CN106670656A - 一种光纤激光切割机用自动调焦切割头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光切割机用自动调焦切割头及控制方法，包括切割头主体、聚焦镜抽屉、保护镜片抽屉、反射镜片、CNC，所述聚焦镜抽屉位于保护镜片抽屉之上，保护镜片抽屉位于切割头主体上方，还包括：穿孔检测单元，自动调焦镜片系统，所述反射镜片位于自动调焦镜片系统与穿孔检测单元之间，穿孔检测单元位于聚焦镜抽屉之上，所述CNC分别与自动调焦镜片系统、穿孔检测单元电连接。本发明实现从穿孔到切割完成的切割全过程焦点及穿孔时间自动控制，无需手工干预，极大提高切割效率和自动化水品，具有极佳的市场前景。

Description

一种光纤激光切割机用自动调焦切割头及控制方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置，具体涉及一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，本发明还涉及一种光纤激光切割机用自动调焦切割头控制方法。

背景技术

激光切割机在工业中应用越来越广。激光切割过程包含穿孔和切割过程，在进行穿孔时，无论是碳钢或者是不锈钢，当焦点位于材料表面或者材料表面以下时，穿孔的效率较高，但是对于切割来言，碳钢和不锈钢是不一样的。当切割切割不同厚度的材料，焦点距板材表面的深度不同，需根据板材种类和厚度及时调整。

仅就穿孔过程，对厚板而言，最佳穿孔方案为焦点位置从始至终在变化，以实现最高效穿孔。

在厚板的穿孔过程中，最易出现爆孔，即孔未打穿而熔渣四溅，此时必须停止动作，从头开始穿孔。穿孔是否完成需要进行判断，判断为穿孔完成后即刻进入切割过程。

常规切割头，针对不同材质、不同厚度的切割板材，需要人工调整焦点高度，不能实现穿孔过程中的焦点实时变化，人工设定固定的穿孔时间，人工观察是否有爆孔现象，造成整个过程多次人工干预，无法实现智能控制，无法实现高质量和高效率的切割。

发明内容

本发明的目的是提供一种一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，实现从穿孔到切割完成的切割全过程焦点及穿孔时间自动控制，无需手工干预，极大提高切割效率和自动化水品，具有极佳的市场前 景。本发明的目的还提供一种光纤激光切割机用自动调焦切割头控制方法。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，包括切割头主体、聚焦镜抽屉、保护镜片抽屉、反射镜片、CNC，所述聚焦镜抽屉位于保护镜片抽屉之上，保护镜片抽屉位于切割头主体上方，还包括：

穿孔检测单元，实现可控的快速穿孔、穿孔完成后立即开始切割，无等待时间，监控穿孔过程中的爆孔状态并作出穿孔激光功率智能调整。同时具有聚焦镜片温度检测功能，实时监控温度，保证无人的干预的稳定切割；

自动调焦镜片系统，通过CNC参数或数据库控制焦点位置，切割不同板材或切割不同阶段，使穿孔、切割时始终控制最佳焦点位置，过程无需人工干预；

所述反射镜片位于自动调焦镜片系统与穿孔检测单元之间，穿孔检测单元位于聚焦镜抽屉之上，所述所述CNC分别与自动调焦镜片系统、穿孔检测单元电连接。

其中，所述穿孔检测单元包括前置放大器、穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器，所述前置放大器分别与穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器连接，CNC与前置放大器连接，所述穿孔检测传感器在穿孔过程中，光在材料表面形成反射，位于切割头内的光敏传感器检测这个反馈的光的强弱，并产生电信号，根据这个电信号来控制穿孔功率的大小、判断是否即将出现爆孔现象需作出穿孔功率调整，并检测穿孔是否完成；所述爆孔检测传感器感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；所述感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度。

其中，所述自动调焦镜片系统包括变焦镜片、比例阀、全反射镜、 安装座，变焦镜片、比例阀、全反射镜固定在安装座上，变焦镜片位于全反射镜侧面，所述CNC与比例阀连接，比例阀与变焦镜片连接，CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率。

其中，所述变焦镜片为中空结构，反射表面设有专门针对光纤激光器反射光的涂层，变焦镜片能随空腔中气体压力变化实现反射面曲率变化。

本发明的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头控制方法，有以下步骤：

1)激光光路路径设置为至反射镜片至自动调焦镜片系统至穿孔检测单元至聚焦镜抽屉聚焦后至切割用板材；

2)反射镜片为全反射镜，反射表面有专门针对光纤激光反射的涂层，实现全反射；激光光束反射呈水平状态进入自动调焦镜片系统；

3)CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率；

4)CNC按照设定，输出不同的控制信号，比例阀按控制信号输出对应压力气体至变焦镜片，使变焦镜片反射面曲率变化，从而实现反射光发散角调整；

5)穿孔检测单元中的光感应元件，感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；

6)穿孔检测单元中的温度感应元件，感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度；

7)聚焦镜抽屉用于将从自动调焦镜片系统反射的光束聚焦至切 割用板材表面；

8)以上装置，实现从穿孔到切割完成的切割全过程焦点及穿孔时间自动控制，无需手工干预。

由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：

1穿孔过程焦点位置随时可调，同时通过功率调整，可智能实现最佳穿孔方案，保证高质量和高效率穿孔，过程无需人工干预；

2穿孔过程实时监控，杜绝爆孔情况发生，出现任何异常可实现智能报警直至停机；

3穿孔完成后无需等待时间，即刻进入切割过程，过程无需人工干预，杜绝因穿孔时间设定过短无法完成穿孔或时间设定过长效率低下的现象；

4对应不同材质和厚度的板材，直接调用切割数据库，无需手工调整焦点位置。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图1中：

1、自动调焦镜片系统；2、反射镜片；3、穿孔检测单元；4、聚焦镜抽屉；5、保护镜抽屉；

图2：本发明激光光束路径示意图；

图中：2-1、光束；

图3：穿孔检测单元结构放大示意图；

3-1、穿孔检测传感器；3-2、爆孔检测传感器；3-3、温度检测传感器；

图4：本发明聚焦镜抽屉结构放大示意图；

4-1、聚焦镜固定组件；4-2、中心位置调节装置；

图5：本发明自动聚焦镜片系统放大的截面示意图；

5-1、变焦镜片；5-2、全反射镜；5-3、安装座。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见附图1-5，本发明的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，包括切割头主体、聚焦镜抽屉、保护镜片抽屉、反射镜片、CNC，所述聚焦镜抽屉位于保护镜片抽屉之上，保护镜片抽屉位于切割头主体上方，还包括：

穿孔检测单元，实现可控的快速穿孔、穿孔完成后立即开始切割，无等待时间，监控穿孔过程中的爆孔状态并作出穿孔激光功率智能调整。同时具有聚焦镜片温度检测功能，实时监控温度，保证无人的干预的稳定切割；

自动调焦镜片系统，通过CNC参数或数据库控制焦点位置，切割不同板材或切割不同阶段，使穿孔、切割时始终控制最佳焦点位置，过程无需人工干预；

所述反射镜片位于自动调焦镜片系统与穿孔检测单元之间，穿孔检测单元位于聚焦镜抽屉之上，所述所述CNC分别与自动调焦镜片系统、穿孔检测单元电连接。

其中，所述穿孔检测单元包括前置放大器、穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器，所述前置放大器分别与穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器连接，CNC与前置放大器连接，所述穿孔检测传感器在穿孔过程中，光在材料表面形成反射，位于切割头内的光敏传感器检测这个反馈的光的强弱，并产生电信号，根据这个电信号来控制穿孔功率的大小、判断是否即将出现爆孔现象需作出穿孔功率调整，并检测穿孔是否完成；所述爆孔检测传感器感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；所述感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度。

其中，所述自动调焦镜片系统包括变焦镜片、比例阀、全反射镜、安装座，变焦镜片、比例阀、全反射镜固定在安装座上，变焦镜片位于全反射镜侧面，所述CNC与比例阀连接，比例阀与变焦镜片连接，CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率。

其中，所述变焦镜片为中空结构，反射表面设有专门针对光纤激光器反射光的涂层，变焦镜片能随空腔中气体压力变化实现反射面曲率变化。

本发明的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头控制方法，有以下步骤：

1)激光光路路径设置为至反射镜片至自动调焦镜片系统至穿孔检测单元至聚焦镜抽屉聚焦后至切割用板材；

2)反射镜片为全反射镜，反射表面有专门针对光纤激光反射的涂层，实现全反射；激光光束反射呈水平状态进入自动调焦镜片系统；

3)CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率；

4)CNC按照设定，输出不同的控制信号，比例阀按控制信号输出对应压力气体至变焦镜片，使变焦镜片反射面曲率变化，从而实现反射光发散角调整；

5)穿孔检测单元中的光感应元件，感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；

6)穿孔检测单元中的温度感应元件，感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度；

7)聚焦镜抽屉用于将从自动调焦镜片系统反射的光束聚焦至切割用板材表面；

8)以上装置，实现从穿孔到切割完成的切割全过程焦点及穿孔时间自动控制，无需手工干预。

穿孔检测单元用于激光器穿孔过程的监视，这个单元包括分析前置放大器和三个传感器。其基本的工作机理为：在穿孔过程中(没有穿透时)，光在材料表面形成反射，位于切割头内的光敏传感器检测这个反馈的光的强弱，并产生电信号，根据这个电信号来控制穿孔功率的大小、判断是否即将出现爆孔现象需作出穿孔功率调整，并检测穿孔是否完成。

控制穿孔功率：在软件设置中，通过参数来控制穿孔的基准功率，并在穿孔的过程中，实时监测穿孔情况，实时改变穿孔功率的大小。具体来说，在穿孔参数设置时，设定一定的频率和占空比，在穿孔的过程中，改变电流值来改变功率达到既快速又不爆孔的目的。

穿孔完成监测：在穿孔的过程中，如果检测到反馈的电压值低于预先所设置的值，则认为穿孔已经完成，如果这个值设得越低，则穿孔的时间越长，对应的穿孔完成情况越好，反之，穿孔越快，但是如果设得太高，有可能在切割时产生爆孔的现象。

自动调焦镜片系统是利用自动调焦反射镜片改变光斑的发散角来实现对焦点的控制。其中，调焦反射镜片不是一个平面的镜片，而是一个反射表面有曲率的镜片，而曲率是可以通过调焦反射镜片内部空腔气压及时调整的。通过这种可以及时改变曲率的特殊镜片，进而改变激光光束的发散角。CNC在激光加工时，根据需要调整调焦镜片曲率而实现焦点调整。自动调焦镜片系统可以让穿孔和切割在不同的焦点下进行。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，包括切割头主体、聚焦镜抽屉、保护镜片抽屉、反射镜片、CNC，所述聚焦镜抽屉位于保护镜片抽屉之上，保护镜片抽屉位于切割头主体上方，其特征在于：包括：

穿孔检测单元，实现可控的快速穿孔、穿孔完成后立即开始切割，无等待时间，监控穿孔过程中的爆孔状态并作出穿孔激光功率智能调整。同时具有聚焦镜片温度检测功能，实时监控温度，保证无人的干预的稳定切割；

自动调焦镜片系统，通过CNC参数或数据库控制焦点位置，切割不同板材或切割不同阶段，使穿孔、切割时始终控制最佳焦点位置，过程无需人工干预；

所述反射镜片位于自动调焦镜片系统与穿孔检测单元之间，穿孔检测单元位于聚焦镜抽屉之上，所述所述CNC分别与自动调焦镜片系统、穿孔检测单元电连接。

2.按照权利要求1所述的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，其特征在于：所述穿孔检测单元包括前置放大器、穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器，所述前置放大器分别与穿孔检测传感器、爆孔检测传感器、温度检测传感器连接，CNC与前置放大器连接，所述穿孔检测传感器在穿孔过程中，光在材料表面形成反射，位于切割头内的光敏传感器检测这个反馈的光的强弱，并产生电信号，根据这个电信号来控制穿孔功率的大小、判断是否即将出现爆孔现象需作出穿孔功率调整，并检测穿孔是否完成；所述爆孔检测传感器感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；所述感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度。

3.按照权利要求1所述的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，其特征在于：所述自动调焦镜片系统包括变焦镜片、比例阀、全反射镜、安装座，变焦镜片、比例阀、全反射镜固定在安装座上，变焦镜片位于全反射镜侧面，所述CNC与比例阀连接，比例阀与变焦镜片连接，CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率。

4.按照权利要求3所述的一种光纤激光切割机用自动调焦切割头，其特征在于：所述变焦镜片为中空结构，反射表面设有专门针对光纤激光器反射光的涂层，变焦镜片能随空腔中气体压力变化实现反射面曲率变化。

5.一种光纤激光切割机用自动调焦切割头控制方法，其特征在于：有以下步骤：

1)激光光路路径设置为至反射镜片至自动调焦镜片系统至穿孔检测单元至聚焦镜抽屉聚焦后至切割用板材；

2)反射镜片为全反射镜，反射表面有专门针对光纤激光反射的涂层，实现全反射；激光光束反射呈水平状态进入自动调焦镜片系统；

3)CNC用以按照数据库数据输出信号控制比例阀输出气体压力值，比例阀用以将CNC控制信号转变为输出气体相应压力值，其输出气体连接至变焦镜片，变焦镜片依气体压力而改变反射面曲率；

4)CNC按照设定，输出不同的控制信号，比例阀按控制信号输出对应压力气体至变焦镜片，使变焦镜片反射面曲率变化，从而实现反射光发散角调整；

5)穿孔检测单元中的光感应元件，感应穿孔过程中的反射光，输出相应信号至CNC，用以判断穿孔是否完成和监控爆孔状态；

6)穿孔检测单元中的温度感应元件，感应聚焦镜片温度，并输出信号至CNC，用以监控聚焦镜片温度；

7)聚焦镜抽屉用于将从自动调焦镜片系统反射的光束聚焦至切割用板材表面；

8)以上装置，实现从穿孔到切割完成的切割全过程焦点及穿孔时间自动控制，无需手工干预。

CNC(数控机床)是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称。