CN105269154A - 一种精密激光切割头随动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种精密激光切割头随动装置及其控制方法。随动装置包括激光切割头及控制所述激光切割头上下移动的Z轴调节机构，设置于激光切割头一侧的发射器，用于发出一探测激光束至待切割零件的表面，设置于激光切割头另一侧的接收器，用于接收探测激光束在待切割零件的表面反射所产生的反射激光束，与发射器、接收器和Z轴调节机构连接的中央控制器，用于根据接收器所接收的反射激光束的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动。本发明通过中央控制器来根据接收器所接收的反射激光束的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动，以进入激光束的理想聚焦平面，该方法适用于任何材料的切割。

Description

一种精密激光切割头随动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种精密激光切割头随动装置及其控制方法。

背景技术

激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，已经广泛应用于科研、国防、工业等国民生产的重要方面。在工业领域，激光加工作为先进制造技术，具有高效、高精度、高质量、范围广、节能环保并能实现柔性加工和超微细加工的优点，在汽车、电子电路、电器、航空航天、钢铁冶金、机械制造等领域得到了广泛的应用，且在某些行业(例如汽车、电子行业等)已经达到较高的水平。对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

激光切割是激光加工中比较常见，应用也比较广泛的一种方式。随着激光切割在各个领域的广泛使用，各种材料的切割使用到了激光切割方式。随着工业的发展，尤其是电子产品的小型化，对于加工材料的精密切割日渐成为激光切割的主要发展方向。激光精密切割属于材料的微细加工范畴，需要达到高精度、准确、迅速、自动化的加工方式，在激光精密切割中，激光切割头的喷嘴与待切割材料表面的距离决定激光精密切割断面质量及切割速度。而在切割过程中，需要维持喷嘴到工件表面的高度一致。对于待切割材料厚薄不均匀、表面起伏不平的材料，普通的激光切割机不能够准确的对焦，也难以维持喷嘴到待切割材料表面的距离，造成切割质量下降。

为了维持在切割过程中，喷嘴与材料表面的高度一致，有人在激光切割头上使用电容调高器进行调节及控制，即在激光切割头上安装电容调高器，电容调高器和待切割的金属材料之间形成电容，且电容的大小与激光切割头和待切割材料表面距离有关，因此使用电容调高器检测形成的电容的大小，来调节Z轴的高低，从而带动激光切割头的高低变化，维持激光切割头上的喷嘴和待切割材料之间的高度差恒定。但是使用电容调高器仅仅能够在切割非金属时起作用，电容调高器在切割非金属时，因为形成的电容非常小，难以检测及控制，所以电容调高器无法用于非金属材料。

现有技术中一般激光切割头原理如图1所示，激光束2首先由激光扩束系统1进行扩束，扩大激光束2的直径，同时压缩激光束2的发散角，已得到近似平行的激光束。然后激光束2经过聚焦镜3进行聚焦，透过保护镜4和电容调高器5的孔，并穿过喷嘴6的孔，聚焦后的激光束2聚焦到待切割材料7上，进行激光切割。为了防止切割过程中产生的灰尘等通过喷嘴6上升到聚焦镜3，污染及损坏聚焦镜，所以采用保护镜4保护聚焦镜。在切割过程中，需要高压辅助气体，将待切割材料7的部分吹除，高压辅助气体通过辅助气体入口9进入激光切割头，然后通过喷嘴6吹出，与激光束同轴。

8为激光束理想聚焦平面，在该平面附近，激光束被聚焦到最小尺寸，因此能量密度最高，切割能力最强，激光切割一般采用激光束聚焦焦点进行切割。在精密激光切割中，为了保证激光切割速度及质量，需要始终维持待切割材料7位于激光束理想聚焦平面8上。但是由于待切割材料厚度不均匀、表面不平整等等，而且待切割材料7在切割过程中保持不动，因此难以保证在所有切割位置，待切割材料都使用位于激光束理想聚焦平面8上。为了保证切割速度及切割质量的均匀，在所有切割路径中获得相同的切割质量，需要采用激光切割头随动装置，以便在切割过程中，实时调节Z轴的高低，带动切割头上下移动，从而维持切割头上激光束理想聚焦平面8始终位于待切割材料7之上。

有人采用在激光切割头喷嘴6之上安装电容调节器5，来实现实时控制Z轴高低，带动切割头上下移动。电容调高器5需要测量激光切割头喷嘴6与待切割材料7之间形成的电容，维持喷嘴6与待切割材料7表面的距离，从而间接控制切割头与待切割材料7的相对位置，从而使得待切割材料7位于激光束焦点。但采用电容调高器的方式仅仅在切割金属材料时可行，因为只有当待切割材料7为金属材料时，待切割材料7与喷嘴之间才会形成电容，才可使用电容调高器测量其电容，当待切割材料为非金属时，其与喷嘴之间可能不存在电容，或者电容非常小，难以检测，所以就无法使用该方法。因此迫切需要一种能够对所有材料的激光切割都有效的装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，提供一种可适用于任何材料的零件切割的精密激光切割头随动装置及其控制方法。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种精密激光切割头随动装置，包括激光切割头及控制所述激光切割头上下移动的Z轴调节机构，还包括设置于激光切割头一侧的发射器，用于发出一探测激光束至待切割零件的表面，设置于激光切割头另一侧的接收器，用于接收探测激光束在待切割零件的表面反射所产生的反射激光束，以及与发射器、接收器和Z轴调节机构连接的中央控制器，用于根据接收器所接收的反射激光束的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动。

根据本发明的一优选实施例：所述发射器包括设置于激光切割头一侧的发射器外壳，安装于发射器外壳内的发射器控制板、发射激光器和探测激光束扩束系统，及设置于发射器外壳上的发射器窗口，所述发射器控制板通过一发射器供电及控制线与发射激光器连接，所述发射激光器、探测激光束扩束系统和发射器窗口依次对应设置，且所述发射器控制板还与中央控制器连接。

根据本发明的一优选实施例：所述接收器包括设置于激光切割头另一侧的接收器外壳，安装于接收器外壳内的接收器控制板、面阵CCD、小孔光阑、接收器滤光片和反射激光束聚焦系统，及设置于接收器外壳上的接收器窗口，所述接收器控制板通过一接收器供电及控制线与面阵CCD连接，所述面阵CCD、小孔光阑、接收器滤光片、反射激光束聚焦系统和接收器窗口依次对应设置，且所述接收器控制板还与中央控制器连接。

根据本发明的一优选实施例：所述激光切割头包括切割头本体，由上之下设置于切割头本体内的激光扩束系统、聚焦镜、保护镜和喷嘴，在所述切割头本体上还设有一用于为喷嘴提供高压气体的辅助气体入口。

根据本发明的一优选实施例：所述喷嘴与切割头本体之间还设有一机械转接板。

根据本发明的一优选实施例：所述发射激光器为半导体激光器，其波长为400nm～1200nm。

本发明还提供一种上述的精密激光切割头随动装置的控制方法，该方法包括以下步骤，

步骤S1.通过中央控制器确定并记录激光切割头的Z轴零点位置；

步骤S2.通过Z轴调节机构控制激光切割头由零点位置向上移动，并且中央控制器实时记录激光切割头的Z轴坐标、反射激光束的能量和焦点位置；

步骤S3.中央控制器将所记录的不同位置的激光切割头的Z轴坐标、反射激光束的能量和焦点位置制成表格，并绘制相关曲线；

步骤S4.在激光切割头切割过程中，中央控制器根据反射激光束的能量和焦点位置通过查找表格或曲线的方式确定激光切割头的Z轴坐标，并控制Z轴调节机构调节激光切割头至该点的Z轴坐标位置。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S1的具体过程为，通过中央控制器控制Z轴调节机构带动激光切割头的喷嘴贴近待切割零件的上表面，并记录此时Z轴的位置S，将该位置S作为Z轴零点位置。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S1中还包括设定一Z轴零点位置修正值T，且所述Z轴零点位置为S-T。

根据本发明的一优选实施例：所述步骤S2的具体过程为，

步骤S21.通过中央控制器设定Z轴调节机构每次向上移动的间距M，设定调节Z轴的范围N，以及设定每次移动后数据采集的时间L，其中N为M的整数倍数；

步骤S22.中央控制器控制Z轴调节机构依次向上移动N/M次，在每次移动间距M后停留时间L，中央控制器记录此位置的反射激光束的能量和焦点位置，并将Z轴位置、反射激光束的能量和焦点位置保存。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过设置控制器和接收器，并且采用中央控制器来根据接收器所接收的反射激光束的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动，以进入激光束的理想聚焦平面，且该方法不仅适用于金属材料，而且还适用于非金属材料的切割。

附图说明

图1为现有技术中的激光切割头的结构图。

图2为本发明的精密激光切割头随动装置的结构图。

图3为本发明的精密激光切割头随动装置的一种自动寻焦示意图。

图4为本发明的精密激光切割头随动装置的另一种自动寻焦示意图。

图5为本发明精密激光切割头随动装置的控制方法流程图。

图6为图5中步骤S2的具体流程图。

附图标记说明：1、激光扩束系统，2、激光束，3、聚焦镜，4、保护镜，5、电容调高器，6、喷嘴，7、待切割零件，8、激光束理想聚焦平面，9、辅助气体入口，10、发射器供电及控制线，11、发射器外壳，12、发射器控制板，13、发射激光器，14、探测激光束扩束系统，15、发射器窗口，16、探测激光束，17、接收器外壳，18、接收器控制板，19、接收器供电及控制线，20、面阵CCD，21、小孔光阑，22、接收器滤光片，23、反射激光束聚焦系统，24、接收器窗口，25、反射激光束，26、机械转接板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图2所示，本发明提供的一种精密激光切割头随动装置，包括激光切割头及控制所述激光切割头上下移动的Z轴调节机构，还包括设置于激光切割头一侧的发射器，用于发出一探测激光束16至待切割零件7的表面，设置于激光切割头另一侧的接收器，用于接收探测激光束在待切割零件7的表面反射所产生的反射激光束25，以及与发射器、接收器和Z轴调节机构连接的中央控制器，用于根据接收器所接收的反射激光束25的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动。

在本发明中，仍然可以采用普通的、常用的激光切割头，也就是：激光切割头包括切割头本体，由上至下设置于切割头本体内的激光扩束系统1、聚焦镜3、保护镜4和喷嘴6，在切割头本体上还设有一用于为喷嘴6提供高压气体的辅助气体入口9；而是将现有技术中的电容调高器5替换为机械转接板26，该机械转接板26为没有任何功能的机械加工零件，仅仅提供安装及转接功能，用于替代现有技术中的电容调高器部分。而本发明的要点在于：精密激光切割头随动装置需要在激光切割头上添加发射器和接收器，这样即可作为任何材料的激光切割的随动装置。

在本发明中，发射器包括设置于激光切割头一侧的发射器外壳11，用于将整个发射器固定，安装于发射器外壳11内的发射器控制板12、发射激光器13和探测激光束扩束系统14，及设置于发射器外壳11上的发射器窗口15(发射器窗口15为光学上的带通滤波片)，发射器控制板12通过一发射器供电及控制线10与发射激光器13连接，该发射器供电及控制线10为发射器提供供电及控制的线路，供电主要是对发射激光器13及发射器控制板12供电，而控制主要是与发射器控制板12、与激光切割设备的中央控制器(PC)连接，以及连接发射器控制板12与发射激光器13；其中的发射激光器13、探测激光束扩束系统14和发射器窗口15依次对应设置，且发射器控制板12还与中央控制器连接。

所述发射器的工作原理为：对发射激光器13的部分控制功能可通过发射器控制板12直接发射指令控制，也可通过中央控制器发射信号，到达发射器控制板12后，再控制发射激光器13，发射激光器13发射探测激光束16，首先经过探测激光束扩束系统14，对探测激光束16进行扩束、整形等，得到近似平行的探测激光束16，然后透过发射器窗口15，发射器窗口15安装在发射器外壳11上，发射器窗口15为光学上的带通滤波片，此带通滤波片(发射器窗口15)的中心波长即为探测激光束16的波长，其透射带宽范围根据发射激光器13进行选择，保证发射激光器13发射的探测激光束16的波长范围在其透射带宽范围内。在发射器窗口15(带通滤波片)靠近探测激光束扩束系统14的一侧，通过沉积的方法镀多层折射率高低不同的介质膜，以实现探测激光束16高透射，在发射器窗口15的远离探测激光束扩束系统14的一侧，沉积多层介质膜，主要是对非探测激光束16波段的反射膜，以实现防止外部激光切割过程中产生的光进入发射器的目的，从而保护发射器内光学元器件避免受到灰尘等的污染。

在本发明中，接收器包括设置于激光切割头另一侧的接收器外壳17，用于将整个接收器固定，安装于接收器外壳17内的接收器控制板18、面阵CCD20、小孔光阑21、接收器滤光片22和反射激光束聚焦系统23，及设置于接收器外壳17上的接收器窗口24，接收器控制板18通过一接收器供电及控制线19与面阵CCD20连接，接收器供电及控制线19的供电主要是对接收器内面阵CCD20及接收器控制板18供电，控制主要是激光切割设备的中央控制器与接收器控制板18相互通信及控制面阵CCD20，接收器控制板18控制面阵CCD20的部分操作；其中的面阵CCD20、小孔光阑21、接收器滤光片22、反射激光束聚焦系统23和接收器窗口24依次对应设置，且接收器控制板18还与中央控制器连接。

所述接收器的工作原理为：探测激光束16在待切割表面7发生反射及漫反射，经过反射及漫反射后的光束统称为反射激光束25，反射激光束25首先到达接收器窗口24，而接收器窗口24为光学上标准的带通滤波片，在接收器窗口24远离反射激光束聚焦系统23的表面，沉积多层折射率高低不同的膜层，以实现接收器窗口24仅允许反射激光束25通过的功能，同时避免其他波长的光束进入接收器，从而避免对接收器造成干扰甚至损坏，另外还可以避免其他光波长的光束进入接收器造成接收器内光学元件的损坏，另外还能够避免灰尘等进入接收器，造成对接收器内元件的污染。

反射激光束25经过反射器激光束聚焦系统23聚焦，并透过接收器滤光片22，穿过小孔光阑21上的小孔，在面阵CCD20上形成焦点；接收器滤光片22放置在小孔光阑21前，再次将非反射激光束波长的光滤掉，以保证面阵CCD20接收到的光波长只有反射激光束25，提高探测精度；在小孔光阑21上有小孔，当待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8位置时，反射激光束25经过反射激光束聚焦系统23后，恰好穿过小孔光阑21的中心，且在小孔光阑21的小孔大小，仅比经过聚焦后反射激光束25在小孔光阑21位置处的光斑直径略微大，聚焦后的反射激光束25在面阵CCD20上形成焦点，通过面阵CCD20，可以探测反射激光束焦点的位置及光束能量强度，并将信号发送至接收器控制板18及激光切割设备的中央控制器内；再通过中央控制器控制Z轴调节机构使激光切割光束在理想聚焦平面内切割。

参阅图3和图4所示，首先Z轴可自动上下调节，带动整个激光切割头上下移动，在Z轴带动激光切割头上下移动的过程中，此时还没有找到焦点，可能会出现图3或图4中的现象，即待切割零件7在激光束理想聚焦平面8的下方(图3)和上方(图4)。

当出现图3中待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8下方的情况时，反射激光束25透过接收器窗口24，经过反射激光束聚焦系统23聚焦，然后透过接收器滤光片22，到达小孔光阑21，此时因为待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8下方，所以，聚焦后的反射激光束25不在小孔光阑21的中心位置，而是位于小孔的下方，部分能量被小孔光阑21所拦截，仅部分能量进入面阵CCD20，而且，当待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8下方越远时，进入面阵CCD20的反射激光束25的能量就越小，而且反射激光束25在面阵CCD20上的焦点也越偏下。

当出现图4中待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8上方的情况时，反射激光束25首先透过接收器窗口24，然后经过反射激光束聚焦系统23，然后透过接收器滤光片22，到达小孔光阑21，此时因为待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8的上方，因此聚焦后的反射激光束25不在小孔光阑21的中心位置，而是在小孔的上方，部分能量被小孔光阑21所拦截，无法进入面阵CCD20，仅部分能量进入面阵CCD20，而且，当待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8上方越远时，被小孔光阑21拦截的反射激光束25的能量越多，进入面阵CCD20的反射激光束25的能量越少，而且反射激光束25在面阵CCD20上的焦点也越偏上。

本发明的精密激光切割头随动装置可以实现自动判断、寻找焦点功能。如图2、3、4所示，当待切割零件7不在激光束理想聚焦平面8位置时，反射激光束25聚焦后，面阵CCD20的能量和反射激光束25在面阵CCD20的焦点位置不同，当待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8之下时，反射激光束25在面阵CCD20上形成的焦点偏下，且此时进入面阵CCD20的反射激光束25能量较小，当待切割零件7位于激光束理想聚焦平面8之上时，原理同上。

这样，本发明可以通过激光切割设备的中央控制器或接收器的控制板来接收面阵CCD20接收到的反射激光束25的能量及焦点位置，然后判断激光切割头与待切割材料的相对位置，然后利用中央控制器或者接收器控制板18控制Z轴的上下移动，带动激光切割头移动，从而实现自动判断、自动寻找焦点的功能。

本发明适用于所有材料(金属或非金属材料)的切割，其中的发射器与接收器动态调整，本发明中采用反射激光器13发射探测激光束16，入射到待切割零件7的表面，在待切割零件7表面发生反射及漫反射，形成反射激光束25，然后通过面阵CCD20来探测反射激光束25。因为对与所有材料，其都能够对光波形成反射及漫反射，仅仅有反射率的大小的区别，当待切割零件7对探测激光束16的反射率比较高时，反射激光束的能量比较强，此时可能超过面阵CCD20能够接受的最大能量，此时，接收器控制面板18接收到面阵CCD超出量程的信号，并将其传送到激光切割设备的中央控制器，中央控制器将发送信号至发射器控制面板12，使其控制发射激光器13，控制发射激光器13，降低发射激光器13的发射功率，即降低探测激光束16的功率，因此，经过反射及漫反射后的反射激光束25也将降低功率。同理，当待切割零件7对探测激光束16的反射率比较低时，即反射激光束25的功率比较低，甚至低于面阵CCD20的最小探测值，导致面阵CCD无法探测时，同样，将会通过接收器控制板18、激光切割设备的中央控制器、反射器控制板12，调节发射激光器13的发射功率，从而增大反射激光束25的功率，这就是说本发明中的激光切割头随动装置可以适用于任何材料。

在本发明中，对于一种待切割零件7，发射激光器13将首先发射中等程度功率的探测激光束16，然后通过面阵CCD20探测反射激光束25的功率，然后不断调节反射激光器13的功率，同步探测接收器面阵CCD20接收到的反射激光束25的功率，此时激光切割设备的中央控制器会得出适合于接收器面阵CCD20的发射激光器13的参数。

本发明的激光切割头随动装置具有随动功能，即在切割过程中，如果待切割零件7表面不平整，出现起伏等现象，反射激光束25镜聚焦后在面阵CCD20上的成像焦点位置及能量都发生改变，此时面阵CCD探测到的能量及位置改变，并将信号发送到接收器控制板18或激光切割设备中央控制器，从而做出判断，进而调节Z轴进行向上或者向下移动，所以本发明能够实时监测到待切割零件7表面的距离情况，并随之调整Z轴的高低，从而保证待切割材料7始终位于激光焦点位置，保证喷嘴6距离待切割材料7的距离恒定；从而保证激光切割的质量。

参阅图5和图6所示，本发明还提供一种上述的精密激光切割头随动装置的控制方法，该方法主要实现自动判断，自动寻找焦点，而且不受材料类型的限制，即适合于所有材料的激光精密切割，具体方法包括以下步骤：

第一步.通过中央控制器确定并记录激光切割头的Z轴零点位置；具体为：无论材料类型及厚度是什么，当一种确定的待切割零件7放置完成之后，通过中央控制器，移动Z轴移动机构，并带动激光切割头的向下移动，缓缓将激光切割头上的喷嘴6向待切割零件7上表面方向移动，在喷嘴6贴近待切割材料7上表面时，中央控制器记录此时Z轴的位置，并将此处定义为针对该种类型、该厚度的待切割零件7的Z轴零点位置S，再将此数据S保存在中央控制器中；这样对于该种类型、厚度的待切割零件，在切割过程中，Z轴零点位置S为Z轴可接受的最低位置，而中央控制器在控制Z轴移动过程中，Z轴位置不得低于Z轴的零点位置S。

另外考虑到待切割零件7表面变形等引起的不平整，需要对Z轴零点位置S进行修正，因此对于Z轴零点位置S给出一个误差范围，用户可以根据材料表面不平整度，设定一个T值，即Z轴零点位置S在±T范围内，所以，综上考虑，中央控制器在调节Z轴上下移动过程中，Z轴位置最低不得低于S-T，因为如果中央控制器将Z轴位置调至S-T之下，那么在切割该种材料的过程中，将会出现喷嘴6与待切割零件7相撞的现象，进而导致喷嘴6或待切割零件7表面损坏的情况。

在使用过程中，中央控制器控制Z轴调节机构缓缓移动，使喷嘴6贴近待切割零件7上表面，从而确定了Z轴的零点位置S及其误差范围T之后，此时，操作员可以对中央控制器下达初始校正采集数据的命令，而中央控制器将会根据操作员所设定的具体参数，执行初始校正采集数据过程。

第二步.通过Z轴调节机构控制激光切割头由零点位置向上移动，并且中央控制器实时记录激光切割头的Z轴坐标、反射激光束25的能量和焦点位置；具体为：请参阅图6所示，首先，操作人员设定一系列参数，包括中央控制器调节Z轴的间距M，即中央控制器每次向上调节Z轴的距离；中央控制器向上调节Z轴的范围N，即中央控制器向上调节Z轴的最大范围，其中，N为M的整数倍数；在每次移动后，采集数据的时间L。

此时，中央控制器将连续向上移动N/M次，且每次移动距离为M，每次移动到位后，将停留时间L，以便面阵CCD20采集数据；在每次移动到位之后，由于面阵CCD20接收到的反射激光束25的能量及焦点位置都会改变，故而停留时间L，使面阵CCD将反射激光束25的能量及焦点位置等数据采集完毕，并输送到中央控制器进行保存；然后中央控制器再次调节Z轴，再次向上移动距离M，如此，反复N/M次，即可完成一次初始校正采集数据的过程。

第三步.中央控制器将所记录的不同位置的激光切割头的Z轴坐标、反射激光束25的能量和焦点位置制成表格，并绘制相关曲线；也就是说：在初始校正采集数据的过程结束之后，中央处理器将所有采集到的数据(Z轴坐标、反射激光束25的能量和焦点位置)进行保存，并将对应的Z轴位置、反射激光束能量及焦点位置等离散的数据存入表格，；然后根据这些采集到的离散的数据，进行数据拟合等处理，得到Z轴位置与反射激光束能量及焦点位置的相关曲线；以便于在后续切割过程中，可以根据反射激光束25的能量和焦点位置再通过相关曲线得到Z轴坐标。

第四步.在激光切割头切割过程中，中央控制器根据反射激光束25的能量和焦点位置通过查找表格或曲线的方式确定激光切割头的Z轴坐标，并控制Z轴调节机构调节激光切割头至该点的Z轴坐标位置，也就是说：根据Z轴位置与反射激光束能量及焦点位置的相关曲线，在切割过程中，中央控制器可以根据面阵CCD20反馈的反射激光束25的能量及焦点位置等，快速判断此时Z轴与待切割材料7的相对位置，因此可以通过中央控制器快速调整、控制Z轴移动，实现自动判断、自动寻找焦点的功能。

通过上面对本发明的结构和控制方法的描述，本发明具有以下几个优点：

1、本发明中激光切割头随动装置能够自动判断，自动寻找焦点位置，即通过面阵CCD接收到的能量强弱及焦点位置，判断激光切割头与待切割材料之间的距离是大于或者小于标准的激光切割头到待切割材料之间的距离，然后通过移动Z轴，带动激光切割头上下移动，逐渐寻找将激光切割头定位在准确的位置，即激光束理想聚焦平面位于待切割零件上。

2、本发明中激光切割头随动装置适用于任何材料的激光切割，采用面阵CCD20作为接收器，探测灵敏度高，对于不同的反射率的材料，可以根据接收器面阵CCD的反馈，调整反射激光器发射激光功率，使得反射和漫反射后的光束能量处于面阵CCD合适的测量范围内，然后通过面阵CCD进行探测，这样即保证了本发明对任何材料的激光切割都适用。

3、本发明中的激光切割头随动装置，采用光学及光电探测的方式，可以针对待切割材料表面不平整、变形等，实时调整切割头的高低，使得激光切割头随待切割材料表面的不平整、变形等调整，实现随动的功能。

实施例二

本实施例的其他方面与实施例一相同，不同之处在于：本实施例中的发射激光器13为半导体激光器，其波长为400nm～1200nm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精密激光切割头随动装置，包括激光切割头及控制所述激光切割头上下移动的Z轴调节机构，其特征在于：还包括设置于激光切割头一侧的发射器，用于发出一探测激光束(16)至待切割零件(7)的表面，设置于激光切割头另一侧的接收器，用于接收探测激光束在待切割零件(7)的表面反射所产生的反射激光束(25)，以及与发射器、接收器和Z轴调节机构连接的中央控制器，用于根据接收器所接收的反射激光束(25)的能量和焦点位置控制Z轴调节机构带动激光切割头上下移动。

2.根据权利要求1所述的精密激光切割头随动装置，其特征在于：所述发射器包括设置于激光切割头一侧的发射器外壳(11)，安装于发射器外壳(11)内的发射器控制板(12)、发射激光器(13)和探测激光束扩束系统(14)，及设置于发射器外壳(11)上的发射器窗口(15)，所述发射器控制板(12)通过一发射器供电及控制线(10)与发射激光器(13)连接，所述发射激光器(13)、探测激光束扩束系统(14)和发射器窗口(15)依次对应设置，且所述发射器控制板(12)还与中央控制器连接。

3.根据权利要求1所述的精密激光切割头随动装置，其特征在于：所述接收器包括设置于激光切割头另一侧的接收器外壳(17)，安装于接收器外壳(17)内的接收器控制板(18)、面阵CCD(20)、小孔光阑(21)、接收器滤光片(22)和反射激光束聚焦系统(23)，及设置于接收器外壳(17)上的接收器窗口(24)，所述接收器控制板(18)通过一接收器供电及控制线(19)与面阵CCD(20)连接，所述面阵CCD(20)、小孔光阑(21)、接收器滤光片(22)、反射激光束聚焦系统(23)和接收器窗口(24)依次对应设置，且所述接收器控制板(18)还与中央控制器连接。

4.根据权利要求1所述的精密激光切割头随动装置，其特征在于：所述激光切割头包括切割头本体，由上至下设置于切割头本体内的激光扩束系统(1)、聚焦镜(3)、保护镜(4)和喷嘴(6)，在所述切割头本体上还设有一用于为喷嘴(6)提供高压气体的辅助气体入口(9)。

5.根据权利要求4所述的精密激光切割头随动装置，其特征在于：所述喷嘴(6)与切割头本体之间还设有一机械转接板(26)。

6.根据权利要求1所述的精密激光切割头随动装置，其特征在于：所述发射激光器(13)为半导体激光器，其波长为400nm～1200nm。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的精密激光切割头随动装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

步骤S1.通过中央控制器确定并记录激光切割头的Z轴零点位置；

步骤S2.通过Z轴调节机构控制激光切割头由零点位置向上移动，并且中央控制器实时记录激光切割头的Z轴坐标、反射激光束(25)的能量和焦点位置；

步骤S3.中央控制器将所记录的不同位置的激光切割头的Z轴坐标、反射激光束(25)的能量和焦点位置制成表格，并绘制相关曲线；

步骤S4.在激光切割头切割过程中，中央控制器根据反射激光束(25)的能量和焦点位置通过查找表格或曲线的方式确定激光切割头的Z轴坐标，并控制Z轴调节机构调节激光切割头至该点的Z轴坐标位置。

8.根据权利要求7所述的精密激光切割头随动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体过程为，通过中央控制器控制Z轴调节机构带动激光切割头的喷嘴(6)贴近待切割零件(7)的上表面，并记录此时Z轴的位置S，将该位置S作为Z轴零点位置。

9.根据权利要求7所述的精密激光切割头随动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括设定一Z轴零点位置修正值T，且所述Z轴零点位置为S-T。

10.根据权利要求7所述的精密激光切割头随动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S2的具体过程为，

步骤S21.通过中央控制器设定Z轴调节机构每次向上移动的间距M，设定调节Z轴的范围N，以及设定每次移动后数据采集的时间L，其中N为M的整数倍数；

步骤S22.中央控制器控制Z轴调节机构依次向上移动N/M次，在每次移动间距M后停留时间L，中央控制器记录此位置的反射激光束(25)的能量和焦点位置，并将Z轴位置、反射激光束(25)的能量和焦点位置保存。