CN107350619A - 一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法 - Google Patents

一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，具体的说是一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法。包括外壳，其特征在于：所述外壳内从上至下依次嵌设有激光发射装置、第一光学元器件、第二光学元器件、第三光学元器件、第四光学元器件、第五光学元器件和保护镜片，所述激光发射装置竖直嵌设在外壳的顶部，所述第二光学元器件的一侧通过连接装置连接第一电机，第三光学元器件的一侧通过另一连接装置连接第二电机，所述第一电机和第二电机连接电机控制系统并由电机控制系统统一控制第一电机和第二电机。本发明同现有技术相比，结构简单，使用方便；通过电机同时调节第二光学元器件和第三光学元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。

Description

一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体的说是一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法。
背景技术
在激光切割加工应用过程中，切割头的主要作用是将高能激光聚焦形成一个特定的光斑，并将该光斑移动到工件上一个特定的位置， 以实现对工件材料的切割加工。为实行对工件高效、高质量的加工，必须精准的控制最终聚焦光斑的大小和相对应的焦点位置。为此，在激光在切割板材过程中，切割相对比较厚的工件，高质量的切割就需要使聚焦到板材上的聚焦光斑有一个较大的直径，并将焦点位置调控到特定的位置。但是，在加工薄板工件时，就需要对聚焦到工件上的参数进行从新设定，也以完成对薄板的高质量加工。
专利US4705367，DE112007001994B4、US20130044371A1和DE102008048502A1已公开用于调节激光光束的方法来实现对不同工件高效的加工。
从US4705367已知—种用于光束调节的方案，该方案具有三个光学元件，其中一个光学元件由电机进行驱动，由电机驱动调节聚焦光斑的焦点位置，调节焦点位置时聚焦光斑大小不变，但该方案无法调节聚焦光斑的大小。
专利DE102008048502A1公开另一种方案，该方案中有两个电机驱动两个光学元件，两个镜片作特定的曲线运动实现对聚焦焦点位置的调控。电机运动控制运动过程较为复杂，并且方案中也没有调节光斑大小的方法。
专利文献DE112007001994B4也公开一种方案，该方案中有一个电机驱动单个光学元件，并由此调节聚焦光斑的焦点位置，调节焦点位置时聚焦光斑大小不变，但该方案也无法调节聚焦光斑的大小。
专利US20130044371A1公开一种简单的方案，该方案中只有三个光学元器件，但是在这个方案中，调节聚焦光斑焦点位置同时会改变光斑直径的大小， 另外该方案中内部有一个光学实焦点，在高功率激光情况下，该点能量易于能量聚集，进而影响设备的工作。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，设计一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，通过两个电机调节光学元器件位置方案以实现对聚焦光斑直径大小和焦点位置的调控。
为实现上述目的，设计一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，包括外壳，其特征在于：所述外壳内从上至下依次嵌设有激光发射装置、第一光学元器件、第二光学元器件、第三光学元器件、第四光学元器件、第五光学元器件和保护镜片，所述激光发射装置竖直嵌设在外壳的顶部，第一光学元器件、第四光学元器件、第五光学元器件和保护镜片分别通过左右两侧连接杆固定外壳的内侧壁上，所述第二光学元器件的一侧通过连接装置连接第一电机，第三光学元器件的一侧通过另一连接装置连接第二电机，所述第一电机和第二电机连接电机控制系统并由电机控制系统统一控制第一电机和第二电机；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置出射第一光束，第一光束经过第一光学元器件后汇聚成为相同直径的平行的第二光束；2）S2，第二光束依次通过第二光学元器件和第三光学元器件后形成不同角度的聚焦的第四光束；3）S3，不同角度的聚焦的第四光束依次经过第四光学元器件和第五光学元器件汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑；4）S4，通过不同光斑直径的光斑，并且由第二光学元器件和第三光学元器件来调控焦点的位置和光斑直径，用以加工不同类型的工件。
所述第一光学元器件为正透镜。
所述第二光学元器件为负透镜。
所述第三光学元器件为正透镜。
所述第四光学元器件为正透镜。
所述第五光学元器件为负透镜。
所述步骤2中包括如下步骤：1第二光束经过第二光学元器件后形成发散的第三光束；2第三光束经过第三光学元器件后形成汇聚的第四光束。
所述步骤3中第四光束依次经过第四光学元器件、第五光学元器件和保护镜片后形成汇聚的第五光束，第五光束汇聚形成光斑。
所述步骤4中调控焦点的位置包括如下步骤：1）第一电机驱动第二光学元器件沿光轴竖直方向运动一定距离后；2）第二电机将驱动第三光学元器件运动特定距离，使第四光束经过第三光学元器件后汇聚形成一个特定角度的汇聚光。
所述第二电机驱动第三光学元器件运动的距离由第一电机驱动第二光学元器件运动的距离决定。
本发明同现有技术相比，结构简单，使用方便；通过电机同时调节第二光学元器件和第三光学元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。
附图说明
图1为本发明中调控装置在壳体内集成的结构示意图。
图2为本发明在调节光斑大小的实施例中元器件在不同位置时的结构示意图。
图3为本发明在调节焦点位置的实施例中元器件在不同位置时的结构示意图。
参见图1～图3，其中，1是激光发射装置，2是第一光学元器件，3是第二光学元器件，4是第三光学元器件，5是第四光学元器件，6是第五光学元器件，7是保护镜片，8是工件，9是第一光束，10是第二光束，11是第三光束，12是第四光束，13是第五光束，14是光斑，15是第一电机，16是第二电机，17是电机控制系统，18是外壳。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，所述外壳18内从上至下依次嵌设有激光发射装置1、第一光学元器件2、第二光学元器件3、第三光学元器件4、第四光学元器件5、第五光学元器件6和保护镜片7，所述激光发射装置1竖直嵌设在外壳18的顶部，第一光学元器件2、第四光学元器件5、第五光学元器件6和保护镜片7分别通过左右两侧连接杆固定外壳18的内侧壁上，所述第二光学元器件3的一侧通过连接装置连接第一电机15，第三光学元器件4的一侧通过另一连接装置连接第二电机16，所述第一电机15和第二电机16连接电机控制系统17并由电机控制系统17统一控制第一电机15和第二电机16；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置1出射第一光束9，第一光束9经过第一光学元器件2后汇聚成为相同直径的平行的第二光束10；2）S2，第二光束10依次通过第二光学元器件3和第三光学元器件4后形成不同角度的聚焦的第四光束12；3）S3，不同角度的聚焦的第四光束12依次经过第四光学元器件5和第五光学元器件6汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑14；4）S4，通过不同光斑直径的光斑14，并且由第二光学元器件3和第三光学元器件4来调控焦点的位置和光斑直径，用以加工不同类型的工件8。
所述第一光学元器件2为正透镜。
所述第二光学元器件3为负透镜。
所述第三光学元器件4为正透镜。
所述第四光学元器件5为正透镜。
所述第五光学元器件6为负透镜。
所述步骤2中包括如下步骤：1）第二光束10经过第二光学元器件3后形成发散的第三光束11；2）第三光束11经过第三光学元器件4后形成汇聚的第四光束12。
所述步骤3中第四光束12依次经过第四光学元器件5、第五光学元器件6和保护镜片7后形成汇聚的第五光束13，第五光束13汇聚形成光斑14。
所述步骤4中调控焦点的位置包括如下步骤：1第一电机15驱动第二光学元器件3沿光轴竖直方向运动一定距离后；2第二电机16将驱动第三光学元器件4运动特定距离，使第四光束12经过第三光学元器件后汇聚形成一个特定角度的汇聚光。
所述第二电机16驱动第三光学元器件4运动的距离由第一电机15驱动第二光学元器件3运动的距离决定。
本发明使用时，激光由上至下首先入射到第一光学元器件2上，第二光学元器件3位置固定；经过第一光学元器件1上后，第一光束9由发散光转化为平行光束的第二光束10，而后进入第二光学元器件3，第二光学元器件3可以用第一电机15调节相对应的位置；第三光学元器件4在第二光学元器件3之下，第三光学元器件4可以用第二电机16调节相对应的位置；第三光束11通过第三光学元器件4后进入第四光学元器件5，第四光学元器件5在第三光学元器4之下，第四光学元器件5位置固定；第四光束12经过第五光学元器件6后，聚焦到不同后的工件8上，第五光学元器件6位置也为固定。
本发明通过调节第三光学元器件4和第四光学元器件5之间的距离可以调节聚焦光斑14的大小。通过控制第三光学元器件4和第四光学元器件6与其他光学元器件的相对位置，可以调控最终聚焦光斑14的焦点位置。
第一光束9进入第一光学元器件2后，第一光束9由发散光转化为平行的第二光束10，因此第一光学元器件2选择为正透镜。
为控制聚焦光斑的直径，第二光学元器件3和第三光学元器件4可以沿激光光轴方向上位置发生相对的运动。第二光学元器件3由第一电机15驱动作位置移动，第三光学元器件4也由第二电机16驱动作位置相对移动。
第二光束10进入第二光学元器件3后，第二光束10由平行光束转化为发散的第三光束11，因此第二光学元器件3一个特别地优选方式为负透镜。
第三光束11经过第三光学元器件4后，第三光束11由发散光转化为聚焦的第四光束12，聚焦的第四光束12将有一定的发散角。
第四光束12经过固定的第四光学元器件5和第五光学元器件6后，第五光束13也为聚焦光束，第五光束13拥有一个相对应于经过第三光学元器件4聚焦光发散角的角度。
不同角度的聚焦的第五光束13将拥有不同直径大小的聚焦光斑14。
另外，通过电机控制系统17同时调节第二光学元器件3和第三光学元器件4的位置，可以控制聚焦光斑14的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。
实施例1：如图2所示，本实施例为调节光斑直径大小的实施例。
在图2（a）中，激光光束9为一个发散光，入射到第一光学元器件2上，并且依次通过第二光学元器件3。然后该激光光束经过第三光学元器件4准直后形成一个角度为θ01的聚焦光束12。该聚焦光束再经过第四光学元器件5和第五光学元器件6后，形成一个角度为θ02的聚焦光束13，这里θ02的数值大小由θ01决定。该光束然后聚焦工件表面，以实现对工件的激光加工，此时聚焦到工件上的激光焦点直径为d01。
在图2（b）中，当设备转换加工工件时，可能此时就需要减小聚焦到工件（8）表面上光斑14的直径d11，需要使d11< d01。为了使聚焦光斑14的直径d11减小，第一电机15将驱动第一光学元器件2沿光轴方向运动Z11距离。另外，第三光学元器件4将在第二电机16的驱动下沿光轴方向运动Z12距离。这时，光束12以一个特定的角度θ11入射第四光学元器件5和第五光学元器件6，形成一个角度为θ12的聚焦光束13，这里θ12的数值大小由θ11决定，并且θ02 <θ12。光束13最后聚焦工件表面形成一个直径为d11的光斑14，得到d01>d11。
在图2（c）中，进一步改变加工工件时，此时可能就需要继续减小聚焦到工件8表面上光斑14的直径d21，需要使d01>d11>d21。为了使聚焦光斑14的直径d21减小，第一电机15将驱动第一光学元器件2沿光轴方向运动Z21距离。另外，第三光学元器件4将在第二电机16的驱动下沿光轴方向运动Z22距离。这时，光束12以一个特定的角度θ21入射第四光学元器件5和第五光学元器件6，形成一个角度为θ22的聚焦光束13，这里θ22的数值大小由θ21决定，并且θ12 <θ22。光束13最后聚焦工件表面形成一个直径为d21的光斑14，得到d11>d21。
实施例2：如图3所示，本实施例为调节焦点位置的实施例。
在图3（a）中，激光光束9为一个发散光，入射到第一光学元器件2上，并且依次通过第二光学元器件3。然后该激光光束经过第三光学元器件4准直后形成一个角度为θ11的聚焦光束12。该聚焦光束再经过第四光学元器件5和第五光学元器件6后，形成一个角度为θ12的聚焦光束13，这里θ12的数值大小由θ11决定。该光束然后聚焦工件表面，以实现对工件的激光加工，此时聚焦到工件上的激光焦点直径为d11。
如图3（b）所示，当设备需要转换加工工件时，聚焦焦点的位置可能也需要随之改变，以保证高质量地加工工件材料。为了使聚焦光斑14的直径d11不变，但改变焦点位置，第一电机15将驱动第二光学元器件3沿光轴方向运动Z31距离,第二电机16将驱动第三光学元器件4沿光轴方向运动Z32距离，这里满足Z31 = Z32 。光束13将聚焦工件上另一位置，聚焦光斑相应的焦点位置改变Z33，但光斑大小保持不变。

Claims (10)

1.一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，包括外壳，其特征在于：所述外壳（18）内从上至下依次嵌设有激光发射装置（1）、第一光学元器件（2）、第二光学元器件（3）、第三光学元器件（4）、第四光学元器件（5）、第五光学元器件（6）和保护镜片（7），所述激光发射装置（1）竖直嵌设在外壳（18）的顶部，第一光学元器件（2）、第四光学元器件（5）、第五光学元器件（6）和保护镜片（7）分别通过左右两侧连接杆固定外壳（18）的内侧壁上，所述第二光学元器件（3）的一侧通过连接装置连接第一电机（15），第三光学元器件（4）的一侧通过另一连接装置连接第二电机（16），所述第一电机（15）和第二电机（16）连接电机控制系统（17）并由电机控制系统（17）统一控制第一电机（15）和第二电机（16）；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置（1）出射第一光束（9），第一光束（9）经过第一光学元器件（2）后汇聚成为相同直径的平行的第二光束（10）；2）S2，第二光束（10）依次通过第二光学元器件（3）和第三光学元器件（4）后形成不同角度的聚焦的第四光束（12）；3）S3，不同角度的聚焦的第四光束（12）依次经过第四光学元器件（5）和第五光学元器件（6）汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑（14）；4）S4，通过不同光斑直径的光斑（14），并且由第二光学元器件（3）和第三光学元器件（4）来调控焦点的位置和光斑直径，用以加工不同类型的工件（8）。
2.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第一光学元器件（2）为正透镜。
3.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第二光学元器件（3）为负透镜。
4.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第三光学元器件（4）为正透镜。
5.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第四光学元器件（5）为正透镜。
6.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第五光学元器件（6）为负透镜。
7.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于所述步骤2中包括如下步骤：1）第二光束（10）经过第二光学元器件（3）后形成发散的第三光束（11）；2）第三光束（11）经过第三光学元器件（4）后形成汇聚的第四光束（12）。
8.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于所述步骤3中第四光束（12）依次经过第四光学元器件（5）、第五光学元器件（6）和保护镜片（7）后形成汇聚的第五光束（13），第五光束（13）汇聚形成光斑（14）。
9.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于所述步骤5中调控焦点的位置包括如下步骤：1）第一电机（15）驱动第二光学元器件（3）沿光轴竖直方向运动一定距离后；2）第二电机（16）将驱动第三光学元器件（4）运动特定距离，使第四光束（12）经过第三光学元器件后汇聚形成一个特定角度的汇聚光。
10.如权利要求1所述的一种激光光束可调的激光切割头及其控制方法，其特征在于：所述第二电机（16）驱动第三光学元器件（4）运动的距离由第一电机（15）驱动第二光学元器件（3）运动的距离决定。
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