CN204893208U - 一种激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光加工系统，属于激光加工设备技术领域，包括框架、激光器、激光头、第一固定架和反射镜；所述框架包括横梁和支撑梁，所述激光器固定连接在所述框架上；所述激光头内设有聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧；所述第一固定架设于横梁上，所述反射镜和激光头均与第一固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行，本实用新型的激光加工系统稳定性好、加工效率高、结构简单。

Description

一种激光加工系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工设备技术领域，具体而言，涉及一种激光加工系统。

背景技术

由于激光技术及其应用的不断发展，激光加工技术越来越受到人们的重视，经过40多年的发展，至今已经成为先进制造技术的重要组成部分，目前被广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等领域，有着巨大的经济效益和社会效益，应用前景十分的广阔。激光加工为无接触加工，加工速度快，无噪声，可以实现各种复杂面型的高精度的加工目的。且加工过程中无“道具”磨损，对工件无“切削力”。具体的应用主要有：激光焊接，激光打孔，激光切割，激光表面热处理等。

对于复杂工件的加工，通常情况下是结合机械设计等，利用激光束易于导向、聚焦和发散的特点，根据加工的要求，设计得到不同的光斑尺寸和密度。并通过外光路系统来改变光束的方向，构成各种加工系统，用于加工各种复杂元件。对于有特殊结构的元件，往往需要改变外光路系统进而避开不需要加工的部分。外光路系统的稳定性对于激光的加工影响很大，而且一定程度上限制了加工的效率。

对于工件的打孔，传统的激光加工器由于其聚焦后具有较大的发散角，准直度有所降低，因此打出的孔壁会具有一定的倾斜角度，旋转打孔虽然一定程度上解决了垂直度的问题，但是其加工效率低，稳定性不高。

所以，传统的激光加工器存在对于复杂元件的加工效率低、稳定性差的缺点。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种加工效率高、稳定性好的激光加工系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种激光加工系统，包括框架、激光器、激光头、第一固定架和反射镜；

所述框架包括横梁和支撑梁，所述激光器固定连接在所述框架上；

所述激光头内设有聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧；

所述第一固定架设于横梁上，所述反射镜和激光头均与第一固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行。

进一步，所述激光加工系统还包括第二固定框架，所述第二固定架设于所述横梁上，所述反射镜为3个，其中2个所述反射镜与第二固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体。

进一步，所述激光加工系统还包括2个伺服电机，所述横梁上设有水平方向的第一导轨，所述第一固定架内侧和第二固定架内侧均设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨相配合，所述伺服电机分别固定连接于横梁的两端，所述伺服电机的轴分别与第一固定架和第二固定架固定连接。

进一步，所述框架为“门”形，所述支撑梁为2个，所述支撑梁底部均设有第二导轨和第二滑块，所述第二导轨和所述第二滑块相配合，所述第二导轨与所述第一导轨垂直，所述伺服电机为4个，其中2个伺服电机的轴分别与所述支撑梁固定连接。

进一步，所述反射镜表面镀有对激光器输出的激光高反射率的膜。

进一步，所述激光头还包括变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之间。

进一步，所述变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜组成。

本实用新型的有益效果如下：

1、利用双轴晶体的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，相比于传统的高斯光束，在光束传播方向上先后形成两个焦点，且两焦点之间光束先发散成环形后再次汇聚，根据这样的特性，利用空心环形部分绕过小尺寸的障碍物，后焦点直接作用于工件加工面进行加工，加工效率提高；

2、利用双轴晶体的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，在焦像平面处，环形光束的发散角几乎为0，即波矢方向发散角很小，用于激光切割得到的孔垂直度较好，稳定性高；

3、利用变焦系统将瓶状光束成像，根据需要调节第一凸透镜和第二凸透镜之间的距离，即可得到不同光场半径的环形光束，适用于各种工件的加工，无需改变外光路系统，加工效率高；

4、采用第一固定架、第二固定架和框架可滑动的设计，实现二维方向上移动激光头，移动后无需再调节反射镜，提高加工效率；

5、根据待加工工件的厚度、材质等，调节第一固定架和第二固定架的位置，即调节激光光路长度，得到适合的激光能量，调节快速简便，提高加工效率，同时不破坏激光光路的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的光束传输路线示意图；

图3为本实用新型的激光头内部结构示意图。

图中：1—框架，11—横梁，12—支撑梁，13—第一导轨，14—第二导轨，2—激光器，3—激光头，31—聚焦透镜，32—双轴晶体，33—第一凸透镜，34—第二凸透镜，35—瓶状光束，36—前焦点，37—焦像平面，38—后焦点，39—像面，4—第一固定架，5—第二固定架，61—反射镜，62—反射镜，63—反射镜，71—伺服电机，72—伺服电机，8—入射光束。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1和图2所示，一种激光加工系统，包括框架1、激光器2、激光头3、第一固定架4、第二固定架5、反射镜61、反射镜62、反射镜63、2个伺服电机71和2个伺服电机72；所述框架1为“门”形，包括横梁11和2个支撑梁12，所述激光器2固定连接在所述框架1上。所述横梁11上设有水平方向的第一导轨13，所述第一固定架4和第二固定架5均为“工”形，第一固定架4和第二固定架5均横跨于横梁11上，所述第一固定架4内侧和第二固定架5内侧均设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨13相配合，横梁11为槽型结构，伺服电机72位于横梁11的槽内，所述伺服电机72的轴分别与第一固定架4和第二固定架5固定连接，分别带动第一固定架4和第二固定架5沿第一导轨13移动，反射镜63和激光头3均与第一固定架4固定连接，反射镜61和反射镜62固定连接于第二固定架5的一端。所述支撑梁12底部均设有第二导轨14和第二滑块，所述第二导轨14和所述第二滑块相配合，所述第二导轨14与所述第一导轨13垂直，2个伺服电机71的轴分别与所述支撑梁12固定连接，伺服电机72固定连接于工作台上，伺服电机72带动框架1移动。

如图3所示，所述激光头3内设有聚焦透镜31、双轴晶体32和变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体32的一侧，所述聚焦透镜31的焦点位于双轴晶体32和变焦系统之间，所述聚焦透镜31和其焦点分别位于所述双轴晶体32的两侧；所述变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜33和第二凸透镜34组成。各个部件按照激光传输路径依次排列为：激光器1、反射镜61、反射镜62、反射镜63、聚焦透镜31、双轴晶体32、第一凸透镜33和第二凸透镜34。所述激光器2输出的激光与所述双轴晶体32的光轴平行。所述反射镜61、反射镜62和反射镜63表面均镀有对激光器2输出的激光高反射率的膜。

激光器2为固体激光器或气体激光器，发射的激光光束波长范围为全波段，激光器的能量范围，依据不同的加工方式需要选择输出能量，若是焦点加工需控制焦像平面处的功率密度小于损伤阈值，若是焦像平面加工需提高输出能量实现加工效果。

另，本实用新型还提供一种利用如上所述的激光加工系统进行激光加工的方法，包括以下步骤：

(1)如图2所示，根据加工的需要，调节第一固定架4和第二固定架5的位置，确定光路长度z＝l₁+l₂+l₃+l₄，其中，l₁为激光器2与反射镜61的距离，l₂为反射镜61与反射镜62的距离，l₃为反射镜62与反射镜63的距离，l₄为反射镜63与激光头3的距离；

(2)由激光器2输出的激光依次经过反射镜61、反射镜62和反射镜63反射后，将激光引入激光头3，得到入射光束8；

(3)入射光束8透过聚焦透镜31后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω，

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\λ}f}{{\mathrm{\π\ω}}_0\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\λ}z}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right)}^2}};$

其中，λ为入射光束8的波长，f为聚焦透镜的焦距，ω₀为入射光束8的束腰半径；

(4)会聚光束入射到双轴晶体32，入射时会聚光束与双轴晶体32光轴平行，透过双轴晶体32后，得到瓶状光束35，所述瓶状光束35具有双焦点(前焦点36和后焦点38)，并且焦像平面37处呈环形，如图3所示；

(5)利用瓶状光束35的后焦点38作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，后焦点38的像面39为加工平面，利用该像面39进行加工。利用双轴晶体32的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜31后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，相比于传统的高斯光束，在光束传播方向上先后形成两个焦点，且两焦点之间光束先发散成环形后再次汇聚，根据这样的特性，可以利用空心环形部分绕过小尺寸的障碍物，后焦点38直接作用于工件加工面进行加工。

对于瓶状光束35，根据双轴晶体32的圆锥折射公式，可以得到圆锥折射光束在焦像平面37处环形光束的半径R₀为

R₀＝Al，

$A=\frac{1}{n_2}\sqrt{(n_3-n_2)(n_2-n_1)},$

其中，l为双轴晶体32的长度，n₁、n₂和n₃分别为双轴晶体的三个主折射率，并且n₁<n₂<n₃。

焦像平面距聚焦透镜31的距离z_f为

$z_f=f+l(1-\frac{1}{n_2}),$

前焦点36距焦像平面37的距离Z_F为

$Z_F=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}Al\mathrm{\&omega;}\sqrt{\frac{2}{3}},$

后焦点38距聚焦透镜31的距离z_f+Z_F为

$z_f+Z_F=f+l(1-\frac{1}{n_2})+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}Al\mathrm{\&omega;}\sqrt{\frac{2}{3}},$

第一凸透镜33的焦距为f₁，第二凸透镜34的焦距为f₂，第一凸透镜33和第二凸透镜34之间的距离为d，根据变焦公式，变焦系统的焦距f_c满足

$\frac{1}{f_c}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}-d\&CenterDot;\frac{1}{f_1}\&CenterDot;\frac{1}{f_2},$

变焦系统的放大比m为

$m=\frac{f_c}{v-f_c},$

焦像平面37在变焦系统之后的像面39距变焦系统的距离u满足

$\frac{1}{u}=\frac{1}{f_c}-\frac{1}{v}.$

将瓶状光束35的后焦点38作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离为v，将v带入上述系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，从而确定变焦系统的焦距f_c，通过调节两透镜之间的距离d得到所需的焦距。根据成像关系得到对应的像面39，此为加工平面，将加工工件放置此处进行加工。

实施例二：

与实施例1相同部分不再赘述，不同的是：

本实用新型还提供一种利用如上所述的激光加工系统进行激光加工的方法，包括以下步骤：

(1)如图2所示，根据加工的需要，调节第一固定架4和第二固定架5的位置，确定光路长度z，设定后，加工过程中，第一固定架4带动激光头3沿第二导轨14移动的同时，第二固定架5与激光头3移动方向相同，并以激光头3的1/2速度移动，确保移动激光头3过程中保持恒定的光路长度z；

(2)由激光器2输出的激光依次经过反射镜6反射后，将激光引入激光头3，得到入射光束8；

(3)入射光束8透过聚焦透镜31后，得到会聚光束，会聚光束的束腰半径为ω；

(4)会聚光束入射到双轴晶体32，入射时会聚光束与双轴晶体32光轴平行，透过双轴晶体32后，得到瓶状光束35，所述瓶状光束35具有双焦点(前焦点36和后焦点38)，并且焦像平面37处呈环形；

(5)利用瓶状光束35的焦像平面37作为变焦系统物面，经过变焦系统成像后，利用该像面39进行打孔。本实用新型利用双轴晶体32的圆锥折射作用，将经过聚焦透镜31后的高斯光束转变成为圆锥折射光束，在焦像平面处，环形光束的发散角几乎为0，即波矢方向发散角很小，利用该焦像平面的像面39进行激光切割得到的孔垂直度较好，稳定性高。

将瓶状光束35的焦像平面37作为入射变焦系统的物面，其距离变焦系统的距离为v，将v带入实施例一的系统成像公式，根据加工需要确定系统放大比，确定变焦系统的焦距f_c，通过调节第一凸透镜33和第二凸透镜34之间的距离d得到所需的焦距。根据成像关系得到对应的像面39，此为加工平面，将加工工件放置此处进行加工。利用变焦系统可以实现加工光束横向尺寸的调节，以匹配加工要求

例如：激光器2输出的激光波长为λ＝532nm，聚焦透镜31的焦距为f＝100mm，束腰半径为ω₀＝400μm，经过聚焦透镜31后的会聚光束的束腰半径ω＝18μm。

双轴晶体32材料为KGW晶体，折射率为n₁＝2.013，n₂＝2.045，n₃＝2.086，其尺寸为长l＝30mm、宽w＝2mm、高d＝3mm，光轴方向沿与入射端面垂直方向。本实例中焦像平面处的圆环半径为R₀＝510μm，后焦点38距聚焦透镜31的距离为z_f+Z_F＝182mm。

变焦系统的两透镜焦距分别为f₁＝100mm,f₂＝100mm，根据加工需要，放大比设定为0.5，变焦系统距离后焦点38的距离v＝300mm，第一凸透镜33和第二凸透镜34之间的距离为d＝100mm。

将上述数据代入实施例一的公式，得到加工面处的光场半径为9μm。即该焦像平面37的像在加工面处的环形光束35半径为9μm，可利用该光束打孔。第一凸透镜33和第二凸透镜34的距离d通过控制程序可快速计算得到，通过调节两透镜之间的距离d即可调节作用于加工平面的光场半径。利用变焦系统将瓶状光束35成像，根据需要调节第一凸透镜33和第二凸透镜34之间的距离，即可得到环形光束35的不同光场半径的像39，适用于各种工件的加工，无需改变外光路系统，加工效率高。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括框架、激光器、激光头、第一固定架和反射镜；

所述框架包括横梁和支撑梁，所述激光器固定连接在所述框架上；

所述激光头内设有聚焦透镜和双轴晶体，所述聚焦透镜和聚焦透镜的焦点分别位于所述双轴晶体的两侧；

所述第一固定架设于横梁上，所述反射镜和激光头均与第一固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体，所述激光器输出的激光与所述双轴晶体的光轴平行。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括第二固定框架，所述第二固定架设于所述横梁上，所述反射镜为3个，其中2个所述反射镜与第二固定架固定连接，按照激光传输路径依次排列为：激光器、反射镜、聚焦透镜和双轴晶体。

3.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光加工系统还包括2个伺服电机，所述横梁上设有水平方向的第一导轨，所述第一固定架内侧和第二固定架内侧均设有第一滑块，所述第一滑块与所述第一导轨相配合，所述伺服电机分别固定连接于横梁的两端，所述伺服电机的轴分别与第一固定架和第二固定架固定连接。

4.根据权利要求3所述的激光加工系统，其特征在于，所述框架为“门”形，所述支撑梁为2个，所述支撑梁底部均设有第二导轨和第二滑块，所述第二导轨和所述第二滑块相配合，所述第二导轨与所述第一导轨垂直，所述伺服电机为4个，其中2个伺服电机的轴分别与所述支撑梁固定连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的激光加工系统，其特征在于，所述反射镜表面镀有对激光器输出的激光高反射率的膜。

6.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光头还包括变焦系统，所述变焦系统设置在所述双轴晶体的一侧，所述聚焦透镜的焦点位于双轴晶体和变焦系统之间。

7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述变焦系统由共光轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜组成。