CN111702346B - 一种可变焦深激光切割头 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有的长焦深激光切割头光学参数固定导致其无法适应不同切割需求的技术问题，本发明提出了一种可变焦深激光切割头，包括光学系统和调节机构；光学系统包括沿光路依次设置的锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜；锥透镜和第一光学透镜之间为固定光学间距；第一光学透镜和第二光学透镜之间、第二光学透镜和第三光学透镜之间为可变光学间距；锥透镜用于产生无衍射光丝；第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着光学间距的调整，所述倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x‑20x；调节机构用于固定安装各光学元件并实现第一、第二、第三光学透镜之间光学间距的调节。

Description

一种可变焦深激光切割头
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，涉及一种可变焦深激光切割头。
背景技术
激光切割是一种先进的加工技术，通过聚焦到材料表面产生的热效应或高密度激光高能光子引发的光化学反应实现材料去除，有以下优势：1.加工材料无选择性；2.可调控参数多样，制造精度高；3.非接触加工，无道具磨损。同时，激光切割还具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、适应性好、维护成本低等优点。基于上述优势，目前激光切割已经大规模应用于工业生产中，通常情况下金属是激光切割的主要对象，其他加工对象还有塑料、陶瓷、硅片、玻璃等。
激光切割头是激光切割设备的核心器件之一，其性能直接决定切割质量和切割效率，激光焦深和聚焦光斑直径是激光切割头主要技术指标，为了实现较厚材料的切割，且切割边缘更为平整，通常会采用激光光学元器件实现长焦深和小聚焦光斑的汇聚光束输出，并进行加工，可以满足一般加工需求。
长焦深激光切割头可以通过多种光学原理实现，市面上也有多种对应产品，但是基本上都是光学参数固定的切割头，不能满足不同材料、不同切割厚度、不同切割质量的切割需求。
发明内容
为了解决现有的长焦深激光切割头光学参数固定导致其无法适应不同切割需求的技术问题，本发明提出了一种可变焦深激光切割头。
本发明的技术解决方案如下：
一种可变焦深激光切割头，其特殊之处在于：包括光学系统和调节机构；
所述光学系统包括沿光路依次设置的锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜；锥透镜和第一光学透镜之间为固定光学间距；第一光学透镜和第二光学透镜之间、第二光学透镜和第三光学透镜之间为可变光学间距；
锥透镜用于产生无衍射光丝；
第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着光学间距的调整，所述倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x-20x；
所述调节机构包括同轴依次设置的第一镜筒、第二镜筒和第三镜筒；
所述锥透镜和第一光学透镜固定在第一镜筒内，第二光学透镜固定在第二镜筒内，第三光学透镜固定在第三镜筒内；
定义锥透镜处为前端，第三光学透镜处为后端；
第一镜筒的后端侧壁上设置有第一轴向滑槽，第二镜筒的后端侧壁上设置有第二轴向滑槽；第二镜筒的前端侧壁上设置有第一径向螺纹孔，该第一径向螺纹孔的位置与所述第一轴向滑槽相适配；第三镜筒的前端侧壁上设置有第二径向螺纹孔，该第二径向螺纹孔的位置与所述第二轴向滑槽相适配；
第一镜筒的后端与第二镜筒的前端轴孔配合，并且在所述第一径向螺纹孔和第一轴向滑槽内安装有第一固定螺钉，该第一固定螺钉与第一轴向滑槽之间为间隙配合；在第一镜筒的后端与第二镜筒的前端外还套设有第一调节环，第一调节环的前端与第一镜筒的后端之间为螺纹配合，第一调节环的后端与第二镜筒的前端之间为螺纹配合；第一调节环前端与后端上设置的螺纹旋向相反；
第二镜筒的后端与第三镜筒的前端轴孔配合，并且在所述第二径向螺纹孔和第二轴向滑槽内安装有第二固定螺钉，该第二固定螺钉与第二轴向滑槽之间为间隙配合；在第二镜筒的后端与第三镜筒的前端外还套设有第二调节环，第二调节环的前端与第二镜筒的后端之间为螺纹配合，第二调节环的后端与第三镜筒的前端之间为螺纹配合，第二调节环的前端与后端上设置的螺纹旋向相反。
进一步地，锥透镜入射面为平面，出射面为锥面，锥角角度为2°-5°，光学间距为2.52mm；第一光学透镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为85.3mm，光学间距为8.26mm；第二光学透镜入射面为凹面，出射面为平面，入射面曲率半径为16.66mm，光学间距为2.14mm；第三光学透镜入射面和出射面均为凸面，并且入射面与出射面曲率半径均为38.43mm，光学间距为3.06mm；锥透镜和第一光学透镜之间的光学间距为60mm；第一光学透镜和第二光学透镜之间光学间距在134.8mm-146.6mm之间可调；第二光学透镜和第三光学透镜之间光学间距在5.2mm-15.7mm之间可调。
进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜的面型精度小于0.005mm。
进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜中，相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm。
进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。
进一步地，锥透镜、第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜均由熔融石英制成。
进一步地，所述第一调节环和第二调节环上均设置有表征激光光束焦深的刻度。
进一步地，所述第一轴向滑槽和第二轴向滑槽的表面粗糙度小于1.6μm。
进一步地，所述第一固定螺钉和第二固定螺钉上端为螺纹，下端为圆柱面，且圆柱面的表面粗糙度小于1.6μm。
进一步地，锥透镜和第一光学透镜采用机械压圈压紧在第一镜筒内，第二光学透镜采用机械压圈压紧在第二镜筒内，第三光学透镜采用机械压圈压紧在第三镜筒内。
与现有技术相比，本发明有益效果：
1.本发明不仅可以实现长焦深、小光斑激光光束输出，同时也可以通过调整光学元器件的光学间距，实现激光光束焦深和光斑直径的变化，满足激光切割多种应用需求。
2.本发明中的调节机构，结构简单、便于操作。
附图说明
图1是本发明可变焦深激光切割头的光学系统的光路图。
图2是本发明可变焦深激光切割头的光学系统的焦深调节原理示意图。
图3是本发明可变焦深激光切割头的结构示意图。
附图标记说明：
1-锥透镜；2-第一光学透镜；3-第二光学透镜；4-第三光学透镜；5-第一镜筒；6-第二镜筒；7-第三镜筒；8-第一调节环；9-第二调节环；10-第一固定螺钉；11-第二固定螺钉；12-第一轴向滑槽；13-第二轴向滑槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所提供的可变焦深激光切割头，包括光学系统和调节机构两部分。
一、光学系统
光学系统包括延光线入射方向依次设置的锥透镜1、第一光学透镜2、第二光学透镜3和第三光学透镜4。
锥透镜1和第一光学透镜2之间为固定光学间距；第一光学透镜2和第二光学透镜3之间、第二光学透镜3和第三光学透镜4之间为可变光学间距；
锥透镜1用于产生无衍射光丝。
第一光学透镜2、第二光学透镜3和第三光学透镜4构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着它们之间光学间距的调整，构成的倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x-20x。
为了保证较高的激光加工精度，优选的：
锥透镜1入射面为平面，出射面为锥面，锥角角度为2°-5°，锥透镜1光学间距为2.52mm，材料为熔融石英；
第一光学透镜2入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为85.3mm，第一光学透镜2光学间距为8.26mm，材料为熔融石英；
第二光学透镜3入射面为凹面，出射面为平面，入射面曲率半径为16.66mm，第二光学透镜3光学间距为2.14mm，材料为熔融石英；
第三光学透镜4入射面和出射面均为凸面，并且两个面曲率半径相同，均为38.43mm，第三光学透镜4光学间距为3.06mm，材料为熔融石英；
锥透镜1和第一光学透镜2之间的固定光学间距为60mm；第一光学透镜2和第二光学透镜3之间光学间距可在134.8mm-146.6mm之间调整；第二光学透镜3和第三光学透镜4之间光学间距可在5.2mm-15.7mm之间调整。
入射光束经过锥透镜1后产生的无衍射光丝，通过第一光学透镜2、第二光学透镜3和第三光学透镜4组成的倒置变倍缩束系统后，随着光学间距的调整，产生的聚焦光束光斑直径在3.75μm-7.5μm可调，焦深在0.45mm-1.8mm可调。
为了保证聚焦光束质量，本发明中所有光学元件的面型精度均小于0.005mm，相邻两个光学元件之间的光学间隔误差小于0.05mm，各光学元件的轴偏移小于0.02mm，角度偏移0.5′。
根据上述光学系统设计孔径要求，入射光光束直径应小于等于10mm。
二、调节机构
调节机构包括依次设置的第一镜筒5、第二镜筒6和第三镜筒7，还包括第一调节环8、第二调节环9、第一固定螺钉10、第二固定螺钉11。
锥透镜1和第一光学透镜2固定在第一镜筒5内，并采用机械压圈压紧，保证其不松动，由第一镜筒5的机械加工保证锥透镜1和第一光学透镜2之间为固定光学间距；第二光学透镜3固定在第二镜筒6内，并采用机械压圈压紧，保证其不松动；第三光学透镜4固定在第三镜筒7内，采用机械压圈压紧，保证其不松动。
为方便描述，定义锥透镜1处为前端，第三光学透镜4处为后端。
第一镜筒5的后端侧壁加工有左旋螺纹和第一轴向滑槽12，为使得调节时更顺畅，第一轴向滑槽12表面粗糙度最好小于1.6μm；第二镜筒6前端侧壁加工右旋螺纹和第一径向螺纹孔，后端加工左旋螺纹和第二轴向滑槽13，为使得调节时更顺畅，第二轴向滑槽13表面粗糙度最好小于1.6μm；第三镜筒7的前端侧壁加工右旋螺纹和第二径向螺纹孔；第一调节环8内侧壁加工两处螺纹，一处加工左旋螺纹，另一处加工右旋螺纹，且这两处螺纹的直径、螺距分别与第一镜筒5后端外侧壁的左旋螺纹和第二镜筒6前端外侧壁上的右旋螺纹相匹配；第二调节环9内侧壁加工两处螺纹，一处加工左旋螺纹，另一处加工右旋螺纹，且这两处螺纹的直径、螺距分别与第二镜筒6后端外侧壁上的左旋螺纹和第三镜筒7前端外侧壁上的右旋螺纹相匹配；第一固定螺钉10、第二固定螺钉11上端均加工有螺纹，下端均加工成圆柱面，圆柱面粗糙度最好小于1.6μm，且圆柱面直径分别与第一镜筒5、第二镜筒6上的第一轴向滑槽12和第二轴向滑槽13宽度一致，公差均为间隙配合。
第一镜筒5和第二镜筒6通过轴孔配合在一起，将第一固定螺钉10固定在第二镜筒6上的第一径向螺纹孔内，第一固定螺钉10下端圆柱面插入第一镜筒5上的第一轴向滑槽12内，第一调节环8与第一镜筒5、第二镜筒6均通过螺纹连接；
第二镜筒6和第三镜筒7通过轴孔配合在一起，将第二固定螺钉11固定在第三镜筒7上的第二径向螺纹孔内，第二固定螺钉11下端圆柱面插入第二镜筒6上的第二轴向滑槽13内，第二调节环9与第二镜筒6、第三镜筒7均通过螺纹连接。
装配完成的激光切割头可以通过转动第一调节环8实现第一镜筒5和第二镜筒6之间的轴向运动，从而调整第一光学透镜2和第二光学透镜3之间的光学间距，通过转动第二调节环9实现第二镜筒6和第三镜筒7之间的轴向运动，从而调整第二光学透镜3和第三光学透镜4之间的光学间距。
第一调节环8、第二调节环9的旋转角度决定第一光学透镜2、第二光学透镜3、第三光学透镜4之间的光学间距，该光学间距又决定聚焦光束的参数(焦深、光斑直径)，为了直接显示转动角度与焦深的对应关系，在第一调节环8、第二调节环9上设置表征激光光束焦深的刻度(例如粘贴刻度贴纸)，以便快速方便得到需要的激光光束。
激光器输出直径为8mm光束经过导光系统后进入本发明上述优选实施例所提供的可变焦深激光切割头，通过转动第一调节环8和第二调节环9，可以得到如下表显示的光束。
Figure GDA0002914716710000071

Claims (10)

1.一种可变焦深激光切割头，其特征在于：包括光学系统和调节机构；
所述光学系统包括沿光路依次设置的锥透镜(1)、第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)；锥透镜(1)和第一光学透镜(2)之间为固定光学间距；第一光学透镜(2)和第二光学透镜(3)之间、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)之间为可变光学间距；
锥透镜(1)用于产生无衍射光丝；
第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)构成倒置变倍缩束系统，光焦度始终为零，随着光学间距的调整，所述倒置变倍缩束系统的光束缩小倍率为10x-20x；
所述调节机构包括同轴依次设置的第一镜筒(5)、第二镜筒(6)和第三镜筒(7)；
所述锥透镜(1)和第一光学透镜(2)固定在第一镜筒(5)内，第二光学透镜(3)固定在第二镜筒(6)内，第三光学透镜(4)固定在第三镜筒(7)内；
定义锥透镜(1)处为前端，第三光学透镜(4)处为后端；
第一镜筒(5)的后端侧壁上设置有第一轴向滑槽(12)，第二镜筒(6)的后端侧壁上设置有第二轴向滑槽(13)；第二镜筒(6)的前端侧壁上设置有第一径向螺纹孔，该第一径向螺纹孔的位置与所述第一轴向滑槽(12)相适配；第三镜筒(7)的前端侧壁上设置有第二径向螺纹孔，该第二径向螺纹孔的位置与所述第二轴向滑槽(13)相适配；
第一镜筒(5)的后端与第二镜筒(6)的前端轴孔配合，并且在所述第一径向螺纹孔和第一轴向滑槽(12)内安装有第一固定螺钉(10)，该第一固定螺钉(10)与第一轴向滑槽(12)之间为间隙配合；在第一镜筒(5)的后端与第二镜筒(6)的前端外还套设有第一调节环(8)，第一调节环(8)的前端与第一镜筒(5)的后端之间为螺纹配合，第一调节环(8)的后端与第二镜筒(6)的前端之间为螺纹配合；第一调节环(8)前端与后端上设置的螺纹旋向相反；
第二镜筒(6)的后端与第三镜筒(7)的前端轴孔配合，并且在所述第二径向螺纹孔和第二轴向滑槽(13)内安装有第二固定螺钉(11)，该第二固定螺钉(11)与第二轴向滑槽(13)之间为间隙配合；在第二镜筒(6)的后端与第三镜筒(7)的前端外还套设有第二调节环(9)，第二调节环(9)的前端与第二镜筒(6)的后端之间为螺纹配合，第二调节环(9)的后端与第三镜筒(7)的前端之间为螺纹配合，第二调节环(9)的前端与后端上设置的螺纹旋向相反。
2.根据权利要求1所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：
锥透镜(1)入射面为平面，出射面为锥面，锥角角度为2°-5°，光学间距为2.52mm；
第一光学透镜(2)入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为85.3mm，光学间距为8.26mm；
第二光学透镜(3)入射面为凹面，出射面为平面，入射面曲率半径为16.66mm，光学间距为2.14mm；
第三光学透镜(4)入射面和出射面均为凸面，并且入射面与出射面曲率半径均为38.43mm，光学间距为3.06mm；
锥透镜(1)和第一光学透镜(2)之间的光学间距为60mm；
第一光学透镜(2)和第二光学透镜(3)之间光学间距在134.8mm-146.6mm之间可调；第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)之间光学间距在5.2mm-15.7mm之间可调。
3.根据权利要求2所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：锥透镜(1)、第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)的面型精度小于0.005mm。
4.根据权利要求3所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：锥透镜(1)、第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)中，相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm。
5.根据权利要求4所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：锥透镜(1)、第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。
6.根据权利要求5所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：锥透镜(1)、第一光学透镜(2)、第二光学透镜(3)和第三光学透镜(4)均由熔融石英制成。
7.根据权利要求1-6任一所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：所述第一调节环(8)和第二调节环(9)上均设置有表征激光光束焦深的刻度。
8.根据权利要求7所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：所述第一轴向滑槽(12)和第二轴向滑槽(13)的表面粗糙度小于1.6μm。
9.根据权利要求8所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：所述第一固定螺钉(10)和第二固定螺钉(11)上端为螺纹，下端为圆柱面，且圆柱面的表面粗糙度小于1.6μm。
10.根据权利要求9所述的可变焦深激光切割头，其特征在于：锥透镜(1)和第一光学透镜(2)采用机械压圈压紧在第一镜筒(5)内，第二光学透镜(3)采用机械压圈压紧在第二镜筒(6)内，第三光学透镜(4)采用机械压圈压紧在第三镜筒(7)内。
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