CN1137430A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

在本发明中，由能够弹性变形的材料制成的曲率可变反射器，利用由诸如空气之类的流体所提供的压力，响应于该流体压力变形为曲面镜，如此，可以高速步进地或平滑地改变入射会聚光学部件之激光束的直径。并且，根据工件的类型和厚度，通过步进或无级地控制流体压力，总可以用一个合适的激光束直径进行加工。

Description

激光加工装置

本发明涉及激光加工装置中激光束的传递技术，尤其涉及对激光束直径的控制技术。

图8是一个截面图，它表示如第159613/1986号日本待公开专利公报中所披露的一种传统型的曲率可变反射曲面镜(凹镜)，图9是它的立体图。

图中，标号1为一个气密罐，标号2为在该气密罐顶部上形成的圆形开口，标号3为圆盘形膜片其周缘部分固定到罐1，标号4为由膜片3和罐1所限定的密封的气密空间。

标号5为调节密封空间4内压力的调压装置，它包括设置在罐1内的气道6，用以打开/关闭该气道的阀门7以及用以释放空间4内空气的泵8。

在上述构成的曲率可变反射曲面镜(凹镜)中，当阀门7打开，泵8动作时，空间4内的空气通过气道6释放，故罐1内部的压力变得比其外部的压力要低。由于这一特点，圆盘形膜片3的顶面与背面之间就产生了一个差压，为此，圆盘形膜片3将偏向其内部。

这样，作为该膜片外表面的反射面3a形成一个实际旋转的抛物面。为此，如果诸如光之类的电磁波从上方入射到该曲面镜，电磁波将通过该反射面3a几乎聚成一点。即可将该镜用作一面凹镜。

然后，当反射面3a的焦点到达预定位置时，通过关闭阀门7可以停止罐1内、外部的气流，而且，可以使圆盘形膜片3的形式保持不变。

此外，如果设计使空气通过泵8从外部送到罐1的空间4内，那么，罐1内的压力可能大于其外部的压力，这样，反射膜片3a就可能偏向其外部。由此可以形成一面凸镜。

以传统技术为基础的曲率可变反射曲面镜按上述那样构成，由此，为了改变曲率就需要通过启动泵8来改变罐1内部的压力，并且需要耗用一定的时间，直至该曲率变成预定的那样。如此，对于其加工头在一个X-Y平面上移动并进行加工的一种光扫描型激光加工装置而言，在利用上述曲率可变反射曲面镜反射激光束的情况下，很难通过结合加工头的移动高速改变激光束的直径来使入射到会聚光学元件的激光束直径保持恒定。

本发明的目的在于提供一种激光加工装置，它能够高速改变激光束反射件的曲率，同时能够自由地按需要控制其曲率。

根据本发明的激光加工装置包括：激光束反射件，其根据激光束传送路径中设置的流体压力产生弹性变形；反射件支承部，用以支承该激光束反射件的周缘部分，并连同激光束反射件在相对激光束反射表面的另一面内部限定一个空间；流体供给装置，用以将流体供给到由反射件支承部所限定的空间内；以及流体释放装置，用以从反射件支承部所限定之空间释放流体，除了流体供应通道和流体释放通道以外，所述空间封闭起来，其中，供应给空间的流体向空间外释放的流体通道通过与激光束反射面的接触而限定，使激光束反射件弹性变形所需的流体压力被加到激光束反射面。

该装置还包括连续控制所供给流体压力的流体压力控制装置，通过因弹性变形连续改变激光束反射件的曲率，连续控制入射到会聚光学部件之激光束的直径。

而且，在从流体释放装置释放使激光束反射件弹性变形所供给的流体后，还可将流体用作清洗空气通过激光束传递通道来清洗激光束传递通道的内部。

该装置还包括控制激光束反射件曲率的装置，由此，在采用光扫描型激光加工(其中加工头在一个X-Y平面上移动并进行加工)的情况下，入射到加工头上安装的会聚光学部件内的激光束的直径将保持恒定，它与加工头的位置无关。

该装置还包括控制加工头的基体或加工头上安装的会聚光学部件沿Z轴方向移动的装置，这样，Z轴方向上最小会聚光点直径的位置将保持恒定。

而且，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件，由此可以扩展激光束直径的可变范围。

而且，当控制供给空间(由反射件支承部限定)的流体压力时，还对所供给的流体压力进行监视，当所监视的流体压力与指令的压力值之间产生等于或大于预定值的差压时产生报警或停止操作。

而且，将较佳的激光束直径作为加工条件预先暂存，根据工件的质量或板厚选择其中一个激光束直径。

从以下参照附图所作的描述中，本发明的其它目的和特征将变得更加明白。

图1是一个方框图，它表示根据本发明实施例1激光加工装置的光程构造、夹具结构和管道系统；

图2是另一个方框图，它表示根据本发明实施例1的激光加工装置的光程构造以及管道系统；

图3是一个方框图，它表示将从根据本发明实施例1的激光加工装置的曲率可变反射器之夹具所释放的空气用作清洁空气的情况下的管道系统及其结构；

图4是一个方框图，它表示在根据本发明实施例1的激光加工装置的加工透镜的位置上，使激光束直径保持恒定的控制电路；

图5是一个方框图，它表示对应于根据本发明实施例1的激光加工装置从加工透镜至最小会聚点直径的距离变化，沿Z轴轴向移动加工头的控制电路；

图6是一个方框图，它表示空气压力加到根据本发明实施例1的激光加工装置的曲率可变反射器用的夹具一个报警电路；

图7是一个方框图，它表示根据本发明实施例2的激光加工装置的夹具结构和管道系统；

图8是一个截面图，它表示传统型曲率可变反射曲面镜；以及

图9是一个立体图，它表示传统型曲率可变反射曲面镜。

以下参照图1、图2、图4、图5、图6和图7，描述根据本发明的实施例1。注意，图1表示根据本发明实施例1的激光加工装置的光程构造、曲率可变反射器的夹具以及管道系统的关键部分，图2表示根据本发明实施例1的激光加工装置的光程构造以及管道系统之关键部分的另一个实施例。

图3表示在从根据本发明实施例的激光加工装置的曲率可变反射器的夹具释放空气15的情况下，其管道系统及其结构，图4表示在加工透镜29的一个位置上，使激光束直径保持在一个恒定值的控制电路，图5表示对应于从加工透镜29至最小会聚点直径的距离变化，沿Z轴轴向移动加工头28的控制电路，图6表示气压15加到曲率可变反射器的夹具9时的报警电路。

图1中，标号9为曲率可变反射器的夹具，标号10为曲率可变反射器，它是一种激光束反射件，能够根据流体压力诸如气压改变曲率，标号11为环形支承板，它是反射件支承部的关键部件，用来支承曲率可变反射器10的周缘部分，标号12为固定板，用以固定曲率可变反射器10的周缘部分，标号13为气套，标号14为进气口，设置在气套13的中部，标号15为空气，标号16为气道，以相互均匀的间距设置在环形支承板11上的几个位置，标号17为气道，设置在气套13内，并形成在环形支承板10的周缘部分上，标号18为出气口，标号19为气压计，标号20为从激光振荡器(未图示)输出的激光束，标号21为曲率可变反射器10的激光束反射面，标号22为曲率可变反射器10的激光束非反射面(背面)，标号23为固定螺钉，标号24a至24d为保持气密性的O型圈，标号25a、25b和25c为电磁阀，每个电磁阀用以使空气通/断，标号26a、26b和26c为调整器，每个调整器都用以设定气压，标号27a和27b为反射器，每个反射器都用以反射激光束20，标号28为加工头，标号29为加工透镜，它是一种由加工头28支承的会聚光学部件，标号30为加工透镜定位器，用以定位加工透镜29，标号31为加工气体进气口，标号32为加工气体，标号24e为O型圈，用以密封加工气体32，标号33为用激光束20聚焦照射的工件，标号34为控制单元。

也参见图2，标号35表示电动气动阀，用以平稳地改变供气压力。

也参见图3，标号50为流量控制器，控制与供给流体所产生的压力无关的恒定流率，标号51为清洗空气供应口，标号52为激光束传递通道，标号53为由橡胶制成的帽，用以防尘和密封，标号54为气流。

也参见图4，标号55表示曲率计算单元，根据加工透镜29位置上某一特定的激光束直径要求计算曲率可变反射器10的曲率。也参见图5，标号56表示至最小会聚点直径之距离的计算单元，计算从加工透镜29至最小会聚点直径的距离，标号57表示激光加工装置，也请参见图6，标号58表示比较器，标号59表示报警单元。

接下来描述其操作。在由一种根据流体压力而可弹性变形的材料所制成的曲率可变反射器10中，其周缘部分由环形支承板11支承，并由固定板12通过固定螺钉23固定到气套1 3而压紧到环形支承板11。另一方面，在气套13中，通过打开任何一个电磁阀25a、25b和25c，经由设置在气套13中部的进气口14提供空气15。每个调整器26a、26b和26c分别适当地安装在电磁阀25a、25b和25c的后面，通过预置每个调整器可以将压力转换至3级。这种转换是根据控制单元3的指令执行的，后者控制整个激光加工装置。

在诸如切割和焊接之类的激光加工中，进入会聚光学部件诸如加工透镜29的激光束的直径是一个极其重要的因素，因为它实际上决定了最小会聚点直径，根据工件33的类型(质量)或厚度，对每个工件都有一个最佳激光束直径。为此，在稳定条件下，根据工件33的类型和厚度改变进入会聚光学部件之激光束的直径，可以进行质量较佳的激光加工。

然后，对于由进气口14提供的空气15，构成一个流体操作通路，使空气通过环形支承板11上的几个气道16(每个气道都相互等间距地设置)并送到环形支承板11之周缘部分内设置的气道17，然后，从设置在气套13一处的出气口18释放，这一流体压力使曲率可变反射器10的形状变形为球面形，这样就可以将其用作球面镜(在本例中为凸镜)。注意，出气口18的内径与进气口14的内径相比稍小，这样，压力就可以以较小量的流率加到曲率可变反射器10的激光束非反射表面(背面)。而且，由于曲率可变反射器10的曲率可以与流体压力变化相关地改变，故其曲率也可以根据控制单元34的指令转换为三级。而且，当控制单元34根据与供应到流体操作通路的流体供应速率相关的流体压力输出一个指令时，曲率可变反射器10的曲率几乎可以同时改变。注意，O型环24a、24b、24c和24d用以保持其气密性。

另一方面，当曲率可变反射器10的形状变形为球面形时，因反射而产生象散，由激光振荡器(未图示)发射的激光束20被引入曲率可变反射器10，使其入射角尽可能的小，并通过反射器27a和27b传送到加工头28。然后，激光束通过加工透镜29聚焦，并照射到聚焦点附近的工件33上，在此步骤，根据控制单元34的指令，使加工头28或工件33移动，并使来自加工气体进气口31的加工气体32注入到与聚焦的激光束20相同的轴，由此完成诸如切割或焊接之类的加工。注意，O型环24e用以密封加工气体32，加工透镜定位器30则用以定位加工透镜29。

如图2所示，由于采用了电动气动阀35，可以平稳地改变供应气体15的压力。为此，可以根据控制单元34的指令平稳地，换句话说可以连续地改变曲率可变反射器10的曲率。

而且，在激光束传送通道中，经常进行空气清洗，防止灰尘或有毒气体进入其中，并保持激光束的稳定性，但在根据本发明将由出气口18释放的空气再次供应到激光束传送通道内部的构造中，无需按照传统技术为进行清洗而特地准备的由压缩机、干燥机和注入器或类似装置组成的清洗空气供应单元。

作为其一个具体的系统，如图3所示，通过流量控制器50(流速控制阀)使由出气口18释放的空气15的流率保持恒定，并通过清洗空气供应口51使空气连续供给激光束传送通道52，使激光束传送通道52内的空气保持在恒定水平。

当采用光扫描型激光加工装置，其中加工头28在一个X-Y平面上移动并进行加工时，通常情况下，即使采用准直也不可能使进入加工透镜29的激光束直径保持恒定，但是，采用控制单元34，通过与加工头28沿X-Y方向移动相联系地连续改变曲率可变反射器10的曲率，可以使进入加工透镜29的激光束的直径保持在一个恒定值。

作为其一个具体的系统，如图4所示，由控制单元34计算激光束从激光振荡器(未图示)至加工透镜29的传送距离，并根据该计算的传送距离，由曲率计算单元55计算曲率可变反射器10相对已定激光束直径在加工透镜29位置上所需的曲率。然后，相应于以前计算并输入到控制单元34的曲率之一，将指令送给电动气动阀35，将气压提供给曲率可变反射器的夹具9。在不采用曲率计算单元55的情况下，建议如同将气压提供给曲率可变反射器之夹具9的情况那样，为确定激光束直径所需的曲率预先准备好数据，并将该数据存储在控制单元34里。

当进入加工透镜29的激光束直径改变时，从加工透镜29至最小会聚点直径的距离也稍有变化。而且，在进行光扫描型激光加工的情况下，通过使激光束直径即使在加工头28移动时也保持恒定，从而使最小会聚点直径也能几乎保持恒定。然而，由于至最小会聚点直径的距离有可能改变，可以控制加工头28或加工透镜29沿Z轴向移动，由此将使沿Z轴向(向上或向下)的最小会聚点直径的位置保持恒定。

作为一个具体的系统，如图5所示，除了曲率计算单元55以外，还增加了用以计算至最小会聚点直径之距离的计算单元56，计算从加工透镜29至最小会聚点直径的距离，然后，控制单元34将一个指令输出到激光加工装置57，沿Z轴向移动加工头28，使其距离等于所计算的距离。

而且，多个曲率可变反射器10及其夹具9的每一个都安装在激光束传送通道内，故可以扩展激光束直径的可变范围。

而且，还监视提供给曲率可变反射器之夹具9的空气15的气压，当所监视的流体压力与控制单元34的指令压力值之间产生一个等于或大于某预定值的差压时，该状态称为异常状态，这时将产生报警或停止激光加工装置的操作。

作为一个具体的系统，如图6所示，用比较器58将由控制单元34输出至电动气动阀35的压力指令值与实际供给曲率可变反射器夹具9的流体压力进行比较，如果该差值大于预置值，将指令传送到报警单元59，发出一个报警告知该情况。

而且，还采用一种方法，根据工件33的质量或厚度，将诸如加工速度、加工量以及加工气压之类的加工条件暂存在控制单元34内，但有一个最适合工件33之特定质量或厚度的最佳激光束直径，这样，将激光束直径再次加到所暂存的加工条件项目(待暂存的激光束直径应当从预先准备的各种类型的激光束直径中选择)。然后，采用上述方法(其中采用曲率计算单元55或预先准备好激光束直径的数据)，可以控制加工透镜29位置上的激光束直径，即使加工头28移动，仍使其总是在暂存的加工条件中所暂存的条件之一。

在实施例1中，描述了一个例子，其中，曲率可变反射器10变形为球面形，但如果按图7所示设计夹具的结构和激光加工装置之管道系统的结构，则空气从进气口43a进入，同时，电磁阀25d和25e关闭，流体可以加到由活塞41和气缸(1)40所限定的空间，活塞41按图中箭头所指方向运动，沿气缸(1)40和气缸(2)42滑动，由此将压力加到激光束非反射面(背面)的一侧，使曲率可变反射器10的形状可以改变为凹镜形状。注意，在实施例1中，通过开启电磁阀25d和25e并从进气口43b供入空气，也可以将曲率可变反射器10的形状改变为凸镜形状。照此，采用上述结构，可以将曲率可变反射器或者用作凹镜或者用作凸镜，这样就可以扩展激光束直径的可变范围了。

在实施例1中，曲率可变反射器10在压力未施加其上时为一个平面镜，但是，这块镜面也可以是凹镜或者凸镜。

而且，在实施例1中，平面镜的壁厚是均匀的，但也可以根据从平面镜中心到周缘部分的距离来改变其壁厚，以获得一种理想的球面形曲率。

而且，在实施例1中，将空气用作加压的流体，但它不必局限于空气，其它类型的气体也可以采用。而且，它也不一定局限于气体，诸如水之类的液体也可以采用。

而且，在图1中，电磁阀的数量为三个，其压力在三级之内转换，但它们不必局限于三级，对于电磁阀的数量以及转换的级数并无特别的限定。注意，如果采用许多的电磁阀，也可以获得许多的激光束直径，这将确保进行更好和更稳定的激光加工。

而且，在实施例1中，用以加压的空气也可以用于清洗，但该空气也可以用作为激光加工所需的加工气体。

如上所述，采用本发明，激光加工装置包括：激光束反射件，其根据激光束传送路径中设置的流体压力而发生弹性变形；反射件支承部，用以支承该激光束反射件的周缘部分，并连同激光束反射件在相对激光束反射表面的另一面内部限定一个空间；流体供给装置，用以将流体供给到由反射件支承部所限定的空间内；以及流体释放装置，用以释放由反射件支承部所限定之空间的流体，所述空间被封闭起来(除了一个流体供应通道和一个流体释放通道)，其中，供应给空间的流体向空间外释放的流体通道通过与激光束反射面的接触而限定，使激光束反射件发生弹性变形所需的流体压力被加到激光束反射面，这样，通过快速改变激光束反射件的曲率，可以按需要以高速控制激光束的直径，同时，激光束反射件因流体的加入而冷却，由此可以防止激光束反射件因激光束照射而产生的热变形。

该装置还包括流体压力控制装置，它可以通过激光束反射件的弹性变形连续改变激光束反射件的曲率，并通过连续控制所加流体的压力，可以连续控制入射到会聚光学部件之激光束的直径。

而且，在为了使激光束反射件发生弹性变形所供给的流体从流体释放装置释放后，将流体供给到激光束传递通道，并最为一种清洗空气清洗激光束传递通道内部，由此可以简化激光束加工装置的结构，并且还可以降低其运行成本。

该装置还包括控制激光束反射件曲率的装置，由此，当采用光扫描型激光加工(其中加工头在一个X-Y平面上移动并进行加工)时，入射到加工头上安装的会聚光学部件内的激光束的直径将保持恒定，它与加工头的位置无关。这样，可以以稳定的水平进行高质量的激光加工。

该装置还包括控制加工头的基体或加工头上安装的会聚光学部件沿Z轴方向移动的装置，这样，Z轴方向上最小会聚光点直径的位置将保持恒定，由此可以以稳定的水平进行高质量的激光加工。

而且，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件，由此可以扩展激光束直径的可变范围。

而且，当控制供给空间(由反射件支承部限定)的流体压力时，还对所供给的流体压力进行监视，当所监视的流体压力与指令的压力值之间产生等于或大于预定值的差压时，可以产生报警或停止操作。

而且，较佳的每一个激光束直径作为加工条件之一预先进行暂存，根据工件的质量或板厚选择所述激光束直径之一，由此可以以稳定的水平进行高质量的激光加工。

尽管本发明为了进行清楚的说明而参照特定的实施例来加以描述，但根据所附的权利要求书，本发明并不局限于此，对于本领域的熟练人员来讲还可以在此基础上进行各种修改和变化，但它们均属于本发明的基本教导范围内。

Claims (16)

1.一种激光加工装置，通过用会聚光学部件聚焦由激光振荡器发射的激光束，进行诸如切割或焊接之类的加工，其特征在于包括：

激光束反射件，根据在所述激光束的传递通道内设置的流体压力而弹性变形；

反射件支承部，支承所述激光束反射件的周缘部分，并连同所述激光束反射件在相对激光束反射面的一面内限定一个空间；

流体供给装置，将流体供给到由所述反射件支承部所限定的空间；以及

流体释放装置，释放从所述反射件支承部所限定的空间流出的流体，其中，除了流体供应通道和流体释放通道以外，所述空间可密封，并将使所述激光束反射件作弹性变形所需的流体压力加到所述激光束反射表面。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，在为了使激光束反射件弹性变形所供给的流体从所述流体释放装置释放后，将该流体加到激光束传递通道，作为清洗空气清洗所述激光束传递通道的内部。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括控制加工头的基体或所述加工头上安装的会聚光学部件沿Z轴方向移动的装置，这样，所述Z轴方向上最小会聚光点直径的位置将保持恒定。

4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件。

5.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括当控制供给由所述反射件支承部所限定之空间的流体的压力时，用以监视所供给流体之压力的装置，当所监视的流体压力与指令的压力值之间产生等于或大于预定值的差压时产生报警或停止操作。

6.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，将较佳的激光束直径作为加工条件之一预先暂存，根据工件的质量或板厚选择其中一个激光束直径。

7.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括连续控制所加流体压力的流体压力控制装置，其中，通过因所述激光束反射件的弹性变形而连续改变该激光束反射件的曲率，连续控制入射所述会聚光学部件之激光束的直径。

8.如权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括控制激光束反射件曲率的装置，由此，当采用光扫描型激光加工，其中加工头在一个X-Y平面上移动并进行加工时，入射到加工头上安装的会聚光学部件的激光束的直径将保持恒定，它与加工头的位置无关。

9.如权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件。

10.如权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，将较佳的激光束直径作为加工条件之一预先暂存，根据工件的质量或板厚选择其中一个激光束直径。

11.如权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，在为了使激光束反射件弹性变形所供给的流体从所述流体释放装置释放后，将该流体加到激光束传递通道，作为清洗空气清洗所述激光束传递通道的内部。

12.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件。

13.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括控制激光束反射件曲率的装置，由此，当采用光扫描型激光加工，其中加工头在一个X-Y平面上移动并进行加工时，入射到加工头上安装的会聚光学部件的激光束的直径将保持恒定，它与加工头的位置无关。

14.如权利要求13所述的激光加工装置，其特征在于，在激光束传递通道内设置多个因流体压力而弹性变形的激光束反射件。

15.如权利要求13所述的激光加工装置，其特征在于，将较佳的激光束直径作为加工条件之一预先暂存，根据工件的质量或板厚选择其中一个激光束直径。

16.如权利要求13所述的激光加工装置，其特征在于进一步包括控制加工头的基体或所述加工头上安装的会聚光学部件沿Z轴方向移动的装置，这样，所述Z轴方向上最小会聚光点直径的位置将保持恒定。

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