CN114559167A - 一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头 - Google Patents

一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，包括共光轴依次设置的准直镜、移动镜组、聚焦镜以及两个位于移动镜组侧方的压电传动装置；压电传动装置包括传动连接杆、压电传动电机和高压直流电源；移动镜组由补偿镜和变倍镜组成，可按一定移动规律调节其在光轴上的位置，准直镜和聚焦镜的位置均固定不变；传动连接杆的两端分别连接移动镜组的镜筒和压电传动电机；高压直流电源驱动压电传动电机使移动镜组沿着光轴移动到光轴上某一精确位置，实现激光切割头的光斑变换。本发明的激光切割头能够实现移动镜组的高速、高精度独立调节，该装置可精密调节激光切割头的聚焦光斑大小和位置，以实现不同厚度金属板材的高切缝质量切割。

Description

一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头
技术领域
本发明属于光纤激光加工技术领域，特别是一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头。
背景技术
激光切割头是激光切割加工中的关键部件，其结构基本包括光学组件，移动控制组件，机械结构件等。激光切割的过程可分为穿孔和移动切割两步，首先光纤激光器发出的激光通过光纤输出——呈一定的发散角度——经过激光切割头的光学组件，利用经激光切割头聚焦的高功率密度激光束辐照工件表面，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高压气体吹除熔融金属，实现激光穿孔的目的；然后通过移动激光切割头并使其与工件保持恒定稳定的高度达到激光切割的目的。
激光切割头中的光学组件一般由准直镜(组)和聚焦镜(组)组成，目的是获得尽可能小的光斑尺寸实现高功率密度的激光焦斑，这在金属薄板切割中的效果显著。然而聚焦光斑尺寸dFocus和焦深Zd成正比，其近似关系为：
Figure BDA0003524179140000011
其中BPP表示光束参数积。这也就意味着聚焦光斑越小，焦深越短，激光发散角越大。短焦深的聚焦激光束切割厚板会导致切口倾斜角大，切缝平行度差。
激光聚焦处光斑最小，功率密度最高，但并不意味着聚焦在工件表面处切割是最好的，厚板切割需要离焦位置的光斑，利用大光斑增加切割缝宽，便于辅助气体吹除熔渣。不同的材料需要的离焦程度不同，一般规定焦点在工件上方为正离焦，在工件下方为负离焦，离焦量的选取影响切口垂直度，切缝宽度以及底部挂渣程度。
不同厚度的金属板材共用同一套激光切割光学系统无法全部满足切割质量优异的要求。其原因在于，切割金属薄板时，需要能量密度高的小光斑以满足切缝窄、切割速度快的需求；切割金属厚板时，需要发散角小、焦深长的大光斑以满足切缝宽、切割面垂直度好的需求。针对上述技术痛点，需要设计一款焦点位置独立可调和焦斑直径可连续变倍的激光切割头。
在准直镜(组)和聚焦镜(组)中间插入变倍扩束的镜组，通过改变变倍扩束镜组在光轴上的位置即可实现变焦的功能。由于激光切割头长期工作于数千瓦甚至万瓦级的激光功率条件下，其空间光学系统必须具备最少的元件，最简单的结构，因此如何在镜片最少、结构最简化的条件下能够保证连续变焦功能是光学设计的难点。其次，由于变焦激光切割头需要能够独立调整焦点位置和焦斑直径，要求使变倍镜和补偿镜独立可调，因此传统成像系统中的变焦凸轮结构并不适用，如何研究新的变焦曲线的拟合及运动控制方案成为难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，实现移动镜组的高速、高精度独立调节，该装置可精密调节激光切割头的焦斑大小和位置，以实现不同厚度金属板材的高切缝质量切割。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，包括共光轴依次设置的准直镜、移动镜组、聚焦镜所共同构成的光学组件，以及两个位于移动镜组侧方的压电传动装置。
所述压电传动装置包括传动连接杆、压电传动电机和高压直流电源。
准直镜和聚焦镜的位置均固定不变。
移动镜组由补偿镜和变倍镜构成，通过两个压电传动装置按照运动轨迹曲线分别控制补偿镜和变倍镜的位置。补偿镜和变倍镜分别带有镜筒。传动连接杆一端连接镜筒，另一端连接压电传动电机。高压直流电源驱动压电传动电机使移动镜组沿着光轴移动到光轴上某一精确位置，实现激光切割头的光斑变换。
激光光源出射的激光经过准直镜进行准直后，再经移动镜组后进入聚焦镜，在聚焦镜后方的焦点处聚焦，实现激光切割。
进一步地，所述基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的变焦方法，包括以下步骤：
步骤1、根据实际加工场景中激光切割头的光斑调节倍率需求，结合补偿镜和变倍镜在光轴上的运动轨迹曲线，找到移动镜组在光轴上的一组坐标。
步骤2、以光学组件放大倍率MS＝1.2倍处的移动镜组在轴位置记为压电传动电机的零位。
步骤3、分别控制补偿镜和变倍镜所连接的压电传动电机，通过高压直流电源驱动直流伺服驱动电机实现移动镜组的位移，即粗调。位移量由步骤1中的坐标和步骤2的位置之间的差值的整数位决定。
步骤4、通过高压直流电源驱动压电陶瓷驱动器实现移动镜组的位移，即精调。位移量由步骤1中的坐标和步骤2的位置之间的差值的小数位决定，通过线性编码器实现移动镜组微米量级的精准控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明可精密调节激光切割头的焦斑大小和位置，以满足不同厚度金属板材的高切缝质量切割。
(2)移动镜组可实现高速、高精度独立移动。
(3)摒弃凸轮机械结构变焦方式使得光学装调简易便捷，另一方面也避免了透镜旋转前进在变焦前后光轴一致性误差引入的像差。
(4)本发明提出的变焦方法使透镜及机械镜框沿光轴平移，可以给镜筒增加水冷套筒，而不用担心水管随镜筒旋转发生弯折的情况出现，因此本发明的激光切割头适用于高功率激光切割领域。
附图说明
图1为本发明的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的结构示意图。
图2为本发明的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的压电传动电机的结构示意图。
图3为本发明的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的变焦调节示意图。
图4为本发明的变倍镜和补偿镜在光轴上的运动轨迹曲线图。
图5为本发明的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头在不同放大倍率处的焦点可调范围。
图6为焦点调节符号规则示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明所述的一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，包括共光轴依次设置的准直镜1、移动镜组、聚焦镜4所共同构成的光学组件，以及两个位于移动镜组侧方的压电传动装置5；压电传动装置5包括传动连接杆6、压电传动电机7和高压直流电源8；准直镜1和聚焦镜4的位置均固定不变；移动镜组由补偿镜2和变倍镜3构成，通过两个压电传动装置5按照运动轨迹曲线分别控制补偿镜2和变倍镜3的位置；补偿镜2和变倍镜3分别带有镜筒；传动连接杆6一端连接镜筒，另一端连接压电传动电机7；高压直流电源8驱动压电传动电机7使移动镜组沿着光轴移动到光轴上某一精确位置，实现激光切割头的光斑变换。激光光源出射的激光经过准直镜1进行准直后，再经移动镜组后进入聚焦镜4，在聚焦镜4后方的焦点处聚焦，实现激光切割。
结合图3，通过光学设计软件ZEMAX的仿真可得本发明的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的变焦调节示意图。通过基于最小二乘法的宏语言编程可精确的得出放大倍率和移动镜组移动量的关系曲线，建立沿光轴的坐标系，可得图4的关系曲线。
结合图4，当补偿镜2、变倍镜3在运动轨迹曲线上任意一组点处时，光学组件的垂轴放大倍率被唯一确定，垂轴放大倍率范围为1.2-4.0倍。
在上述系统中，准直镜1为非球面平凸透镜，其焦距为102.55mm，入射面为平面，出射面曲率半径为-45.88mm，圆锥系数为1.46，4阶项为2.33E-6，6阶项为4.08E-9。补偿镜2为正弯月透镜，其焦距为233.45mm，入射面曲率半径为60mm，出射面曲率半径为132.849mm，用于补偿因光束扩束倍率改变引起的像面处的光斑焦移。补偿镜2在光轴上的坐标移动范围为30.02-98.70mm。变倍镜3为双凹负透镜，其焦距为-84.28mm，入射面曲率半径为-99.53mm，出射面曲率半径为62.7mm，用于将激光束扩束传输，通过改变变倍镜3在光轴上的位置以实现不同的光束扩束倍率。变倍镜3在光轴上的坐标移动范围为125.06-181.36mm。聚焦镜4为非球面平凸透镜，其焦距为99.61mm，入射面曲率半径为44.78mm，出射面为平面，圆锥系数为-1，用于将激光束聚焦于待加工工件的工作面。
结合图2，压电传动电机7包括直流伺服驱动电机71、压电陶瓷驱动器72、线性编码器73和锁固连接件74。压电陶瓷驱动器72固定在直流伺服驱动电机71的丝杠上，线性编码器73位于丝杠的伸出端面，锁固连接件74用于连接传动连接杆6和压电陶瓷驱动器72。通过线性编码器73计量移动镜组的位移长度。压电传动电机7由高压直流电源8驱动，直流伺服驱动电机71最大行程为100mm，压电陶瓷驱动器72最大行程为150μm，线性编码器73精度为2μm。
结合图4，根据实际加工场景中激光切割头的光斑调节需求，可得到移动镜组在光轴上的一组坐标，分别控制补偿镜2和变倍镜3所连接的压电传动电机7，通过高压直流电源8驱动直流伺服驱动电机71实现移动镜组的高速位移，接着通过高压直流电源8驱动压电陶瓷驱动器72实现移动镜组的高精度位移，并利用线性编码器73记录位移量，可实现移动镜组微米量级的精准控制，提高激光加工的精细程度。此外，本发明的激光切割头可根据实际加工场景中的焦点调节需求，在放大倍率一定的条件下，移动补偿镜2实现焦点的上下调节，且光斑大小在±5％的变化范围可认为基本不变，在放大倍率MS＝4.0时的焦点调节范围达到+16/-31mm。
结合图5，随着放大倍率的增大，焦点的可调范围也在增大，在放大倍率MS＝4.0时，焦点的可调范围为+16至-31mm，这里采用的符号规则与激光切割领域的一致，即固定倍率下的焦点位置规定为“0焦”，一般在工件的上表面，焦点位置在“0焦”位置上方则为正离焦，符号为正，反之则为负。图6展示了离焦的符号规则示意图。虽然放大倍率小的光路结构焦点可调范围小，但是其光斑尺寸小，应用于薄板切割，需要的离焦量也小。相反，放大倍率大的光路结构聚焦光束光斑尺寸大，焦深长，应用于厚板切割，需要的焦点可调范围大。
本发明提出的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，是一种移动镜组可实现高速、高精度独立移动以实现焦斑大小和位置独立可调的激光切割头。与传统成像镜头的凸轮驱动变焦方式相比，本发明采用的压电传动电机驱动变焦方式可实现移动镜组沿光轴平移，装调简易便捷，同时也避免了透镜旋转前进在变焦前后光轴一致性误差引入的像差。本发明可精密调节激光切割头的焦斑大小，也可通过单独控制补偿镜实现焦点的上下调节，以满足不同厚度金属板材的高切缝质量切割。

Claims (6)

1.一种基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，其特征在于：包括共光轴依次设置的准直镜（1）、移动镜组、聚焦镜（4）所共同构成的光学组件，以及两个位于移动镜组侧方的压电传动装置（5）；
所述压电传动装置（5）包括传动连接杆（6）、压电传动电机（7）和高压直流电源（8）；
准直镜（1）和聚焦镜（4）的位置均固定不变；
移动镜组由补偿镜（2）和变倍镜（3）构成，通过两个压电传动装置（5）按照运动轨迹曲线分别控制补偿镜（2）和变倍镜（3）的位置；补偿镜（2）和变倍镜（3）分别带有镜筒；传动连接杆（6）一端连接镜筒，另一端连接压电传动电机（7）；高压直流电源（8）驱动压电传动电机（7）使移动镜组沿着光轴移动到光轴上某一精确位置，实现激光切割头的光斑变换；
激光光源出射的激光经过准直镜（1）进行准直后，再经移动镜组后进入聚焦镜（4），在聚焦镜（4）后方的焦点处聚焦，实现激光切割。
2.根据权利要求1所述的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，其特征在于：当补偿镜（2）、变倍镜（3）在运动轨迹曲线上任意一组点处时，光学组件的垂轴放大倍率被唯一确定，垂轴放大倍率范围为1.2-4.0倍；同时，焦点处光斑大小变化不超过±5%时的焦点位置与像面位置的差值即为焦点的可调范围，且在放大倍率 M s =4.0时的焦点调节范围达到+16/-31mm。
3.根据权利要求2所述的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，其特征在于：所述准直镜（1）为非球面平凸透镜，其入射面为平面，出射面曲率半径为-45.88mm，圆锥系数为1.46，4阶项为2.33E-6，6阶项为4.08E-9；
所述补偿镜（2）为正弯月透镜，入射面曲率半径为60mm，出射面曲率半径为132.849mm，用于补偿因光束扩束倍率改变引起的像面处的光斑焦移；补偿镜（2）在光轴上的坐标移动范围为30.02-98.70mm；
所述变倍镜（3）为双凹负透镜，入射面曲率半径为-99.53mm，出射面曲率半径为62.7mm，用于将激光束扩束传输，通过改变变倍镜（3）在光轴上的位置以实现不同的光束扩束倍率；变倍镜（3）在光轴上的坐标移动范围为125.06-181.36mm；
所述聚焦镜（4）为非球面平凸透镜，入射面曲率半径为44.78mm，出射面为平面，圆锥系数为-1，用于将激光束聚焦于待加工工件的表面。
4.根据权利要求3所述的关于基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，其特征在于：所述压电传动电机（7）包括直流伺服驱动电机（71）、压电陶瓷驱动器（72）、线性编码器（73）和锁固连接件（74）；
压电陶瓷驱动器（72）固定在直流伺服驱动电机（71）的丝杠上，线性编码器（73）位于丝杠的伸出端面，锁固连接件（74）用于连接传动连接杆（6）和压电陶瓷驱动器（72）；通过线性编码器（73）计量移动镜组的位移长度。
5.根据权利要求4所述的关于基于逆压电效应调节的变焦激光切割头，其特征在于：所述压电传动电机（7）由高压直流电源（8）驱动，直流伺服驱动电机（71）最大行程为100mm，压电陶瓷驱动器（72）最大行程为150μm，线性编码器（73）精度为2μm。
6.一种基于权利要求1~5中任意一项所述的基于逆压电效应调节的变焦激光切割头的变焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据实际加工场景中激光切割头的光斑调节倍率需求，结合补偿镜（2）和变倍镜（3）在光轴上的运动轨迹曲线，找到移动镜组在光轴上的一组坐标；
步骤2、以光学组件放大倍率M s =1.2倍处的移动镜组在轴位置记为压电传动电机（7）的零位；
步骤3、分别控制补偿镜（2）和变倍镜（3）所连接的压电传动电机（7），通过高压直流电源（8）驱动直流伺服驱动电机（71）实现移动镜组的位移，即粗调；位移量由步骤1中的坐标和步骤2的位置之间的差值的整数位决定；
步骤4、通过高压直流电源（8）驱动压电陶瓷驱动器（72）实现移动镜组的位移，即精调；位移量由步骤1中的坐标和步骤2的位置之间的差值的小数位决定，通过线性编码器（73）实现移动镜组微米量级的精准控制。
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