CN105643110A - 一种精密激光切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密激光切割技术领域，公开了一种精密激光切割系统，该切割系统包括激光光源组件、光学组件、三维运动组件和计算机，其中三维运动组件包括xy轴移动平台和z轴移动平台，xy轴移动平台带动待加工材料实现x、y方向移动，z轴移动平台带动光学组件实现z方向移动；所述激光光源组件发射加工激光束，加工激光束经过光学组件作用后，聚焦在待加工材料上对其进行加工，计算机分别与激光光源组件、光学组件、xy轴移动平台和z轴移动平台连接。本发明能够观察、检测待加工材料表面的图像，并能够自动调整加工光束的焦点。

Description

一种精密激光切割系统

技术领域

本发明涉及精密激光切割技术领域，更具体的说，特别涉及一种精密激光切割系统。

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。精密激光切割属于材料的微细加工范畴，需达到高精度、准确、迅速、自动化的加工方式，在精密激光切割中，气嘴与被切割材料表面的相对位置决定了切割断面质量及最佳切割速度。切割时，需要维持气嘴到工件表面的相对高度一致。对于材料厚薄不均匀、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，造成切割质量下降，而且不能获得最佳的切割速度。

为了维持在切割过程中，气嘴与材料表面的相对高度一致，采用在气嘴上使用电容调高器进行调节及控制，即在气嘴上安装电容调高器，电容调高器和待切割的金属材料之间形成电容，通过检测两者形成的电容的大小，来调节Z轴的高度，从而维持气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。

也有采用基本光学方式探测聚焦透镜相对于待切割材料表面的相对高度，但是因为其采用探测激光切割光束作用于材料位置处与聚焦透镜相对高度，而激光切割过程中，激光切割光束作用于材料位置处及其附近很小范围内(一般可以认为约2个激光聚焦光斑直径范围，大约直径为0.2mm的圆范围内)，会发生激烈的激光与材料的相互作用，在激光切割光束作用于材料位置处及其附近的物质，在相互作用过程中将会熔化、软化、形成熔池、变形等等复杂的反应，而此过程中，激光切割光束作用于材料位置处及其附近的很小范围内，材料表面形状及高度非常不稳定，甚至处于紊乱的动态变化过程中，因此为光学探测带来误差，导致测量不稳定、精度不高。尤其对于受到激光作用后，容易产生软化、熔化、热变形的材料，更加需要能够精确测量、调节激光焦点位置的装置。

因此，在精密激光切割中，为了提高切割质量，控制切割过程以及监视切割效果，需要设计一套系统对进行实时监控、观察待切割材料表面的显微图像。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种精密激光切割系统，能够观察、检测待加工材料表面的图像，并能够自动调整加工光束的焦点。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种精密激光切割系统，该切割系统包括激光光源组件、光学组件、三维运动组件和计算机，其中三维运动组件包括xy轴移动平台和z轴移动平台，xy轴移动平台带动待加工材料实现x、y方向移动，z轴移动平台带动光学组件实现z方向移动；

所述激光光源组件发射加工激光束，加工激光束经过光学组件作用后，聚焦在待加工材料上对其进行加工，计算机分别与激光光源组件、光学组件、xy轴移动平台和z轴移动平台连接。

所述切割系统还包括辅助气体组件，其设置在待加工材料和光学组件之间；辅助气体组件采用气嘴，其上部侧壁上加工有辅助气体入口，底部中心的孔与待加工材料位置相对应。

所述激光光源组件包括激光器、滤光片、准直扩束装置和第一反射镜，其中激光器发射加工激光束，经过滤光片滤光后，到达准直扩束装置，准直扩束装置能增大加工激光束的光斑直径并减小其发散角。

所述准直扩束装置包括至少两组平行设置的透镜，透镜采用单片式镜片或组合式透镜组。

所述光学组件包括显微物镜、第二反射镜、第三反射镜和实时监测装置，其中第三反射镜平行设置在第一反射镜下方，第二反射镜沿水平方向并与第三反射镜平行设置；

被第一反射镜反射后的加工激光束，依次经过第三反射镜、第二反射镜作用后，到达实时监测装置，经过实时监测装置作用后，到达显微物镜放大聚焦后，作用在待加工材料上，焦点为第二加工激光束焦点。

所述实时监测装置包括第四反射镜、第五反射镜、成像透镜、小孔光阑、电荷耦合器件、照明光源和第三透镜；

其中照明光源发出照明光束，照明光束到达第三透镜透射后，经过第五反射镜反射至第四反射镜，照明光束透过第四反射镜后到达显微物镜，经过显微物镜放大聚焦后，在待加工材料表面形成光斑，光斑的中心轴与第二加工激光束焦点的中心轴重合；

照明光束在待加工材料表面部分反射形成成像光束，成像光束经过显微物镜被聚焦后，透过第四反射镜和第五反射镜，到达成像透镜透射聚焦，穿过小孔光阑中心的小孔，将待加工材料表面的图像传输给电荷耦合器件，电荷耦合器件将其转化为数字信号并传输给计算机。

所述成像透镜和小孔光阑之间还同轴设置有滤光片。

所述光学组件还包括自动调焦装置，其包括探测光源、衍射光学元件、第四透镜、第六反射镜、第七反射镜、透镜组合和采集光束接收器；

其中探测光源发出探测光束，探测光束经过衍射光学元件分成至少三束出射方向相同的探测光分束，每束探测光分束经过第四透镜透射聚焦后，到达第六反射镜上表面透射后，被第二反射镜上表面反射至第四反射镜，第四反射镜的下表面将探测光分束反射后，经过显微物镜放大聚焦在待切割材料的表面；

探测光束在待切割材料的表面反射形成采集光束，采集光束经过显微物镜的聚焦后，被第四反射镜的下表面反射，到达第二反射镜的上表面并被反射至第六反射镜，第六反射镜下表面将采集光束反射，到达第七反射镜上表面发射，经过透镜组合聚焦后，到达采集光束接收器，即采集到待加工材料表面的光斑信息，并将其传给计算机。

所述透镜组合和采集光束接收器之间还同轴设置有第二滤光片。

所述透镜组合包括柱面透镜和第五透镜，两者由下至上依次同轴设置在第七反射镜和采集光束接收器之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中通过计算机控制，并通过三维移动组件带动光学组件和待加工材料运动，即能够调整光学组件与待加工材料之间的位置，其方便操作；如果待加工材料表面不平整、变形等，计算机将实时探测、采集、计算光学组件与待加工材料的相对位置，并控制三维移动组件进行实时调整，从而始终维持光学组件与待切割材料的相对位置，从而保证激光加工效果，加工质量稳定、均匀，并达到最佳加工效率。另外，普通的激光随动装置仅仅针对金属材料的切割，本发明中，无论任何材料类型，都可以使用其自动调焦功能，因此不受待切割材料种类的限制。

2、本发明中采用照明光源发射照明光束，能够将待切割材料表面进行照明，便于获得待切割材料表面的清晰的图像信息；此外，自动调焦装置能够始终维持待切割材料的表面与光学组件的相对距离，通过实时监测装置的电荷耦合器件能够维持其实时监测，从而保证实时监测待切割材料表面的图像的清晰，并能够自动寻找焦点位置，判断待加工材料是否位于恰当的位置。

3、本发明中，计算机可控制准直扩束装置的第一透镜进行移动，从而实现当整个光学组件与待切割材料表面相对位置不变时，加工激光束焦点位置可以在待切割材料表面、外部、内部实时的任意调整，从而实现特殊要求的加工，例如加工激光逐渐深入的穿孔。

4、本发明将自动调焦装置的探测光束分为多束，能够在加工激光束与待切割材料的作用点附近获得采集光束，而不是直接采集加工激光束焦点处，可以避免因加工激光束焦点处发生的加工激光束与待切割材料的相互作用引起的，如待切割材料表面的熔化、软化、变形等，带来的探测误差，从而提高自动调焦的精度。

附图说明

图1为本发明精密激光切割系统的原理图。

图2为本发明精密激光切割系统的光路示意图。

图3为本发明精密激光切割系统中自动调焦装置光路图。

图4为本发明中自动调焦装置产生的探测光分束焦点示意图。

图5为本发明中自动调焦装置采集光束光路图。

附图标记说明：1-激光光源组件、11-激光器、12-滤光片、13-准直扩束装置、131-第一透镜、132-第二透镜、14-第一反射镜、151-加工激光束、152-第一加工激光束焦点、153-第二加工激光束焦点、2-光学组件、21-显微物镜、22-第二反射镜、23-第三反射镜、3-自动调焦装置、31-探测光源、32-衍射光学元件、33-第四透镜、34-第六反射镜、35-第七反射镜、36-透镜组合、361-柱面透镜、362-第五透镜、37-第二滤光片、38-采集光束接收器、391-探测光束、392-第一探测光分束、393-第二探测光分束、3921-第一探测光分束焦点、3931-第二探测光分束焦点、3941-第三探测光分束焦点、3951-第四探测光分束焦点、396-第一采集光束、398-第三采集光束、4-实时监测装置、41-第四反射镜、42-第五反射镜、43-成像透镜、44-第一滤光片、45-小孔光阑、46-电荷耦合器件、47-照明光源、48-第三透镜、491-成像光束、492-成像光束光轴、493-照明光束、5-辅助气体组件、51-辅助气体入口、52-气嘴、6-待切割材料、7-三维运动组件、72-xy轴移动平台、73-z轴移动平台、8-计算机、301-第一轴线、302-第二轴线

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1所示，本发明提供的一种精密激光切割系统，该切割系统包括激光光源组件1、光学组件2、辅助气体组件5、三维运动组件7和计算机8，其中三维运动组件7包括xy轴移动平台72和z轴移动平台73，待加工材料6设置在xy轴移动平台72上，xy轴移动平台72带动待加工材料6实现x、y方向移动，光学组件2设置在z轴移动平台73上，z轴移动平台73带动光学组件2实现z方向移动。

所述激光光源组件1发射加工激光束151(参阅图2)，加工激光束151经过光学组件2作用后，聚焦在待加工材料6上对其进行加工，辅助气体组件5设置在待加工材料6和光学组件2之间。

计算机8分别与激光光源组件1、光学组件2、辅助气体组件5和三维运动组件7连接，主要控制xy轴移动平台72和z轴移动平台73的运动；控制激光光源组件1发射激光光束的设置、实时调节等；控制光学组件2中自动调焦装置3、实时监测装置4和接收其信号等。

上述中各个组件的功能和原理分别阐述如下：

所述辅助气体组件5用于针对需要使用辅助气体的精密激光切割，其采用气嘴52，气嘴52上部侧壁上加工有辅助气体入口51。针对需要使用辅助气体的精密激光切割应用时，将其设置在密封的光学组件2和待加工材料6之间，辅助气体由辅助气体入口51进入气嘴52内腔，然后由气嘴52底部中心的孔吹出，而加工激光束聚焦后，也从气嘴52底部中心的孔射出，因此辅助气体与加工激光束同轴，从而对待切割材料6进行精密切割。

所述激光光源组件1主要用于发射加工激光束151，用于对待切割材料6的加工，其包括激光器11、滤光片12、准直扩束装置13和第一反射镜14，其中激光器11、滤光片12、准直扩束装置13和第一反射镜14沿水平方向依次设置，且中心位于同一直线上。

激光光源组件1中各部分的功能和原理如下：

激光器11发射加工激光束151，其波长可以为200nm～12000nm，可以为连续运转或者脉冲运转，若为脉冲运转，其频率为1kHz～1000kHz，其脉宽为1ps～10μs，即10^-12s～10^-5s。

加工激光束151首先到达滤光片12，滤光片12能够透过且只能够透过加工激光束151，对其他波长的光束进行吸收，其主要作用是为了防止其他波长的激光束从外部进入激光器11内，对激光器11造成损害，因此起到保护激光器11的作用。

准直扩束装置13包含至少两组透镜即第一透镜131、第二透镜132，两组透镜可以为单片式镜片，也可以为组合式透镜组，两组透镜的两个表面都镀对加工激光束151高透射的膜层，以便加工激光束151更加无损失的透过；准直扩束装置13能够增大沿着其光轴入射的加工激光束151的光斑直径，从而减小其发散角；加工激光束151透过第一透镜131后，会首先聚焦，第一加工激光束焦点152在准直扩束装置13的内部，正常状态时，经过第二透镜132后，加工激光束151可以近似为平行光束。由于第一透镜131可以沿着其光轴方向左右移动，因此第一加工激光束焦点152随之移动，同时透过第二透镜132后的加工激光束151的发散角度将发生变化，所以，经过准直扩束镜13后，加工激光束151可以为平行光束，也可以为发散光束或者会聚光束，第二透镜131的左右移动受到计算机8的控制。

加工激光束151然后到达第一反射镜14，其表面镀对加工激光束151的高反射的膜层，因此将加工激光束151进行45°反射，进入光学组件2。

因此，本发明中的激光光源组件1与光学组件2，两者可以整体相对移动，即，若调节准直扩束装置13的第一透镜131到合适位置，使得透过准直扩束装置13后的加工激光束151成为平行光束，则光学组件2整体可以沿着加工激光束151被第一反射镜14反射后的方向相对移动，而不会改变激光加工效果。

所述光学组件2主要包含显微物镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、自动调焦装置3和实时监测装置4，完成聚焦加工激光束、自动调焦、实时监测等功能。

第三反射镜23平行设置在第一反射镜14下方，第二反射镜22沿水平方向并与第三反射镜23平行设置；被第一反射镜14反射后的加工激光束151，依次经过第三反射镜23、第二反射镜22作用后，到达实时监测装置4，经过实时监测装置4作用后，到达显微物镜21放大聚焦后，穿过辅助气体组件5作用在待加工材料6上。

光学组件2中各部分功能和原理如下：

加工激光束151被第一反射镜14反射后，到达第三反射镜23，第三反射镜23表面镀对加工激光束151高反射的膜层，因此加工激光束151被反射，到达第二反射镜22，第二反射镜22表面镀对加工激光束151高透射的膜层以便其高效透过，然后经过实时监测装置4作用后，竖直向下到达显微物镜21。

显微物镜21表面镀对加工激光束151高透射的膜层，显微物镜21可以使用常用的显微观察镜所用的物镜，放大倍数可以选择1倍～1000倍，显微物镜21可以为单片式的透镜，也可以为透镜组，显微物镜21对加工激光束151聚焦，聚焦后光束穿过辅助气体组件5的气嘴52的中心孔，垂直入射在待切割材料6表面，并在其表面形成第二加工激光束焦点153，对待切割材料6进行加工。

本发明中，在激光光源组件1中，加工激光束151经过准直扩束装置13的第一透镜131后形成的第一加工激光束焦点152与经过显微物镜21后形成的第二加工激光束焦点153呈光学互相共轭状态。此外，准直扩束装置13的第一透镜131可以在计算机8的控制下，沿着其光轴方向左右移动，即可通过计算机8控制移动第一加工激光束焦点152，对应的，第二加工激光束焦点153将沿着竖直方向移动。因此本发明可通过计算机8控制，从而调节第二加工激光束焦点153在竖直方向上的移动，即可实时的调节第二加工激光束焦点153与待切割材料6表面的相对位置，可将第二加工激光束焦点153调节至待切割材料表面6或者外部或者内部的任意位置。

所述实时监测装置4包括第四反射镜41、第五反射镜42、成像透镜43、滤光片44、小孔光阑45、电荷耦合器件46、照明光源47和第三透镜48，其中电荷耦合器件46、小孔光阑45、滤光片44、成像透镜43、第五反射镜42和第四反射镜41由上至下沿成像光束光轴492依次设置在显微物镜21上方，照明光源47和第三透镜48水平设置在第五反射镜42的一侧，且其中心位于同一直线上并与成像光束光轴492垂直。

实时监测装置4中各部分的功能和原理如下：

照明光源47发出照明光束493，照明光源可以为普通的白光光源或者发光二极管光源或者激光二极管光源等，此处以二极管光源为例说明，其波长范围在200nm～980nm，照明光束493首先到达第三透镜48，第三透镜48的两个表面镀对照明光束493的高透射膜层，以便照明光束493高效透过，第三透镜48可以为单片式透镜或者多片式的透镜组合，然后照明光束到达第五反射镜42的下表面，第五反射镜42的下表面镀对照明光束反射的膜层，以便对照明光束493反射；

照明光束493到达第四反射镜41上表面，第四反射镜41上表面镀对照明光束透射的膜层，因此照明光束493透过第四反射镜41，到达显微物镜21，显微物镜21表面镀照明光束493的透射膜层，显微物镜21对照明光束493聚焦，聚焦后的照明光束493穿过气嘴52中心的孔(如果使用了辅助气体系统5)，垂直入射到待切割材料6表面，调节第三透镜48，使得照明光束493在待切割材料6表面形成一定大小的光斑(例如直径约1mm的圆)，光斑的中心轴与第二加工激光束焦点153的中心轴重合。

因此待切割材料6表面即第二加工激光束焦点153附近的一定区域(例如直径约1mm的圆)被照明光束493照亮，待切割材料6表面区域被照明后，部分光被待切割材料6表面反射形成成像光束491，其波长范围可为200nm～980nm，成像光束491穿过气嘴52中心的孔，经过显微物镜21被聚焦后，透过第四反射镜41和第五反射镜42，到达成像透镜43，其两个表面镀对成像光束491高透射的膜层，以便成像光束491高效透过成像透镜43，同时成像透镜43对成像光束491聚焦，成像透镜43可以为单片式透镜或者多片式的透镜组合，成像光束491到达滤光片44，透过滤光片44后到达小孔光阑45，穿过小孔光阑45中心的小孔，到达电荷耦合器件46，将待切割材料表面的像传输到电荷耦合器件46表面，电荷耦合器件46即图像传感器能够将光学影像转化为数字信号，其可以使用电荷耦合元件(CCD)或者互补金属氧化装置(CMOS)，电荷耦合器件46将数字信号传输到计算机8。

由于电荷耦合器件46对入射的光束能量敏感，而且容易损坏，而激光加工中可能会出现激光与材料相互作用从而产生发光现象，而这将有可能对电荷耦合器件46造成损伤，因此本发明采用滤光片44，将成像光束491的非成像部分光波能量滤掉，另外，有可能加工激光束151被待切割材料6表面反射，到达滤光片44，滤光片44同样将加工激光束波段的光束能量滤掉，另外，对成像光束491波段范围内的光束能量，进行一定比例衰减，例如衰减(例如衰减10％～80％)。

另外，小孔光阑45中心小孔的直径可变，如果电荷耦合器件46接收到的成像光束491能量过大或者过小，则可以通过调节小孔光阑45中心的小孔的直径，从而让更少或者更多的成像光束491的能量到达电荷耦合器件46的表面。本发明中，电荷耦合器件46表面与待切割材料表面是光学互相共轭关系。所以本发明可以实现对待切割材料表面上，加工激光束作用于待切割材料区域的照明及其实时监测、观察。

如图3所示，所述自动调焦装置3包括探测光源31、衍射光学元件32、第四透镜33、第六反射镜34、第七反射镜35、透镜组合36、第二滤光片37和采集光束接收器38，其中探测光源31、衍射光学元件32、第四透镜33和第六反射镜34依次由上至下同轴设置在第二反射镜22的上方，第六反射镜34与第二反射镜22平行，其轴线设为第二轴线302；采集光束接收器38、第二滤光片37、透镜组合36和第七反射镜35也依次由上至下同轴设置，其轴线设为第一轴线301，且第七反射镜35与第六反射镜34平行，第一轴线301与第二轴线302平行。

自动调焦装置3中各部分的功能和原理如下：

探测光源31可以采用半导体激光器，其发出探测光束391，波长范围可以为300nm～980nm，到达衍射光学元件32将探测光束391分为多束(至少3束)位置不同且不能位于同一直线上、而出射方向相同的探测光分束。

衍射光学元件32可以有多种方式，例如可以采用蝇眼透镜，可以将探测光束分为多束，本发明中将探测光束391分为4束相同出射方向的第一探测光分束392、第二探测光分束393、第三探测光分束、第四探测光分束，图3中仅给出了平面内2束即第一探测光分束392、第二探测光分束393，另外2束位于与该平面垂直的平面内。

另外，如果不采用衍射光学元件32，而仅采用普通的透镜，则因为没有将光束分束的功能，则探测光源则需要使用多个。即采用多个(最少3个)探测光源31，并采用普通的透镜，则可将多束探测光束聚焦，同样可以实现。

本发明中采用1个探测光源31，并使用蝇眼透镜作为衍射光学元件32，将探测光束391分为4束。以第一探测光分束392为例，第一探测光分束392首先由第四透镜33聚焦，其两个表面镀对第一探测光分束392高透射的膜层，以便第一探测光分束392能够高效透过，第四透镜33可以为单片式透镜或者多片透镜组合。然后到达第六反射镜34上表面，其上表面镀对探测光束高透射的膜层，以便第一探测光分束392高效透射，另外第六反射镜34的下表面镀对探测光束的部分反射膜层。

第一探测光分束392透过第六反射镜34，到达第二反射镜22的上表面，其上表面镀对第一探测光分束392的高反射膜层，将其反射到达第四反射镜41的下表面，第四反射镜41的下表面镀对第一探测光分束392的高反射膜层，将第一探测光分束392反射，到达显微物镜21，显微物镜21表面镀对第一探测光分束392的高透射膜层，以便其高效透过并对其聚焦，第一探测光分束焦点3921位于待切割材料6的表面。

上述中，产生的探测光分束在待切割材料6表面所形成的排列可以如图4所示，以4束探测光分束为例(本发明中最少3束)，其均匀排列在第二加工激光束焦点153的周围圆周上，以竖直方向为Z方向，则第一探测光分束焦点3921、第二探测光分束焦点3931的中心轴位于XZ面上，而第三探测光分束焦点3941、第四探测光分束焦点3951的中心轴位于YZ面上。图4中所示虚线的最大圆形为照明光束493在待切割材料6表面形成的照明区域。由此可见，本发明的探测光分束焦点均匀排列在第二加工激光束焦点153周围，其中心轴与第二加工激光束焦点153的中心轴重合。

请参阅图5所示，探测光分束焦点处的光束被待切割材料6表面所反射，同样将形成4束反射光束，本发明中心轴位于XZ面内的第一探测光分束焦点3921、第二探测光分束焦点3931反射所形成的第一采集光束396及第二采集光束，中心轴位于YZ面内的第三探测光分束焦点3941、第四探测光分束焦点3951反射所形成的第三采集光束398及第四采集光束。

下面分别以中心轴分别位于XZ、YZ面内的第一采集光束396、第三采集光束398为例。

第一采集光束396由待切割材料6表面的第一探测光分束焦点3921，首先经过显微物镜21的聚焦，然后被第四反射镜41的下表面反射，到达第二反射镜22的上表面并被反射，到达第六反射镜34的下表面反射，因第六反射镜34的下表面镀对探测光束(其波长和采集光束相同)的部分反射膜层，因此部分能量将被第六反射镜34的下表面反射到达第七反射镜35的上表面，第七反射镜35的上表面镀对第一采集光束396的高反射膜层，因此将被高反射至透镜组合36，并被透镜组合36聚焦，然后到达第二滤光片37，透过第二滤光片37后，将到达采集光束接收器38。

由于，采集光束接收器38对入射的光束能量敏感，而且容易损坏，而激光加工中可能会出现激光与材料相互作用从而产生发光现象，而这将有可能对采集光束接收器38造成损伤，因此本发明采用第二滤光片37，将非采集光束396的非采集部分光波能量滤掉，另外，有可能加工激光束151被待切割材料6表面反射，到达第二滤光片37，第二滤光片37同样将加工激光束波段的光束能量滤掉，以保护采集光束接收器38不被损伤。

另外，第二滤光片37同样保证进入到采集光束接收器38内的光束的波段仅有采集光束，从而保证其探测准确。例如采集光束接收器38可以为光电二极管，对应4束采集光束，采集光束接收器可以为4个光电二极管，或者其他的类型的面积足够大的单片光电探测器，其将探测进入的4束采集光束在其表面所形成的光斑大小、形状、位置、能量等，并将其信号发送到计算机8。

如图5所示，透镜组合36包括柱面透镜361和第五透镜362，其中柱面透镜361的至少一面为柱面，因此其对通过的光束聚焦具有不同。中心轴在XZ面、XY面内第一采集光束396、第三采集光束398的光路，由于柱面透镜361的柱形表面的中心轴也位于YZ面内，因此中心轴在YZ面上的第三采集光束398、第四采集光束，在经过柱面透镜361时，其发生的聚焦作用较弱，因此其聚焦焦平面位于较远的A面，而在XZ面上，因柱面透镜361对中心轴位于XZ面上的第一采集光束396、第二采集光束聚焦作用较强，因此其焦点位于更近的C面上，因此4束采集光束的焦点位置产生不同，即散焦。

另外，考虑中心轴在YZ面上的第三采集光束398，其在通过第五透镜362聚焦后，在垂直与Z轴的XY面上，采集光束圆形，然后以接近垂直的方向入射到柱面透镜361，因柱面透镜361对X方向的光束的聚焦能力更强，即对X方向的光束压缩更快，因此X方向上将更快实现聚焦，然后发散，而Y方向的光束压缩更慢，因此更长的距离才能时间聚焦，而此时X方向的光束已经发散。

在A、B、C面上接收第一采集光束396或第三采集光束者398的光斑形状，在A面和C面，其光斑都是椭圆形，且椭圆的方向不同(假设以椭圆的长轴方向为其方向)，而在中间位置B处，第一采集光束396、第三采集光束398的X、Y方向基本相等，因此此时的聚焦光斑为圆形，而且，当有B面向上或者下的A面、C面移动时，中心轴位于XZ面的第一采集光束396、第二采集光束和中心轴位于YZ面的第三采集光束398、第四采集光束，其光斑形状都将变为椭圆，但是中心轴分别位于XZ面、YZ面的采集光束，其椭圆光斑的X方向、Y方向的变化规律不同。因此就能够通过4束采集光束的光斑的形状及其变化规律判断移动方向是更高还是更低，即可以区分是由B移向A还是由B移向C。

所以，可以首先将采集光束接收器38的接收面调节至B面位置，然后，通过计算机8接收采集光束接收器38所接收到4束采集光束的光斑大小、形状、位置、能量，从而监测待切割材料6的表面相对光学组件2的自动调焦装置3的相对位置。

本发明调试使用过程如下：

首先调节照明光束493在待加工材料6表面形成的光斑大小，形成一定大小的照明区域，然后调节实时监测装置4，使得电荷耦合器件46获得待切割材料6表面的一定范围的清晰图像；然后，根据需要调节准直扩束装置13的第一透镜131，将第二加工激光束焦点153调节至待切割材料6表面或者外部或者内部等任意需要的位置；

调节自动调焦装置3的采集光束接收器38，使其接收表面调节至图5所示的B面附近，此时计算机8收到的4束采集光束在采集光束接收器38接收表面上形成的光斑均为圆形，其大小相同、能量相同且呈轴对称分布。

此时光学组件2与待切割材料6的相对位置确定，如果更换待加工材料6，光学组件2将自动寻找、调节其与待切割材料6的相对位置，而且在激光加工过程中，如果待加工材料6表面不平整、变形等，光学组件2及计算机8将实时探测、采集、计算光学组件2与待加工材料6的相对位置，并由计算机8控制三维运动组件7进行实时调整，从而始终维持光学组件2与待切割材料6的相对位置，从而保证激光加工效果、质量，并达到最佳加工效率。

由于在加工过程中，光学组件2的自动调焦装置3能够始终维持待切割材料6的表面与光学组件2的相对距离，因此实时监测装置4的电荷耦合器件46能够维持其实时监测，保证实时监测待切割材料6表面的图像的清晰。

而且，在加工过程中，计算机8可控制准直扩束装置13的第一透镜131进行移动，从而实现当整个光学组件2与待切割材料表面6表面相对位置不变时，加工激光束焦点位置可以在待切割材料6表面、外部、内部实时的任意调整，从而实现特殊要求的加工，例如加工激光逐渐深入的穿孔。

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系统，其特征在于：该切割系统包括激光光源组件(1)、光学组件(2)、三维运动组件(7)和计算机(8)，其中三维运动组件(7)包括xy轴移动平台(72)和z轴移动平台(73)，xy轴移动平台(72)带动待加工材料(6)实现x、y方向移动，z轴移动平台(73)带动光学组件(2)实现z方向移动；

所述激光光源组件(1)发射加工激光束(151)，加工激光束(151)经过光学组件(2)作用后，聚焦在待加工材料(6)上对其进行加工，计算机(8)分别与激光光源组件(1)、光学组件(2)、xy轴移动平台(72)和z轴移动平台(73)连接。

2.根据权利要求1所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述切割系统还包括辅助气体组件(5)，其设置在待加工材料(6)和光学组件(2)之间；辅助气体组件(5)采用气嘴(52)，其上部侧壁上加工有辅助气体入口(51)，底部中心的孔与待加工材料(6)位置相对应。

3.根据权利要求1或2所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述激光光源组件(1)包括激光器(11)、滤光片(12)、准直扩束装置(13)和第一反射镜(14)，其中激光器(11)发射加工激光束(151)，经过滤光片(12)滤光后，到达准直扩束装置(13)，准直扩束装置(13)能增大加工激光束(151)的光斑直径并减小其发散角，并经过第一反射镜(14)反射后进入光学组件(2)。

4.根据权利要求3所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述准直扩束装置(13)包括至少两组平行设置的透镜，透镜采用单片式镜片或组合式透镜组。

5.根据权利要求4所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述光学组件(2)包括显微物镜(21)、第二反射镜(22)、第三反射镜(23)和实时监测装置(4)，其中第三反射镜(23)平行设置在第一反射镜(14)下方，第二反射镜(22)沿水平方向并与第三反射镜(23)平行设置；

被第一反射镜(14)反射后的加工激光束(151)，依次经过第三反射镜(23)、第二反射镜(22)作用后，到达实时监测装置(4)，经过实时监测装置(4)作用后，到达显微物镜(21)放大聚焦后，作用在待加工材料(6)上，焦点为第二加工激光束焦点(153)。

6.根据权利要求5所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述实时监测装置(4)包括第四反射镜(41)、第五反射镜(42)、成像透镜(43)、小孔光阑(45)、电荷耦合器件(46)、照明光源(47)和第三透镜(48)；

其中照明光源(47)发出照明光束(493)，照明光束(493)到达第三透镜(48)透射后，经过第五反射镜(42)反射至第四反射镜(41)，照明光束(493)透过第四反射镜(41)后到达显微物镜(21)，经过显微物镜(21)放大聚焦后，在待加工材料(6)表面形成光斑，光斑的中心轴与第二加工激光束焦点(153)的中心轴重合；

照明光束(493)在待加工材料(6)表面部分反射形成成像光束(491)，成像光束(491)经过显微物镜(21)被聚焦后，透过第四反射镜(41)和第五反射镜(42)，到达成像透镜(43)透射聚焦，穿过小孔光阑(45)中心的小孔，将待加工材料(6)表面的图像传输给电荷耦合器件(46)，电荷耦合器件(46)将其转化为数字信号并传输给计算机(8)。

7.根据权利要求6所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述成像透镜(43)和小孔光阑(45)之间还同轴设置有滤光片(44)。

8.根据权利要求5所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述光学组件(2)还包括自动调焦装置(3)，其包括探测光源(31)、衍射光学元件(32)、第四透镜(33)、第六反射镜(34)、第七反射镜(35)、透镜组合(36)和采集光束接收器(38)，

其中探测光源(31)发出探测光束(391)，探测光束(391)经过衍射光学元件(32)分成至少三束出射方向相同的探测光分束，每束探测光分束经过第四透镜(33)透射聚焦后，到达第六反射镜(34)上表面透射后，被第二反射镜(22)上表面反射至第四反射镜(41)，第四反射镜(41)的下表面将探测光分束反射后，经过显微物镜(21)放大聚焦在待切割材料(6)的表面；

探测光束(391)在待切割材料(6)的表面反射形成采集光束，采集光束经过显微物镜(21)的聚焦后，被第四反射镜(41)的下表面反射，到达第二反射镜(22)的上表面并被反射至第六反射镜(34)，第六反射镜(34)下表面将采集光束反射，到达第七反射镜(35)上表面发射，经过透镜组合(36)聚焦后，到达采集光束接收器(38)，即采集到待加工材料(6)表面的光斑信息，并将其传给计算机(8)。

9.根据权利要求8所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述透镜组合(36)和采集光束接收器(38)之间还同轴设置有第二滤光片(37)。

10.根据权利要求9所述的精密激光切割系统，其特征在于：所述透镜组合(36)包括柱面透镜(361)和第五透镜(362)，两者由下至上依次同轴设置在第七反射镜(35)和采集光束接收器(38)之间。