CN116160130A - 一种透明材料的高速激光切割钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，具体涉及激光切割技术领域，包括基座、竖板和横板，横板底部远离竖板的一端固定安装有激光器，基座顶部设置有承载平台，且基座与承载平台之间设置有移动机构，承载平台顶部固定设有两个垫块，竖板面向承载平台的一侧固定安装有气缸二，气缸二的输出轴端部固定连接有升降板，升降板远离竖板的一端固定连接有光束聚焦透镜，光束聚焦透镜与激光器之间设置有光束偏转组件。本发明通过对切割轨迹处的材料采用层层去除的方式，并实时调整调整驱动轮的转速，以保证合理的激光焦点的密度分布，进而避免出现漏点材料去除不掉或点太密产生材料烧结的情况，提高加工效率。

Description

一种透明材料的高速激光切割钻孔装置

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，更具体地说，本发明涉及一种透明材料的高速激光切割钻孔装置。

背景技术

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，让被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而蒸发形成孔洞，并随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，与此同时，借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一，具体可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。其中，激光汽化切割是利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气，这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口；激光熔化切割是利用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口；激光氧气切割是利用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体，喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口；激光划片与控制断裂是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。

现有技术中的激光切割钻孔机在对工件切割轨迹处的材料进行去除的过程中，容易因激光焦点的分布密度不合理而出现材料烧结或者漏点材料去除不掉的情况，从而大大影响加工效率和工件加工质量。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，通过在激光切割钻孔过程中改变光束聚焦透镜在Z轴方向上的位置来实现对工件切口区材料一层层去除，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，包括基座，所述基座顶端面一侧中部固定设有竖板，所述竖板面向基座的一侧顶端固定设有横板，所述横板底部远离竖板的一端固定安装有激光器，所述基座顶部设置有承载平台，且基座与承载平台之间设置有移动机构，所述承载平台顶部固定设有两个关于承载平台的竖直向中心轴截面呈轴对称设置的垫块，所述竖板面向承载平台的一侧固定安装有气缸二，所述气缸二的输出轴端部固定连接有升降板，所述升降板远离竖板的一端固定连接有光束聚焦透镜，所述光束聚焦透镜与激光器之间设置有光束偏转组件。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以在激光切割钻孔过程中改变光束聚焦透镜在Z轴方向上的位置来实现对工件切口区材料一层层去除，达到完美去除切割轨迹处材料的目的。

在一个优选地实施方式中，所述移动机构包括有分别开设于基座顶端面其中一组相邻侧边缘位置处的T型滑槽一以及T型滑槽二，所述T型滑槽一与T型滑槽二内部均滑动连接有T型滑块，两个T型滑块位于所在位置敞口的一端均固定设有与基座上表面呈活动贴合设置的移动块，两个移动块顶部均固定安装有气缸一，且两个气缸一的输出轴端部分别与承载平台的对应位置周侧面固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以通过X轴向和Y轴向的气缸配合，实现承载平台的精准移动。

在一个优选地实施方式中，所述光束偏转组件包括有固定安装在竖板远离承载平台一侧的伺服电机，所述伺服电机的输出轴端部活动贯穿竖板并固定连接有与竖板表面呈活动贴合设置的翻转板，所述翻转板远离竖板的一端开设有凹槽，所述翻转板顶部固定安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴端部活动贯穿翻转板并延伸至凹槽内部，且固定连接有驱动轮，所述翻转板远离竖板的一端通过轴承转动嵌装有环管，且环管贯通翻转板的上下端面，所述环管内部固定设有光束偏转透镜，所述驱动轮与环管之间通过皮带传动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以实现对激光束的偏转角大小进行调节，从而调整爆炸区的直径大小。

在一个优选地实施方式中，所述升降板中部开设有呈竖直贯穿设置的穿孔，所述竖板面向承载平台的一侧固定设有呈L型设置的引导杆，所述引导杆远离竖板的一端活动穿设于穿孔内部。

采用上述进一步方案的有益效果是：可确保升降板进行平稳地上下运动。

在一个优选地实施方式中，所述承载平台顶部中心位置设置有托块，所述托块底端面与承载平台顶端面之间固定设有立柱。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以对切割出来的余料进行托住。

在一个优选地实施方式中，两个所述垫块均为中空设置，且两个垫块顶端面均开设有与其内部空腔相连通的气孔一，两个垫块远离竖板的一侧均开设有连通孔，两个所述垫块远离竖板一侧对应连通孔的位置处均固定安装有气泵，两个垫块顶端面均固定包覆有硅胶软垫，所述硅胶软垫顶部对应气孔一的位置处开设有与气孔一相连通的气孔二。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以利用负压吸附的方式将工件牢牢固定在垫块上，避免承载平台移动的过程中导致工件发生移位。

在一个优选地实施方式中，所述承载平台顶端面靠近竖板的一侧边缘位置中部固定设有侧板，所述侧板的中心位置水平贯穿开设有通槽，所述竖板一侧底端水平贯穿嵌装有引导管，所述引导管与侧板上的通槽之间连通设有波纹软管。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以利用外接吸尘设备将切割过程中产生的材料碎屑吸走。

在一个优选地实施方式中，所述基座底部四角位置均固定设有圆环以及底部中心位置固定安装有气缸三，所述气缸三的输出轴端部固定设有圆板，所述圆板外周面固定设有四个呈环形均匀分布的直板，且四个直板与四个圆环呈一一对应设置，四个所述圆环对应所在位置直板的位置处均开设有槽口，四个所述直板远离圆板的一端穿过所在位置槽口并延伸至圆环内部，所述直板位于圆环内部的部分底端固定安装有移动轮。

采用上述进一步方案的有益效果是：可方便对该设备进行移动、固定。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过在激光切割钻孔过程中不断改变光束聚焦透镜在Z轴方向上的位置来实现对工件切口区材料一层层去除，达到完美去除切割轨迹处材料的目的，与此同时，可以通过不断调整驱动轮的转速，以保证合理的激光焦点的密度分布，进而避免出现漏点材料去除不掉，或点太密产生材料烧结的情况，提高加工效率；

2、本发明通过将垫块设计为中空设置，并利用气泵将该中空腔内的空气抽出，可利用负压吸附的方式将工件牢牢固定在垫块上，避免承载平台移动的过程中导致工件发生移位；

3、本发明通过利用波纹软管来连通引导管和侧板上的通槽，可以利用外接的吸尘设备将切割过程中产生的材料碎屑吸走，且承载平台在进行XY方向移动的过程中不会影响到材料碎屑的吸走过程；

4、本发明通过在基座底部设置升降式的移动轮，可以通过气缸三将移动轮顶出圆环至圆环的底端面与承载基面完全分离或者将移动轮完全收缩至所在位置的圆环内部，从而达到对该设备进行快速移动、固定的目的。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的图1中A部分放大图。

图3为本发明的升降板结构示意图。

图4为本发明的托块结构示意图。

图5为本发明的垫块半剖图。

图6为本发明的图1中B部分放大图。

图7为本发明的基座底视图。

图8为本发明的激光切割钻孔示意性框图。

图9为本发明的激光高速旋转摆动时的焦点分布状况。

图10为本发明的激光焦点分布在工件下表面形成的切割路径。

附图标记为：1基座、2竖板、3横板、4激光器、5承载平台、6垫块、7T型滑槽一、8T型滑槽二、9T型滑块、10移动块、11气缸一、12气缸二、13升降板、14光束聚焦透镜、15光束偏转组件、151伺服电机、152翻转板、153凹槽、154驱动电机、155驱动轮、156光束偏转透镜、16穿孔、17引导杆、18托块、19立柱、20气孔一、21连通孔、22气泵、23硅胶软垫、24气孔二、25侧板、26通槽、27引导管、28波纹软管、29圆环、30气缸三、31圆板、32直板、33槽口、34移动轮。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多示例实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的示例实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

实施例1

参照说明书附图1-4和图8-10，本发明一实施例的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，包括基座1，基座1顶端面一侧中部固定设有竖板2，竖板2面向基座1的一侧顶端固定设有横板3，横板3底部远离竖板2的一端固定安装有激光器4，基座1顶部设置有承载平台5，且基座1与承载平台5之间设置有移动机构，承载平台5顶部固定设有两个关于承载平台5的竖直向中心轴截面呈轴对称设置的垫块6，竖板2面向承载平台5的一侧固定安装有气缸二12，气缸二12的输出轴端部固定连接有升降板13，升降板13远离竖板2的一端固定连接有光束聚焦透镜14，光束聚焦透镜14与激光器4之间设置有光束偏转组件15。

进一步的，移动机构包括有分别开设于基座1顶端面其中一组相邻侧边缘位置处的T型滑槽一7以及T型滑槽二8，T型滑槽一7与T型滑槽二8内部均滑动连接有T型滑块9，两个T型滑块9位于所在位置敞口的一端均固定设有与基座1上表面呈活动贴合设置的移动块10，两个移动块10顶部均固定安装有气缸一11，且两个气缸一11的输出轴端部分别与承载平台5的对应位置周侧面固定连接。

进一步的，光束偏转组件15包括有固定安装在竖板2远离承载平台5一侧的伺服电机151，伺服电机151的输出轴端部活动贯穿竖板2并固定连接有与竖板2表面呈活动贴合设置的翻转板152，翻转板152远离竖板2的一端开设有凹槽153，翻转板152顶部固定安装有驱动电机154，驱动电机154的输出轴端部活动贯穿翻转板152并延伸至凹槽153内部，且固定连接有驱动轮155，翻转板152远离竖板2的一端通过轴承转动嵌装有环管，且环管贯通翻转板152的上下端面，环管内部固定设有光束偏转透镜156，驱动轮155与环管之间通过皮带传动连接。

需要说明的是，为了尽可能减小承载平台5移动过程中所受到的摩擦阻力，可以基座1顶端面以及承载平台5和两个移动块10的底端面均设置为光滑的平面，其中，在对目标透明材料进行激光切割钻孔时，先将工件假设在承载平台5顶部的两个垫块6顶端面之间，然后利用外部配套设置的PLC控制器来设定好相应的程序，随后启动该激光切割钻孔装置对工件进行切割钻孔，如说明书附图8所示，在进行切割钻孔的过程中，由激光器4生成整形后的纳秒脉冲激光束，并让该激光束通过光束偏转透镜156使激光束产生一定角度的折射偏转，同时，驱动电机154驱动驱动轮155转动，并通过皮带带动环管同步转动，其转速可在0-200000转/分钟之间进行调节，由于环管的转动会带动光束偏转透镜156同步转动，使得偏转后的激光束做圆周运动，而后经过光束聚焦透镜14进行聚焦，且该光束聚焦透镜14安装与Z向运动机构上，可以进行上下移动，聚焦后的激光焦点产生如说明书附图9所示的焦点轨迹，每一个激光焦点都会在工件的表面形成微小的爆炸点，从而形成如说明书附图9焦点轨迹所产生的爆炸区，再通过通过X轴向和Y轴向的气缸配合，实现推动承载平台5在XY方向上进行精准移动，形成如说明书附图10所示的切割轨迹，当爆炸区沿着切割轨迹移动一圈后，工件表面切割轨迹处将会被去除一定厚度的材料，此后光束聚焦透镜14在Z轴方向上移动一定距离，再去除第二层材料，如此反复，直至将切割轨迹处的材料完全去除。

具体地，在上述切割钻孔过程中，激光波长可以是红外、绿光或紫外等等，根据材料透光性能选择不同的波长；爆炸区的大小可以通过伺服电机151驱动翻转板152转动一定角度，从而使光束偏转透镜156发生同步偏转，以实现对激光束的偏转角大小进行调整，一般爆炸区的直径大小可以根据切割不同厚度的材料所需的切割轨迹宽度要求不一样在0.05-5mm之间调整；由于爆炸区的大小调整以及激光器4重复频率的关系，激光焦点的分布密度会发生改变，从而需要调整驱动轮155的转速，以保证合理的点的密度分布，进而避免出现漏点材料去除不掉，或点太密产生材料烧结的情况。

在本实施例中，升降板13中部开设有呈竖直贯穿设置的穿孔16，竖板2面向承载平台5的一侧固定设有呈L型设置的引导杆17，引导杆17远离竖板2的一端活动穿设于穿孔16内部，可以使升降板13在引导杆17的引导下进行平稳地上下运动，从而确保激光焦点的位置不发生移位。

在本实施例中，承载平台5顶部中心位置设置有托块18，托块18底端面与承载平台5顶端面之间固定设有立柱19，其中，托块18的上表面与垫块6的上表面呈水平共面设置，可以利用其对切割出来的余料进行托住，避免其直接掉落在承载平台5上而造成撞击破碎(如对透明玻璃进行激光切割钻孔)。

实施例2

参照说明书附图1和图5-6，本发明一实施例的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，所述的两个垫块6均为中空设置，且两个垫块6顶端面均开设有与其内部空腔相连通的气孔一20，两个垫块6远离竖板2的一侧均开设有连通孔21，两个垫块6远离竖板2一侧对应连通孔21的位置处均固定安装有气泵22，两个垫块6顶端面均固定包覆有硅胶软垫23，硅胶软垫23顶部对应气孔一20的位置处开设有与气孔一20相连通的气孔二24。

需要说明的是，在将工件放置于两个垫块6的顶端面之间后，可以通过气泵22来抽出垫块6的中空腔内部的空气，使该中空腔呈负压状态，从而将工件牢牢吸附在垫块6顶部，以避免承载平台5在进行移动的过程中导致工件发生移位，切割完成后，再通过气泵22向垫块6的中空腔内充入空气恢复其常压状态即可，此过程中，由于垫块6顶端面包覆有硅胶软垫23，可以进一步提高工件被吸附时的稳定性。

实施例3

参照说明书附图1，本发明一实施例的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，所述的承载平台5顶端面靠近竖板2的一侧边缘位置中部固定设有侧板25，侧板25的中心位置水平贯穿开设有通槽26，竖板2一侧底端水平贯穿嵌装有引导管27，引导管27与侧板25上的通槽26之间连通设有波纹软管28。

需要说明的是，工件放置在垫块6顶部进行负压吸固后，其恰好将通槽26分成上下两个部分，其中，由于在进行切割的过程中会产生材料碎屑，可以在引导管27远离波纹软管28的一端安装吸尘设备，从而利用该外接的吸尘设备将切割过程中产生的材料碎屑吸走，并且，引导管27与侧板25上的通槽26之间通过波纹软管28进行连通，使得承载平台5在进行XY方向移动的过程中不会影响到材料碎屑的吸走过程。

实施例4

参照说明书附图1和图7，本发明一实施例的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，所述的基座1底部四角位置均固定设有圆环29以及底部中心位置固定安装有气缸三30，气缸三30的输出轴端部固定设有圆板31，圆板31外周面固定设有四个呈环形均匀分布的直板32，且四个直板32与四个圆环29呈一一对应设置，四个圆环29对应所在位置直板32的位置处均开设有槽口33，四个直板32远离圆板31的一端穿过所在位置槽口33并延伸至圆环29内部，直板32位于圆环29内部的部分底端固定安装有移动轮34。

需要说明的是，直板32远离圆板31的一端面为圆弧设置，且与所在位置圆环29的内周面呈活动贴合设置，其中，当需要移动该设备时，可以通过气缸三30推动圆板31向远离基座1的一侧移动，并带动直板32同步下移，直至将移动轮34顶出圆环29，使圆环29的底端面与承载基面(即地面)完全分离即可轻松变更该设备的使用位置，反之，在移动至使用位置后，亦可快速对该设备进行固定。

在上述技术方案中，涉及到电路、电子元器件和控制模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，包括基座(1)，所述基座(1)顶端面一侧中部固定设有竖板(2)，所述竖板(2)面向基座(1)的一侧顶端固定设有横板(3)，其特征在于：所述横板(3)底部远离竖板(2)的一端固定安装有激光器(4)，所述基座(1)顶部设置有承载平台(5)，且基座(1)与承载平台(5)之间设置有移动机构，所述承载平台(5)顶部固定设有两个关于承载平台(5)的竖直向中心轴截面呈轴对称设置的垫块(6)，所述竖板(2)面向承载平台(5)的一侧固定安装有气缸二(12)，所述气缸二(12)的输出轴端部固定连接有升降板(13)，所述升降板(13)远离竖板(2)的一端固定连接有光束聚焦透镜(14)，所述光束聚焦透镜(14)与激光器(4)之间设置有光束偏转组件(15)。

2.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述移动机构包括有分别开设于基座(1)顶端面其中一组相邻侧边缘位置处的T型滑槽一(7)以及T型滑槽二(8)，所述T型滑槽一(7)与T型滑槽二(8)内部均滑动连接有T型滑块(9)，两个T型滑块(9)位于所在位置敞口的一端均固定设有与基座(1)上表面呈活动贴合设置的移动块(10)，两个移动块(10)顶部均固定安装有气缸一(11)，且两个气缸一(11)的输出轴端部分别与承载平台(5)的对应位置周侧面固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述光束偏转组件(15)包括有固定安装在竖板(2)远离承载平台(5)一侧的伺服电机(151)，所述伺服电机(151)的输出轴端部活动贯穿竖板(2)并固定连接有与竖板(2)表面呈活动贴合设置的翻转板(152)，所述翻转板(152)远离竖板(2)的一端开设有凹槽(153)，所述翻转板(152)顶部固定安装有驱动电机(154)，所述驱动电机(154)的输出轴端部活动贯穿翻转板(152)并延伸至凹槽(153)内部，且固定连接有驱动轮(155)，所述翻转板(152)远离竖板(2)的一端通过轴承转动嵌装有环管，且环管贯通翻转板(152)的上下端面，所述环管内部固定设有光束偏转透镜(156)，所述驱动轮(155)与环管之间通过皮带传动连接。

4.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述升降板(13)中部开设有呈竖直贯穿设置的穿孔(16)，所述竖板(2)面向承载平台(5)的一侧固定设有呈L型设置的引导杆(17)，所述引导杆(17)远离竖板(2)的一端活动穿设于穿孔(16)内部。

5.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述承载平台(5)顶部中心位置设置有托块(18)，所述托块(18)底端面与承载平台(5)顶端面之间固定设有立柱(19)。

6.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：两个所述垫块(6)均为中空设置，且两个垫块(6)顶端面均开设有与其内部空腔相连通的气孔一(20)，两个垫块(6)远离竖板(2)的一侧均开设有连通孔(21)，两个所述垫块(6)远离竖板(2)一侧对应连通孔(21)的位置处均固定安装有气泵(22)，两个垫块(6)顶端面均固定包覆有硅胶软垫(23)，所述硅胶软垫(23)顶部对应气孔一(20)的位置处开设有与气孔一(20)相连通的气孔二(24)。

7.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述承载平台(5)顶端面靠近竖板(2)的一侧边缘位置中部固定设有侧板(25)，所述侧板(25)的中心位置水平贯穿开设有通槽(26)，所述竖板(2)一侧底端水平贯穿嵌装有引导管(27)，所述引导管(27)与侧板(25)上的通槽(26)之间连通设有波纹软管(28)。

8.根据权利要求1所述的一种透明材料的高速激光切割钻孔装置，其特征在于：所述基座(1)底部四角位置均固定设有圆环(29)以及底部中心位置固定安装有气缸三(30)，所述气缸三(30)的输出轴端部固定设有圆板(31)，所述圆板(31)外周面固定设有四个呈环形均匀分布的直板(32)，且四个直板(32)与四个圆环(29)呈一一对应设置，四个所述圆环(29)对应所在位置直板(32)的位置处均开设有槽口(33)，四个所述直板(32)远离圆板(31)的一端穿过所在位置槽口(33)并延伸至圆环(29)内部，所述直板(32)位于圆环(29)内部的部分底端固定安装有移动轮(34)。

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