CN111558772B - 一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法 - Google Patents

一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法，解决现有激光二极管的调节余量较小及调节精度较低的问题。该激光二极管光束指向调节装置中，调节板通过连接单元安装在基座套筒内，搭载板通过俯仰调节单元与调节板连接；连接单元包括轴向连接件和压紧弹簧，轴向连接件穿过压紧弹簧、第一通孔与基座套筒连接；弹性组件包括调节弹簧和水平调节销，水平调节销的一端位于调节盲孔内，另一端抵靠在基座套筒的内壁上；调节弹簧安装在水平调节销的凹槽和调节盲孔内；调节组件包括水平调节顶丝，水平调节顶丝设置在基座套筒的筒壁上；俯仰调节单元包括支撑管、俯仰调节连接件和俯仰弹簧；俯仰调节连接件穿过支撑管、俯仰弹簧与搭载板连接。

Description

一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法。
背景技术
激光加工是将激光束照射到工件的表面，通过高能量密度的激光来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于部分激光束为不可见激光，所以在实际激光加工过程中，激光焦点不可见，不利于激光加工轨迹及焦点位置的判断，给实际加工过程带来了较大的困难。
目前，一般通过激光二极管发出可见激光与加工激光合束，实现加工激光焦点的空间指向，此种方式实现了激光焦点的可视觉化观察，便于确定激光加工轨迹以及激光焦点位置。但是，此种方式需要激光二极管在空间四维方向实现独立连续调节，且对激光加工主光路不产生影响。
中国发明专利申请“CN201620096985.7”公开了一种带指示光的激光器激光加工头，该申请描述了激光发生装置(如激光二极管)在光路中的位置及所起到的作用，然而其并没有描述如何实现激光发生装置位置的调节。
中国发明专利申请“CN201821809794.6”公开了一种激光器指示光调节结构，该申请通过指示光调节螺栓调节指示光调节弹簧的松紧，即可实现指示光轴线和目标轴线重合的调节，然而其指示光固定端盖固定槽与后镜固定端座间采用两个碟形弹簧，导致指示光的俯仰倾角调节余量极小，且其不能实现激光发生装置水平方向的平动调节，调节精度较低，不适合激光发生装置的高精度调节，所以如何方便、独立、连续地调节激光发生装置的激光束指向成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光二极管的调节余量较小、调节精度较低的问题，提供一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种激光二极管光束指向调节装置，包括基座套筒、调节板、搭载板、连接单元、水平调节单元和俯仰调节单元；所述调节板通过连接单元安装在基座套筒内，其侧面设置有调节盲孔，端面设置有轴向贯通的第一通孔和第二通孔；所述搭载板位于基座套筒内，用于安装激光二极管，同时，搭载板位于调节板的下方，通过俯仰调节单元与调节板连接；所述连接单元至少为二组，包括轴向连接件和压紧弹簧；所述轴向连接件依次穿过压紧弹簧、调节板上的第一通孔与基座套筒连接，且压紧弹簧的底端通过调节板的上端面限位；所述水平调节单元包括至少一组弹性组件和至少两组调节组件；所述弹性组件包括调节弹簧和水平调节销，所述水平调节销的一端位于调节盲孔内，另一端抵靠在基座套筒的内壁上；所述水平调节销内部设置有凹槽，所述调节弹簧安装在凹槽和调节盲孔内，使得调节板能够在基座套筒内水平移动；所述调节组件包括水平调节顶丝，所述水平调节顶丝设置在基座套筒的筒壁上，且其末端抵靠在调节板侧面，实现调节板水平位置的调整；所述俯仰调节单元至少为三组，包括支撑管、俯仰调节连接件和俯仰弹簧；所述俯仰调节连接件依次穿过支撑管、俯仰弹簧与搭载板连接，且支撑管的底端通过调节板上表面限位；所述俯仰弹簧位于第二通孔内，其顶端通过支撑管的底面限位，底端通过搭载板的上表面限位。
进一步地，所述搭载板上固定设置有安装套管，所述激光二极管设置在安装套管内，且通过设置在安装套管管壁上的安装顶丝固定。
进一步地，所述基座套筒的底端设置有环形安装凸台，所述轴向连接件穿过压紧弹簧、第一通孔后与环形安装凸台连接。
进一步地，所述调节板为圆形板，所述圆形板的侧面设置有多个安装平面，所述调节盲孔设置在安装平面上，且水平调节顶丝的末端抵靠在安装平面上。
进一步地，两组调节组件在调节板的周向呈90度布置，且弹性组件位于两组调节组件中间。
进一步地，三组俯仰调节单元中，两组俯仰调节单元在调节板的周向呈90度布置，其它一组位于两组俯仰调节单元中间。
进一步地，所述压紧弹簧和调节板之间设置有垫片。
进一步地，所述俯仰弹簧和搭载板之间设置有垫片。
同时，本发明提供一种基于上述激光二极管光束指向调节装置的调节方法，包括以下步骤：
步骤一、将激光二极管安装在激光二极管光束指向调节装置上；
步骤二、激光二极管发出指示光，根据指示光与激光焦点的偏离方向，调整俯仰调节连接件，直至加工激光束与指示光平行；
步骤三、在激光加工头同轴或旁轴侧设置摄像机，摄像机焦面与激光焦面重合；
步骤四、加工激光束在激光焦面处烧蚀形成激光光斑；
步骤五、摄像机对激光光斑与指示光的光斑进行观察，调节水平调节顶丝的位置，直至加工激光束的激光光斑与指示光的光斑重合。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明激光二极管光束指向调节装置在搭载板和调节板之间通过三个俯仰调节连接件、支撑管及俯仰弹簧固定其空间位置，三个俯仰弹簧的弹力使搭载板平衡地保持在空间某一位置，可通过X向和Y向的俯仰调节连接件调节激光二极管的空间俯仰姿态，两个方向的调节互相独立、互不影响，可连续高精度调节。
2.本发明激光二极管光束指向调节装置在调节板一端加工有调节盲孔，调节盲孔中安装与其间隙配合的水平调节销，水平调节销中的调节弹簧使其紧紧的抵靠在基座套筒内壁上，基座套筒上的水平调节顶丝与水平调节销配合可实现调节板水平位置的调整，进而实现激光二极管在空间X向和Y向的连续独立平移，且调节余量较大。
3.激光主光路中的分光镜位于本发明调节装置下方，激光二极管及其调节装置与反射镜的安装相互独立、互不影响，非常适用于激光加工设备中激光二极管等激光发生装置的空间位置及指向的高精度调节。
4.本发明激光二极管光束指向调节装置的调节板通过俯仰弹簧提供预紧力，在调节完毕后通过预紧力可实现激光二极管在空间位置的固定，使得调节板的安装比较稳固。
附图说明
图1为本发明激光二极管光束指向调节装置的外形图；
图2为本发明激光二极管光束指向调节装置(省略基座套筒)的结构示意图一；
图3为本发明激光二极管光束指向调节装置(省略基座套筒)的仰视图；
图4为本发明激光二极管光束指向调节装置(省略基座套筒)的结构示意图二；
图5为本发明激光二极管光束指向调节装置中调节板的结构示意图。
图6为本发明激光二极管光束指向调节装置中基座套筒的结构示意图；
附图标记：1-轴向连接件；2-压紧弹簧；3-俯仰调节连接件；4-基座套筒；5-支撑管；6-调节板；7-俯仰弹簧；8-搭载板；9-激光二极管；10-分光镜；11-加工激光束；12-合并光束；13-指示光；14-安装顶丝；15-水平调节顶丝；16-安装套管；17-调节弹簧；18-水平调节销，41-环形安装凸台，61-调节盲孔，62-第一通孔，63-第二通孔，64-安装平面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种激光二极管光束指向调节装置及调节方法，可实现激光二极管的俯仰调节和水平调节，使得激光焦点与指示光的光斑重合，实现了激光加工设备中激光束空间位置及指向的稳定性精密调节。同时，激光主光路中的分光镜位于本发明调节装置的下方，激光二极管及其调节装置与反射镜的安装相互独立、互不影响，非常适用于激光加工设备中激光二极管等激光发生装置的空间位置及指向的高精度调节。
如图1至图6所示，本发明激光二极管光束指向调节装置包括基座套筒4、调节板6、搭载板8、连接单元、水平调节单元和俯仰调节单元。调节板6通过连接单元安装在基座套筒4内，其侧面设置有调节盲孔61，端面设置有轴向贯通的第一通孔62和第二通孔63；搭载板8位于基座套筒4内，用于安装激光二极管9，同时，搭载板8位于调节板6的下方，通过俯仰调节单元与调节板6连接。搭载板8上固定设置有安装套管16，激光二极管9设置在安装套管16内，且通过设置在安装套管16管壁上的安装顶丝14固定。
本发明激光二极管光束指向调节装置中，连接单元至少为二组，包括轴向连接件1和压紧弹簧2。轴向连接件1具体可采用螺栓或螺钉，其依次穿过压紧弹簧2、调节板6上的第一通孔62与基座套筒4连接。压紧弹簧2的顶端通过螺栓或螺钉的头部限位，底端通过调节板6的上端面限位，且压紧弹簧2与调节板6、螺钉头部之间均设置有垫片。此时，第一通孔62的内径尺寸远远大于轴向连接件1的径向尺寸，使得调节板6在水平方向移动时，轴向连接件1不会对其产生干涉。具体的，基座套筒4的底端设置有环形安装凸台41，轴向连接件1穿过压紧弹簧2、第一通孔62后与环形安装凸台41连接。
本发明水平调节单元包括至少一组弹性组件和至少两组调节组件；两组调节组件在调节板6的周向呈90度布置，且弹性组件位于两组调节组件中间。弹性组件包括调节弹簧17和水平调节销18，水平调节销18的一端位于调节盲孔61内，另一端抵靠在基座套筒4的内壁上；水平调节销18内部设置有凹槽，调节弹簧17安装在凹槽和调节盲孔61内，使得调节板6能够在基座套筒4内水平移动。调节组件包括水平调节顶丝15，水平调节顶丝15设置在基座套筒4的筒壁上，且其末端抵靠在调节板6侧面，实现调节板6水平位置的调整。在本发明实施例中，调节板6可为圆形板，圆形板的侧面设置有多个安装平面64，调节盲孔设置在安装平面上，且水平调节顶丝的末端抵靠在安装平面上，使得调节板6水平位置的调整更为稳定。
本发明俯仰调节单元至少为三组，三组俯仰调节单元中，两组俯仰调节单元在调节板6的周向呈90度布置，其它一组位于两组俯仰调节单元中间。每组俯仰调节单元包括支撑管5、俯仰调节连接件3和俯仰弹簧7；俯仰调节连接件3具体可采用螺栓或螺钉，俯仰调节连接件3依次穿过支撑管5、俯仰弹簧7与搭载板8连接，且支撑管5的顶端通过螺栓或螺钉的头部限位，底端通过调节板6上表面限位；俯仰弹簧7位于第二通孔63内，其顶端通过支撑管5的底面限位，底端通过搭载板8的上表面限位，同时俯仰弹簧7和搭载板8之间设置有垫片。
本发明激光二极管光束指向调节装置中，搭载板8和调节板6之间通过三个螺钉(即俯仰调节连接件3)、支撑管5、垫片及俯仰弹簧7固定其空间位置，三个俯仰弹簧7的弹力使搭载板8平衡的保持在空间某一位置，任一螺钉高度的调节均可改变激光二极管9的俯仰姿态，实现了激光二极管9指向的独立调节。
本发明激光二极管光束指向调节装置中，调节板6的侧面加工有调节盲孔61，该调节盲孔61和水平调节销18为间隙配合，调节板6和调节盲孔61之间设有调节弹簧17，调节弹簧17使水平调节销18紧紧的抵靠在基座套筒4内壁上，使调节板6在不受X向水平调节顶丝15和Y向水平调节顶丝15作用时位置固定。由于调节板6水平方向一侧通过带弹簧的水平调节销18实现位置固定，当调节X向水平调节顶丝15和Y向水平调节顶丝15时，可实现调节板6在X向和Y向的水平移动，进而带动激光二极管9在X向和Y向的调节，实现指示光13的空间位置调节。
本发明激光二极管光束指向调节装置的调节板通过俯仰弹簧提供预紧力，在调节完毕后通过预紧力可实现激光二极管在空间位置的固定，使得调节板的安装比较稳固。
本发明激光二极管光束指向调节装置结构简单、成本较低，可快速独立的调节激光二极管9的空间位置及指向，激光二极管9光束指向调节过程与空间位置调节过程互不影响。同时，激光二极管9的调节过程不影响反射镜片的角度，不影响激光加工光路，非常适合激光加工设备中激光二极管9等激光发生装置的空间位置及指向高精度的调节。
如图2所示，分光镜10与加工激光束11的轴线成45°，本发明激光二极管光束指向调节装置安装在在激光加工光路中，且设置在分光镜10的上方，激光二极管9发出的指示光13与加工激光束11通过分光镜后合并为合并光束12。基于该布置，本发明提供一种基于上述激光二极管光束指向调节装置的调节方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、将激光二极管9安装在激光二极管光束指向调节装置上；
步骤二、激光二极管9通电，发出指示光13，判断激光二极管9发出的指示光与加工激光束11是否平行，若不平行，根据指示光与激光焦点的偏离方向，调整俯仰调节连接件3，直至加工激光束11与指示光束13平行；
该步骤中，通过判断不同高度的激光光斑和指示光光斑位置关系是否一致，判断激光二极管9发出的指示光与加工激光束11是否平行；
步骤三、在激光加工头(聚焦镜处)同轴或旁轴侧设置摄像机，摄像机焦面与激光焦面重合，可清晰的观测激光焦面；
步骤四、利用加工激光束在激光焦面处烧蚀形成一个十微米级激光光斑，得到实际的焦点空间位置；
步骤五、摄像机对激光光斑与指示光13的光斑进行观察，调整调节板6两侧水平调节顶丝15的位置，直至加工激光束的激光光斑与指示光13的光斑重合。

Claims (6)

1.一种基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于，所述激光二极管光束指向调节装置包括基座套筒(4)、调节板(6)、搭载板(8)、连接单元、水平调节单元和俯仰调节单元；
所述调节板(6)通过连接单元安装在基座套筒(4)内，其侧面设置有调节盲孔(61)，端面设置有轴向贯通的第一通孔(62)和第二通孔(63)；
所述搭载板(8)位于基座套筒(4)内，用于安装激光二极管(9)，同时，搭载板(8)位于调节板(6)的下方，通过俯仰调节单元与调节板(6)连接；
所述连接单元至少为二组，包括轴向连接件(1)和压紧弹簧(2)；所述轴向连接件(1)依次穿过压紧弹簧(2)、调节板(6)上的第一通孔(62)与基座套筒(4)连接，且压紧弹簧(2)的底端通过调节板(6)的上端面限位；
所述水平调节单元包括至少一组弹性组件和至少两组调节组件；所述弹性组件包括调节弹簧(17)和水平调节销(18)，所述水平调节销(18)的一端位于调节盲孔(61)内，另一端抵靠在基座套筒(4)的内壁上；所述水平调节销(18)内部设置有凹槽，所述调节弹簧(17)安装在凹槽和调节盲孔(61)内，使得调节板(6)能够在基座套筒(4)内水平移动；所述调节组件包括水平调节顶丝(15)，所述水平调节顶丝(15)设置在基座套筒(4)的筒壁上，且其末端抵靠在调节板(6)侧面，实现调节板(6)水平位置的调整；
所述俯仰调节单元至少为三组，包括支撑管(5)、俯仰调节连接件(3)和俯仰弹簧(7)；所述俯仰调节连接件(3)依次穿过支撑管(5)、俯仰弹簧(7)与搭载板(8)连接，且支撑管(5)的底端通过调节板(6)上表面限位；所述俯仰弹簧(7)位于第二通孔(63)内，其顶端通过支撑管(5)的底面限位，底端通过搭载板(8)的上表面限位；
所述搭载板(8)上固定设置有安装套管(16)，所述激光二极管(9)设置在安装套管(16)内，且通过设置在安装套管(16)管壁上的安装顶丝(14)固定；
所述基座套筒(4)的底端设置有环形安装凸台(41)，所述轴向连接件(1)穿过压紧弹簧(2)、第一通孔(62)后与环形安装凸台(41)连接；
该方法包括以下步骤：
步骤一、将激光二极管安装在激光二极管光束指向调节装置上；
步骤二、激光二极管发出指示光，根据指示光与激光焦点的偏离方向，调整俯仰调节连接件，直至加工激光束与指示光平行；
步骤三、在激光加工头同轴或旁轴侧设置摄像机，摄像机焦面与激光焦面重合；
步骤四、加工激光束在激光焦面处烧蚀形成激光光斑；
步骤五、摄像机对激光光斑与指示光的光斑进行观察，调节水平调节顶丝的位置，直至加工激光束的激光光斑与指示光的光斑重合。
2.根据权利要求1所述的基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于：所述调节板(6)为圆形板，所述圆形板的侧面设置有多个安装平面(64)，所述调节盲孔(61)设置在安装平面(64)上，且水平调节顶丝(15)的末端抵靠在安装平面(64)上。
3.根据权利要求2所述的基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于：两组调节组件在调节板(6)的周向呈90度布置，且弹性组件位于两组调节组件中间。
4.根据权利要求3所述的基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于：三组俯仰调节单元中，两组俯仰调节单元在调节板(6)的周向呈90度布置，其它一组位于两组俯仰调节单元中间。
5.根据权利要求4所述的基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于：所述压紧弹簧(2)和调节板(6)之间设置有垫片。
6.根据权利要求5所述的基于激光二极管光束指向调节装置的调节方法，其特征在于：所述俯仰弹簧(7)和搭载板(8)之间设置有垫片。
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