CN204308408U - 激光加工头及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于激光加工领域，提供一种激光加工头，包括第一聚焦装置、位于所述第一聚焦装置光路传播方向的喷嘴、与所述第一聚焦装置相连的探测光装置、位于所述第一聚焦装置远离所述喷嘴的一侧的探测采集装置；所述探测光装置发出的探测光的焦点与加工激光的焦点重合，且探测光与所述加工激光不同轴；成像光依次穿过所述喷嘴和所述第一聚焦装置，最终被所述探测采集装置接收。利用光的反射和漫反射原理，将探测光焦点与加工激光焦点在待加工物体的表面上重合，探测采集装置接收探测光在待加工物体表面上形成的成像光的能量大小和位置关系，来调节激光加工头的高度，适用于所有的材料加工。本实用新型还提供了一种激光加工设备。

Description

激光加工头及激光加工设备

技术领域

本实用新型属于激光加工领域，尤其涉及能够自动调焦的激光加工头及采用此激光加工头的激光加工设备。

背景技术

激光精密切割属于材料的微细加工范畴，需达到高精度、准确、迅速、自动化的加工方式，为了保证效果最佳且稳定，一般需要将待切割材料放置在激光束理想聚焦平面，在该平面附近，激光束被聚焦到最小尺寸，因此能量密度最高，切割能力最强。即激光切割头的喷嘴与待切割材料表面的距离决定激光精密切割断面质量及切割速度，在切割过程中，需要维持喷嘴到工件表面的高度不变，但是由于待切割材料厚度不均匀、表面不平整等等，而且待切割材料在切割过程中保持不动，因此难以保证在所有切割位置，待切割材料都使用位于激光束理想聚焦平面上(喷嘴到工件表面的高度一致)。为了保证切割速度及切割质量的均匀，在所有切割路径中获得相同的切割质量，需要采用激光切割头随动装置，以便在切割过程中，实时调节Z轴的高低，带动切割头上下移动，从而维持切割头上激光束理想聚焦平面始终位于待切割材料之上。

为了维持在切割过程中，喷嘴与材料表面的高度一致，现有技术中激光切割头的随动装置采用电容调高器进行调节及控制，电容调高器和待切割的金属材料之间形成电容，且电容的大小与激光切割头和待切割材料表面距离有关，因此使用电容调高器检测形成的电容的大小，来调节Z轴的高低，从而带动激光切割头的高低变化，维持激光切割头上的喷嘴和待切割材料之间的高度差恒定。但是使用电容调高器精度不高，而且仅能够在切割金属时起作用，电容调高器在切割非金属时，其与喷嘴之间可能不存在电容，或者电容非常小，难以检测及控制，所以电容调高器无法用于非金属材料。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一张激光加工头及激光加工设备，以解决现有激光加工头的焦点随动调节方式无法对非金属进行调节的问题。

本实用新型实施例是这样实现的，一种激光加工头，包括第一聚焦装置和位于所述第一聚焦装置光路传播方向的喷嘴，其中，包括：

探测光装置，所述探测光装置与所述第一聚焦装置相连；

探测采集装置，所述探测采集装置位于所述第一聚焦装置远离所述喷嘴的一侧；

其中，所述探测光装置发出的探测光的焦点与经过所述第一聚焦装置聚焦的并从所述喷嘴发出的加工激光的焦点重合，且探测光与所述加工激光不同轴；所述探测光在待加工物体上被反射的成像光依次穿过所述喷嘴和所述第一聚焦装置，最终被所述探测采集装置接收。

进一步地，所述探测光装置包括：

发出探测光的探测光发生器；

位于所述探测光发生器下方，且可对所述探测光聚焦的第二聚焦装置。

进一步地，所述探测光装置还包括对聚焦后的所述探测光进行光路改变的反射镜。

进一步地，所述探测采集装置为ccd相机。

进一步地，所述探测采集装置与所述第一聚焦装置之间设有与水平方向成45°的第一反射镜，所述加工激光通过所述第一反射镜反射到所述第一聚焦装置上，穿过所述第一聚焦装置的所述成像光透射过所述第一反射镜后被所述探测采集装置接收。

进一步地，所述探测采集装置与所述第一聚焦装置之间设有小孔光阑，所述小孔光阑的小孔与所述第一聚焦装置同轴。

进一步地，所述小孔光阑与所述第一反射镜之间设有第三聚焦装置。

进一步地，所述小孔光阑与所述第一聚焦装置之间设有滤光片。

进一步地，还包括安装于所述第一反射镜一侧的准直扩束装置，所述加工激光在所述准直扩束装置上扩束和准直后被所述第一反射镜反射到所述第一聚焦装置上。

本实用新型实施例还提供一种激光加工设备，包括上述任意一项实施例所述的激光加工头、升降装置和控制系统；所述激光加工头可在所述升降装置上升降，所述控制系统根据所述成像光在所述探测采集装置上呈现的能量大小和位置调节所述激光加工头的高度位置；且调节所述激光加工头的高度位置的同时，保持所述探测光焦点与所述加工激光焦点始终重合。

本实用新型提供了一种激光加工头和激光加工设备，利用光的反射和漫反射原理，将探测光焦点与加工激光焦点在待加工物体的表面上重合，探测采集装置接收探测光在待加工物体表面上形成的成像光的能量大小和位置关系，来调节激光加工头的高度，适用于所有的材料加工。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的激光加工头剖视图；

图2是本实用新型实施例提供的激光加工头左视图；

图3是本实用新型实施例提供的激光加工头右视图；

图4是本实用新型实施例提供的激光加工头的光路示意图；

图5本实用新型实施例提供的加工激光和探测光在不同聚焦平面上的聚焦光路图；

图6是本实用新型实施例提供的探测成像光的聚焦光路位置示意图；

图7是本实用新型实施例提供的加工激光焦点与探测光焦点在不同位置的相对位置示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1至图3所示，本实用新型实施例提供一种激光加工头100，可满足金属或非金属材料的焦点随动加工，包括含有第一聚焦镜111的第一聚焦装置110、位于所述第一聚焦装置110光路传播方向的喷嘴120、位于所述第一聚焦装置110远离所述喷嘴120一侧的光路上的探测采集装置130、与所述第一聚焦装置110相连的探测光装置140；

其中，所述探测光装置140发出的探测光92的焦点与经过所述第一聚焦镜111聚焦的并从所述喷嘴120发出的加工激光91的焦点重合，且探测光92与所述加工激光91不同轴；所述探测光92在待加工物体上被反射的部分(成像光93)依次穿过所述喷嘴120和所述第一聚焦装置110，最终被所述探测采集装置130接收。

进一步地，第一聚焦镜111的上、下表面镀对加工激光91和成像光93都高透射的膜层。

结合参阅图4至图7，本实用新型实施例的所述探测光装置140发出的探测光92与所述加工激光91由于不同轴，当二者焦点重合时，且二者的焦点恰好在待加工物体的表面上时，所述探测光92在待加工物体上被反射的部分(成像光93)穿过所述喷嘴120和所述第一聚焦装置110，被所述探测采集装置130接收，此时其接收的能量最大，且位置位于所述探测采集装置130的镜头正中。如果在实际加工中遇到起伏不平的待加工物体，加工激光91的焦点将不会位于所述待加工物体的表面，由于加工激光91与所述探测光92不同轴，所述探测光92在所述待加工物体上的反射到所述探测采集装置130上的光束不会位于其镜头的正中央；同时反射部分也不会同轴的穿过所述喷嘴的轴心，其反射的部分中的一些光束将被喷嘴120挡住，此时探测采集装置130接收的能量大小将发生变化，然后可以根据所述探测采集装置130上的能量大小和位置调节所述激光加工头100的高度位置，且保证所述探测光焦点96与所述加工激光焦点95始终重合。

本实施例通过光束在物体上会发生反射或漫反射，并根据其穿过固定的光路后的能量大小和位置关系来调整激光加工头100的上下位置，适用于所有材料的加工对象，克服了传感器不适用非金属材料加工的问题。

本实施例中，所述探测采集装置130为CCD相机。

具体的，所述探测采集装置130与所述第一聚焦装置110之间设有与水平方向成45°的第一反射镜150，所述加工激光91通过所述第一反射镜150反射到所述第一聚焦镜111上，所述探测光92在待加工物体上反射的部分透射过所述第一反射镜150后被所述探测采集装置130接收。本实施例中，通过设置第一反射镜150改变加工激光的方向，使其反射到第一聚焦镜111上，加工激光91的光源则可以根据需要设置在任意地方。

进一步地，所述第一反射镜150的下表面(加工激光91入射到的面)镀对加工激光91高反射的膜层和镀有对成像光93高透射的膜层，第一反射镜150的上表面镀对成像光93高透射的膜层。

在其他实施例中，所述激光加工头100还包括安装于所述第一反射镜150一侧的准直扩束装置190，所述加工激光91在所述准直扩束装置190上扩束和准直后被所述第一反射镜150反射到所述第一聚焦镜111上。当然加工激光91也适用于只经过扩束镜扩束、或者未经过任何准直扩束的普通的激光束。

在其他实施例中，所述第一聚焦装置110上还设有第一保护镜112，所述第一保护镜112上、下表面都镀对加工激光91和成像光93的高透射膜层，所以加工激光91透过第一保护镜112，因为激光加工中容易产生灰尘，灰尘进入激光切工头100，容易粘附在第一聚焦镜111表面并导致其损坏，所以采用第一保护镜112放置在第一聚焦镜111下方，可防止灰尘污染第一聚焦镜111。

为了方便第一保护镜112的更换，可采用容纳盒的方式安装第一保护镜，第一保护镜的容纳盒可以整体插入第一聚焦装置110或者从中抽出，并采用螺钉固定。

如图1所示，所述探测光装置140包括发出探测光的探测光发生器141和位于所述探测光发生器141下方、且可对所述探测光92聚焦的第二聚焦装置142。

所述探测光发生器141可以为半导体激光器，其波长位于200nm～1000nm。

所述探测光发生器141可以为氦氖激光器，其波长位于300nm～800nm。

所述探测光发生器141可以为半导体泵浦的固体激光器，其波长位于200nm～1200nm。

具体地，采用螺钉结合螺孔的方式将探测光装置140固定在所述第一聚焦装置110的一侧上，在探测光发生器141外壳(图未标)外表面上设有螺纹，而在第二聚焦装置142的安装架(图未标)内表面有对应的螺纹，因此可以通过螺纹将探测光发生器141固定在第二聚焦装置142上方，而且可通过螺纹调节第二聚焦装置142和探测光发生器141之间的相对位置。第二聚焦装置142内部安装有对探测光92进行聚焦的第二聚焦镜1421，本实施例中，所述第二聚焦镜1421与竖直方向的角度为45°；第二聚焦镜1421上、下表面镀对探测光92高透射的膜层。

其他实施例中，所述探测光装置140还包括对聚焦后的所述探测光92进行光路改变的第二反射镜143。可方便的改变所述探测光焦点96的位置，使其与所述加工激光焦点95是刚好重合于待加工物体的表面。第二反射镜143表面镀对探测光92高反射的膜层。

其他实施例中，在第二聚焦装置142下方安装有对第二聚焦镜进行保护的第二保护镜144，一方面可以透过探测光，另一方面能够对第二聚焦镜进行密封，防止灰尘等进入污染光学器件。第二保护镜144上表面镀对探测光92高透射的膜层。或者，所述第二保护镜144位于所述第二聚焦装置142和第二反射镜143形成的光路传播方向上，同时对第二聚焦镜1421和第二反射镜144进行保护。

进一步地，为了更好的区分成像光93在探测采集装置130上的能量大小和位置关系，所述探测采集装置130与所述第一聚焦装置110之间设有小孔光阑160，所述小孔光阑160的小孔中心与所述第一聚焦镜111同轴，由于所述小孔光阑160的孔径较小，成像光93在方向上有轻微的改变，也可以遮挡一部分成像光，使得最终在所述探测采集装置130上的成像光93能量和位置发生变化，更利于后期对激光加工头100的整体的位置的改变。

为了所述探测采集装置130能够更好的探测到成像光93的能量大小和位置，所述小孔光阑160与所述第一反射镜150之间设有第三聚焦装置170对所述成像光进行聚焦。

进一步地，为了避免加工环境中的可见光或其他干扰，所述小孔光阑160与所述第一聚焦装置110之间设有滤光片180。滤光片180能够使得可见光部分(400nm～800nm波段)以及探测光92波段的光透过，滤去其他光波长。当然，如果加工环境处于真空中，也可以不设置滤光片180。

在其他实施例中，在第一聚焦装置110的一侧，有高压气体入孔(图未标)，以方便激光加工时，如有需要高压辅助气体，则高压气体则由高压气体入孔进入激光加工头中，然后从喷嘴120的中心吹出。

如图4至图7所示，加工激光91经过第一反射镜150反射后到达第一聚焦镜111上聚焦，聚焦后的加工激光91透过第一保护镜112后，从气嘴120中心孔射出，加工激光91的聚焦的焦点位于加工激光焦平面94上。探测光92由探测光发生器141发出后，具有一定的发散角度，或者为平行光，方向竖直向下，首先到达第二聚焦镜1421进行聚焦，聚焦后的探测光92到达第二反射镜143上进行反射，反射到达第二保护镜144，所以探测光92透过第二保护镜144后聚焦在加工激光焦平面94上。此时探测光焦点96和加工激光95重合于待加工物体的表面。

但是由于探测光92的发散角度存在不同，而且可能采用不同焦距的第二聚焦镜，所以通过螺纹调节探测光发生器141与所述第二聚焦装置142之间的相对位置，从而调节探测光焦点96的位置，以便其能够位于加工激光焦平面94上。另外第二反射镜与竖直方向呈45°角，并可以通过螺钉微调其角度，以便能够实现将探测光焦点96调节至与加工激光焦点95重合。

当第一聚焦镜111一定时，加工激光91经过第一聚焦镜111聚焦后的加工激光焦平面94即确定，此时，调节探测发生器141与第二聚焦装置142之间的螺纹，并同时微调第二保护镜144的与竖直方向的角度，将探测光焦点96也调节至加工激光焦平面94上，并使得探测光焦点96与加工激光焦点95重合，此时如果待加工物体位于加工激光焦平面94上，即可进行精密激光加工，而且此时待加工物体将反射部分探测光92，被反射的探测光以及待加工物体表面反射的环境中的光波(即可见光)，形成成像光93，成像光93向上传播，到达第一保护镜112，因为第一保护镜112上下表面镀对成像光93的高透射膜层，因此成像光93透过第一保护镜112，并到达第一聚焦镜111，因为第一聚焦镜111上下表面镀对成像光93的透射膜层，因此成像光93被第一聚焦镜111聚焦，然后到达第一反射镜150，第一反射镜150上下表面都镀对成像光93高透射的膜层，所以成像光93透过第一反射镜150，到达第三聚焦镜170，因为第三聚焦镜上下表面镀对成像光93高透射的膜层，所以被第三聚焦镜聚焦，到达滤光片180，因为滤光片180仅能够使得可见光部分(400nm～800nm波段)以及探测光92波段的光透过，滤去其他光波长，所以成像光93经过滤光片180，到达小孔光阑160，并通过小孔光阑160的中心孔，到达CCD相机，成像光93在CCD相机表面聚焦，CCD相机能够探测成像光93在其表面聚焦的焦点及能量。

由于普通环境中的可见光能量非常弱，相比被待加工物体反射的探测光92的能量，成像光93中被待加工物体反射的可见光能量非常弱，所以CCD相机主要是探测被待加工物体反射的探测光92的能量。

当调节完毕，使得加工激光焦点95与探测激光焦点96重合后，如果遇到待加工物体高于加工激光焦平面94，如位于加工激光焦平面941时，加工激光焦点95相对于探测激光焦点961的相对位置如图7中左图，此时探测激光束焦点96位于加工激光束焦点95左侧，此时的成像光931在CCD相机表面的焦点则偏右，而且因为成像光931需要通过小孔光阑160的中心孔，而此时成像光931方向偏转后，部分光束能量被小孔光阑160拦截，所以到达CCD相机表面的能量变弱。同样的，若待加工物体低于加工激光束焦平面94，如位于加工激光焦平面942时，则此时，在加工激光焦平面942上，加工激光焦点95相对于探测激光焦点961的相对位置如图7中右图，此时探测激光焦点961位于加工激光束焦点95右侧，此时的成像光932在CCD相机表面的焦点则偏左，而且因为成像光932需要通过小孔光阑160的中心孔，而此时成像光932方向偏转后，部分光束能量被小孔光阑160拦截，所以到达CCD相机表面的能量变弱。

对于一种待加工材料，其对探测激光92的反射率一定，当待加工材料不在加工激光焦平面94位置时，通过计算机控制Z轴上下移动，并带动激光加工头100上下移动，则此时成像光93在CCD相机表面所形成的焦点位置会发生改变，CCD相机探测到的成像光束能量大小会发生改变，CCD相机将会把实时探测到的成像光93的位置和能量实时发送到计算机，在Z轴上下移动的过程中，当CCD探测到的成像光93的能量最大时的Z轴高度，即为加工激光焦平面94位置。所以通过计算机控制Z轴上下移动位置，在加工激光焦平面94附近上下移动，并采用CCD相机不断实时探测成像光93在其表面形成的焦点位置及能量，并实时将探测信息发送到计算机，当计算机接收到CCD相机表面的能量最大时，此时Z轴的高度位置即为加工激光焦平面94，所以本激光加工头可实现自动判断、寻找焦点功能。

在加工过程中，如果待加工材料厚度不均匀、表面不平整、出现起伏等现象，将控制Z轴带动本发明装置上下移动，从而将探测激光焦点96调节至加工激光焦平面94上，所以，在激光加工过程中，CCD相机将不断的测量探测激光92经待加工材料反射的成像光焦点位置和能量，并不断的调整Z轴，维持加工激光焦点95始终位于待加工材料上，从而保证待加工材料始终位于加工激光束焦平面上，从而保证激光效果及加工质量的稳定性。

因为对所有材料，都能够对光波形成反射及漫反射，仅仅有反射率的大小的区别，当待加工材料对探测激光的反射率比较高时，反射激光束的能量比较强，此时可能超过CCD相机能够接受的最大能量，此时，CCD相机将此信号传送到激光加工设备的计算机，计算机将发射信号到探测光发生器，降低探测光发生器的发射功率，因此，经过反射及漫反射后的成像光也将降低功率。同理，当待加工材料对探测激光束的反射率比较低时，即成像光93的功率比较低，甚至低于CCD相机的最小探测值，导致CCD相机无法探测时，同样，将会通过计算机控制，调节探测光发生器的发射功率，从而增大成像光束的能量。

由于CCD相机能够接收待激光材料表面的成像光93，所以能够观察到待加工材料表面反射的可见光部分，因此能够观察到待加工材料表面的图像，因此能够监控材料的激光加工过程的图像，可实时监控精密激光加工的过程以及材料加工后的效果。

本实用新型实施例还提供一种激光加工设备，包括采用上述任意实施例中的激光加工头100、升降装置(图未示)和控制系统(图未示)；所述激光加工头100可在所述升降装置上升降，所述控制系统根据所述探测光在待加工物体上被反射的部分在所述探测采集装置上呈现的能量大小和位置调节所述激光加工头的高度位置；且调节所述激光加工头的高度位置的同时，保证所述探测光焦点与所述加工激光焦点始终重合。

其他实施例中，所述探测采集装置也可以是功率计，或其他能够采集才成像光的能量大小或聚焦位置的器件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种激光加工头，包括第一聚焦装置和位于所述第一聚焦装置光路传播方向的喷嘴，其特征在于，包括：

探测光装置，所述探测光装置与所述第一聚焦装置相连；

探测采集装置，所述探测采集装置位于所述第一聚焦装置远离所述喷嘴的一侧；

其中，所述探测光装置发出的探测光的焦点与经过所述第一聚焦装置聚焦的并从所述喷嘴发出的加工激光的焦点重合，且探测光与所述加工激光不同轴；所述探测光在待加工物体上被反射的成像光依次穿过所述喷嘴和所述第一聚焦装置，最终被所述探测采集装置接收。

2.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述探测光装置包括：

发出探测光的探测光发生器；

位于所述探测光发生器下方，且可对所述探测光聚焦的第二聚焦装置。

3.如权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，所述探测光装置还包括对聚焦后的所述探测光进行光路改变的反射镜。

4.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述探测采集装置为ccd相机。

5.如权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述探测采集装置与所述第一聚焦装置之间设有与水平方向成45°的第一反射镜，所述加工激光通过所述第一反射镜反射到所述第一聚焦装置上，穿过所述第一聚焦装置的所述成像光透射过所述第一反射镜后被所述探测采集装置接收。

6.如权利要求5所述的激光加工头，其特征在于，所述探测采集装置与所述第一聚焦装置之间设有小孔光阑，所述小孔光阑的小孔与所述第一聚焦装置同轴。

7.如权利要求6所述的激光加工头，其特征在于，所述小孔光阑与所述第一 反射镜之间设有第三聚焦装置。

8.如权利要求5所述的激光加工头，其特征在于，所述小孔光阑与所述第一聚焦装置之间设有滤光片。

9.如权利要求8所述的激光加工头，其特征在于，还包括安装于所述第一反射镜一侧的准直扩束装置，所述加工激光在所述准直扩束装置上扩束和准直后被所述第一反射镜反射到所述第一聚焦装置上。

10.一种激光加工设备，其特征在于，包括采用权利要求1-9任意一项的激光加工头、升降装置和控制系统；所述激光加工头可在所述升降装置上升降，所述控制系统根据所述成像光在所述探测采集装置上呈现的能量大小和位置调节所述激光加工头的高度位置；且调节所述激光加工头的高度位置的同时，保持所述探测光焦点与所述加工激光焦点始终重合。