光机构包括反射镜机构和反光镜光电检测装置。有效解决目前光闸存在的难以实现激光单脉冲或低脉冲加工的技术问题，稳定性高，反应快。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器机械光闸装置，属于激光加工装备技术领域。
背景技术
机械光闸是激光加工过程中，对谐振腔出射的激光进行快速控制关闭和出光的一种装置。在激光加工一般情况下，光闸的通断频率要求不是很高，但在某些特殊领域如激光单脉冲加工需降低激光脉冲频率时，现有的机械光闸难以满足该要求。
现有机械光闸工作方式主要有气缸、直线电磁铁、继电器、电磁阀、步进电机等，降低了光闸的反应速度。然而，近年来Q开关的研究和应用可以使其在外光路中作为光闸使用，且其具有较高的响应速度，但Q开关会使激光的模式发生变化，对于大功率的激光可能无法关闭所产生的激光，且Q开关其价格昂贵，尚不能得到较广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种可调节激光脉冲输出频率、可长时间稳定工作、结构简单、安全可靠的激光器机械光闸装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
激光器机械光闸装置，特点是：包括脉冲扫描机构、脉冲调节机构和出光机构，所述脉冲扫描机构包括旋转盘固定支架，旋转盘固定支架上安装有上旋转盘和下旋转盘，其上各加工有数个通孔，上旋转盘和下旋转盘分别通过旋转盘中心孔与伺服电机的传动轴相连接，伺服电机安装在转盘固定支架上；
所述脉冲调节机构包括上旋转盘侧面安装的数个反射镜、下旋转盘侧面安装的数个反射镜、半导体激光器和旋转盘光电检测装置，所述半导体激光器安装在半导体激光器支架上，半导体激光器支架与支座相连接，支座固定在底座上；所述旋转盘光电检测装置底部固定在旋转盘固定支架上；
所述出光机构包括反射镜机构和反光镜光电检测装置，所述反射镜机构包括反射镜，反射镜安装在反射镜支架上，反射镜支架下方连接有反射镜安装座，反射镜支架与气缸杆和滑块相连接，滑块可沿着导轨移动，导轨固定在出光机构后固定板上，出光机构后固定板与出光机构上固定板连接，出光机构上固定板安装在旋转盘固定支架上。
进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，工控机控制伺服电机带动上旋转盘和下旋转盘转动到上通孔和下通孔对准激光束中心，加工激光光束通过上通孔和下通孔的中心到达反射镜，加工激光光束到达光电检测装置，光电检测装置与工控机连接，检测到信号，记录下信号的强度和时间；反射镜安装座上安装有俯仰调节螺钉、高度调节螺钉和偏摆角调节螺钉，通过调节螺钉调整将加工激光光束反射到光电检测装置上的X、Y和Z三个方向上的位置。
更进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，半导体激光器发出的激光入射到上旋转盘和下旋转盘的侧面，上旋转盘和下旋转盘转动，激光经过上旋转盘反射镜和下旋转盘反射镜反射到光电检测装置上，光电检测装置与工控机连接，检测到信号，记录下信号的强度和时间；半导体激光器支架上安装有俯仰角调节螺钉、高度调节螺钉和偏摆角调节螺钉，通过调节螺钉调整半导体激光束在上旋转盘反射镜和为下旋转盘反射镜上的X、Y和Z三个方向上的位置。
更进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，工控机与气缸控制器连接，左侧定位接近开关信号触发时，气缸杆处于伸出状态，反射镜置于加工激光光路中，右侧定位接近开关信号触发时，气缸杆处于回缩状态，反射镜从加工激光光路中移出，通过调节节流阀改变气缸杆伸出和缩回的速度。
更进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，所述光电检测装置检测旋转盘的转速和加工激光的脉冲时序，信号经过处理后通过计算机控制旋转盘伺服电机的转速。
再进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，加工激光最终的输出频率通过上旋转盘和下旋转盘转速控制，出光时间由出光机构控制。
再进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，所述上旋转盘和下旋转盘的圆孔直径与入射激光的光束直径相同，上旋转盘和下旋转盘表面涂覆有激光吸收层。
再进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，所述反射镜的弧面与上旋转盘和下旋转盘圆周同心，半导体激光器、光电检测装置和旋转盘中心轴安装在底座中垂面上。
再进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，所述半导体激光器支架上安装有三个分别调节俯仰角、偏摆角和高度的调节螺钉。
再进一步地，上述的激光器机械光闸装置，其中，所述气缸杆与气缸连接，气缸安装在反光导向机构上固定板上，反光导向机构上固定板与旋转盘固定支架相连接，气缸上安装有定位接近开关。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明脉冲调节机构中，光电检测装置接受到半导体激光器发出的激光经过上旋转盘和下旋转盘反射后的信号，出光机构中，光电检测装置可检测反射镜反射的输出激光的脉冲频率；光电检测装置与工控机连接，工控机将光电检测装置反馈的信息通过自定义的软件编程，可实现上旋转盘和下旋转盘转速的检测和控制；
②气缸安装有定位接近开关，通过两处定位接近开关所采集的光闸反射镜位置状态，用工控机控制电机的转动，带动旋转盘的转动，以及安装在其上的反射镜的转动，当系统断电或气缸卸荷时，气缸可实现自动复位功能，反射镜移动至光路中，切断激光束的输出，因此该运动机构获得很好的动作敏捷性和可靠性，同时利用自重实现的复位可提高系统工作时的安全性；
③有效解决目前光闸存在的难以实现激光单脉冲或低脉冲加工的技术问题，具有稳定性高，反应快等特点；其结构简洁，灵敏度高，响应时间好，开关光迅速，成本低，性价比高。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明整体结构示意图；
图2：本发明中的反光导向机构示意图；
图3：本发明中的红光定位装置结构示意图；
图4：本发明中的反光导向机构中的气缸机构示意图。
具体实施方式
如图1～4所示，激光器机械光闸装置，包括脉冲扫描机构、脉冲调节机构和出光机构，所述脉冲扫描机构包括旋转盘固定支架2，旋转盘固定支架2上安装有可旋转的上旋转盘4和下旋转盘5，其上各加工有数个通孔(上旋转盘4上有N1个通孔42和下旋转盘5上有N2个通孔52)，上旋转盘4和下旋转盘5分别通过旋转盘中心孔与伺服电机3的传动轴相连接，伺服电机3安装在转盘固定支架2上。
脉冲调节机构包括上旋转盘4侧面安装的数个反射镜41、下旋转盘5侧面安装的数个反射镜51、半导体激光器64和旋转盘光电检测装置8，所述半导体激光器64安装在半导体激光器支架6上，半导体激光器支架6与支座7相连接，支座7固定在底座1上；所述旋转盘光电检测装置8底部固定在旋转盘固定支架2上。
出光机构包括反射镜机构和反光镜光电检测装置9，所述反射镜机构包括反射镜18，反射镜18安装在反射镜支架17上，反射镜支架17下方连接有反射镜安装座16，反射镜支架16与气缸杆13和滑块15相连接，滑块15可沿着导轨14移动，导轨14固定在出光机构后固定板11上，出光机构后固定板11与出光机构上固定板12连接，出光机构上固定板12安装在旋转盘固定支架2上。
伺服电机3接通电源后，工控机控制伺服电机3带动上旋转盘4和下旋转盘5转动到上通孔42和下通孔52对准激光束中心，在该位置时加工激光光束可直接通过上通孔42和下通孔52的中心到达反射镜18，加工激光光束到达光电检测装置9，光电检测装置9与工控机连接，检测到信号时，记录下信号的强度和时间；反射镜安装座16上安装有俯仰调节螺钉19、高度调节螺钉20和偏摆角调节螺钉21，通过调节螺钉调整将加工激光光束反射到光电检测装置9上的X、Y和Z三个方向上的位置。
半导体激光器64发出的激光入射到上旋转盘4和下旋转盘5的侧面，当上旋转盘4和下旋转盘5转动时，激光经过上旋转盘反射镜41和下旋转盘反射镜51反射到光电检测装置8上，光电检测装置8与工控机连接，检测到信号时，记录下信号的强度和时间；半导体激光器支架6上安装有俯仰角调节螺钉61、高度调节螺钉62和偏摆角调节螺钉63，通过调节螺钉调整半导体激光束在上旋转盘反射镜41和为下旋转盘反射镜51上的X、Y和Z三个方向上的位置。
工控机与气缸10控制器连接，当左侧定位接近开关23信号触发时，气缸杆13处于伸出状态，反射镜18置于加工激光光路中，当右侧定位接近开关23信号触发时，气缸杆13处于回缩状态，反射镜18从加工激光光路中移出，通过调节节流阀22改变气缸杆13伸出和缩回的速度。
上旋转盘4和下旋转盘5的圆孔直径与入射激光的光束直径相同，上旋转盘4和下旋转盘5表面涂覆有激光吸收层。
反射镜18的弧面与上旋转盘4和下旋转盘5圆周同心，半导体激光器64、光电检测装置8和旋转盘中心轴安装在底座中垂面上。
气缸杆13与气缸10连接，气缸10安装在反光导向机构上固定板上，反光导向机构上固定板与旋转盘固定支架2相连接，气缸10上安装有定位接近开关23。
具体应用时，在调试半导体激光器64时，调节俯仰角调节螺钉61、高度调节螺钉62和偏摆角调节螺钉63时，旋转盘光电检测装置8检测的信号与反射镜光电检测装置9测得的信号应保持一致性，此时，激光通过旋转盘的时间与半导体激光经过上旋转盘反射镜41和下旋转盘反射镜51的中心线的时间一致。
若入射光束的脉冲频率为1KHz，脉宽为10ns，光束直径2mm，经过上述激光器机械光闸后，可获得频率为1Hz的激光束。加工的上通孔42和下通孔52数量各为一个，通孔直径3mm，上旋转盘反射镜41和下旋转盘反射镜51数量各一个，通孔圆心距离旋转盘中心距离为200mm。下旋转盘5在初始位置不动，上旋转盘4旋转，光束经过上旋转盘4截取后，经过下通孔52入射到反射镜18上，经过反射到达光电检测装置9，光电检测装置记录下加工激光的脉冲时序，此时气缸杆13为伸出状态，左定位接近开关23触发。伺服电机3带动上旋转盘4旋转，转速为1n/s，上通孔42经过加工激光束区域时，激光束可全部或部分通过的最大时间约为3.98ms，理论上可由4个脉冲通过，但无法保证光斑的完整性。半导体激光束经过上旋转盘反射镜41与上通孔42经过光束区域的时序一致，光电检测装置8与工控机连接，可记录下半导体激光束的脉冲时序。半导体激光脉冲时序与加工激光脉冲时序经过程序同步处理，工控机控制伺服电机的转速和加工激光的脉冲时序，可使得加工激光一个完整的束经过上通孔42。
工控机控制下旋转盘5转动，转速为4n/s时，半导体激光束经过下旋转盘反射镜51与下通孔52经过光束区域的时序一致，光电检测装置8与工控机连接，可记录下半导体激光束的脉冲时序。半导体激光脉冲时序与加工激光脉冲时序经过程序同步处理，工控机控制伺服电机的转速和加工激光的脉冲时序，可使得加工激光单个光束经过下通孔52，通过同步控制出光机构从而实现低频率的脉冲激光输出。
本发明脉冲调节机构中，光电检测装置接受到半导体激光器发出的激光经过上旋转盘和下旋转盘反射后的信号，出光机构中，光电检测装置可检测反射镜反射的输出激光的脉冲频率；光电检测装置与工控机连接，工控机将光电检测装置反馈的信息通过自定义的软件编程，可实现上旋转盘和下旋转盘转速的检测和控制；
气缸安装有定位接近开关，通过两处定位接近开关所采集的光闸反射镜位置状态，用工控机控制电机的转动，带动旋转盘的转动，以及安装在其上的反射镜的转动，当系统断电或气缸卸荷时，气缸可实现自动复位功能，反射镜移动至光路中，切断激光束的输出，因此该运动机构获得很好的动作敏捷性和可靠性，同时利用自重实现的复位可提高系统工作时的安全性。
有效解决目前光闸存在的难以实现激光单脉冲或低脉冲加工的技术问题，具有稳定性高，反应快等特点。其结构简洁，灵敏度高，响应时间好，开关光迅速，成本低，性价比高。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.激光器机械光闸装置，其特征在于：包括脉冲扫描机构、脉冲调节机构和出光机构，所述脉冲扫描机构包括旋转盘固定支架，旋转盘固定支架上安装有上旋转盘和下旋转盘，其上各加工有数个通孔，上旋转盘和下旋转盘分别通过旋转盘中心孔与伺服电机的传动轴相连接，伺服电机安装在转盘固定支架上；
所述脉冲调节机构包括上旋转盘侧面安装的数个反射镜、下旋转盘侧面安装的数个反射镜、半导体激光器和旋转盘光电检测装置，所述半导体激光器安装在半导体激光器支架上，半导体激光器支架与支座相连接，支座固定在底座上；所述旋转盘光电检测装置底部固定在旋转盘固定支架上；
所述出光机构包括反射镜机构和反光镜光电检测装置，所述反射镜机构包括反射镜，反射镜安装在反射镜支架上，反射镜支架下方连接有反射镜安装座，反射镜支架与气缸杆和滑块相连接，滑块可沿着导轨移动，导轨固定在出光机构后固定板上，出光机构后固定板与出光机构上固定板连接，出光机构上固定板安装在旋转盘固定支架上。
2.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：工控机控制伺服电机带动上旋转盘和下旋转盘转动到上通孔和下通孔对准激光束中心，加工激光光束通过上通孔和下通孔的中心到达反射镜，加工激光光束到达光电检测装置，光电检测装置与工控机连接，检测到信号，记录下信号的强度和时间；反射镜安装座上安装有俯仰调节螺钉、高度调节螺钉和偏摆角调节螺钉，通过调节螺钉调整将加工激光光束反射到光电检测装置上的X、Y和Z三个方向上的位置。
3.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：半导体激光器发出的激光入射到上旋转盘和下旋转盘的侧面，上旋转盘和下旋转盘转动，激光经过上旋转盘反射镜和下旋转盘反射镜反射到光电检测装置上，光电检测装置与工控机连接，检测到信号，记录下信号的强度和时间；半导体激光器支架上安装有俯仰角调节螺钉、高度调节螺钉和偏摆角调节螺钉，通过调节螺钉调整半导体激光束在上旋转盘反射镜和为下旋转盘反射镜上的X、Y和Z三个方向上的位置。
4.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：工控机与气缸控制器连接，左侧定位接近开关信号触发时，气缸杆处于伸出状态，反射镜置于加工激光光路中，右侧定位接近开关信号触发时，气缸杆处于回缩状态，反射镜从加工激光光路中移出，通过调节节流阀改变气缸杆伸出和缩回的速度。
5.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：所述光电检测装置检测旋转盘的转速和加工激光的脉冲时序，信号经过处理后通过计算机控制旋转盘伺服电机的转速。
6.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：加工激光最终的输出频率通过上旋转盘和下旋转盘转速控制，出光时间由出光机构控制。
7.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：所述上旋转盘和下旋转盘的圆孔直径与入射激光的光束直径相同，上旋转盘和下旋转盘表面涂覆有激光吸收层。
8.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：所述反射镜的弧面与上旋转盘和下旋转盘圆周同心，半导体激光器、光电检测装置和旋转盘中心轴安装在底座中垂面上。
9.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：所述半导体激光器支架上安装有三个分别调节俯仰角、偏摆角和高度的调节螺钉。
10.根据权利要求1所述的激光器机械光闸装置，其特征在于：所述气缸杆与气缸连接，气缸安装在反光导向机构上固定板上，反光导向机构上固定板与旋转盘固定支架相连接，气缸上安装有定位接近开关。
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Address after: 325000 Zhejiang Economic Development Zone, Ouhai, South East Road, No. 38, Wenzhou National University Science Park Incubator Applicant after: Wenzhou University Address before: Dasan Ouhai District 325035 Zhejiang province Wenzhou Higher Education Park Applicant before: Wenzhou University |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20200708 Address after: Room 127, block B, 1 / F, building 1, Jianxin 221, shenzhuan Road, Qingpu District, Shanghai, 201714 Patentee after: SHANGHAI SUNPUMP PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 325000 Zhejiang Economic Development Zone, Ouhai, South East Road, No. 38, Wenzhou National University Science Park Incubator Patentee before: Wenzhou University |