CN108747057A - 应用于激光切割装置的随动光路传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统，包括安装平台以及设置于所述安装平台上的激光器、激光器随动机构、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；还包括切割头及切割头随动机构；所述切割头包括聚焦镜；所述激光器长度所在方向为第一方向，第二方向垂直于第一方向，所述第一方向与第二方向组成的平面平行于所述安装平台所在平面，第三方向垂直于安装平台所在平面；还包括一控制器及第一伺服电机、第二伺服电机；应用本技术方案可实现大跨度切割过程中缩短激光光路最大传输长度，减少激光能量损耗，提高能量利用率，提升加工质量，并使整体结构紧凑。

Description

应用于激光切割装置的随动光路传输系统
技术领域
本发明涉及激光切割领域，具体是指一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统。
背景技术
光路传输是二氧化碳激光切割装置的重要组成部分，光路传输系统的设计直接影响二氧化碳激光切割设备的切割效果。
二氧化碳激光切割设备的光路系统通常将光路通过三道反射镜将光束分为四段，将从激光器发射出的激光，投射到切割头中，并通过切割头中的聚焦镜聚焦到加工表面，其中第三段水平光束长度最长，这决定于切割台面跨度。传统的光路系统设计中，二氧化碳激光器通常固定在激光切割设备的横梁上，在切割幅面宽度远大于激光器长度时，当切割头运动至激光器远端，第三段光束传输长度与幅面宽度相当。由于激光传输的能量损失,其有效传输长度就限制了切割幅面的宽度；因此，二氧化碳激光器采用传统的设计方案，无法实现大幅面跨度切割；虽然将二氧化碳激光器与切割头固定在一个机构中同步运动，可以缩短与固定第三段光路的传输长度，但会造成整体结构体积庞大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统，实现固定的最大激光光路传输长度，从而实现大跨度切割过程中缩短激光光路最大传输长度，减少激光能量损耗，提高能量利用率，提升加工质量，并使整体结构紧凑。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统，包括安装平台以及设置于所述安装平台上的激光器、激光器随动机构、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；还包括切割头及切割头随动机构；所述切割头包括聚焦镜；
所述激光器长度所在方向为第一方向，第二方向垂直于第一方向，所述第一方向与第二方向组成的平面平行于所述安装平台所在平面，第三方向垂直于安装平台所在平面；
所述激光器发射激光沿第一方向射向所述第一反射镜，所述第一反射镜反射出的激光沿第二方向射向所述第二反射镜，所述第二反射镜反射出的激光与第一方向相反的方向射向所述第三反射镜，所述第三反射镜反射出的激光沿第三方向射向切割头，激光透过所述切割头的聚焦镜聚焦至待加工表面；
所述激光器与所述激光器随动机构固定连接，所述切割头与所述切割头随动机构固定连接；所述安装平台沿第一方向设置有一滑动导轨，所述激光器随动机构与所述切割头随动机构沿所述滑动导轨与所述安装平台滑动连接；所述激光器随动机构及切割头随动机构分别连接有第一伺服电机、第二伺服电机，所述第一伺服电机及第二伺服电机分别驱动所述激光器随动机构及切割头随动机构移动；
所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度随激光机与切割头之间位置关系的改变而改变；当切割头位于激光器的幅面最左端时，所述切割头到达所述激光器随动机构的左极限位置，所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度最小；当切割头位于激光器的幅面最右端时，所述切割头到达所述激光器随动机构的右极限位置，所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度最大；还包括一控制器，所述控制器发送同一脉冲信号控制所述第一伺服电机、第二伺服电机驱动所述激光器随动机构及切割头随动机构同向差速运动；
通过所述第一伺服电机的电子齿轮比与所述第二伺服电机的电子齿轮比的差异实现所述激光器随动机构及切割头随动机构同向差速运动；第一伺服电机的电子齿轮比为：
所述第二伺服电机的电子齿轮为：
其中，第一电子齿轮分子即为第一伺服电机的电子齿轮分子，第一电子齿轮分母即为第一伺服电机的电子齿轮分母；第二电子齿轮分子即为第二伺服电机的电子齿轮分子，第二电子齿轮分母即为第二伺服电机的电子齿轮分母；控制器的脉冲当量与控制器参数相匹配；第一伺服电机分辨率及第二伺服电机分辨率分别依照第一伺服电机及第二伺服电机的参数选定；第一总传动比指的是第一伺服电机输出转动角度到激光器随动机构在导轨上运动距离的比值，第二总传动比指的是第二伺服电机输出转动角度到切割头随动机构在导轨上运动距离的比值；K为所述激光器随动机构与切割头随动机构的速度比；
所述切割头运动的总行程即为幅面跨度，则激光器随动机构与切割头随动机构的速度比K为：
其中L为切割头总行程，即幅面跨度长度；l为激光器的外框长度；l1为切割头距激光器机构的最左端的距离；l2为切割头距激光器机构的最右端的距离。
在一较佳的实施例中，所述激光器随动机构即为第一滑块，所述切割头随动机构即为第二滑块；所述激光器、第一反射镜及第二反射镜均安装于所述第一滑块；所述切割头及第三反射就安装于所述第二滑块；所述第一滑块及第二滑块分别由所述第一伺服电机、第二伺服电机沿所述导轨所在方向驱动。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
一、将传统的二氧化碳激光切割设备中固定在横梁上的二氧化碳激光器设计成活动式即随动模式，将激光器及切割头分别固定于激光器随动机构及切割头随动机构上，使其可以在导轨上水平运动，并通过第一伺服电机及第二伺服电机驱动其在导轨上移动。通过设定第一伺服电机及第二伺服电机的不同的电子齿轮以实现激光器随动机构与切割头随动机构的差速运动.相比于传统激光器固定的设计，当切割幅面跨度远大于激光器长度时，该设计可以在满足大跨度切割的前提下，有效地缩短光路行程，降低激光能量的损耗，减小累计误差，提高切割效果，提高能量利用率，提升加工质量。
二、第一伺服电机与第二伺服电机共用一个脉冲控制信号，采用设定不同齿轮比的方式来实现差速运动，设置简单，并降低了控制系统的复杂程度，使整体结构紧凑。
附图说明
图1为本发明优选实施例中应用于激光切割装置的随动光路传输系统中激光器处于幅面最左端及最右端的使用状态示意图；
图2为本发明优选实施例中应用于激光切割装置的随动光路传输系统俯视图；
图3为本发明优选实施例中应用于激光切割装置的随动光路传输系统正视图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统，参考图1至3，包括安装平台6以及设置于所述安装平台6上的激光器1、激光器随动机构11、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5；还包括切割头2及切割头随动机构21；所述切割头2包括聚焦镜；具体来说，所述激光器1为二氧化碳激光器1；
为了便于说明，所述激光器1长度所在方向为第一方向，第二方向垂直于第一方向，所述第一方向与第二方向组成的平面平行于所述安装平台6所在平面，第三方向垂直于安装平台6所在平面；
具体来说，所述激光器1发射激光沿第一方向射向所述第一反射镜3，所述第一反射镜3反射出的激光沿第二方向射向所述第二反射镜4，所述第二反射镜4反射出的激光与第一方向相反的方向射向所述第三反射镜5，所述第三反射镜5反射出的激光沿第三方向射向切割头2，激光透过所述切割头2的聚焦镜聚焦至待加工表面。
所述激光器1与所述激光器随动机构11固定连接，所述切割头2与所述切割头随动机构21固定连接；所述安装平台6沿第一方向设置有一滑动导轨61，所述激光器随动机构11与所述切割头随动机构21沿所述滑动导轨61与所述安装平台6滑动连接；所述激光器随动机构11及切割头随动机构21分别连接有第一伺服电机12、第二伺服电机22，所述第一伺服电机12及第二伺服电机22分别驱动所述激光器随动机构11及切割头随动机构21移动。
具体来说，所述激光器随动机构11即为第一滑块，所述切割头随动机构21即为第二滑块；所述激光器1、第一反射镜3及第二反射镜4均安装于所述第一滑块；所述切割头2及第三反射就安装于所述第二滑块；所述第一滑块及第二滑块分别由所述第一伺服电机12、第二伺服电机22沿所述导轨61所在方向驱动。
所述激光由第二反射镜4到达第三反射镜5的光路长度随激光机与切割头2之间位置关系的改变而改变；为了便于理解，将激光由第二反射镜4到达第三反射镜5的光路长度设定为c；当切割头2位于激光器1的幅面最左端时，所述切割头2到达所述激光器随动机构11的左极限位置，所述激光由第二反射镜4到达第三反射镜5的光路长度最小，为c1；当切割头2位于激光器1的幅面最右端时，所述切割头2到达所述激光器随动机构11的右极限位置，所述激光由第二反射镜4到达第三反射镜5的光路长度最大，为c2；还包括一控制器，所述控制器发送同一脉冲信号控制所述第一伺服电机12、第二伺服电机22驱动所述激光器随动机构11及切割头随动机构21同向差速运动；
通过所述第一伺服电机12的电子齿轮比与所述第二伺服电机22的电子齿轮比的差异实现所述激光器随动机构11及切割头随动机构21同向差速运动；第一伺服电机12的电子齿轮比为：
所述第二伺服电机22的电子齿轮为：
其中，第一电子齿轮分子即为第一伺服电机12的电子齿轮分子，第一电子齿轮分母即为第一伺服电机12的电子齿轮分母；第二电子齿轮分子即为第二伺服电机22的电子齿轮分子，第二电子齿轮分母即为第二伺服电机22的电子齿轮分母；控制器的脉冲当量与控制器参数相匹配；第一伺服电机12分辨率及第二伺服电机22分辨率分别依照第一伺服电机12及第二伺服电机22的参数选定；第一总传动比指的是第一伺服电机12输出转动角度到激光器随动机构11在导轨61上运动距离的比值，第二总传动比指的是第二伺服电机22输出转动角度到切割头随动机构21在导轨61上运动距离的比值；K为所述激光器随动机构11与切割头随动机构21的速度比；
所述切割头2运动的总行程即为幅面跨度，则激光器随动机构11与切割头随动机构21的速度比K为：
其中L为切割头2总行程，即幅面跨度长度；l为激光器1的外框长度；l1为切割头2距激光器1机构的最左端的距离；l2为切割头2距激光器1机构的最右端的距离。
本发明的具体工作原理为：在二氧化碳激光切割装置工作时，激光器1发射激光，分别经由第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5反射到切割头2中，再由聚焦镜聚焦至待加工表面。在大幅面二氧化碳激光切割设备中，当切割头2由起点向远端移动时，激光器随动机构11与切割头2随动通过差速运动，以缩短光路长度，将第c段光路长度由幅面跨度限制在固定长度内，提高能量利用率。当切割头2在幅面左端时，切割头2应处在激光器随动机构11内左侧的极限位置；当切割头2运动到幅面右端时，切割头2应处在激光器随动机构11右侧极限的位置。第一伺服电机12、第二伺服电机22由控制器发出的同一个脉冲控制信号控制，通过计算激光器随动机构11与切割头随动机构21的速度比，换算成第一伺服电机12及第二伺服电机22的电子齿轮比，即可实现同向差速运动。
综上所述，本发明的设计重点在于：
该随动光路传输系统，为实现大跨度的切割需求，改变了传统将激光器1固定在安装平台6上的设计，将激光器1放置在由电机驱动的可移动机构中，与切割头2所在的切割头随动机构21差速运动，从而实现大跨度切割过程中缩短激光光路最大传输长度，减少激光能量损耗，提高能量利用率，提升加工质量，并使整体结构紧凑。使用公式计算差速比，并换算成伺服电机的电子齿轮比，使得两台电机可以共用一个驱动信号实现同向差速运动，降低了控制系统的复杂性，提高了该设计的适配性。运用该设计，二氧化碳激光切割装置有效切割跨度可无限增加。该系统广泛适用于大幅面激光切割设备，以解决目前由于二氧化碳激光器1光路传输的限制,其有效切割跨度为2米左右的瓶颈。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (2)

1.一种应用于激光切割装置的随动光路传输系统，其特征在于包括安装平台以及设置于所述安装平台上的激光器、激光器随动机构、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；还包括切割头及切割头随动机构；所述切割头包括聚焦镜；
所述激光器长度所在方向为第一方向，第二方向垂直于第一方向，所述第一方向与第二方向组成的平面平行于所述安装平台所在平面，第三方向垂直于安装平台所在平面；
所述激光器发射激光沿第一方向射向所述第一反射镜，所述第一反射镜反射出的激光沿第二方向射向所述第二反射镜，所述第二反射镜反射出的激光与第一方向相反的方向射向所述第三反射镜，所述第三反射镜反射出的激光沿第三方向射向切割头，激光透过所述切割头的聚焦镜聚焦至待加工表面；
所述激光器与所述激光器随动机构固定连接，所述切割头与所述切割头随动机构固定连接；所述安装平台沿第一方向设置有一滑动导轨，所述激光器随动机构与所述切割头随动机构沿所述滑动导轨与所述安装平台滑动连接；所述激光器随动机构及切割头随动机构分别连接有第一伺服电机、第二伺服电机，所述第一伺服电机及第二伺服电机分别驱动所述激光器随动机构及切割头随动机构移动；
所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度随激光机与切割头之间位置关系的改变而改变；当切割头位于激光器的幅面最左端时，所述切割头到达所述激光器随动机构的左极限位置，所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度最小；当切割头位于激光器的幅面最右端时，所述切割头到达所述激光器随动机构的右极限位置，所述激光由第二反射镜到达第三反射镜的光路长度最大；还包括一控制器，所述控制器发送同一脉冲信号控制所述第一伺服电机、第二伺服电机驱动所述激光器随动机构及切割头随动机构同向差速运动；
通过所述第一伺服电机的电子齿轮比与所述第二伺服电机的电子齿轮比的差异实现所述激光器随动机构及切割头随动机构同向差速运动；第一伺服电机的电子齿轮比为：
所述第二伺服电机的电子齿轮为：
其中，第一电子齿轮分子即为第一伺服电机的电子齿轮分子，第一电子齿轮分母即为第一伺服电机的电子齿轮分母；第二电子齿轮分子即为第二伺服电机的电子齿轮分子，第二电子齿轮分母即为第二伺服电机的电子齿轮分母；控制器的脉冲当量与控制器参数相匹配；第一伺服电机分辨率及第二伺服电机分辨率分别依照第一伺服电机及第二伺服电机的参数选定；第一总传动比指的是第一伺服电机输出转动角度到激光器随动机构在导轨上运动距离的比值，第二总传动比指的是第二伺服电机输出转动角度到切割头随动机构在导轨上运动距离的比值；K为所述激光器随动机构与切割头随动机构的速度比；
所述切割头运动的总行程即为幅面跨度，则激光器随动机构与切割头随动机构的速度比K为：
其中L为切割头总行程，即幅面跨度长度；l为激光器的外框长度；l1为切割头距激光器机构的最左端的距离；l2为切割头距激光器机构的最右端的距离。
2.根据权利要求1所述的应用于激光切割装置的随动光路传输系统，其特征在于，所述激光器随动机构即为第一滑块，所述切割头随动机构即为第二滑块；所述激光器、第一反射镜及第二反射镜均安装于所述第一滑块；所述切割头及第三反射就安装于所述第二滑块；所述第一滑块及第二滑块分别由所述第一伺服电机、第二伺服电机沿所述导轨所在方向驱动。
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