CN118143474B - 一种钢木家具激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢木家具激光切割装置，包括机床承载平台、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、激光切割器，激光切割器包括激光头、发射槽、激光发生器、聚焦镜组件，激光头的下端可拆卸连接有动态调焦镜筒，激光头的下端还嵌设有圆环形超声波振子，动态调焦镜筒在超声波振子的驱动下动态调整激光焦点位置，激光焦点位置在零焦处上下波动距离不超过350μm。本发明通过对激光头的下端微调并加装动态调焦镜筒，对激光切割机的整体结构并无大改动，通用性好；本发明能够用于金属、木材的切割，尤其适用于钢木家具的切割作业；切割质量好，切割效率高，切缝中不容易出现挂熔渣现象，切缝中不容易产生积渣，切割面的外观质量高。

Description

一种钢木家具激光切割装置

技术领域

本发明涉及一种钢木家具激光切割装置，属于激光切割技术领域。

背景技术

钢木家具是指钢材和木材通过物理方式组合而成的家具，其主体结构以木材（包括人造板）为板面基材，以钢材为骨架基材，配合制成的各种家具，钢材表面一般经过表面，如采用粉末静电喷涂制成涂层。

如果采用传统机械切割机对钢木家具进行切割时，尤其是对钢材和木材的复合板材进行切割时，切割钢材的阻力大，容易过热，很容易造成复合的木材发生“烧糊”，从而影响外观质量。另外，如果对已经经过表面处理的钢材进行切割时，传统机械切割机很容易造成钢材表面的涂层发生局部崩裂，需要二次修补。因此，一般为保证切割质量，通常需要使用激光切割机来对钢木家具进行切割作业。

激光切割的加工过程是由激光头、激光发生器、运动机构、控制系统等几大部分共同配合完成的，激光切割原理是用聚焦镜将激光束聚焦在工件表面使其熔化，并使激光束与切割材料沿着制定好的轨迹做相对运动，从而形成一定形状的切割产品。

在影响切割效果的全部因素中，激光焦点位置是重中之重，一旦焦点位置发生较大偏移，这将直接影响到切缝的位置发生改变，以及切缝内部光束偏差，进而影响切缝宽度，因为切缝的宽度对切割面的粗糙度、底部熔渣的附着状态等几乎所有的切割效果都将发生变化，影响产品的切割品质。

通常而言，焦点位置于工件表面称之为零焦，位于其上方称之为正焦，位于其下方则称之为负焦，激光焦点位置是指相对于待切割的工件表面而言，激光光束焦点与其之间的距离。通常，焦点位于工件表面称之为零焦，位于其上方称之为正焦，位于其下方称之为负焦。

一般而言，激光切割头透镜的焦距越短，激光焦点的深度越小，而激光切缝随焦点位置变化的幅度也会越大，当激光焦点位置位于工件表面时切缝宽度是最小的，如果改变焦点位置，不论是正离焦还是负离焦，激光切缝宽度都会变大，使用的激光切割头焦距不同，切缝变宽的程度也会不同。

在正焦切割中，在一定范围内，激光焦点位置的正离焦越大，材料表面光斑尺寸也越大，切割面就越亮越光滑。正焦切割的切割速度较慢，如果焦点过高，很容易导致切不透且返渣，并且激光头发烫等。

在负焦切割中，上部分切割幅度大，切割速度快，如果焦点过低，会不利于排渣，容易挂熔渣。

在对较厚木板的激光切割过程中，尤其是钢木板材（木材面朝上），为保证切割速度，通常都是负焦切割，再加上钢材的熔点远低于木材，这易导致切割木材产生的木屑由于未能及时汽化导致卡在切缝中，不但产生挂熔渣现象，而且还影响对激光焦点位置的判断，从而使得焦点越来越低，最终造成切缝中产生大量的积渣，有一部分积渣通常是钢渣与木屑复合并与木材切割面连接为一体，无论是采用激光二次切割处理还是机械刀片断开，都会影响切割面的外观质量。

因此，对于钢木板材的激光切割，如何在保证切割速度的同时，显著降低积渣现象，提升切割面的外观质量，是丞待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种钢木家具激光切割装置，具体技术方案如下：

一种钢木家具激光切割装置，包括机床承载平台、X向移动机构、Y向移动机构、Z向移动机构、激光切割器，所述激光切割器在Z向移动机构的驱动下沿着机床承载平台的高度方向进行升降运动，所述Z向移动机构在Y向移动机构的驱动下沿着机床承载平台的宽度方向进行平移往复运动，所述Y向移动机构在X向移动机构的驱动下沿着机床承载平台的长度方向进行平移往复运动；所述激光切割器包括激光头、与激光头同轴设置的发射槽、安装在发射槽的槽底处的激光发生器、位于发射槽内的聚焦镜组件，所述发射槽的下端延伸至激光头的下端且呈敞开设置，所述激光发生器发出的激光经过聚焦镜组件聚焦后进行切割作业，所述激光头的下端可拆卸连接有动态调焦镜筒，所述激光头的下端还嵌设有圆环形超声波振子，所述动态调焦镜筒在超声波振子的驱动下动态调整激光焦点位置，激光焦点位置在零焦处上下波动距离不超过350μm。

更进一步的改进，所述动态调焦镜筒包括外筒、安装在外筒下端的镜片件，所述镜片件的中央设置有凸透镜腔，所述凸透镜腔的内部设置有透明液体介质和位于透明液体介质上方的气体介质区，所述外筒与激光头的下端螺纹连接；所述凸透镜腔的下端面为向下凸起的球冠面，所述凸透镜腔的上端面为平面。

更进一步的改进，所述透明液体介质由水和甘油按照质量比100:2.3的质量比混合制成。

更进一步的改进，所述发射槽被聚焦镜组件分隔为位于聚焦镜组件上方的发生腔和位于聚焦镜组件下方的正压腔，所述激光头上设置有两条与正压腔相连通的气体通道。

更进一步的改进，所述凸透镜腔的四周设置有多个与正压腔相连通的喷气孔。

更进一步的改进，所述气体介质区内含有二氧化碳，所述气体介质区内二氧化碳的体积分数为23%~26%。

更进一步的改进，所述激光头的下端还设置有用来容纳超声波振子的安装槽，所述激光头上还设置有最少两条与安装槽相连通的冷却水通道。

更进一步的改进，所述激光头的外部还套设有锁紧螺圈，所述锁紧螺圈与激光头的下端螺纹连接且锁紧螺圈抵紧外筒。

更进一步的改进，所述超声波振子与镜片件之间涂覆有超声耦合剂。

更进一步的改进，所述激光头的下端还设置有圆环形的插槽，所述镜片件的上端一体连接有与插槽呈间隙配合的插圈，所述超声波振子位于插槽的外周，所述超声波振子、插圈和凸透镜腔均同轴设置。

本发明的有益效果：

1、本发明所述钢木家具激光切割装置通过对现有激光切割机的结构进行优化改进，通过对激光头的下端微调并加装动态调焦镜筒，对激光切割机的整体结构并无大改动，因此，通用性好，能够适用于市场上绝大多数的激光切割机，应用前景大。

2、本发明所述钢木家具激光切割装置能够用于金属、木材的切割，尤其适用于钢木家具的切割作业；切割质量好，切割效率高，切缝中不容易出现挂熔渣现象，切缝中不容易产生积渣，切割面的外观质量高。

附图说明

图1为本发明所述钢木家具激光切割装置的结构示意图；

图2为本发明所述激光切割器的内部示意图；

图3为本发明所述激光切割器未安装动态调焦镜筒时的示意图；

图4为本发明所述动态调焦镜筒的结构示意图；

图5为本发明所述凸透镜腔、喷气孔的分布示意图；

图6为本发明所述防护镜的结构示意图；

图7为λ与积渣总重的变化曲线图；

图8为λ与Rzd的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、2所示，所述钢木家具激光切割装置，包括机床承载平台10、X向移动机构11、Y向移动机构12、Z向移动机构13、激光切割器20，所述激光切割器20在Z向移动机构13的驱动下沿着机床承载平台10的高度方向进行升降运动，所述Z向移动机构13在Y向移动机构12的驱动下沿着机床承载平台10的宽度方向进行平移往复运动，所述Y向移动机构12在X向移动机构11的驱动下沿着机床承载平台10的长度方向进行平移往复运动；所述激光切割器20包括激光头21、与激光头21同轴设置的发射槽、安装在发射槽的槽底处的激光发生器22、位于发射槽内的聚焦镜组件23，所述发射槽的下端延伸至激光头21的下端且呈敞开设置，所述激光发生器22发出的激光经过聚焦镜组件23聚焦后进行切割作业，切割轨迹由X向移动机构11、Y向移动机构12和Z向移动机构13来控制。

在一些实施例中，机床承载平台10的台面优选为格栅结构，这便于排屑。

所述激光头21的下端可拆卸连接有动态调焦镜筒，所述激光头21的下端还嵌设有圆环形超声波振子27，所述动态调焦镜筒在超声波振子27的驱动下动态调整激光焦点位置，激光焦点位置在零焦处上下波动距离不超过λ，λ=350μm，也就是说，以零焦处为基准，激光焦点位置在零焦处之上或之下所在的位置，其与零焦处之间的最大间距不超过350μm。

如果λ越大的话，其实用性越差，因为λ过大的话，激光焦点位置依靠现有技术的升级机构即可实现。λ在50~500μm范围内变化，按照《激光切割效果表征试验》试验，积渣总重的变化曲线见图7，Rzd的变化曲线见图8，综合图7和图8可知，λ优选350μm。

实施例2

在实施例1中，如图2~5所示，所述动态调焦镜筒包括外筒31、安装在外筒31下端的镜片件32，所述镜片件32的中央设置有凸透镜腔35，所述凸透镜腔35的内部设置有透明液体介质353和位于透明液体介质353上方的气体介质区351，所述外筒31与激光头21的下端螺纹连接；所述凸透镜腔35的下端面为向下凸起的球冠面352，所述凸透镜腔35的上端面为平面。

首先，镜片件32优选透明的树脂制成，凸透镜腔35及其内部的透明液体介质353会构成凸透镜。

当超声波振子27产生超声振动时，其传递至凸透镜腔35内，会使得透明液体介质353的液面不断的波动、起伏，从而会使得激光在经过凸透镜腔35时，其最终射出的激光，其激光焦点位置也就会在小范围内不断的波动、动态调整，相当于能够对切缝中的木屑强二次、三次等多次再冲击，从而能够快速将切缝中的木屑给及时清除，一方面不易产生挂熔渣现象，切缝中不容易产生积渣，另一方面，保证切割面的外观质量。

相对于采用目前的机械升降或气缸升降来调整激光头21的高度从而来调整激光焦点位置来说，机械升降通常采用齿轮机构或者丝杠等机构，其无法在短时间（如大于10Hz）内快速微调（调整幅度在1mm以内）；退一步说，即使存在一种可以采用某特殊机械结构可以做到，但是快速微调其依赖于机械结构，高频率的快速微调会非常影响机械寿命；另外，行业公知，基于气缸/液压缸等的升降技术手段，无法用于距离的精确调整。

因此，在本发明中，利用超声波振子27作为驱动力来驱动凸透镜腔35内透明液体介质353的液面高度、形状等，从而最终可以在短时间内快速动态调整激光焦点位置；上述调整技术手段不依赖于齿轮机构或者丝杠等机构，也不依赖于气缸/液压缸等的升降机构，其结构设计巧妙。

实施例3

在实施例2中，所述透明液体介质353由水和甘油按照质量比100:2.3的质量比混合制成。

当透明液体介质353全由水制成时，由于长期使用后，气体介质区351的内壁会附着一层水膜，在不同温度下，不同区域水膜上的厚度以及均匀程度也各不相同，这会影响激光的聚焦效果；因此，一旦当激光头21表面过热时，对木材切割面来说，很容易造成木材切割面出现深色斑纹。而采用在水中添加一定的甘油，其制成的透明液体介质353在高温下的稳定性也很好，所形成的液膜的厚度以及均匀程度也相对更好，激光聚集程度更好，因此，不易散射造成木材切割面有深色斑纹出现。

而如果全部用甘油的话，液面在超声振动下，其波动效果不好。

《深色斑纹率表征试验》

选用硬槭木板样品，其厚度为2cm，随机切割20处断面，切割时激光头21表面的温度分别控制在40℃以下、75℃以下；切割后，对切割面采用酒精擦拭，擦拭干净后观察切割面并统计其表面的深色斑纹总数，深色斑纹率=深色斑纹总数/20；观察标准：深色斑纹的颜色明显大于木材本身的颜色。

水和甘油的质量比按照表1所示，其对应的深色斑纹率也见表1。

表1

在表1中，如果透明液体介质353全由水构成的话，切割时激光头21表面的温度控制在75℃以下，深色斑纹率=1.8个/面，也就是说，在20块切割面中出现的深色斑纹总数为36个。

所述气体介质区351内含有二氧化碳，所述气体介质区351内二氧化碳的体积分数为23%~26%。

所述气体介质区351是由含有高浓度二氧化碳的空气构成，是采用在空气中通入二氧化碳的方式改变操作间内空气中二氧化碳的体积分数。

在超声振动的驱动下，二氧化碳会不断的溶于水或从水中溢出，处于一个动态平衡，水中溶有一定程度的二氧化碳，在超声的作用下，能够显著提高冲击效果，也有助于发挥二次调焦作用。

如果气体介质区351内的气体只是常规空气（二氧化碳的体积分数为0.033%）的话，其余不变，最终按照《激光切割效果表征试验》试验，积渣总重为0.33g。

如果气体介质区351内二氧化碳的体积分数为5%~6%，其余不变，最终按照《激光切割效果表征试验》试验，积渣总重为0.19g。

气体介质区351不能占比过大，否则会容易造成偶尔会有一滴大水滴溅起，从而导致激光忽强忽弱，非常影响切割质量。

《激光切割均匀性表征试验》

按照《激光切割效果表征试验》试验，在切割面随机选择20处区域测量表面粗糙度，计算这20个表面粗糙度的方差值，用S表示。

在本发明中，气体介质区351的空间不大，即使偶尔有大水滴飞溅，但其不至于会整颗水滴都悬浮在空中，而是很快与气体介质区351的上端接触从而形成水膜；气体介质区351的空间内如果悬浮一滴足够大的水滴，激光如果经过该水滴时，可能会产生二次反射，从而影响激光切割质量。

气体介质区351不能占比过小，这使得透明液体介质353的液面无法产生足够大的波动，激光焦点位置的调节效果变差。

气体介质区351与透明液体介质353的不同体积比与对应的S值见表2：

表2

在本实施例中，气体介质区351与透明液体介质353的体积比为1:17，超声波振子27的超声频率为20kHz，其余参数选择最优参数，按照《激光切割效果表征试验》试验，结果见表3。

表3

参照例1

采用实施例6中的防护镜代替动态调焦镜筒且超声波振子27不启动（其对应的也就是现有普通激光切割机），对不同厚度的钢木板材样品进行激光切割，如钢木板材样品1的厚度为2cm（碳钢厚度为1cm，硬槭木厚度为1cm）、钢木板材样品2的厚度为1cm（碳钢厚度为0.5cm，硬槭木厚度为0.5cm）、钢木板材样品3的厚度为0.5cm（碳钢厚度为0.25cm，硬槭木厚度为0.25cm）、钢木板材样品4的厚度为0.2cm（碳钢厚度为0.1cm，硬槭木厚度为0.1cm），其对应的积渣总重见表4：

表4

对照例1

在本例中，所述超声波振子27不启动，其余均与实施例3相同；按照《激光切割效果表征试验》试验，结果见表3。

对照例2

在本例中，采用实施例6中的防护镜代替动态调焦镜筒，超声波振子27启动，相关参数等均与实施例3相同；按照《激光切割效果表征试验》试验，结果见表3。

对照例3

在本例中，如果所述凸透镜腔35的上端面是与球冠面352呈上下轴对称结构的凸面，而不是平面；其余均与实施例3相同；按照《激光切割效果表征试验》试验，结果见表3。

在本发明中，由于钢木板材的特殊层级结构，其木材与钢材的结合面处发生挂熔渣现象比较严重，因此需要采用动态调焦镜筒来进行调整。

《激光切割效果表征试验》

1、待切割样品板选择

钢木板材样品的厚度为2cm（碳钢厚度为1cm，木材选用1cm厚的硬槭木），碳钢板样品的厚度为2cm，硬槭木板的厚度为2cm。

激光切割参数：功率均为300W，切割速率控制在16±1mm/s，光斑大小控制在0.2mm。

2、先对待切割样品板切割一条贯穿的切割缝（长10cm），切割完毕后，使用压缩空气对着切割缝进行清理，将其内的粉尘清除，然后观察切割缝内是否有积渣。如果有积渣，利用切刀将切割缝内的积渣切除，然后将切除的积渣称重，积渣总重可反应切割缝内积渣程度；如果积渣总重=0，说明切割缝内无积渣，这在前述即可观察得到。

3、将待切割样品板切断，其断面采用非接触激光粗糙度仪Lasercheck，在线检测粗糙度，随机选取10个点测量，取最大值，其值用Rzd表示。

实施例4

在实施例2中，如图2、3所示，所述发射槽被聚焦镜组件23分隔为位于聚焦镜组件23上方的发生腔211和位于聚焦镜组件23下方的正压腔212，所述激光头21上设置有两条与正压腔212相连通的气体通道25。

压缩空气通过第一条气体通道25进入到正压腔212内，使得正压腔212内的气压大于大气压，一方面，能够有效降低外界粉尘进入到正压腔212内的几率；另一方面，第二条气体通道25用于压缩空气流出，如此，还相当于对激光头21进行风冷。可通过控制流出的开度/流量来保证正压腔212内始终处于正压。

实施例5

在实施例4中，如图4、5所示，所述凸透镜腔35的四周设置有多个与正压腔212相连通的喷气孔321。

正压腔212的内压缩空气还能够通过喷气孔321处喷出，从而能够有效吹走被激光切割产生的一些残渣。

实施例6

在实施例2中，如图2、3所示，所述激光头21的下端还设置有用来容纳超声波振子27的安装槽，所述激光头21上还设置有最少两条与安装槽相连通的冷却水通道24。

冷却水可从其中一个冷却水通道24输入，然后从另外一个冷却水通道24输出，冷却水可对激光头21和超声波振子27进行水冷。

实施例7

在实施例2中，如图2、3所示，所述激光头21的外部还套设有锁紧螺圈26，所述锁紧螺圈26与激光头21的下端螺纹连接且锁紧螺圈26抵紧外筒31；如此安装之后，能够使得动态调焦镜筒与激光头21之间能够锁紧。

实施例8

在实施例2中，为保证超声波振子27与镜片件32之间能够结合紧密，所述超声波振子27与镜片件32之间涂覆有超声耦合剂（如可选用凡士林、黄油润滑脂等），通过超声耦合剂“过渡”作用，使二者之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在界面的反射损失。

实施例9

在实施例8中，由于采用在超声波振子27与镜片件32之间涂覆超声耦合剂，为避免超声耦合剂大量外溢至正压腔212或凸透镜腔35附近，从而影响到激光的射出效果；如图2~4所示，所述激光头21的下端还设置有圆环形的插槽213，所述镜片件32的上端一体连接有与插槽213呈间隙配合的插圈33，所述超声波振子27位于插槽213的外周，所述超声波振子27、插圈33和凸透镜腔35均同轴设置。

在将动态调焦镜筒拧到激光头21下端时，可先将插圈33插入到插槽213内，然后再拧紧；由于插圈33的阻挡，超声波振子27与镜片件32之间的超声耦合剂也就无法再外溢至正压腔212或凸透镜腔35附近。

实施例10

在实施例1中，当在切割常规板材时，也就是不需要使用动态调焦镜筒时，在激光头21下端就无需安装动态调焦镜筒，安排普通的防护镜即可，如图6所示，所述防护镜也包括外筒31、安装在外筒31下端的树脂镜片32a和插圈33，树脂镜片32a在整块透明镜片，不设置凸透镜腔35及其内部的透明液体介质353等，所述树脂镜片32a相当于一块普通平面透视镜，其起防护作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢木家具激光切割装置，包括机床承载平台（10）、X向移动机构（11）、Y向移动机构（12）、Z向移动机构（13）、激光切割器（20），所述激光切割器（20）在Z向移动机构（13）的驱动下沿着机床承载平台（10）的高度方向进行升降运动，所述Z向移动机构（13）在Y向移动机构（12）的驱动下沿着机床承载平台（10）的宽度方向进行平移往复运动，所述Y向移动机构（12）在X向移动机构（11）的驱动下沿着机床承载平台（10）的长度方向进行平移往复运动；所述激光切割器（20）包括激光头（21）、与激光头（21）同轴设置的发射槽、安装在发射槽的槽底处的激光发生器（22）、位于发射槽内的聚焦镜组件（23），所述发射槽的下端延伸至激光头（21）的下端且呈敞开设置，所述激光发生器（22）发出的激光经过聚焦镜组件（23）聚焦后进行切割作业，其特征在于：所述激光头（21）的下端可拆卸连接有动态调焦镜筒，所述激光头（21）的下端还嵌设有圆环形超声波振子（27），所述动态调焦镜筒在超声波振子（27）的驱动下动态调整激光焦点位置，激光焦点位置在零焦处上下波动距离不超过350μm；

所述动态调焦镜筒包括外筒（31）、安装在外筒（31）下端的镜片件（32），所述镜片件（32）的中央设置有凸透镜腔（35），所述凸透镜腔（35）的内部设置有透明液体介质（353）和位于透明液体介质（353）上方的气体介质区（351），所述外筒（31）与激光头（21）的下端螺纹连接；所述凸透镜腔（35）的下端面为向下凸起的球冠面（352），所述凸透镜腔（35）的上端面为平面。

2.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述透明液体介质（353）由水和甘油按照质量比100:2.3的质量比混合制成。

3.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述发射槽被聚焦镜组件（23）分隔为位于聚焦镜组件（23）上方的发生腔（211）和位于聚焦镜组件（23）下方的正压腔（212），所述激光头（21）上设置有两条与正压腔（212）相连通的气体通道（25）。

4.根据权利要求3所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述凸透镜腔（35）的四周设置有多个与正压腔（212）相连通的喷气孔（321）。

5.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述气体介质区（351）内含有二氧化碳，所述气体介质区（351）内二氧化碳的体积分数为23%~26%。

6.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述激光头（21）的下端还设置有用来容纳超声波振子（27）的安装槽，所述激光头（21）上还设置有最少两条与安装槽相连通的冷却水通道（24）。

7.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述激光头（21）的外部还套设有锁紧螺圈（26），所述锁紧螺圈（26）与激光头（21）的下端螺纹连接且锁紧螺圈（26）抵紧外筒（31）。

8.根据权利要求1所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述超声波振子（27）与镜片件（32）之间涂覆有超声耦合剂。

9.根据权利要求8所述的一种钢木家具激光切割装置，其特征在于：所述激光头（21）的下端还设置有圆环形的插槽（213），所述镜片件（32）的上端一体连接有与插槽（213）呈间隙配合的插圈（33），所述超声波振子（27）位于插槽（213）的外周，所述超声波振子（27）、插圈（33）和凸透镜腔（35）均同轴设置。