CN202461806U - 一种等光程固体激光切割机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等光程固体激光切割机，以机座为基础，机座的顶部设有载料台，机座的前后侧面设有相互对称的控制台和激光冷却系统，载料台的顶部设有龙门架，龙门架底部的两端设置在Y轴滚珠丝杆传动机构上，Y轴滚珠丝杆传动机构设置在机座上，龙门架的顶部设有X轴滚珠丝杆传动机构，X轴滚珠丝杆传动机构上设有与龙门架相互垂直的激光器，激光器的前端设有激光切割头，激光切割头上设有聚焦光学系统。本实用新型所搭载的固体激光器采用泵浦模块串接与透镜补偿热焦距技术相结合，获得了高质量激光输出，输出激光的光束参数乘积达到了20mm·mrad，使得激光光束在进入聚焦光学系统之前不需要经过扩束等技术来减小光束的发散角即可作为切割的光源。

Description

一种等光程固体激光切割机

技术领域

本实用新型涉及一种激光切割装置，尤其涉及一种等光程固体激光切割机。 

背景技术

激光切割相对于其他的切割方法而言，具有切割速度快，生产效率高，热变形小，切边光滑，无后期处理工序等优点，已经成为主要的金属板材加工手段。目前激光切割机的激光光源以高功率(千瓦级以上)CO₂气体激光器为主流，但其高昂的价格和居高不下的使用成本限制了其大面积的推广和使用。固体激光器由于其相对较低的制造成本，较短的易于被金属材料吸收的激光波长，开始逐渐受到市场的青睐。但如何实现固体激光器与机械系统等的有机结合，最大限度地发挥出固体激光切割机的优势，一直是固体激光切割机亟待解决的一个重要问题。 

中国专利(申请号：200520114855.3，名称：大功率固体激光平面切割机)发明了一套激光切割头随动系统，解决了激光切割头随被加工金属表面不平整而自动调整距离从而自动聚焦的问题，但是并未涉及到固体激光器本身的优化及其与机械系统的组合优化。而中国发明专利(申请号：200710171307.8，名称：大台面数控激光切割机)发明了一种将高性能飞行光路悬臂式激光切割机与大台面龙门机载式切割机的机械结构相叠加的复合结构，但其采用的是精度较差的齿轮齿条传动机构，并且激光光程不是恒定的，降低了加工的精度。中国专利(申请号：200720198671.9，名称：龙门式数控激光切割机) 所涉及的是龙门架的布局及传动机构的安装问题，虽然其减轻了电机的负载，但其将滚珠丝杆传动机构置于离机座较高的一个龙门式框架上，整个运动部件的重心偏高，不利于机械系统的稳定性。中国专利(申请号：201020137598.6，名称：大幅面固体激光切割机)提出了一种以高峰值功率的长脉冲固体激光器作为光源，半飞行光路结构和简单方便的聚焦镜随动结构相结合的激光切割机，其缺点是所采用的双棒串联、长脉冲固体激光器需要对激光晶体进行严格的筛选后两两配对，以保证它们热焦距的一致性；另外其半飞行光路结构使得激光切割头在机床的不同位置时从激光器的输出耦合镜到被加工材料的光程是不相等的，从而保证不了切割的精度和一致性。 

如何提高固体激光切割机的光源质量，如何优化机械系统的结构，以及如何将两者有机地结合起来将固体激光切割机的优势最大限度地发挥出来，已经成为固体激光切割机领域的一个重要课题。 

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、使用方便的等光程固体激光切割机；与高功率CO₂激光切割机需要在光路上额外加入元器件来实现等光程技术相比，本实用新型的等光程技术简便实用，占用空间较小，实现了激光器与机械系统的有机结合。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，包括机座、载料台、龙门架、激光器、激光切割头、聚焦光学系统、Y轴滚珠丝杆传动机构、X轴滚珠丝杆传动机构、控制台和激光冷却系统，，所述机座的顶部设有载料台，载料台可以拆卸，其大小也可以根据加工材料的尺寸进行调整，机座的前后侧面设有相互对称的控制台和激光冷却系统，载料台的顶部设有龙门架，龙门架底部的两端设置在Y轴滚珠丝杆传动机构上，Y轴滚珠丝杆传动机构设置在机座上，龙门架的顶部设有X轴滚珠丝杆传动机构，X轴滚珠丝杆传动机构上设有激光器，激光器的前端设有激光切割头，激光切割头上设有聚焦光学系统。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述激光器输出激光的传输方向与龙门架的走向相互垂直，使得无论激光切割头移动到机座的任何地方，从激光器的输出耦合镜到被加工材料的光程始终是恒定的，这样的设计保证了经过聚焦光学系统聚焦后作用到被切割材料上的光斑大小始终一致，从而保证了切割的精度和一致性。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述激光器包括由第一泵浦灯和第一激光晶体构成的第一泵浦模块，以及第二泵浦灯和第二激光晶体构成的第二泵浦模块，第一激光晶体的左侧设有热焦距补偿透镜，热焦距补偿透镜的左侧设有全反镜，第二激光晶体的右端设有输出耦合镜。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述聚焦光学系统与激光器的输出耦合镜之间设有光束全反射镜，输出耦合镜发出的激光束经过光束全反射镜反射进入聚焦光学系统。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述两个激光晶体之间的中心距离为第二激光晶体平均有效热焦距的2-4倍，第二激光晶体的中心与输出耦合镜之间的距离为第二激光晶体平均有效热焦距的1-2倍，将热焦距补偿透镜与第一激光晶体看作一个整体，这个整体的中心与全反镜之间的距离为第二激光晶体平均有效热焦距的1-2倍，激光谐振腔采用平平腔。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型的等光程固体激光切割机采用单灯泵浦单棒的泵浦模块串接技术与透镜补偿热焦距技术相结合，获得了最大平均功率550W的高质量激光输出，所输出激光的光束参数乘积达到了20mm·mrad，如此高的光束质量使得激光光束在进入聚焦光学系统之前不需要经过扩束等技术来减小光束的发散角即可作为切割的光源。 

附图说明

图1是本实用新型所述的一种等光程固体激光切割机的结构示意 图； 

图2是本实用新型所述的一种等光程固体激光切割机中激光器的工作原理框图； 

图3是本实用新型所述的一种等光程固体激光切割机中输出耦合镜之后的光束传输示意图。 

图中： 

1、机座；2、载料台；3、控制台；4、激光冷却系统；5、龙门架；6、Y轴滚珠丝杆传动机构；7、X轴滚珠丝杆传动机构；8、激光器；81、第一泵浦灯；82、第二泵浦灯；83、第一激光晶体；84、第二激光晶体；85、热焦距补偿透镜；86、全反镜；87、输出耦合镜；9、激光切割头；10、聚焦光学系统；11、光束全反射镜。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。 

如图1-3所示，一种等光程固体激光切割机，所述机座1的顶部设有载料台2，机座1的前后侧面设有相互对称的控制台3和激光冷却系统4，载料台2的顶部设有龙门架5，龙门架5底部的两端设置在Y轴滚珠丝杆传动机构6上，Y轴滚珠丝杆传动机构6设置在机座1上，龙门架5的顶部设有X轴滚珠丝杆传动机构7，X轴滚珠丝杆传动机构7上设有激光器8，激光器8的前端设有激光切割头9，激光切割头9上设有聚焦光学系统10。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述激光器包括由第一泵浦灯和第一激光晶体构成的第一泵浦模块，以及第二泵浦灯和第二激光晶体构成的第二泵浦模块，第一激光晶体的左侧设有热焦距补偿透镜，热焦距补偿透镜的左侧设有全反镜，第二激光晶体的右端设有输出耦合镜。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述第一激光晶体尺寸为φ6mm×135mm及第二激光晶体尺寸为φ7mm×135mm时，在最大泵浦功率为13kW的情况下，测得第二激光晶体的平均有效热焦距为195mm，将两个激光晶体之间的中心距离设为第二激光晶体平均有效热焦距的3倍，即585mm，将第二激光晶体的中心与输出耦合镜之间的距离设为第二激光晶体平均有效热焦距的1.5倍，即292.5mm，将热焦距补偿透镜与第一激光晶体看作一个整体，这个整体的中心与全反镜之间的距离设为第二激光晶体平均有效热焦距的1.5倍，则热焦距补偿透镜85与全反镜86之间的距离设为74mm，热焦距补偿透镜85与第一激光晶体83中心之间的距离设为369.5mm；如上设置，所述的激光器8获得了高光束质量高功率的激光输出，光束参数乘积达到了20mm·mrad，最大平均激光功率达到了550W。如此高的光束质量和激光能量，加上前述的经过优化的机械结构，极大地提升了固体激光切割机的综合性能。 

本实用新型的等光程固体激光切割机，所述聚焦光学系统10与激光器8的输出耦合镜87之间设有光束全反射镜11，输出耦合镜87发出的激光束经过光束全反射镜11反射进入聚焦光学系统10。 

本实用新型的等光程固体激光切割机具体工作时，激光器8分别通过X轴滚珠丝杆传动机构7和Y轴滚珠丝杆传动机构6沿X轴和Y轴移动，由于激光器8和激光切割头9始终是一起运动，激光的传输方向与龙门架5的走向相互垂直，使得无论激光切割头9移动到机座1的任何地方从激光器8的输出耦合镜87到被加工材料的光程始终是恒定的，这样，无论激光切割头9如何移动，激光能量不会衰减，切割出来的产品也能保致尺寸精度的一致性；载料台2位于机床机座1之上，并可以拆卸；载料台2的大小还可以根据加工材料的尺寸来进行调整，满足了对尺寸大小不同的材料的加工需求，灵活便捷。 

本实用新型的等光程固体激光切割机控制台中的激光电源点亮 两个泵浦灯，泵浦灯的光能使激光晶体下能级的粒子抽运到上能级，在上能级和下能级之间形成粒子数反转布居，形成受激辐射，受激辐射的能量经过谐振腔的放大，获得激光输出，输出的激光经过一次反射后直接进入聚焦光学系统，聚焦后的光斑直接作用到被切割的材料上；控制台根据所切割图形的情况，控制激光器、激光切割头、龙门架三者的合理运动，同时产生触发信号控制激光电源的通断，从而沿切割图形切出所需要的产品。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (5)

1.一种等光程固体激光切割机，包括机座(1)、载料台(2)、龙门架(5)、激光器(8)、激光切割头(9)、聚焦光学系统(10)、Y轴滚珠丝杆传动机构(6)、X轴滚珠丝杆传动机构(7)、控制台(3)和激光冷却系统(4)，其特征在于：所述机座(1)的顶部设有载料台(2)，载料台可以拆卸，其大小也可以根据加工材料的尺寸进行调整，机座(1)的前后侧面设有相互对称的控制台(3)和激光冷却系统(4)，载料台(2)的顶部设有龙门架(5)，龙门架(5)底部的两端设置在Y轴滚珠丝杆传动机构(6)上，Y轴滚珠丝杆传动机构(6)设置在机座(1)上，龙门架(5)的顶部设有X轴滚珠丝杆传动机构(7)，X轴滚珠丝杆传动机构(7)上设有激光器(8)，激光器(8)的前端设有激光切割头(9)，激光切割头(9)上设有聚焦光学系统(10)。

2.根据权利要求1所述的等光程固体激光切割机，其特征在于：激光的传输方向与龙门架的走向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的等光程固体激光切割机，其特征在于：所述激光器(8)包括由第一泵浦灯(81)和第一激光晶体(83)构成的第一泵浦模块，以及第二泵浦灯(82)和第二激光晶体(84)构成的第二泵浦模块，第一激光晶体(83)的左侧设有热焦距补偿透镜(85)，热焦距补偿透镜(85)的左侧设有全反镜(86)，第二激光晶体(84)的右端设有输出耦合镜(87)。

4.根据权利要求3所述的等光程固体激光切割机，其特征在于：所述激光器中两个激光晶体之间的中心距离为第二激光晶体平均有效热焦距的2-4倍，第二激光晶体(84)的中心与输出耦合镜(87)之间的距离为第二激光晶体平均有效热焦距的1-2倍，将热焦距补偿透镜(85)与第一激光晶体(83)看作一个整体，这个整体的中心与全反镜(86)之间的距离为第二激光晶体平均有效热焦距的1-2倍， 激光谐振腔采用平平腔。

5.根据权利要求1所述的等光程固体激光切割机，其特征在于：所述聚焦光学系统(10)与激光器(8)的输出耦合镜(87)之间设有光束全反射镜(11)，输出耦合镜(87)发出的激光束经过光束全反射镜(11)反射进入聚焦光学系统(10)。 

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