CN201456866U - 激光雕刻切割机自动实时调焦装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的提供一种激光雕刻切割机自动实时调焦装置，包括机架、工作平台、X轴直线单元、Y轴直线单元、z轴直线单元、聚焦头、超声波传感器和DSP控制系统，Y轴直线单元的导轨安装在机架上，X轴直线单元与Y轴直线单元垂直，X轴直线单元的导轨与Y轴直线单元的滑块连接，聚焦头与X轴直线单元的滑块连接，超声波传感器通过连接板固定安装在聚焦头上，z轴直线单元的轴承座固定安装在机架上，z轴直线单元的螺帽与工作平台连接，DSP控制系统通过数据线与超声波传感器、z轴直线单元的电动机连接。采用装置的激光雕刻切割机能动态的对不平工件和异形工件进行三维激光雕刻切割加工，加工速度快，精度高，结构简单，成本低。

Description

激光雕刻切割机自动实时调焦装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光雕刻切割设备，特别是涉及一种激光雕刻切割机自动实时调焦装置。

背景技术

现有普通激光雕刻切割设备，X、Y轴的二维加工只能对工件的某一平面进行加工，如果表面不平度大于±0.5毫米，就会使焦点离开工件表面，大大降低了激光加工点的功率密度，使加工质量下降甚至加工失败；而三维激光加工一般需要预先设计三维数据模型，设计三维数据模型需要成本昂贵的设备，人工设计难度大，时间长，效率低，且如果在批量加工时工件的外形误差过大也会使加工失败。

而现有的自动对焦激光雕刻切割设备有两类，一类是接触式方式，如专利号为CN00205163X的一种激光雕刻机的自动对焦构造，主要是在激光雕刻笔的笔座上垂直设立一电子式探针，该电子探针设为顶部具有凸缘的适当长度的圆管，圆管上下段各设有一凹环，供笔车座上的定位柱卡挚定位，而圆管端面的圆心处设有开孔，供内部二段式的电子感测棒突伸于外，籍由Z轴带动的平台电动上升，使加工物件表面接触到探针，并依软件所存储的镜片焦距，计算后下降至聚焦面即完成自动对焦，且电子探针在工作时可向上收合，不致触碰到工作物。但这种设备只能对平面工件进行静态对焦，使用受到局限。

另一类为非接触式CCD方式，如专利号为CN200710067504.5的一种仿形种激光加工方法，属于激光加工领域，该方法利用CCD激光位移传感器来探测激光头与被加工件之间的距离，生成被雕刻材料三维地形图，通过PID控制算法来控制激光头的位置，确保激光的焦点落在被加工件的表面，实现对异型材料进行激光切割和雕刻。以及一种激光雕刻机，包括机架，激光头，与激光头连接的X轴，Y轴飞行机构，与工作表面垂直的Z轴驱动机构，CCD激光位移传感器以及用与控制仿形雕刻的上为控制器。本发明提供一种能够实现动态调焦，在雕刻过程中实时调焦，实现异型平面雕刻的仿形激光雕刻加工方法及其激光雕刻机。但此方法为用CCD采集图象数据由电脑软件计算三维数据后进行加工，属于仿形加工需要高像数CCD和电脑和PID控制算法，成本高，使用时不能脱离电脑，现在广泛使用的脱机激光雕刻切割机使用不便，另外，由于激光头上增加电机和升降机构增加了激光头的质量，对运动速度和精度会有很大影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种激光雕刻切割机自动实时调焦装置，采用此装置的激光雕刻切割机能在雕刻切割工作过程中无接触地自动实时检测激光头与被加工物件的距离，并实时调整激光头与被加工物件之间的距离，不需要预先设计三维数据模型，能动态的对不平工件和异形工件进行三维激光雕刻切割加工，加工速度快，精度高。

为了达到上述目的，本实用新型的激光雕刻切割机自动实时调焦装置，包括机架、工作平台、X轴直线单元、Y轴直线单元、z轴直线单元和聚焦头，其特征在于：还包括超声波传感器和DSP控制系统；

Y轴直线单元的导轨安装在机架上，X轴直线单元与Y轴直线单元垂直，X轴直线单元的导轨与Y轴直线单元的滑块连接，聚焦头与X轴直线单元的滑块连接，超声波传感器通过连接板固定安装在聚焦头上，z轴直线单元的轴承座固定安装在机架上，z轴直线单元的螺帽与工作平台连接，DSP控制系统通过数据线与超声波传感器、z轴直线单元的电动机连接。

所述的z轴直线单元包括电动机、丝杆、螺帽和轴承座，轴承座在丝杆两端与丝杆滑动连接，螺帽在丝杆上与丝杆采用螺纹滑动连接，电动机的输出轴与丝杆连接，电动机为步进电机或伺服电机。

所述的机架为金属结构件，是整个激光雕刻切割机的支撑连接件。

所述的超声波传感器为非接触式超声波测距传感器，它能实时测量出被加工物件表面与聚焦头之间的距离，并把所测得的数据传送给DSP控制系统。

所述的聚焦头包括聚焦镜座、聚焦镜筒和连接板，聚焦镜座连接在X轴直线运动单元的滑块上，聚焦镜筒安装在聚焦镜座下部，连接板固定在聚焦镜筒上，连接板的作用是用来连接聚焦头与超声波传感器，聚焦镜筒还用于安装聚焦镜片。

所述的工作平台为被加工件的承载平台，工作时，被加工件置于工作平台上。

所述的DSP控制系统包括DSP、FPGA两个功能芯片，DSP从主机接收运动指令或运动指令块，并把从主机读取的大量图形数据实时的写入FPGA的RAM区，并向主机发送运行状态、位置、I/O状态等；FPGA芯片根据接收的指令，完成对电动机的运动控制，DSP具有高速浮点运算的能力，对S-曲线运动过程中的数据和一些插补算法，进行运算处理，摆脱对PC机的依赖，并把处理的数据实时地与FPGA通信。DSP控制系统还具有USB接口，可实现脱机工作，不必为每台激光雕刻切割机电脑，工业现场使用方便，成本低。

所述的X轴直线单元、Y轴直线单元为直线型运动组件，包括导轨和滑块，导轨与滑块滑动连接。

在DSP控制系统中设定被加工物件表面与聚焦头之间距离数值范围。工作时，被加工物件置于工作平台上，声波传感器便测出被加工物件表面与聚焦头之间的实际距离，实际距离的数值被发送到DSP控制系统与设定的被加工物件表面与聚焦头之间距离数值范围进行比较，如果实际距离的数值大于设定的距离数值范围，DSP控制系统发出指令使电动机旋转，带到丝杆转动，丝杆转动带到其上的螺帽向上运动，螺帽向上运动带动工作平台同其上的被加工物件一起向上运动，使被加工物件表面与聚焦头之间距离变小，使被加工物件表面与聚焦头之间距离数值达到设定的距离数值范围；相反，如果实际距离的数值小于设定的距离数值范围，DSP控制系统发出指令使反向电动机旋转，带到丝杆转动，丝杆转动带到其上的螺帽向下运动，螺帽向下运动带动工作平台同其上的被加工物件一起向下运动，使被加工物件表面与聚焦头之间距离变大，使被加工物件表面与聚焦头之间距离数值达到设定的距离数值范围。这样，能实时地保证激光聚焦后焦点与被加工物件保持最佳的雕刻切割距离。因为聚焦头与超声波传感器安装一体，测距点与激光聚焦点同步，加工轨迹一致，激光聚焦焦点不会因工件不平而偏离加工表面，确保加工效果和精度达到设计要求，无须进行预先设计三维数据。

由于z轴直线单元不在激光聚焦头上，没有增加激光头负载，对激光头运动速度，精度无影响，加工速度快，精度高.

采用本激光雕刻切割机自动实时调焦装置的激光雕刻切割机能在激光雕刻切割工作过程中无接触地自动实时检测激光头与被加工物件的距离，并实时调整激光头与被加工物件之间的距离，不需要预先设计三维数据模型，能动态的对不平工件和异形工件进行三维激光雕刻切割加工，加工速度快，精度高，结构简单，成本低。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是剖视图。

图3是聚焦头5和超声波传感器6结构示意图。

具体实施方式

图1标记说明：机架1，工作平台2，Y轴直线单元3，X轴直线单元4，聚焦头5，超声波传感器6，z轴直线单元7，DSP控制系统8。

图2标记说明：导轨9，滑块10，轴承座11，丝杆12，螺帽13，电动机14，被加工件15。

图3标记说明：聚焦镜座16，连接板17，聚焦镜筒18。

参见图1，本实用新型的激光雕刻切割机自动实时调焦装置，包括机架1、工作平台2、X轴直线单元4、Y轴直线单元3、z轴直线单元7、聚焦头5、超声波传感器6和DSP控制系统8。

Y轴直线单元3的导轨9安装在机架1上，X轴直线单元4与Y轴直线单元3垂直，X轴直线单元4的导轨9与Y轴直线单元3的滑块10连接，聚焦头5与X轴直线单元4的滑块10连接，超声波传感器6通过连接板17固定安装在聚焦头5上，z轴直线单元7的轴承座11固定安装在机架1上，z轴直线单元7的螺帽13与工作平台2连接，DSP控制系统8通过数据线与超声波传感器6、z轴直线单元7的电动机14连接。

参见图2，z轴直线单元7包括电动机14、丝杆12、螺帽13和轴承座11，轴承座11在丝杆12两端与丝杆12滑动连接，螺帽13在丝杆12上与丝杆12采用螺纹滑动连接，电动机14的输出轴与丝杆12连接，电动机14为步进电机或伺服电机，本实施例中采用步进电机。

机架1为金属结构件，是整个激光雕刻切割机的支撑连接件。

超声波传感器6为非接触式超声波测距传感器，它能实时测量出被加工物件表面与聚焦头5之间的距离，并把所测得的数据传送给DSP控制系统8。

参见图3，聚焦头5包括聚焦镜座16、聚焦镜筒18和连接板17，聚焦镜座16连接在X轴直线运动单元的滑块10上，聚焦镜筒18安装在聚焦镜座16下部，连接板17固定在聚焦镜筒18上，连接板17的作用是用来连接聚焦头5与超声波传感器6，聚焦镜筒18还用于安装聚焦镜片。

工作平台2为被加工件15的承载平台，工作时，被加工件15置于工作平台2上。

DSP控制系统8包括DSP、FPGA两个功能芯片，DSP从主机接收运动指令或运动指令块，并把从主机读取的大量图形数据实时的写入FPGA的RAM区，并向主机发送运行状态、位置、I/O状态等；FPGA芯片根据接收的指令，完成对电动机14的运动控制，DSP具有高速浮点运算的能力，对S-曲线运动过程中的数据和一些插补算法，进行运算处理，摆脱对PC机的依赖，并把处理的数据实时地与FPGA通信.DSP控制系统8还具有USB接口，可实现脱机工作，不必为每台激光雕刻切割机电脑，工业现场使用方便，成本低.

X轴直线单元4、Y轴直线单元3为直线型运动组件，包括导轨9和滑块10，导轨9与滑块10滑动连接。

在DSP控制系统8中设定被加工物件表面与聚焦头5之间距离数值范围。工作时，被加工物件置于工作平台2上，声波传感器便测出被加工物件表面与聚焦头5之间的实际距离，实际距离的数值被发送到DSP控制系统8与设定的被加工物件表面与聚焦头5之间距离数值范围进行比较，如果实际距离的数值大于设定的距离数值范围，DSP控制系统8发出指令使电动机14旋转，带到丝杆12转动，丝杆12转动带到其上的螺帽13向上运动，螺帽13向上运动带动工作平台2同其上的被加工物件一起向上运动，使被加工物件表面与聚焦头5之间距离变小，使被加工物件表面与聚焦头5之间距离数值达到设定的距离数值范围；相反，如果实际距离的数值小于设定的距离数值范围，DSP控制系统8发出指令使反向电动机14旋转，带到丝杆12转动，丝杆12转动带到其上的螺帽13向下运动，螺帽13向下运动带动工作平台2同其上的被加工物件一起向下运动，使被加工物件表面与聚焦头5之间距离变大，使被加工物件表面与聚焦头5之间距离数值达到设定的距离数值范围。这样，能实时地保证激光聚焦后焦点与被加工物件保持最佳的雕刻切割距离。因为聚焦头5与超声波传感器6安装一体，测距点与激光聚焦点同步，加工轨迹一致，激光聚焦焦点不会因工件不平而偏离加工表面，确保加工效果和精度达到设计要求，无须进行预先设计三维数据。

由于z轴直线单元7不在激光聚焦头上，没有增加激光头负载，对激光头运动速度，精度无影响，加工速度快，精度高。

本激光雕刻切割机自动实时调焦装置可运用于335、532、1064和10600微米波长的激光雕刻切割机。

采用本激光雕刻切割机自动实时调焦装置的激光雕刻切割机能在激光雕刻切割工作过程中无接触地自动实时检测激光头与被加工物件的距离，并实时调整激光头与被加工物件之间的距离，不需要预先设计三维数据模型，能动态的对不平工件和异形工件进行三维激光雕刻切割加工，加工速度快，精度高，结构简单，成本低，适用范围广，它的推广使用对提高工作效率，降低加工的废品率有着积极的意义。

Claims (2)

1.激光雕刻切割机自动实时调焦装置，包括机架、工作平台、X轴直线单元、Y轴直线单元、z轴直线单元和聚焦头，其特征在于：还包括超声波传感器和DSP控制系统；

Y轴直线单元的导轨安装在机架上，X轴直线单元与Y轴直线单元垂直，X轴直线单元的导轨与Y轴直线单元的滑块连接，聚焦头与X轴直线单元的滑块连接，超声波传感器通过连接板固定安装在聚焦头上，z轴直线单元的轴承座固定安装在机架上，z轴直线单元的螺帽与工作平台连接，DSP控制系统通过数据线与超声波传感器、z轴直线单元的电动机连接。

2.根据权利要求1所述的激光雕刻切割机自动实时调焦装置，其特征在于：超声波传感器为非接触式超声波测距传感器。

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