CN111168230A - 一种激光切割机调焦装置及其调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的激光切割机调焦装置包括：光纤接头、壳体、套筒、滑筒、感光机构、直线电机、保护镜、喷嘴、测距机构、分光棱镜以及透镜组，所述光纤接头设置于所述壳体一端，所述壳体的侧壁设置有套筒，所述套筒滑动设置滑筒，所述直线电机带动所述滑筒移动，所述滑筒内设置所述感光机构，所述壳体内设置有所述分光棱镜以及透镜组，所述壳体的另一端设置有所述保护镜和所述喷嘴。本发明提供的一种激光切割机调焦装置利用所述滑筒的多次定量移动，精确的测量焦点位置，并与预设焦点位置对比形成反馈，从而更加精确的实现调焦；精确调焦之后，利用所述测距机构配合控制器对激光切割机进行调节，保证焦点落在工件表面，保证工件的切割效果。

Description

一种激光切割机调焦装置及其调焦方法

技术领域

本发明涉及激光切割器材领域，尤其涉及一种激光切割机调焦装置及其调焦方法。

背景技术

激光切割是利用高功率密度的聚焦激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千甚至上万摄氏度，使材料瞬间熔化或汽化，再用高压气体将熔化或汽化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。

目前激光器往往设置有调焦装置，激光再次经过调焦装置中的聚焦镜片，到达切割表面；为了获得最佳的切割效果，可以旋转调焦装置上的调焦旋钮，调整聚焦镜来改变激光的光路，根据板材厚度调整到最合适的焦点，这就要求激光器要有一定的调焦能力。调焦之后需要根据调焦情况调整激光器与工件表面之间的距离实现对焦，一般情况下激光器装有测距机构，通过测距机构配合控制器，能使激光器与工件表面之间的距离长期、可靠地保持稳定，为获得最佳的切割质量提供保证。

理想情况下，聚焦镜的位置与焦点位置的关系确定，根据聚焦镜的位置计算激光器与工件表面之间的距离，通过所述测距机构实现距离控制，但是实际过程中由于聚焦镜缘故，通过聚焦镜的位置确定焦点位置容易造成较大的误差，会导致接近调焦时出现问题使得切割面出现明显的痕迹，影响切割效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光切割机调焦装置及其调焦方法。

第一方面，本发明提供一种激光切割机调焦装置，包括壳体，其中，

所述壳体的一端连接有光纤接头，所述壳体的另一端相对所述光纤接头设置有保护镜，所述壳体沿轴向设置有腔室，所述腔室连通所述光纤接头和所述保护镜；

所述腔室内设置有透镜组；所述壳体的侧壁设置有套筒，所述套筒垂直于所述壳体设置，所述套筒滑动设置有滑筒，所述滑筒内设置有感光机构，所述套筒的一端设置有直线电机，所述直线电机的输出端连接传动螺杆，所述传动螺杆延伸至所述套筒内，所述传动螺杆螺接于所述滑筒；

所述壳体的另一端设置有喷嘴，所述喷嘴、所述光纤接头以及所述保护镜同轴设置；所述喷嘴旁的所述壳体上设置测距机构；

所述腔室内设置有分光棱镜，所述分光棱镜正对所述套筒；

所述感光机构电性连接控制器；所述控制器电性连接所述直线电机和所述测距机构。

优选的，所述透镜组包括聚焦镜、准直透镜和收束透镜组，靠近所述光纤接头的所述腔室一端设置有准直透镜，所述腔室内还依次设置收束透镜组和聚焦镜，所述准直透镜、所述聚焦镜以及所述收束透镜组同轴设置，所述聚焦镜与所述保护镜设置于所述套筒的两侧。

优选的，所述收束透镜组包括焦点重合设置的凸透镜和凹透镜，所述凸透镜和所述凹透镜焦点重合设置，所述凸透镜靠近所述准直透镜，所述凹透镜靠近所述聚焦镜，所述凸透镜、所述凹透镜、所述准直透镜和所述聚焦镜同轴设置。

优选的，所述喷嘴连通有气管接头。

优选的，所述喷嘴沿轴向设置有拉瓦尔型通气道。

优选的，所述感光机构为CCD感光成像机构，所述CCD感光成像机构电性连接所述控制器。

优选的，靠近所述光纤接头的所述腔室一端滑动设置第一镜框，所述腔室内壁上设置有第一步进电机，所述第一步进电机的输出轴固定螺接于所述第一镜框的传动螺轴，所述准直透镜设置于所述第一镜框，所述第一步进电机电性连接所述控制器。

优选的，所述腔室内滑动设置第二镜框，所述腔室内壁上设置有第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴固定螺接于所述第二镜框的传动螺轴，所述收束透镜组设置于所述第二镜框，所述第二步进电机电性连接所述控制器。

优选的，所述腔室内滑动设置第三镜框，所述腔室内壁上设置有第三步进电机，所述第三步进电机的输出轴固定螺接于所述第三镜框的传动螺轴，所述聚焦镜设置于所述第三镜框，所述第三步进电机电性连接所述控制器。

第二方面，本发明还提供一种激光切割机调焦装置的调焦方法，包括以下步骤：

S1、向控制器发出焦点位置指令，控制器控制第一步进电机转动，带动第一镜框在腔室内滑动，控制器控制第二步进电机转动，带动第二镜框在腔室内滑动，控制器控制第三步进电机转动，带动第三镜框在腔室内滑动，调整准直透镜、收束透镜组合聚焦镜的位置来对激光束进行调焦，使得激光束适应工件加工的需求；

S2、测量调焦后的焦点的位置，控制器控制直线电机转动多次，每次转动角度相同，每次转动完成后，感光机构测量透过在感光机构上的光斑的尺寸，感光机构将尺寸值传递给控制器，控制器计算相邻两次转动后光斑尺寸的差值，去掉最大差值和最小差值后剩下的差值数据求差值的平均值；

S3、控制器利用差值的平均值和几何相似性确定焦点的位置，控制器将实际的焦点位置与指令位置对比，并根据差值重复步骤S1和S2中的过程，直至实际的焦点位置与指令位置在误差范围内；

S4、控制器控制测距机构测量到工件表面的距离，控制器控制激光切割机运转，调整测距机构到工件表面距离以实现焦点落在工件表面。

与相关技术相比较，本发明提供的激光切割机调焦装置具有如下有益效果：

本发明提供的激光切割机调焦装置通过所述光纤接头将传导的激光发散射出，发散的激光经过所述准直透镜将发散的激光汇聚成激光束，激光束经过所述收束透镜组，受到所述收束透镜组的作用激光束的直径减小，激光束经过所述聚焦镜进行聚焦，激光束经过所述聚焦镜后经过所述分光棱镜进行分光，大部分激光透过所述分光棱镜、穿过所述保护镜经所述喷嘴射出进行激光切割，少量的激光经过所述分光棱镜反射到所述套筒和所述滑筒中，经过所述滑筒中所述感光机构测量光线照射的光斑尺寸，利用所述直线电机带动所述滑筒沿所述套筒滑动，调整所述感光机构距离所述分光棱镜的距离，从而利用相邻两次移动后所述感光机构上光斑尺寸的差值和移动的距离，配合光的几何特性来推算出光束焦点的位置，从而准确地确定焦点实际位置，实际方法中还去掉光斑尺寸的极值来算平均值，从而进一步提高精度。相比利用所述聚焦镜的位置来推算焦点位置的方法，通过测量准确获取焦点的位置精度高，为后续精准对焦提供保证；将焦点的实际位置与设定的焦点位置比较，如果差值超出允许的误差范围，重复调焦测量的过程，直至差值在允许的误差范围内，保证实际焦点位置与设定的焦点位置高度一致，从而保证切割工件的效果，所述控制器根据实际的焦点位置配合所述测距机构，调整与工件表面的距离，准确地完成对焦，保证工件切割效果。

另外，所述喷嘴的通气道呈拉瓦尔管状能够获取更高的气体喷射速度，且不容易产生激波，能够更好的吹净切口；所述保护镜能够保护所述壳体内的透镜组；本发明提供的激光切割机调焦装置能够自动对焦，无需人工干预操作，保证应用激光切割机调焦装置的切割机加工过程流畅，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明提供的激光切割机调焦装置的一种较佳实施例的结构示意图；

图2为图1所示的激光切割机调焦装置内部的结构示意图；

图3为图2所示的收束透镜组及其光路示意图；

图4为图2所示的聚焦镜、分光透镜以及感光机构的光路示意图。

图中标号：1、光纤接头，2、壳体，21、保护镜，22、套筒，3、滑筒，31、感光机构，32、直线电机，4、喷嘴，41、气管接头，5、分光棱镜，6、聚焦镜，61、第三步进电机，62、第三镜框，7、收束透镜组，71、第二步进电机，72、第二镜框，8、准直透镜，81、第一步进电机，82、第一镜框，9、测距机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1、图2、图3以及图4，其中图1为本发明提供的激光切割机调焦装置的一种较佳实施例的结构示意图；图2为图1所示的激光切割机调焦装置内部的结构示意图；图3为图2所示的收束透镜组及其光路示意图；图4为图2所示的聚焦镜、分光透镜以及感光机构的光路示意图。

结合参阅图1和图2所示，一种激光切割机调焦装置，包括壳体2，所述壳体2呈长方体结构，所述壳体2沿长度方向设置有腔室，所述腔室呈长方体形，所述壳体2的一端通过接口可拆卸连接有光纤接头1，所述壳体2的另一端相对所述光纤接头1设置有保护镜21，所述腔室连通所述光纤接头1和所述保护镜21，所述保护镜21和所述光纤接头1是同轴设置的。

所述腔室内设置有透镜组，所述透镜组包括聚焦镜6、收束透镜组7和准直透镜8，

具体实施过程中，靠近所述光纤接头1的所述腔室一端沿轴向滑动设置第一镜框82，所述腔室内壁设置有第一步进电机81，所述第一步进电机81的输出轴固定螺接于所述第一镜框82的传动螺轴，所述准直透镜8设置于所述第一镜框82；

具体实施过程中，所述腔室内沿轴向滑动设置有改变激光光束直径用的收束透镜组7，具体的，参阅图3所示，所述腔室内滑动设置第二镜框72，所述腔室内设置有第二步进电机71，所述第二步进电机71的输出轴固定螺接于所述第二镜框72的传动螺轴，构成所述收束透镜组7的凸透镜和凹透镜设置于所述第二镜框72，具体地，所述收束透镜组7中的凸透镜靠近所述准直透镜8设置，相对地所述凹透镜远离所述准直透镜8，所述凸透镜和所述凹透镜同轴设置，而且，所述凸透镜与所述凹透镜的焦点重合。

靠近所述凹透镜的所述腔室内滑动设置有所述聚焦镜6，具体地，所述腔室内沿滑动设置第三镜框62，所述腔室内固定设置有第三步进电机61，所述第三步进电机61的输出轴固定螺接于所述第三镜框62的传动螺轴，所述聚焦镜6设置于所述第三镜框62，所述凸透镜、所述凹透镜、所述准直透镜8和所述聚焦镜6同轴设置。

而所述第一步进电机81、第二步进电机71和所述第三步进电机61均电性连接有控制器，具体实施过程中，所述控制器可以为可编程PLC控制器。

所述壳体2的侧壁设置有套筒22，所述套筒22呈长方体形，所述套筒22垂直于所述壳体2设置，所述套筒22连通所述腔室，所述套筒22滑动设置有滑筒3，所述滑筒3呈一端开放一端封闭的长方体壳状，开放的所述滑筒3一端设置卡圈，所述卡圈滑动卡接与所述套筒22内，封闭的所述滑筒3一端设置有感光机构31，具体实施过程中，所述感光机构31为CCD感光成像机构，所述CCD感光成像机构电性连接所述控制器。所述套筒22外设置有直线电机32，所述直线电机32的输出端连接传动螺杆，所述传动螺杆延伸至所述套筒22内，所述传动螺杆螺接于所述卡圈，所述直线电机32电性连接所述控制器。

所述壳体2的另一端设置有喷嘴4，所述喷嘴4、所述光纤接头1以及所述保护镜21同轴设置；所述喷嘴4的一侧连通有气管接头41，所述气管接头41通过管道连通气源，所述喷嘴4沿轴向设置有拉瓦尔型通气道。

所述喷嘴4一侧的所述壳体2上设置测距机构9，所述测距机构9可以为DT500-A511激光测距传感器，所述测距机构9通过tof电路电性连接所述控制器，利用脉冲激光以及激光飞行时间来测量距离。

所述腔室内设置有分光棱镜5，参阅图4所示，所述分光棱镜5正对所述套筒22，所述分光棱镜5透过大部分经过所述聚焦镜6聚焦的锥形激光束，而所述分光棱镜5反射少部分锥形激光束，透射的激光束和反射的激光束以所述分光棱镜5的分光面形成对称结构，通过测量反射的激光束来确定透射的激光束的焦点。

本发明还提供一种应用于所述激光切割机调焦装置的调焦方法，包括以下步骤：

S1、操作人员向控制器发出焦点位置指令，控制器控制第一步进电机转动，带动第一镜框在腔室内滑动，调节准直透镜与光纤接头之间的距离，来调整准直效果；控制器控制第二步进电机转动，带动第二镜框在腔室内滑动，调节收束透镜组与准直透镜之间的距离，来调整收束的效果；控制器控制第三步进电机转动，带动第三镜框在腔室内滑动调节聚焦镜与收束透镜组之间的距离，来调整聚焦的效果，使得激光束的参数能够满足加工工件的需求；

S2、测量调焦后的焦点的位置，控制器控制直线电机转动多次，直线电机每次转动角度相同，使得滑筒移动总距离的十分之一，每次转动完成后，感光机构测量透过在感光机构上的光斑的尺寸，移动完总距离后获取十个尺寸数据，感光机构将尺寸值传递给控制器，控制器计算相邻两次转动后光斑尺寸的差值，去掉最大差值和最小差值后剩下的差值数据求差值的平均值；

S3、控制器利用差值的平均值和几何相似性确定焦点的位置，控制器将实际的焦点位置与指令位置对比，并根据差值重复步骤S1和S2中的过程，直至实际的焦点位置与指令位置在误差范围内；

S4、控制器控制测距机构测量到工件表面的距离，控制器控制激光切割机运转，调整测距机构到工件表面距离以实现焦点落在工件表面。

本发明提供的激光切割机调焦装置的原理如下：

使用本发明提供的激光切割机调焦装置进行激光切割时，激光发射器发出的激光经光纤传递到所述光纤接头1，所述光纤接头1将激光发散射出，发散的激光经过所述准直透镜8矫正后以较为集中的光束射向所述收束透镜组7，所述收束透镜组7经过凸透镜进一步收束，使得射出的激光束的直径进一步的减小，然后经过凹透镜将所述凸透镜射来的激光束进行调整，以一定的的直径射到所述聚焦镜6，所述聚焦镜6将所述收束透镜组7射来的激光聚焦，聚焦后，经过所述保护镜21和所述喷嘴4射出激光头进行切割。

而所述控制器根据调焦位置指令以及激光束参数控制所述第一步进电机81转动，所述第一步进电机81通过传动螺轴带动所述第一镜框82滑动，控制所述准直透镜8与所述光纤接头1的距离，从而控制所述准直透镜8接收所述光纤接头1发出的激光；所述控制器控制所述第二步进电机71转动，所述第二步进电机71通过控制传动螺轴带动所述第二镜框72滑动，改变所述收束透镜组7与所述准直透镜8之间的距离，从所述准直透镜8射向所述收束透镜组7的激光束的直径会发生变化，从而经所述收束透镜组7收束后射出的激光的直径可以调整。

所述控制器控制所述第三步进电机61转动，所述第三步进电机61通过控制传动螺轴带动所述第三镜框62滑动，来改变所述聚焦镜6的位置，改变焦点位置，聚焦后的焦点的位置，经过所述聚焦镜6聚焦后的激光束经过所述分光棱镜5，所述分光棱镜5透射大部分经过所述聚焦镜6聚焦的锥形激光束，而所述分光棱镜5反射少部分锥形激光束，透射的激光束和反射的激光束以所述分光棱镜5的分光面形成对称结构，通过测量反射的激光束来确定透射的激光束的焦点，所述控制器将实际的焦点位置与预设的焦点位置进行对比计算出差值，所述控制器根据实际焦点位置以及算出的差值生成控制所述第三步进电机61转动的指令，进而控制所述第三步进电机61转动，进行焦点位置的修正，保证实际的焦点位置与预设的焦点位置在一定误差范围之内，从而提高焦点确定的精度。所述控制器根据实际焦点位置来生成控制应用所述激光切割机调焦装置的切割机，使得所述测距机构9与工件表面之间的距离满足焦点落在工件表面的对焦要求，完成高精度的对焦。

本发明提供的激光切割机调焦装置通过所述光纤接头1将传导的激光发散射出，发散的激光经过所述准直透镜8将发散的激光汇聚成激光束，激光束经过所述收束透镜组7，受到所述收束透镜组7的作用激光束的直径减小，激光束经过所述聚焦镜6进行聚焦，激光束经过所述聚焦镜6后经过所述分光棱镜5进行分光，大部分激光透过所述分光棱镜5、穿过所述保护镜21经所述喷嘴4射出进行激光切割，少量的激光经过所述分光棱镜5反射到所述套筒22和所述滑筒3中，经过所述滑筒3中所述感光机构31测量光线照射的光斑尺寸，利用所述直线电机32带动所述滑筒3沿所述套筒22滑动，调整所述感光机构31距离所述分光棱镜5的距离，从而利用相邻两次移动后所述感光机构31上光斑尺寸的差值和移动的距离，配合光的几何特性来推算出光束焦点的位置，从而准确地确定焦点实际位置，实际方法中还去掉光斑尺寸的极值来算平均值，从而进一步提高精度。

相比利用所述聚焦镜6的位置来推算焦点位置的方法，通过测量准确获取焦点的位置精度高，为后续精准对焦提供保证；将焦点的实际位置与设定的焦点位置比较，如果差值超出允许的误差范围，重复调焦测量的过程，直至差值在允许的误差范围内，保证实际焦点位置与设定的焦点位置高度一致，从而保证切割工件的效果，所述控制器根据实际的焦点位置配合所述测距机构9，调整与工件表面的距离，准确地完成对焦，保证工件切割效果。

另外，所述喷嘴4的通气道呈拉瓦尔管状能够获取更高的气体喷射速度，且不容易产生激波，能够更好的吹净切口。本发明提供的激光切割机调焦装置能够自动对焦，无需人工干预操作，保证应用激光切割机调焦装置的切割机加工过程流畅，提高生产效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光切割机调焦装置，其特征在于，包括壳体(2)，其中，

所述壳体(2)的一端连接有光纤接头(1)，所述壳体(2)的另一端相对所述光纤接头(1)设置有保护镜(21)，所述壳体(2)沿轴向设置有腔室，所述腔室连通所述光纤接头(1)和所述保护镜(21)；

所述腔室内设置有透镜组；所述壳体(2)的侧壁设置有套筒(22)，所述套筒(22)垂直于所述壳体(2)设置，所述套筒(22)滑动设置有滑筒(3)，所述滑筒(3)内设置有感光机构(31)，所述套筒(22)的一端设置有直线电机(32)，所述直线电机(32)的输出端连接传动螺杆，所述传动螺杆延伸至所述套筒(22)内，所述传动螺杆螺接于所述滑筒(3)；

所述壳体(2)的另一端设置有喷嘴(4)，所述喷嘴(4)、所述光纤接头(1)以及所述保护镜(21)同轴设置；所述喷嘴(4)一侧的所述壳体(2)上设置测距机构(9)；

所述腔室内设置有分光棱镜(5)，所述分光棱镜(5)正对所述套筒(22)；

所述感光机构(31)电性连接控制器；所述控制器电性连接所述直线电机(32)和所述测距机构(9)。

2.根据权利要求1所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述透镜组包括聚焦镜(6)、准直透镜(8)和收束透镜组(7)，靠近所述光纤接头(1)的所述腔室一端设置有准直透镜(8)，所述腔室内还依次设置收束透镜组(7)和聚焦镜(6)，所述准直透镜(8)、所述聚焦镜(6)以及所述收束透镜组(7)同轴设置。

3.根据权利要求2所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述收束透镜组(7)包括焦点重合设置的凸透镜和凹透镜，所述凸透镜和所述凹透镜焦点重合设置，所述凸透镜靠近所述准直透镜(8)，所述凹透镜靠近所述聚焦镜(6)，所述凸透镜、所述凹透镜、所述准直透镜(8)和所述聚焦镜(6)同轴设置。

4.根据权利要求1所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述喷嘴(4)连通有气管接头(41)。

5.根据权利要求4所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述喷嘴(4)沿轴向设置有拉瓦尔型通气道。

6.根据权利要求1所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述感光机构(31)为CCD感光成像机构，所述CCD感光成像机构电性连接所述控制器。

7.根据权利要求3所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，靠近所述光纤接头(1)的所述腔室一端滑动设置第一镜框(82)，所述腔室内壁上设置有第一步进电机(81)，所述第一步进电机(81)的输出轴固定螺接于所述第一镜框(82)的传动螺轴，所述准直透镜(8)设置于所述第一镜框(82)，所述第一步进电机(81)电性连接所述控制器。

8.根据权利要求3所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述腔室内滑动设置第二镜框(72)，所述腔室内壁上设置有第二步进电机(71)，所述第二步进电机(71)的输出轴固定螺接于所述第二镜框(72)的传动螺轴，所述收束透镜组(7)设置于所述第二镜框(72)，所述第二步进电机(71)电性连接所述控制器。

9.根据权利要求3所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，所述腔室内滑动设置第三镜框(62)，所述腔室内壁上设置有第三步进电机(61)，所述第三步进电机(61)的输出轴固定螺接于所述第三镜框(62)的传动螺轴，所述聚焦镜(6)设置于所述第三镜框(62)，所述第三步进电机(61)电性连接所述控制器。

10.一种激光切割机调焦装置的调焦方法，应用如权利要求1所述的激光切割机调焦装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、向控制器发出焦点位置指令，控制器控制第一步进电机转动，带动第一镜框在腔室内滑动，控制器控制第二步进电机转动，带动第二镜框在腔室内滑动，控制器控制第三步进电机转动，带动第三镜框在腔室内滑动，调整准直透镜、收束透镜组合聚焦镜的位置来对激光束进行调焦，使得激光束适应工件加工的需求；

S2、测量调焦后的焦点的位置，控制器控制直线电机转动多次，每次转动角度相同，每次转动完成后，感光机构测量透过在感光机构上的光斑的尺寸，感光机构将尺寸值传递给控制器，控制器计算相邻两次转动后光斑尺寸的差值，去掉最大差值和最小差值后剩下的差值数据求差值的平均值；

S3、控制器利用差值的平均值和几何相似性确定焦点的位置，控制器将实际的焦点位置与指令位置对比，并根据差值重复步骤S1和S2中的过程，直至实际的焦点位置与指令位置在误差范围内；

S4、控制器控制测距机构测量到工件表面的距离，控制器控制激光切割机运转，调整测距机构到工件表面距离以实现焦点落在工件表面。

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