CN112723733B - 用于玻璃管切割的激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于玻璃管切割的激光切割装置，包括：激光器；贝塞尔光束切割头，沿光路传播方向位于激光器的下游，用于将激光器发出的激光光束转变为贝塞尔光束并聚焦；同轴视觉系统，设置在贝塞尔光束切割头的入光口，用于根据贝塞尔光束的焦点对待切割的玻璃管进行定位；工装机构，贝塞尔光束切割头安装在工装机构的Z轴模组，并能够在Z轴模组的带动下进行高度调节，以对焦点的位置进行调节；玻璃管安装在工装机构，并位于贝塞尔光束切割头的下方，且玻璃管在工装机构的带动下能够进行位置调节和自转，以使贝塞尔光束切割头对玻璃管进行旋转切割。本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置，切割精度和良率大幅提高。

Description

用于玻璃管切割的激光切割装置

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种用于玻璃管切割的激光切割装置。

背景技术

玻璃管由于其优良的物理性能，广泛应用于医疗、化工、航天等行业领域。因此玻璃管的切割生产在上述行业中是必然的需求。目前现有的玻璃管的切割方法包括采用电热组缠绕及导热油和冷却液形成的应力作用，使玻璃管切断。此种方法属于物理切割方法，不仅切割过程对环境造成一定污染，切割良率非常低，而且切割后的玻璃管断面粗糙度较高。此外，采用玻璃管激光切割设备进行玻璃管切割，其设备中分别采用了激光器通过聚焦透镜组形成高功率密度的聚焦光束或者等离子体对玻璃管进行切割，切割良率有所提高，但是切割后的玻璃管断面粗糙度仍然较高，达不到微米量级。

随着激光精密制造与加工的发展，越来越多的超精细加工已成为市场主流趋势。例如5G行业LCP的精密切割，智能穿戴手表等内部零件精密加工等，其中玻璃管的精密切割需求也非常明显，对于精度更高良率更高的切割设备的需求越来越迫切。

发明内容

本发明提供一种用于玻璃管切割的激光切割装置，用以解决现有技术中玻璃管切割精度低、良率低的缺陷。

本发明提供一种用于玻璃管切割的激光切割装置，包括：激光器；贝塞尔光束切割头，沿光路传播方向位于所述激光器的下游，用于将所述激光器发出的激光光束转变为贝塞尔光束并聚焦；同轴视觉系统，设置在所述贝塞尔光束切割头的入光口，用于根据所述贝塞尔光束的焦点对待切割的玻璃管进行定位；工装机构，所述贝塞尔光束切割头安装在所述工装机构的Z轴模组，并能够在所述Z轴模组的带动下进行高度调节，以对所述焦点的位置进行调节；所述玻璃管安装在所述工装机构，并位于所述贝塞尔光束切割头的下方，且所述玻璃管在所述工装机构的带动下能够进行位置调节和自转，以使所述贝塞尔光束切割头对所述玻璃管进行旋转切割。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述工装机构包括位于所述贝塞尔光束切割头下方的工装夹具，所述工装夹具包括：中心轴；表盘，套接在所述中心轴的外部，且所述表盘上沿所述表盘的圆周方向形成有多个等角度设置的刻度；夹道安装板，套接在所述中心轴的外部，并位于所述表盘的下方；多个能够自转的夹道，安装在所述夹道安装板，每个所述夹道与一个所述刻度对应设置，且多个所述夹道的中心位于同一圆周，所述夹道用于夹持所述玻璃管；其中，在所述中心轴的带动下，所述表盘和所述夹道能够围绕所述中心轴旋转。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，每个所述夹道为夹持尺寸可调节的夹道。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述夹道的数量为8个。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述工装机构还包括：X轴和Y轴模组，设置在所述夹道安装板的下方，且与所述工装夹具连接，以调整所述玻璃管的位置。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述工装机构还包括电控模块，与所述中心轴和所述夹道电连接，用于控制所述夹道进行公转或者自转。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述工装机构还包括软件控制模块，用于控制所述X轴和Y轴模组、所述Z轴模组以及所述中心轴的启停。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述激光器能够根据位置触发信号实现激光器高低电平转换，且所述激光器的脉宽范围为：100fs-15ps。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，还包括光路传播系统，所述光路传播系统包括：扩束镜，按照光路传播方向设置在所述激光器的下游，并位于所述同轴视觉系统的上游。

根据本发明提供的一种用于玻璃管切割的激光切割装置，所述光路传播系统还包括：反射镜，按照光路传播方向设置在所述扩束镜的下游，并位于所述同轴视觉系统的上游。

本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置，通过将激光光束转变为贝塞尔光束并聚焦，利用同轴视觉系统和工装机构对玻璃管进行定位，实现了玻璃管的旋转切割。此种切割方法精度高，切割断面均匀，切割断面的表面粗糙度可以达到1um-3um，切割良率大幅提高，且没有玻璃管切断瞬间发生崩开伤害操作人员的风险，安全性较高。同时本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置适用于各种玻璃管，适用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于玻璃管切割的激光切割装置的示意图；

图2是图1中示出的工装夹具的结构示意图；

附图标记：

1：激光器； 2：扩束镜； 3：反射镜；

4：同轴视觉系统； 5：贝塞尔光束切割头； 10：工装夹具；

11：Z轴模组； 12：X轴和Y轴模组； 101：中心轴；

102：表盘； 103：夹道安装板； 104：夹道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1和图2描述本发明的用于玻璃管切割的激光切割装置。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，用于玻璃管切割的激光切割装置包括：激光器1、同轴视觉系统4、贝塞尔光束切割头5和工装机构。同轴视觉系统4设置在贝塞尔光束切割头5的入光口，激光器1发出的激光光束经过同轴视觉系统4后入射至贝塞尔光束切割头5，贝塞尔光束切割头5用于将激光器1发出的激光光束转变成贝塞尔光束并聚焦。贝塞尔光束切割头5安装在工装机构的Z轴模组11上，并能够在Z轴模组11的带动下在竖直方向移动，以对聚焦后的贝塞尔光束的焦点位置进行调节。玻璃管安装在工装机构，并位于贝塞尔聚焦光束的正下方，且玻璃管在工装机构的带动下能够自转，以对玻璃管进行旋转切割。

具体来说，玻璃管安装在工装机构上，工装机构根据同轴视觉系统4获取到的贝塞尔光束的焦点位置调整玻璃管的位置，使玻璃管外表面的最高点位于贝塞尔聚焦光束的正下方，也即与玻璃管中心所在的竖直平面距离最大的点位于贝塞尔聚焦光束的下方。驱动工装机构的Z轴模组11，带动贝塞尔光束切割头5进行高度调节，使贝塞尔聚焦光束的焦深贯穿于玻璃管的上半部内外管壁，工装机构带动玻璃管围绕自身的圆周方向自转，以切割该玻璃管。

进一步地，本发明实施例提供的激光切割装置可以对所有透明脆性玻璃管进行切割，具体来说，透明脆性玻璃管包括普通玻璃管、石英玻璃管、蓝宝石玻璃管以及其他种类的玻璃管，该玻璃管可以为空心的玻璃管，也可以为实心的玻璃管。

在本发明的一个实施例中，工装机构可以包括X轴和Y轴模组12、Z轴模组11和工装夹具10，玻璃管安装在工装夹具10的夹道104中，夹道104可以自转，工装夹具10安装在X轴和Y轴模组12上，在X轴和Y轴模组12的驱动下，工装夹具10带动玻璃管进行自身位置的调节，以与贝塞尔聚焦光束对齐，进一步地，贝塞尔光束切割头5安装在Z轴模组11上，并在Z轴模组11的驱动下进行高度调节，以将贝塞尔聚焦光束聚焦在玻璃管外表面的最高点。

进一步地，工装夹具10上可以安装多个夹道104，同时工装夹具10可以旋转，在一个玻璃管切割完毕后，工装夹具10转动，使另一个玻璃管外表面的最高点位于贝塞尔聚焦光束的正下方，夹道104自转，以对第二个玻璃管进行旋转切割。转盘继续转动，直至转盘上的所有玻璃管切割完毕。

进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，同轴视觉系统4为同轴视觉系统CCD4。

本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置，通过将激光光束转变为贝塞尔光束并聚焦，利用同轴视觉系统和工装机构对玻璃管进行定位，实现了玻璃管的旋转切割。此种切割方法精度高，切割断面均匀，切割断面的表面粗糙度可以达到1um-3um，切割良率大幅提高，且没有玻璃管切断瞬间发生崩开伤害操作人员的风险，安全性较高。同时本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置适用于各种玻璃管，适用性强。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，工装机构包括X轴和Y轴模组12，用于根据同轴视觉系统4获取到的贝塞尔光束的焦点对待切割的玻璃管的位置进行调节。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，工装机构包括工装夹具10，工装夹具10位于贝塞尔光束切割头5的下方。具体来说，工装夹具10包括：中心轴101、表盘102、夹道安装板103和夹道104。表盘102和夹道安装板103均套接在中心轴101的外部，且在中心轴101的带动下，表盘102和夹道安装板103能够围绕中心轴101旋转。表盘102上沿其圆周方向形成有多个等角度设置的刻度，夹道安装板103位于表盘102的下方，且夹道安装板103上与每个刻度相对应的位置安装有一个夹道104，并且所有夹道104的中心位于同一圆周，夹道104用于夹持待切割的玻璃管。

具体地，工装夹具10安装在X轴和Y轴模组12，并在X轴和Y轴模组12的驱动下能够在水平面进行位置调节，以使待切割的玻璃管外表面的最高点位于贝塞尔聚焦光束的正下方。

进一步地，在本发明的一个实施例中，工装机构还包括电控模块，用于控制夹道104公转或者自转。具体来说，电控模块可控制中心轴101旋转，中心轴101带动表盘102和夹道安装板103旋转，夹道安装板103旋转进而带动夹道104围绕中心轴101公转。同时电控模块也可控制每个夹道104沿玻璃管的圆周方向进行自转，以进行旋转切割。

在实际使用过程中，根据同轴视觉系统4获取到的贝塞尔光束的焦点，X轴和Y轴模组12驱动工装夹具10在水平面移动，进而带动玻璃管进行移动，以使待切割的玻璃管外表面的最高点位于贝塞尔聚焦光束的正下方。

电控模块控制夹道104自转，对夹道104内安装的玻璃管进行旋转切割。当该玻璃管切割完毕后，电控模块控制中心轴101旋转，带动表盘102和夹道安装板103转动，表盘102每次转动一个刻度，夹道安装板103与表盘102同步转动，使夹道安装板103上与该刻度相对应的夹道104转动至贝塞尔聚焦光束的正下方，此时，电控模块控制处于贝塞尔聚焦光束下的夹道104自转，以完成该玻璃管的旋转切割。

进一步地，在本发明的一个实施例中，夹道安装板103上共安装有8个夹道104，相应地，表盘102上相邻两个刻度之间的角度为45°。表盘102每转动45°，对应地，夹道安装板103也转动45°，第二个夹道104正好转动至第一个已完成切割的夹道104的位置，以对第二个夹道104中安装的玻璃管进行切割。

可以理解的是：夹道安装板103上可安装多个夹道104，仅需保证每个夹道104等间距设置，且每个夹道104的中心位于同一圆周即可，即夹道安装板103每转动一次，相邻的夹道104即可处于适合切割的位置，而不仅仅局限于本发明一个实施例所列举的数量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，激光器1配置有位置同步输出(PSO,position synchronized output)功能，即激光器1能够根据位置触发信号反馈，实现激光器1高低电平的转换。可选地，在本实施例中，激光器1的脉宽范围为：100fs-15ps。激光器1的波长可以为红外波段，也可以为绿光波段，可以理解的是：激光器1具体波段的选择与待切割玻璃管的吸收波长有关，其波段可根据具体待切割的玻璃管的材质进行设定。

进一步地，夹道104的自转路径为圆形轨迹，轨迹半径为待切割玻璃管的外径周长。夹道104自转的速度通常受限于所设置的激光器1的重复频率和PSO脉冲间距。除此之外，还需通过激光器1上位机软件设置合适的激光器重复频率、脉冲数Burst以及激光功率等相关激光工艺参数。

具体地，夹道104的自转速度与PSO脉冲间距和激光器脉冲重复频率三者之间有一个制约关系，即：

夹道104自转速度≤PSO脉冲间距×激光器脉冲重复频率。

进一步地，每个夹道104的夹持尺寸均可进行调节，以夹持不同尺寸的玻璃管。在本发明的一个实施例中，可选地，夹道104的形状为圆形夹道。

可以理解的是：本发明实施例提供的夹道104的形状不局限于圆形，其不仅可以夹持圆形的玻璃管，也可夹持方形的玻璃管。

进一步地，在本发明的一个实施例中，工装机构还包括软件控制模块，用于控制X轴和Y轴模组12、Z轴模组11以及中心轴101的启停。同时，软件控制模块端还可以设置PSO脉冲间距值、夹道104自转的路径以及夹道104自转速度。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，用于玻璃管切割的激光切割装置还包括光路传播系统，光路传播系统包括：扩束镜2和反射镜3。具体来说，按照光路传播方向，扩束镜2位于激光器1的下游，反射镜3位于扩束镜2的下游，并位于同轴视觉系统4的上游。

具体地，激光器1发出的高斯激光光束，在经过可调倍数的扩束镜2后，经由二维光束反射镜3反射进入同轴视觉系统4中，然后进入贝塞尔光束切割头5，产生用于切割玻璃管的贝塞尔聚焦光束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，扩束镜2为可调倍数的扩束镜，其可调的倍数为2-10倍。反射镜3为二维光束反射结构，其可根据玻璃管与激光器1之间的位置关系进行选择设置。

以下以切割一个外径为2.0mm，内径为0.7mm的K9玻璃空心管作为实施例详细说明本发明实施例提供的用于玻璃管切割的激光切割装置的工作过程。

首先，进行工装夹具10的安装与上料，调节夹道104的半径，将待切割的玻璃管固定在每个夹道104中，并将工装夹具10安装在X轴和Y轴模组12上。根据同轴视觉系统4获取到的贝塞尔光束的焦点，驱动X轴和Y轴模组12，使其中一个待切割的K9玻璃管外表面的最高点位于贝塞尔聚焦光束的正下方，驱动Z轴模组11，带动贝塞尔光束切割头5在高度方向进行移动，使得贝塞尔聚焦光束的焦深贯穿于K9玻璃管上半部内外管壁。

在软件控制模块端设置夹道104自转的路径、自转速度以及PSO脉冲间距。切割轨迹半径为待切割K9玻璃管的外径2.0mm，切割速度即夹道104自转速度为300mm/s～500mm/s，PSO脉冲间距为3um～5um，激光器1重复频率为50kHz～200kHz，脉冲数Burst为1～10，激光功率为20W～30W，激光器1的波长为1064nm。

最后在软件控制模块端启动夹道104自转的运动，实现单根玻璃管贝塞尔成丝切割。

按照提前设置的参数，旋转中心轴101，使其转动角度45°，开始下一根K9玻璃管的切割，切割参数不变。以此类推，即可完成夹道安装板103上8根K9玻璃管的精密切割。

切割后的玻璃管可机械裂片或者CO₂激光器裂片等均可。裂片后的断面均匀，粗糙度可达到1um-3um。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，包括：

激光器；

贝塞尔光束切割头，沿光路传播方向位于所述激光器的下游，用于将所述激光器发出的激光光束转变为贝塞尔光束并聚焦；

同轴视觉系统，设置在所述贝塞尔光束切割头的入光口，用于根据所述贝塞尔光束的焦点对待切割的玻璃管进行定位；

工装机构，所述贝塞尔光束切割头安装在所述工装机构的Z轴模组，并能够在所述Z轴模组的带动下进行高度调节，以对所述焦点的位置进行调节；

所述玻璃管安装在所述工装机构，并位于所述贝塞尔光束切割头的下方，且所述玻璃管在所述工装机构的带动下能够进行位置调节和自转，以使所述贝塞尔光束切割头对所述玻璃管进行旋转切割；其中，所述工装机构包括位于所述贝塞尔光束切割头下方的工装夹具，所述工装夹具包括：

中心轴；

表盘，套接在所述中心轴的外部，且所述表盘上沿所述表盘的圆周方向形成有多个等角度设置的刻度；

夹道安装板，套接在所述中心轴的外部，并位于所述表盘的下方；

多个能够自转的夹道，安装在所述夹道安装板，每个所述夹道与一个所述刻度对应设置，且多个所述夹道的中心位于同一圆周，所述夹道用于夹持所述玻璃管；

其中，在所述中心轴的带动下，所述表盘和所述夹道能够围绕所述中心轴旋转。

2.根据权利要求1所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，每个所述夹道为夹持尺寸可调节的夹道。

3.根据权利要求1所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述夹道的数量为8个。

4.根据权利要求1所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述工装机构还包括：

X轴和Y轴模组，设置在所述夹道安装板的下方，且与所述工装夹具连接，以调整所述玻璃管的位置。

5.根据权利要求4所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述工装机构还包括电控模块，与所述中心轴和所述夹道电连接，用于控制所述夹道进行公转或者自转。

6.根据权利要求5所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述工装机构还包括软件控制模块，用于控制所述X轴和Y轴模组、所述Z轴模组以及所述中心轴的启停。

7.根据权利要求1所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述激光器能够根据位置触发信号实现激光器高低电平转换，且所述激光器的脉宽范围为：100fs-15ps。

8.根据权利要求1所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，还包括光路传播系统，所述光路传播系统包括：

扩束镜，按照光路传播方向设置在所述激光器的下游，并位于所述同轴视觉系统的上游。

9.根据权利要求8所述的用于玻璃管切割的激光切割装置，其特征在于，所述光路传播系统还包括：

反射镜，按照光路传播方向设置在所述扩束镜的下游，并位于所述同轴视觉系统的上游。

Images