CN204122928U - 一种大幅面激光雕刻机 - Google Patents
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Abstract
一种大幅面激光雕刻机，它包括机架、激光器和动态聚焦雕刻头，该机架侧面设有传动机构，该传动机构顶部设有载物台；该动态聚焦雕刻头包括壳体及内部的Z轴动态聚焦镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、X轴振镜、Y轴振镜；该Z轴动态聚焦镜与第一伺服电机连接而可在该激光器与该第一聚焦镜之间的光轴方向上高速移动；该X轴振镜和Y轴振镜分别连接第二伺服电机及第三伺服电机，两反射振镜可高速摆动调整镜片与入射光束之间的角度。本实用新型通过雕刻头动态聚焦实现大幅面范围的雕刻加工，提高了雕刻精度，并有效降低加工成本和提高生产效率。
Description
技术领域
本实用新型属于激光雕刻技术领域，特别是一种利用动态聚焦实现大幅面加工的激光雕刻机。
背景技术
激光雕刻加工广泛应用于广告装饰、印刷、皮革服装、工艺品等行业，适用于加工金属、有机玻璃、塑料、玻璃、竹木、布料、皮革、橡胶板、石材等各种材料。通常的激光雕刻机以数控技术为基础，通过激光雕刻头机械运动扫描的方式来实现一定范围内的雕刻加工。对于大面积雕刻加工，需要配套大尺寸工作台，工作台上安装有X、Y轴导轨，整套激光雕刻装置在导轨上通过电机驱动来实现大范围的移动加工，同时为了实现在Z向移动调焦，激光雕刻装置在Z轴方向还需要在Z轴导轨上通过电机驱动上下移动。为实现大幅面雕刻加工，需要框架式工作台和导轨的尺寸足够大，而大尺寸的工作台和导轨对于设备的尺寸精度保证提出挑战，同时大行程的机械运动不利于雕刻加工精度保证和加工效率的提升。传统大幅面打标、雕刻机依赖机械运动带动激光工作头移动实现，所以通常电机驱动下激光工作头的移动速度不超过100mm/s，机械传动的定位精度和重复精确度大于0.05mm，同时受限于工作台尺寸和工作场所面积。为了解决加工精度和加工效率问题，申请号为201110317220.3的“一种双光头激光束动态雕刻切割机”及申请号为201110258157.0的“一种多头激光雕刻机”等专利提出有两个或更多个激光雕刻头的激光加工设备，但却造成设备的结构越来越复杂，制造成本越来越高，同时仍旧受限于机械运动扫描式雕刻所需工作台的尺寸问题。因此，对于大幅面雕刻加工，现有雕刻机系统配置要求高，设备成本高，加工灵活性差，加工范围受限于工作台及其运动导轨的尺寸，难以满足多层次的加工要求。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种大幅面激光雕刻机，其不需要配置大尺寸工作台和X、Y、Z轴移动导轨，激光加工范围突破了传统的导轨运动行程的限制，可大幅扩展加工空间，有效降低加工成本和提高加工效率。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种大幅面激光雕刻机，它包括机架及设于机架顶部的激光器和动态聚焦雕刻头，该机架侧面设有可上下升降的传动机构，该传动机构顶部设有载物台；
该动态聚焦雕刻头包括壳体，该壳体内部依次设有与该激光器同轴设置的Z轴动态聚焦镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、X轴振镜和Y轴振镜；
该激光器发出的激光束具有一预定的光斑直径和发散角度；
该第一聚焦镜和第二聚焦镜依次排列在所述Z轴动态聚焦镜后面的所述光轴上；
X轴振镜设置在该第二聚焦镜光轴上；
该Z轴动态聚焦镜为负焦距透镜，与第一伺服电机连接而可在该激光器与该第一聚焦镜之间的光轴方向上高速移动；
该第一聚焦镜、第二聚焦镜为相对设置的正焦距透镜；
该X轴振镜和Y轴振镜分别连接第二伺服电机及第三伺服电机，两反射振镜可高速摆动调整镜片与入射光束之间的角度。
进一步的，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜非球面正焦距透镜。
进一步的，所述激光器为二氧化碳激光器、半导体激光器或光纤激光器。
进一步的，所述载物台表面距离所述动态聚焦雕刻头的垂直距离为300～2000mm。
进一步的，所述动态聚焦雕刻头的雕刻范围为半径1000mm的圆形区域。
本实用新型的有益效果是：本实用新型大幅面激光雕刻机在加工过程中，激光器和动态聚焦雕刻头保持固定不动，激光器输出的光束射入雕刻头通过动态聚焦可实现大幅面范围的雕刻加工。本实用新型提供的激光雕刻机突破了传统机械运动扫描式激光雕刻的限制，设备结构紧凑，开放式加工方式大幅扩展加工范围，有效降低了加工成本同时提高了生产效率。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型的动态聚焦雕刻头的内部结构示意图。
具体实施方式
以下仅以实施例说明本实用新型可能的实施态样，然而并非用以限制本实用新型所欲保护的范畴，先予叙明。
如图1所示，本实用新型提供一种大幅面激光雕刻机，它包括机架10及设于机架10顶部的激光器1和动态聚焦雕刻头，该机架10侧面设有可上下升降的传动机构11，传动机构11顶部设有用于承载待雕刻工件的载物台12。该传动机构11可以根据工件的高度来调整载物台12的位置，方便进行雕刻。该载物台12表面距离所述动态聚焦雕刻头的垂直距离为300～2000mm。
再参考如图2所示，该动态聚焦雕刻头包括壳体13，该壳体13内部设有与该激光器1同轴设置的Z轴动态聚焦镜2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4，该第二聚焦镜4光轴上设有X轴振镜5，该X轴振镜5下方设有Y轴振镜6。
该激光器1可以为二氧化碳激光器、半导体激光器或光纤激光器，其发出的激光束具有一预定的光斑直径D和发散角度α，不需要经过光学扩束准直系统调整成平行光。
该Z轴动态聚焦镜2为负焦距透镜，与第一伺服电机7连接，通过运动转换机构71将电机的转动转变成直线运动，而可使该Z轴动态聚焦镜2在该激光器1与该第一聚焦镜3之间的光轴方向上移动，进而改变激光焦距大小。
该第一聚焦镜3、第二聚焦镜4为相对设置的非球面正焦距透镜。
非平行光的激光束经聚焦镜4射出后经该X轴振镜5和Y轴振镜6的反射射向下方载物台12上的待雕刻工件，且激光束聚焦在工件表面。该X轴振镜5和Y轴振镜6分别连接第二伺服电机8及第三伺服电机9，使得该X轴振镜5和Y轴振镜6可高速偏转。进而控制激光束的聚焦焦点位置，定位于工件表面，可实现小光斑大幅面雕刻。具体来说，该动态聚焦雕刻头的雕刻范围为半径1000mm的圆形区域。
本实用新型大幅面激光雕刻机，其激光器1的输出光束直接射入由Z轴动态聚焦镜2及第一聚焦镜3、第二聚焦镜4组成的动态聚焦光学镜头组，再经过X轴、Y轴两片反射振镜，通过雕刻头后，利用电机带动，能够根据雕刻工件的形貌动态调整焦距和改变光束偏摆位置，使得激光束聚焦在待雕刻工件表面，实现雕刻头下方相当大空间范围内激光光斑大小一致、深度均匀的雕刻。该动态聚焦雕刻头是直接接入激光器的输出光束，系统光学设计中省去了现有技术中的光斑扩束准直镜片组，使得雕刻头结构紧凑，光学透过率高，能量损失小，同时通过对光学镜片的三轴运动控制，实现了高精度、高效率激光加工。
现有的另一种激光雕刻机，需要通过光斑扩束准直镜片组(内含多个透镜)将激光器发出的光调节成平行光，然后通过一个聚焦镜射入到反射振镜光路中，由于激光光束经过多个镜片，能量损失较大。而本实用新型直接采用激光器发出的光束，通过两个聚焦镜(即第一、第二聚焦镜)及反射振镜实现低损耗雕刻，提高了设备的工作效率。
本实用新型的大幅面激光雕刻机与已有技术相比具有以下积极效果：
1、本实用新型基于激光器光束特性参数，采用先进的动态光学设计方案，优化光学组件，直接接入激光器输出光束，有效提高了系统的光学透过率，提高了雕刻效率。
2、本实用新型采用Z轴聚焦镜和X、Y轴振镜联动控制，可实现高精度大幅面雕刻和曲面3D雕刻。本实用新型在加工过程中，激光器和动态聚焦雕刻头保持固定不动，激光器输出的光束射入雕刻头通过动态聚焦实现大幅面范围的雕刻加工，提高了雕刻的精细度。
3、本实用新型不依赖于X、Y、Z轴各向导轨机械移动来实现大幅面雕刻加工，开放式加工方式使得工作效率大幅度提高，同时设备投入和加工成本明显降低。
4、本实用新型的载物台使得待雕刻工件距离动态聚焦雕刻头的垂直距离在300～2000mm范围内任意可调，而该动态聚焦雕刻头的雕刻范围在距离激光头中心位置半径在1000mm范围内任意可调，该动态聚焦雕刻头的雕刻速度在0～15m/s范围内任意可调，该动态聚焦雕刻头雕刻精度可达到0.02mm。
5、本实用新型的动态聚焦雕刻头加工线条精度高、无变形、图案无失真，同时激光功率均匀，标刻图案具有更好全幅面的均匀度，其加工特性参数能远优于目前市场上机械运动扫描式雕刻机。
6、本实用新型在实际应用中，加工的LCD用高亮度亚克力导光板，长度达70英寸(1778mm)，可以加工出疏密均匀、大小一致的透光用圆形凹点阵列，能够在10分钟以内雕刻出百万量级的凹点，间距、尺度均匀可控，这是采用机械式扫描雕刻无法完成的。
本实用新型是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本实用新型的主要精神和保护范围之内。
Claims (5)
1.一种大幅面激光雕刻机，其特征在于，它包括机架及设于机架顶部的激光器和动态聚焦雕刻头，该机架侧面设有可上下升降的传动机构，该传动机构顶部设有载物台；
该动态聚焦雕刻头包括壳体，该壳体内部依次设有与该激光器同轴设置的Z轴动态聚焦镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、X轴振镜和Y轴振镜；
该激光器发出的激光束具有一预定的光斑直径和发散角度；
该Z轴动态聚焦镜可沿激光器射出激光束的光轴方向移动；
该第一聚焦镜和第二聚焦镜依次排列在所述Z轴动态聚焦镜后面的所述光轴上；
X轴振镜设置在该第二聚焦镜光轴上；
该Z轴动态聚焦镜为负焦距透镜，与一第一伺服电机连接而可在该激光器与该第一聚焦镜之间的光轴方向上高速移动；
该第一聚焦镜、第二聚焦镜为相对设置的正焦距透镜；
该X轴振镜和Y轴振镜分别连接第二伺服电机及第三伺服电机，两反射振镜可高速摆动调整镜片与入射光束之间的角度。
2.根据权利要求1所述的大幅面激光雕刻机，其特征在于：所述第一聚焦镜、第二聚焦镜非球面正焦距透镜。
3.根据权利要求1或2所述的大幅面激光雕刻机，其特征在于：所述激光器为二氧化碳激光器、半导体激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1或2所述的大幅面激光雕刻机，其特征在于：所述载物台表面距离所述动态聚焦雕刻头的垂直距离为300～2000mm。
5.根据权利要求1或2所述的大幅面激光雕刻机，其特征在于：所述动态聚焦雕刻头的雕刻范围为半径1000mm的圆形区域。
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