CN118106625A - 椭圆切割头、激光切割装置以及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割，提供了一种椭圆切割头，包括壳体以及安设于壳体上的旋转组件，于所述旋转组件上安设光学组件，所述壳体的出射端设置有物镜，所述物镜位于光学组件的出射光路上，所述光学组件包括椭圆整型镜、锥透镜以及凸透镜，三者沿光轴方向依次设置且均与旋转组件的旋转轴同轴，所述物镜位于凸透镜的出射光路上；还提供一种激光切割装置，包括上述切割头；还提供一种椭圆切割头的安装方法。本发明提供的切割头，可以使得物镜的出射光均匀性与椭圆度均比较好，保证切割加工质量，尤其适用于高折射的特种玻璃加工，可以与其它切割头兼容同一激光器。

Description

椭圆切割头、激光切割装置以及安装方法

技术领域

本发明涉及激光切割，具体为一种椭圆切割头、激光切割装置以及安装方法。

背景技术

目前针对特殊玻璃的激光加工，对激光器提出较高要求，比如高折射玻璃激光切割时，WOP(Workshop ofPhotonics)公司采用圆锥透镜，且需要窄脉宽激光，不但加工质量难以保证，而且兼容性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种椭圆切割头、激光切割装置以及安装方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种椭圆切割头，包括壳体以及安设于壳体上的旋转组件，于所述旋转组件上安设光学组件，所述壳体的出射端设置有物镜，所述物镜位于光学组件的出射光路上，所述光学组件包括椭圆整型镜、锥透镜以及凸透镜，三者沿光轴方向依次设置且均与旋转组件的旋转轴同轴，所述物镜位于凸透镜的出射光路上。

进一步，还包括聚焦监控相机，所述聚焦监控相机位于物镜的反向透射光路上。

进一步，还包括光斑质心监控相机，于所述壳体内设置有分光镜，所述光斑质心监控相机位于分光镜的透射光路上，所述光学组件位于分光镜的反射光路上。

进一步，所述旋转组件包括旋转电机，所述旋转电机具有透光孔，所述光学组件安设于旋转电机上，且所述光学组件的光轴经过透光孔。

本发明实施例还提供一种激光切割装置，包括激光器以及上述椭圆切割头，所述壳体的入射端位于激光器的出射光路上。

本发明实施例还提供一种椭圆切割头的安装方法，包括以下步骤：

S1.调试光学组件，以使椭圆整型镜、锥透镜、凸透镜同轴；

S2.将光学组件安装于旋转组件上；

S3.调试旋转组件与光学组件，以使旋转组件的旋转轴与光学组件的光轴同轴；

S4.将调试好的旋转组件与光学组件安装于壳体内；

S5.调节外光路，使光线正入射光学组件；

S6.调试完成后使用聚焦监控相机观察，根据旋转一周，焦深内光斑状态和能量变化，确认前面调试步骤完成情况；

S7.达到能量一致性要求后，安装光斑质心监控相机，记录光斑质心位置，将其作为标准。

进一步，S1步骤中，使用另一个相同锥度的锥透镜和凸透镜组合，可以在相机中呈现正焦或者离焦的像；并且通过偏心仪，可以观察装配后锥透镜的偏心，并实时调节锥透镜位置，达到偏心度要求。

进一步，S3步骤中，安装光学组件至旋转组件上上，先用机械打表的方式检测安装的同心度和平面度，且再用光束质量分析仪，检测光斑旋转一周的变化；

装调后的光学检测结果，需要和S1步骤中偏心仪的测试结果对比。

进一步，将物镜可拆卸安装于壳体上，且光学组件的出射光正入射至物镜上。

进一步，于物镜上安装调光治具，使得物镜的出射光为一个均匀圆环，且被十字叉均分，调整椭圆光斑的的横线与十字叉的一边重合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：切割头的光学组件中，椭圆整型镜、锥透镜以及凸透镜沿光路方向依次设置，三者光轴同轴，当然应保证三者的安装精度，满足锥透镜的偏心度要求，另外将调试后的光学组件整体安装于旋转组件上，以保证光学组件的光轴与旋转组件的旋转轴同轴，由此可以使得物镜的出射光均匀性与椭圆度均比较好，尤其是针对高折射的特种玻璃加工，对于脉宽等条件不需要做特别限制，可以与其它切割头替换使用，具有较好的兼容性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的椭圆切割头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光切割装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的椭圆切割头的光路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的椭圆切割头的锥透镜的偏心度检测示意图；

图5为本发明实施例提供的椭圆切割头的光学组件安装于旋转组件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的椭圆切割头的光学组件与旋转组件调试示意图；

图7为本发明实施例提供的椭圆切割头的入射接口处设置十字叉的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的椭圆切割头的物镜正入射调试示意图；

图9为本发明实施例提供的椭圆切割头的焦深内光斑调试示意图；

图10为本发明实施例提供的椭圆切割头的光斑质心位置调试示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供一种椭圆切割头1，包括壳体11、旋转组件12以及光学组件13。壳体11为切割头1主体，旋转组件12与光学组件13均安设于壳体11上；光学组件13为切割头1的主要工作部件，激光束经过光学组件13作用后对工件进行处理，比如对高折射玻璃进行切割，光学组件13位于壳体11内；旋转组件12位切割头1的动力部件，可以采用旋转电机121，光学组件13安装于旋转电机121上，通过旋转电机121可以控制光学组件13绕旋转轴转动。另外，切割头1还包括物镜14，物镜14安设于壳体11的出射端，且位于光学组件13的出射光路上，即入射至切割头1的激光束经光学组件13作用后由物镜14射出；壳体11的出射端处设置有出射接口，物镜14可拆卸安装于该出射接口处，可以根据需要将10X、20X、50X等安装于壳体11上。

参见图1以及图3，细化光学组件13，其包括椭圆整型镜131、锥透镜132以及凸透镜133，沿壳体11内光路方向三者依次设置，即入射至切割头1的激光束依次经过椭圆整型镜131、锥透镜132以及凸透镜133，而上述物镜14位于凸透镜133的出射光路上。光学组件13的三镜片的光轴同轴设置，且当三者光轴调试完成后，将光学组件13整体安装于旋转组件12上，且调试光学组件13的光轴与旋转组件12的旋转轴同轴设置。本实施例中，旋转组件12包括旋转平台122，光学组件13安装于旋转平台122上，旋转电机121可以驱使旋转平台122绕自身轴线旋转，进而可以带动光学组件13同步旋转。旋转平台122上具有透光孔，透光孔为圆柱形通孔，旋转平台122的旋转轴即为透光孔的中轴线，当将光学组件13安设于旋转平台122上时，光学组件13的光轴与透光孔的中轴线同轴。本实施例中，通过控制椭圆整型镜131、锥透镜132、凸透镜133、旋转平台122同轴设置，保证锥透镜132的偏心度，可以使得物镜14的出射光均匀性与椭圆度均比较好，尤其是针对高折射的特种玻璃加工，对于脉宽等条件不需要做特别限制，由此可以与其它切割头1形成非常好的兼容性。

参见图1以及图9，一种实施例中，切割头1还包括聚焦监控相机15，聚焦监控相机15位于物镜14的反向透射光路上。本实施例中，增设聚焦监控相机15，当切割头1安装调试完成后，旋转电机121控制光学组件13旋转一周，通过聚焦监控相机15可以观察不同焦深位置在不同角度状态下的椭圆光斑强度均匀性。具体地，聚焦监控相机15设置于壳体11的出射端一侧，于壳体11内设置有第一反射镜111与第二反射镜112，第一反射镜111与第二反射镜112平行设置，光学组件13的出射光45度入射至第一反射镜111，第一反射镜111的反射光45度入射至第二反射镜112，第二反射镜112的反射光正入射至物镜14上，再经由物镜14正向透射至产品上，以产品为反射面，反射光经物镜14反向透射至第二反射镜112，且经第二反射镜112透射至聚焦透镜151，最后于聚焦监控相机15上成像，聚焦监控相机15作为成像仪对焦深内光斑进行分析。聚焦监控相机15与壳体11之间为可拆卸连接，其对XY方向不敏感，主要是通过滑台调节聚焦监控相机15Z方向移动，以获取焦点光斑，这里所谓的Z方向是指第二反射镜112的透射与反射方向(或者光学组件13的光轴方向)。调整产品高度到焦深内，调节聚焦透镜151位置和角度，使其成像到聚焦监控相机15上，旋转电机121旋转一周，观察不同焦深位置在不同角度状态下的椭圆光斑强度均匀性，以现有的标准检测做基准，先测试切割头1的能量分布，再把聚焦监控相机15测试的结果和标准测试结果作对比，确保其结果一致。

另外，光学组件13与物镜14的光路距离，即凸透镜133-第一反射镜111-第二反射镜112-物镜14之间的距离与传统切割头1内两个透镜之间的距离，优选方案中，该光路距离为50-200mm，且当该光路距离较小时，将光学组件13安装于旋转平台122下方(切割头1的出光方向竖直向下)，以使凸透镜133与第一反射镜111之间的距离较小；反之当该光路距离偏大时，则将光学组件13安装于旋转平台122上方，以使凸透镜133与第一反射镜111之间的距离较大，此时对透光孔的孔径具有一定要求，不小于30mm。

一种实施例中，切割头1还包括光斑质心监控相机16，于壳体11内设置分光镜113，光斑质心监控相机16位于分光镜113的透射光路上，光学组件13位于分光镜113的反射光路上。本实施例中，光斑质心监控相机16位于壳体11的出射端，当通过聚焦监控相机15检测光斑的能量一致性达到要求后，激光束进入壳体11后，经分光镜113后部分激光束进入聚焦透镜161，且于光斑质心监控相机16上形成聚焦光斑，由此通过光斑质心监控相机16可以获取光斑质心位置，且将其作为标准，且可以获取激光束入射壳体11的角度。通常于壳体11的入射端的入射接口，于该入射接口处设置有十字叉114，激光束由十字叉114处进入壳体11内，则激光束的入射角度+入射接口的十字叉114位置可以确定切割头1的入射条件。聚焦监控相机15安装位置可以用销钉固定于壳体11上，也可以一个相机调试多个切割头1，如果激光束从切割头1背面进入壳体11，则把聚焦透镜161和聚焦监控相机15一体做成可拆卸式的共用。

参见图1以及图2，本发明实施例还提供一种激光切割装置，包括激光器2以及上述切割头1，壳体11的入射端位于激光器2的出射光路上。本实施例中，将上述切割头1应用于切割装置，激光器2发出激光束经壳体11的入射接口进入光学组件13，且依次经第一反射镜111、第二反射镜112以及物镜14后对产品进行切割，能够对高折射玻璃产生较好的切割效果。另外，本发明提供的切割装置具有较好的兼容性，可以根据实际加工需要更换切割头1。切割头1可以设置多组，比如两组，激光器2发出的激光束通过扩束镜3扩束后，采用两组反射镜配合，且其中一反射镜可以反射与透射，进而能够将扩束后的激光束导入对应的切割头1。

本发明实施例还提供一种椭圆切割头1的安装方法，主要是用于上述切割头1的安装调试，具体包括以下步骤：

S1.调试光学组件13，以使椭圆整型镜131、锥透镜132、凸透镜133同轴；

S2.将光学组件13安装于旋转组件12上；

S3.调试旋转组件12与光学组件13，以使旋转组件12的旋转轴与光学组件13的光轴同轴；

S4.将调试好的旋转组件12与光学组件13安装于壳体11内；

S5.调节外光路，使光线正入射光学组件13；

S6.调试完成后使用聚焦监控相机15观察，根据旋转一周，焦深内光斑状态和能量变化，确认前面调试步骤完成情况；

S7.达到能量一致性要求后，安装光斑质心监控相机16，记录光斑质心位置，将其作为标准。

参见图1以及图4，在调试光学组件13的各镜片同轴设置时，采用偏心仪4(传统偏心仪只能检测平凸、平凹等组合透镜的焦距，或者有明确焦距的镜片组合的焦距)，通过改变传统偏心仪的成像方法，使用另一个相同锥度的锥透镜41和凸透镜42组合的方法，可以在相机43中呈现正焦或者离焦的像；并且通过旋转气浮平台，可以观察装配后锥透镜132的偏心，并实时调节锥透镜132位置，达到偏心度要求。光学组件13的另外两个镜片(凸透镜133与椭圆整型镜131)，可以用相同方式，依次安装调试锥透镜132-凸透镜133-椭圆整型镜131，进而能够保证调试后的光学组件13的各镜片光轴同轴度非常高。

参见图4-图6，而在调试旋转组件12与光学组件13时：先在光学测试平台上，于旋转电机121上安装调光治具，粗调光路，使测试光路平行正入射透光孔；然后将光学组件13安装于旋转平台122上，先用机械打表的方式检测安装的同心度和平面度；最后用光束质量分析仪123，检测光斑旋转一周的变化(光斑分布对称性、光斑位置、特征位置等)，装调后的光学检测结果，需要和光学组件13调试时偏心仪4上测试结果对比。

参见图1、图7以及图8，当将调试好的旋转组件12与光学组件13整体安装于壳体11内时，调节切割头1的外光路(激光器发出的激光束)，使激光束平行正入射光学组件13，具体是正入射椭圆整型镜131。优选方案中，于壳体11的入射接口处设置有十字叉114，激光束入射至十字叉114的中心。于壳体11内调节第一反射镜111与第二反射镜112，以使光学组件13的出射光平行正入射物镜14。优选方案中，于物镜14上安装调光治具，使得出射光为一个均匀圆环，且被十字叉114均分，调整第一反射镜111与第二反射镜112使得椭圆光斑的的横线与十字叉114的一边重合，进而可以保证物镜14的入射光为正入射。

参见图1以及图9，另外针对聚焦监控相机15，以加工产品为反射面，反射光经过物镜14、第二反射镜112衰减、聚焦透镜151成像到聚焦监控相机15上，进行焦深内光斑的分析，具体是调整产品高度到焦深内，调节聚焦透镜151位置和角度，使其成像到聚焦监控相机15上；控制旋转电机121旋转一周，观察不同焦深位置在不同角度状态下的椭圆光斑强度均匀性；以现有的标准检测做基准，先测试切割头1的能量分布，再把聚焦监控相机15测试的结果和标准测试结果作对比，确保其结果一致。

参见图1以及图10，对于光斑质心监控相机16，当通过聚焦监控相机15检测光斑的能量一致性达到要求后，激光束由壳体11的入射接口处的十字叉114中心射入，经分光镜113后部分激光束进入聚焦透镜161，且于光斑质心监控相机16上形成聚焦光斑，由此通过光斑质心监控相机16可以获取光斑质心位置，且将其作为标准，以获取激光束入射壳体11的角度，由此通过激光束的入射角度+入射接口的十字叉114位置可以确定切割头1的入射条件。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种椭圆切割头，包括壳体以及安设于壳体上的旋转组件，于所述旋转组件上安设光学组件，所述壳体的出射端设置有物镜，所述物镜位于光学组件的出射光路上，其特征在于，所述光学组件包括椭圆整型镜、锥透镜以及凸透镜，三者沿光轴方向依次设置且均与旋转组件的旋转轴同轴，所述物镜位于凸透镜的出射光路上。

2.如权利要求1所述的椭圆切割头，其特征在于，还包括聚焦监控相机，所述聚焦监控相机位于物镜的反向透射光路上。

3.如权利要求1所述的椭圆切割头，其特征在于，还包括光斑质心监控相机，于所述壳体内设置有分光镜，所述光斑质心监控相机位于分光镜的透射光路上，所述光学组件位于分光镜的反射光路上。

4.如权利要求1所述的椭圆切割头，其特征在于，所述旋转组件包括旋转电机，所述旋转电机具有透光孔，所述光学组件安设于旋转电机上，且所述光学组件的光轴经过透光孔。

5.一种激光切割装置，包括激光器，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一项所述椭圆切割头，所述壳体的入射端位于激光器的出射光路上。

6.一种椭圆切割头的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.调试光学组件，以使椭圆整型镜、锥透镜、凸透镜同轴；

S2.将光学组件安装于旋转组件上；

S3.调试旋转组件与光学组件，以使旋转组件的旋转轴与光学组件的光轴同轴；

S4.将调试好的旋转组件与光学组件安装于壳体内；

S5.调节外光路，使光线正入射光学组件；

S6.调试完成后使用聚焦监控相机观察，根据旋转一周，焦深内光斑状态和能量变化，确认前面调试步骤完成情况；

S7.达到能量一致性要求后，安装光斑质心监控相机，记录光斑质心位置，将其作为标准。

7.如权利要求6所述的椭圆切割头的安装方法，其特征在于，S1步骤中，使用另一个相同锥度的锥透镜和凸透镜组合，可以在相机中呈现正焦或者离焦的像；并且通过偏心仪，可以观察装配后锥透镜的偏心，并实时调节锥透镜位置，达到偏心度要求。

8.如权利要求7所述的椭圆切割头的安装方法，其特征在于，S3步骤中，安装光学组件至旋转组件上上，先用机械打表的方式检测安装的同心度和平面度，且再用光束质量分析仪，检测光斑旋转一周的变化；

装调后的光学检测结果，需要和S1步骤中偏心仪的测试结果对比。

9.如权利要求6所述的椭圆切割头的安装方法，其特征在于，将物镜可拆卸安装于壳体上，且光学组件的出射光正入射至物镜上。

10.如权利要求9所述的椭圆切割头的安装方法，其特征在于，于物镜上安装调光治具，使得物镜的出射光为一个均匀圆环，且被十字叉均分，调整椭圆光斑的的横线与十字叉的一边重合。