CN111496377A - 一种高功率自动调焦激光头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率自动调焦激光头，属于激光加工技术领域，包括沿激光发射方向依次设置的光纤连接装置、准直装置、聚焦装置和喷嘴装置，准直装置包括第一基座、第一镜筒、驱动机构和限位机构，第一基座具有中空腔体且激光能够贯穿第一基座；第一镜筒设置于第一基座内，第一镜筒内与第一镜筒同轴设置有准直镜片，第一镜筒的外壁与第一基座的内壁滑动连接；驱动机构包括直线电机，直线电机固定设置于第一基座的一侧，直线电机的输出端连接于第一镜筒，以驱动第一镜筒沿第一镜筒的中心轴线方向往复移动；限位机构被配置为控制直线电机的行程。本发明响应速度快，能够提高穿孔加工的效率，提高激光头的使用寿命。

Description

一种高功率自动调焦激光头

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种高功率自动调焦激光头。

背景技术

激光切割头工作时，有时会根据加工需要利用调焦装置进行调焦，传统的调焦方式是手动调焦，随着激光加工的应用越来越广泛，对激光的加工要求越来越高，越来越多的激光切割头需要自动调焦。但是，随着激光切割头功率不断增高，切割加工的板材厚度越来越厚，由于板材厚，加工过程中需要频繁穿孔，穿孔过程就是靠驱动机构带动镜片沿激光切割头的轴线运动来实现焦点位置变化。

目前，大多数调焦装置是利用伺服电机+丝杠的方式带动镜片运动，将丝杆的旋转运动转换成直线运动，这种方式的弊端是传动效率低下，速度响应慢，另外丝杠会经常磨损，造成使用寿命低，尤其是频繁穿孔的应用场合，此外，丝杠磨损会带来铁屑、灰尘、油污等污染激光头内部镜片，造成损失。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高功率自动调焦激光头，能够提高调焦的响应速度和激光头的使用寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高功率自动调焦激光头，包括沿激光发射方向依次设置的光纤连接装置、准直装置、聚焦装置和喷嘴装置，所述准直装置包括：

第一基座，所述第一基座具有中空腔体且激光能够贯穿所述第一基座；

第一镜筒，所述第一镜筒设置于所述第一基座内，所述第一镜筒内与所述第一镜筒同轴设置有准直镜片，所述第一镜筒的外壁与所述第一基座的内壁滑动连接；

驱动机构，所述驱动机构包括直线电机，所述直线电机固定设置于所述第一基座的一侧，所述直线电机的输出端连接于所述第一镜筒，以驱动所述第一镜筒沿所述第一镜筒的中心轴线方向往复移动；及

限位机构，所述限位机构被配置为控制所述直线电机的行程。

可选地，所述直线电机为音圈电机，所述音圈电机的定子连接于所述第一基座，所述音圈电机的动子连接于所述第一镜筒。

可选地，所述准直装置还包括防坠机构，所述防坠机构包括弹性件，所述弹性件的两端分别连接于所述直线电机的固定端和所述直线电机的输出端。

可选地，所述准直装置还包括缓冲机构，所述缓冲机构包括缓冲垫，所述缓冲垫设置于所述第一镜筒的激光出射的端部。

可选地，所述限位机构包括固定于所述第一基座且沿所述第一镜筒的移动方向依次间隔设置的第一光电开关、第二光电开关，所述第一光电开关与所述第一镜筒的最高点位置对应，所述第二光电开关与所述第一镜筒的最低点位置对应，所述第一镜筒的外壁上设置有感应件，所述感应件用于触发所述第一光电开关或所述第二光电开关。

可选地，还包括设置于所述光纤连接装置和所述准直装置之间的准直镜保护装置，所述准直镜保护装置包括：

第二基座，具有中空腔体，所述第二基座连接于所述第一基座；

第一保护镜片，设置于所述第二基座内，且与所述准直镜片同轴设置；及

吸能块，设置于所述第二基座的底部。

可选地，所述吸能块内设置有第一冷却通道。

可选地，还包括设置于所述聚焦装置和所述喷嘴装置之间的聚焦镜保护装置，所述聚焦镜保护装置包括；

第三基座，具有中空腔体；

第二保护镜片，设置于所述第三基座内且与所述准直镜片同轴设置；及

第三保护镜片，设置于所述聚焦装置的底部且与所述准直镜片同轴设置。

可选地，还包括辅助吹气装置，所述辅助吹气装置包括：

第一吹气机构，所述第一吹气机构的出气口设置于所述喷嘴装置的一侧；

第二吹气机构，所述第二吹气机构的出气口设置于所述喷嘴装置上，且设置于所述喷嘴装置的激光出口外围；及

第三吹气机构，所述第三吹气机构的出气口为所述喷嘴装置的激光出口。

可选地，所述第二吹气机构的吹气口有多个，且呈环形均匀分布于所述喷嘴装置。

本发明的有益效果为：

本发明包括沿激光发射方向依次设置的光纤连接装置、准直装置、聚焦装置和喷嘴装置，准直装置包括第一基座、第一镜筒、驱动机构和限位机构，第一基座具有中空腔体且激光束能够贯穿第一基座，第一镜筒设置于第一基座内，镜筒内与第一镜筒同轴设置有准直镜片，第一镜筒的外壁与第一基座的内壁滑动连接，驱动机构包括直线电机，通过直线电机直接驱动镜筒沿镜筒的中心轴线方向往复移动，并通过限位机构控制直线电机的行程，实现激光头的调焦，响应速度快，能够提高穿孔加工的效率，且没有传动件的磨损，从而能够提高激光头的使用寿命。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的俯视结构示意图；

图3是图2中A-A处的剖面结构示意图；

图4是图2中B-B处的剖面结构示意图；

图5是图4中局部放大结构示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的准直装置的立体结构示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的准直装置另一视角的立体结构示意图；

图8是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的准直装置的俯视结构示意图；

图9是图8中C-C处的剖面结构示意图；

图10是本发明具体实施方式提供的高功率自动调焦激光头的喷嘴装置的爆炸结构示意图。

图中：

1、光纤连接装置；

2、准直镜保护装置；21、第二基座；22、第一保护镜片；23、吸能块；

3、准直装置；31、第一基座；32、弹性件；33、音圈电机；34、限位机构；341、第一光电开关；342、感应件；343、第二光电开关；35、缓冲垫；36、位置调节机构；361、第一安装板；362、第二安装板；37、准直镜片；38、冷却机构；381、第一环形槽；382、第一封板；39、第一镜筒；

4、聚焦装置；

5、聚焦镜保护装置；51、第三保护镜片；52、第二保护镜片；53、第三基座；

6、喷嘴装置；61、第五基座；62、第一连接体；63、第二连接体；64、绝缘套筒；65、喷嘴；

7、辅助吹气装置；71、第一吹气机构；711、第一进气通道；712、气管；72、第二吹气机构；721、第二进气通道；722、第一气流槽；73、第三吹气机构；731、气内环；732、第二气流槽；733、气孔。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图1-10并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至10所示，一种高功率自动调焦激光头包括沿激光发射方向依次设置的光纤连接装置1、准直装置3、聚焦装置4和喷嘴装置6，准直装置3包括第一基座31、第一镜筒39、驱动机构和限位机构34，第一基座31具有中空腔体且激光能够贯穿第一基座31。第一镜筒39设置于第一基座31内，第一镜筒39内与第一镜筒39同轴设置有准直镜片37，第一镜筒39的外壁与第一基座31的内壁滑动连接。驱动机构包括直线电机，直线电机固定设置于第一基座31的一侧，直线电机的输出端连接于第一镜筒39，以驱动第一镜筒39沿第一镜筒39的中心轴线方向往复移动。限位机构34被配置为控制直线电机的行程。

本实施例通过直线电机直接驱动第一镜筒39沿第一镜筒39的中心轴线方向往复移动，并通过限位机构34控制直线电机的行程，实现激光头的调焦，响应速度快，能够提高穿孔加工的效率，且没有传动件的磨损，从而能够提高激光头的使用寿命。

具体地，准直镜片37可以通过弹簧压圈固定在第一镜筒39内。第一基座31的内壁设置有导轨，第一镜筒39滑动连接于导轨。可选地，导轨可以为交叉滚子导轨，交叉滚子导轨可以使第一镜筒39移动更稳定，移动精度更高。

如图7所示，限位机构34包括固定于第一基座31且沿第一镜筒39的移动方向依次间隔设置的第一光电开关341、第二光电开关343，第一光电开关341与第一镜筒39的最高点位置对应，第二光电开关343与第一镜筒39的最低点位置对应，第一镜筒39的外壁上设置有感应件342，感应件342用于触发第一光电开关341或第二光电开关343。可以理解的是，第一镜筒39带动感应件342运动至第一光电开关341的位置时，直线电机反转驱动第一镜筒39反向运动，第一镜筒39带动感应件342运动至第二光电开关343的位置时，直线电机再次反转驱动第一镜筒39反向运动，如此往复，从而能够实现第一镜筒39的往复运动。

为了进一步提高调焦的效率，可选地，直线电机为音圈电机33，音圈电机33的定子连接于第一基座31，音圈电机33的动子连接于第一镜筒39。音圈电机33的型号可选为TMEC0050-025-000。音圈电机33具有结构简单体积小、高速、高加速、响应快等特性，从而能够进一步提高调焦的效率。

激光头加工工件时是竖直设置的，由于第一镜筒39及安装于第一镜筒39内的其他零部件自身重量，在断电的情况下，第一镜筒39会向下坠落，为了防止镜筒坠落，如图7所示，准直装置3还包括防坠机构，防坠机构包括弹性件32，弹性件32的两端分别连接于直线电机的固定端和直线电机的输出端。具体地，直线电机的固定端通过一个连接板连接于第一基座31，直线电机的输出端通过另一个连接板连接于第一镜筒39，弹性件32的两端分别固定在两个连接板上。可选地，弹性件32为拉簧，拉簧可以设置为一个、两个或多个。在第一镜筒39运动至全部行程的中部时，拉簧处于拉伸的位置，从而能够抵消一部分直线电机所受负载的重力，降低直线电机的负载。

为了对第一镜筒39进一步的防护，如图7和图9所示，准直装置3还包括缓冲机构，缓冲机构包括缓冲垫35，缓冲垫35设置于第一镜筒39的激光出射的端部。可选地，缓冲垫35的材质为聚氨酯，缓冲垫35的材质并不用来限定本发明。

为了更精确的调节第一镜筒39移动位置，本实施例中的准直装置3还包括位置调节机构36，位置调节机构36用于获取第一镜筒39的位置信息。通过获取第一镜筒39的位置信息，能够更精确的定位。

可选地，如图7所示，位置调节机构36包括光栅尺和读数头，光栅尺连接于第一镜筒39。读数头连接于第一基座31且与光栅尺相对设置。第一镜筒39的一侧设置有第一安装板361，第一基座31上设置有第二安装板362，光栅尺连接于第一安装板361，读数头连接于第二安装板362。

进一步地，如图9所示，为了使激光头能够适用于高功率的加工场合，本实施例中的准直装置3还包括冷却机构38，冷却机构38用于冷却第一镜筒39。可选地，沿第一镜筒39的周向开设有第二冷却通道，第二冷却通道内可以通入冷却液，从而实现对第一镜筒39的降温。例如，第二冷却通道可以为开设在第一镜筒39的端部第一环形槽381，并通过第一封板382封堵而成，第一镜筒39的侧壁上开设有冷却液的进口和出口。

为了防止外部的灰尘污染准直镜片37，本实施例中的高功率自动调焦激光头还包括设置于光纤连接装置1和准直装置3之间的准直镜保护装置2，准直镜保护装置2包括第二基座21、第一保护镜片22和吸能块23，第二基座21具有中空腔体，第二基座21连接于第一基座31。第一保护镜片22设置于第二基座21内，且与准直镜片37同轴设置。具体地，准直镜保护装置2还包括第二镜筒，第二基座21的侧部开设有安装槽，第二镜筒安装于安装槽内，准直镜片37设置于安装槽内。由于第一保护镜片22设置于准直镜片37的上方，因此能够阻挡灰尘污染准直镜片37。吸能块23设置于第二基座21的底部。激光发射出来的光为锥度光，在其锥度范围外存在杂散光，吸能块23能够阻挡并吸收杂散光，从而能够防止杂散光进一步向激光头内入射污染激光头内部的准直镜片37和聚焦镜片。激光照射到工件上后，会反射激光，反射的激光也能被吸能块23吸收，可以防止反射的激光损伤与光纤连接装置1连接的激光器。可选地，吸能块23的材质为紫铜。

由于吸能块23能够吸收杂散光，会使得吸能块23的温度升高，为了便于对吸能块23降温，吸能块23内设置有第一冷却通道。在第一冷却通道可以通入冷却液，从而实现对吸能块23的冷却。第一冷却通道可以由开设在吸能块23端部的第二环形槽和封堵第二环形槽槽口的第二封板形成。

如图3和图4所示，聚焦装置4包括第四基座、第三镜筒和聚焦镜片，第四基座具有中空腔体，第四基座连接于第一基座31，第四基座的侧部开设有安装槽，第三镜筒安装于安装槽内，聚焦镜片设置于第三镜筒内，能够便于聚焦镜片的拆装。

如图3和图4所示，本实施例中的高功率自动调焦激光头还包括设置于聚焦装置4和喷嘴装置6之间的聚焦镜保护装置5，聚焦镜保护装置5包括第三基座53、第二保护镜片52和第三保护镜片51，第三基座53具有中空腔体。第二保护镜片52设置于第三基座53内且与准直镜片37同轴设置。第三保护镜片51设置于聚焦装置4的底部且与准直镜片37同轴设置。具体地，第三保护镜片51设置于第四基座的底部且位于第四基座内。通过第二保护镜片52和第三保护镜片51的设置能够对聚焦镜片更好的保护。

如图3、图4和图10所示，喷嘴装置6包括沿激光的发射方向依次设置的第五基座61、第一连接体62、第二连接体63、绝缘套筒64和喷嘴65，喷嘴65和绝缘套筒64螺纹连接，绝缘套筒64与第二连接体63通过锁紧螺母连接，绝缘套筒64的外缘设置有凸缘，锁紧螺母套设在绝缘套筒64上且底部抵接于凸缘的下底面，绝缘套筒64的顶部螺纹连接于第二连接体63。

如图4和图5所示，本实施例中的高功率自动调焦激光头还包括辅助吹气装置7，辅助吹气装置7包括第一吹气机构71、第二吹气机构72和第三吹气机构73。第一吹气机构71的出气口设置于喷嘴装置6的一侧。通过在喷嘴装置6的外侧吹气可以吹走切割穿孔产生中的残渣，同时能够在一定程度上对喷嘴装置6降温。第二吹气机构72的出气口设置于喷嘴装置6上且设置于喷嘴装置6的激光出口外围。通过将出气口设置在喷嘴65的外围，能够对喷嘴65进行降温。第三吹气机构73的出气口为喷嘴装置6的激光出口。第三吹气机构73能够把工件上的残渣吹走。

具体地，喷嘴装置6的一侧设置有气座，第一吹气机构71、第二吹气机构72和第三吹气机构73的进气口均设置于气座上，第一吹气机构71包括第一进气通道711和气管712，气管712设置于第一连接体62的一侧，第一进气通道711依次穿过第五基座61、第一连接体62，第一进气通道711的进气口连通于第三吹气机构73的进气口，第一进气通道711的出气口连通于气管712，气管712的吹气口朝向喷嘴65下方。

第二吹气机构72包括第二进气通道721，第二进气通道721依次贯穿第五基座61、第一连接体62和第二连接体63，喷嘴65和绝缘套筒64之间设置有环形的第一气流槽722，第二进气通道721连通于第一气流槽722，第一气流槽722的出气口与第二吹气机构72的出气口连通。

第三吹气机构73包括气内环731，气内环731设置于第三基座53内，且与第三基座53的内壁间形成有环形的第二气流槽732，气内环731壁上设置有若干倾斜向上朝向第三保护镜片51的气孔733，若干气孔733沿气内环731的周向均匀分布且与第二气流槽732连通，第二气流槽732连通于设置于气座上的进气口。可选地，气孔733的倾斜角度为45度，气孔733倾斜角度的设置能够使气流更均匀。通过第二气流槽732和气孔733的设置能够使气流均匀的吹向第三保护镜片51，通过保护镜片反射后均匀平稳的从喷嘴65流出，通过均匀平稳的高速气流迅速把工件表面的焊渣吹走，能够提高焊接质量。同时，气流吹向第三保护镜片51时能够防止第三保护镜片51沉积灰尘污染第三保护镜片51，还能带走第三保护镜片51产生的热量，提高第三保护镜的使用寿命。

为了进一步提高喷嘴65的冷却效果，第二吹气机构72的吹气口有多个，且呈环形均匀分布于喷嘴装置6。

本发明通过直线电机直接驱动镜筒沿镜筒的中心轴线方向往复移动，并通过限位机构34控制直线电机的行程，实现激光头的调焦，响应速度快，能够提高穿孔加工的效率，且没有传动件的磨损，从而能够提高激光头的使用寿命。本发明通过吸能块23的设置能够进一步提高激光头的使用寿命。通过辅助吹气装置7的设置能够提高激光加工的质量。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率自动调焦激光头，包括沿激光发射方向依次设置的光纤连接装置(1)、准直装置(3)、聚焦装置(4)和喷嘴装置(6)，其特征在于，所述准直装置(3)包括：

第一基座(31)，所述第一基座(31)具有中空腔体且激光能够贯穿所述第一基座(31)；

第一镜筒(39)，所述第一镜筒(39)设置于所述第一基座(31)内，所述第一镜筒(39)内与所述第一镜筒(39)同轴设置有准直镜片(37)，所述第一镜筒(39)的外壁与所述第一基座(31)的内壁滑动连接；

驱动机构，所述驱动机构包括直线电机，所述直线电机固定设置于所述第一基座(31)的一侧，所述直线电机的输出端连接于所述第一镜筒(39)，以驱动所述第一镜筒(39)沿所述第一镜筒(39)的中心轴线方向往复移动；及

限位机构(34)，所述限位机构(34)被配置为控制所述直线电机的行程。

2.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述直线电机为音圈电机(33)，所述音圈电机(33)的定子连接于所述第一基座(31)，所述音圈电机(33)的动子连接于所述第一镜筒(39)。

3.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述准直装置(3)还包括防坠机构，所述防坠机构包括弹性件(32)，所述弹性件(32)的两端分别连接于所述直线电机的固定端和所述直线电机的输出端。

4.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述准直装置(3)还包括缓冲机构，所述缓冲机构包括缓冲垫(35)，所述缓冲垫(35)设置于所述第一镜筒(39)的激光出射的端部。

5.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述限位机构(34)包括固定于所述第一基座(31)且沿所述第一镜筒(39)的移动方向依次间隔设置的第一光电开关(341)、第二光电开关(343)，所述第一光电开关(341)与所述第一镜筒(39)的最高点位置对应，所述第二光电开关(343)与所述第一镜筒(39)的最低点位置对应，所述第一镜筒(39)的外壁上设置有感应件(342)，所述感应件(342)用于触发所述第一光电开关(341)或所述第二光电开关(343)。

6.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，还包括设置于所述光纤连接装置(1)和所述准直装置(3)之间的准直镜保护装置(2)，所述准直镜保护装置(2)包括：

第二基座(21)，具有中空腔体，所述第二基座(21)连接于所述第一基座(31)；

第一保护镜片(22)，设置于所述第二基座(21)内，且与所述准直镜片(37)同轴设置；及

吸能块(23)，设置于所述第二基座(21)的底部。

7.根据权利要求6所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述吸能块(23)内设置有第一冷却通道。

8.根据权利要求1所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，还包括设置于所述聚焦装置(4)和所述喷嘴装置(6)之间的聚焦镜保护装置(5)，所述聚焦镜保护装置(5)包括；

第三基座(53)，具有中空腔体；

第二保护镜片(52)，设置于所述第三基座(53)内且与所述准直镜片(37)同轴设置；及

第三保护镜片(51)，设置于所述聚焦装置(4)的底部且与所述准直镜片(37)同轴设置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，还包括辅助吹气装置(7)，所述辅助吹气装置(7)包括：

第一吹气机构(71)，所述第一吹气机构(71)的出气口设置于所述喷嘴装置(6)的一侧；

第二吹气机构(72)，所述第二吹气机构(72)的出气口设置于所述喷嘴装置(6)上，且设置于所述喷嘴装置(6)的激光出口外围；及

第三吹气机构(73)，所述第三吹气机构(73)的出气口为所述喷嘴装置(6)的激光出口。

10.根据权利要求9所述的高功率自动调焦激光头，其特征在于，所述第二吹气机构(72)的吹气口有多个，且呈环形均匀分布于所述喷嘴装置(6)。

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