CN209062370U - 一种激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光加工装置，包括激光发射器，平凸棱锥透镜、振镜和场镜，所述激光发射器产生激光光束，沿着激光光束光路的前进方向，依次设置平凸棱锥透镜、振镜和场镜，经过依次设置的平凸棱锥透镜和振镜后，通过场镜聚焦产生环形激光光斑。本实用新型的一个技术效果在于，实用新型能够改变激光加工装置的钻孔方式，提高钻孔效率。

Description

一种激光加工装置

技术领域

本实用新型涉及加工器械技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种激光加工装置。

背景技术

激光是一种高能量密度的光束，现有技术中常用的激光光斑是如图1中所示的圆形实心结构。现有的激光器发出的光是一种高斯光束，中间光强强，边缘光强弱。

在使用激光钻孔时，如图2中所示的，高能量区域的激光束透过材料后不再与材料发生反应，只留下边缘能量弱的激光束继续与材料反映。因为其能量弱，只能通过延长加工时间的形式加工钻孔，加工效率较低；由于长时间的高温接触，容易引起塑料加工物件的碳化以及起泡反应，导致钻孔边缘效果差。

在使用激光打标时，激光聚焦光斑直径只有几微米到几十微米，激光在产品面标刻时是如图3所示的单光斑模式，这样标刻后的字体非常精细。而在需要打标粗体字样，需要扩宽线体时，仅改变光斑直径使得激光能量分散而会降低打标效率以及打标效果。在现有技术中，通常采用如图4所示的方式对线体进行加宽，优势在于灵活性高，线宽的可扩展范围大。但是这种打标方式在高速画圆的同时又要向前高速推进，如图5所示的容易在配合过程中出现偏差，导致点间距变大，线条间隔也变大，加工质量变差，而简单的减小移动速度，会增加激光与产品的作用时间，导致产品热量累积严重，加工效果变差，并且加工效率变低。

因此，有必要提供一种改进的激光加工装置来解决上述的至少一个问题。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种激光加工装置的新技术方案。

根据本实用新型的一个方面，提供一种激光加工装置，包括激光发射器，平凸棱锥透镜、振镜和场镜，所述激光发射器产生激光光束，沿着激光光束光路的前进方向，依次设置平凸棱锥透镜、振镜和场镜，经过依次设置的平凸棱锥透镜和振镜后，通过场镜聚焦产生环形激光光斑。

可选地，还包括调节平台，所述平凸棱锥透镜设置在所述调节平台上，所述调节平台能够沿着平行于激光发射器产生的激光光束的方向滑动。

可选地，还包括扩束镜，所述扩束镜设置在所述激光发射器与所述平凸棱锥透镜之间，所述扩束镜增大所述平凸棱锥透镜的入射激光光束的直径。

可选地，沿着激光发射器产生的激光光束的光路方向，在所述平凸棱锥透镜之前依次设置有第一准直镜和鲍威尔棱镜。

可选地，沿着激光发射器产生的激光光束的光路方向，所述平凸棱锥透镜之后设置有第二准直镜，平凸棱锥透镜的出射激光光束经过第二准直镜形成中空圆柱形的激光光束。

可选地，所述平凸棱锥透镜的材质为UVFS。

可选地，所述平凸棱锥透镜的顶角角度范围为90°-179.98°。

可选地，还包括外壳，所述激光发射器，平凸棱锥透镜、振镜和场镜设置在所述外壳内。

可选地，还包括控制组件，所述控制组件至少与所述振镜电连接。

可选地，所述激光加工装置为激光打标机或激光钻孔机。

本实用新型的一个技术效果在于，实用新型能够改变激光加工装置的钻孔方式，提高钻孔效率。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是现有技术中的激光光斑。

图2是现有技术中激光钻孔结构示意图。

图3是现有技术中单线体标刻示意图。

图4是现有技术中加宽线体标刻结构示意图。

图5是现有技术中加宽线体标刻案例的示意图。

图6是一些实施例的结构示意图。

图7是一些实施例中平凸棱锥透镜的原理结构示意图。

图8是一些实施例中产生的激光光斑的结构示意图。

图9是一些实施例中激光钻孔的结构示意图。

图中：1激光发射器，11激光光束，12激光光斑，2平凸棱锥透镜，21顶角，3振镜,31反光镜，32X向电机，33Y向电机，4场镜，5扩束镜，6鲍威尔棱镜，7第一准直镜，8第二准直镜。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本实用新型提供的一种激光加工装置，在一些实施例中，如图6-9中所示的，包括激光发射器1，平凸棱锥透镜2、振镜3和场镜4。所述激光发射器1用于产生激光光束11。沿着激光光束11光路的前进方向，依次设置平凸棱锥透镜2、振镜3和场镜4。所述平凸棱锥透镜2为在圆柱体的顶面上凸起一个圆锥体，原理如图7中所示的，所述激光光束11经过平凸棱锥透镜2之后的出射光能够折射成为中空的锥形光束，图中：r1＝1/2Db；R＝L tan[(n-1)α)]；2α＝180-θ；2β＝2sin-1(n sin(α/2))-α；R是圆环外径；r1是环形光斑的环宽，即圆环外径R减内径r的长度；L是平凸棱锥透镜和环形光斑所在平面之间的距离，n是平凸棱锥透镜最底端和锥型底端的距离，α是锥底角度，θ是锥顶角度。所述振镜3中通常包括有两个反光镜31以及与两个反光镜31分别连接的X向电机32和Y向电机33，X向电机32和Y向电机33带动反光镜31摆动，改变反光镜31的角度，以此来改变激光光束11的前进方向，控制激光光束11偏转，使得激光光束11能到达预设的工作面；进一步的，可以是使得激光光束11按照预设轨迹在工作面内移动。所述场镜4用来降低经过振镜3反射后的激光光束11在后面系统中的投射高度，提高边缘光束入射到指定工作面的能力，起到聚焦的作用。最终，使得所述激光发射器1产生的激光光束11经过依次设置的平凸棱锥透镜2和振镜3后，能够通过场镜4聚焦产生环形的激光光斑12。

本实用新型在应用加工时，通过环形的激光光斑12进行激光加工，相比较于现有技术中同样的激光光束形成的同直径大小的实心光斑，本实用新型将激光的全部能量集中于圆环处，环形的激光光斑12在激光照射区域的单位面积中的能量显然更高，应用于激光钻孔时，直接作用于孔的边缘，钻孔效率更高，并且由于效率高，钻孔处的热反应时间短，边缘效果也会更好。例如，图1和图8中所示的，在需要钻一个0.05mm的孔时，现有技术中实心激光光斑密度分布和经过平凸棱锥透镜改善后的环形激光光斑密度分布；

能量密度公式P＝Q/S；

其中Q表示激光光斑的能量，S表示激光光斑的大小；

因为是同一束激光产生的光斑，所以Q是一样的，所以两者的能量密度比值即为两者光斑面积的比值：

P1表示图1的能量密度，P2表示图8的能量密度，那么P2/P1＝1.5625，改善后的光斑能量密度是之前的1.5625倍。

现有技术的激光在钻孔过程中因为中间能量密度高，材料首先在中间位置被钻透，随着钻孔的持续，激光光斑中间部分会穿过材料不再与材料发生反应，而实心的激光光斑边缘能量弱，要延长加工时间烧蚀而不是通过瞬时峰值功率冲击的形式加工成所需的通孔，或者说持续增加钻孔时间边缘的热量累积到一定数值才能形成所需的通孔，钻孔效率较低，时间较长。而在本实用新型中，经过改善的激光的能量密度全部集中在圆环处，此处的能量密度高，在钻孔过程中可以只作用于边缘地带，改变了现有的钻孔方式，能够更加快速的形成所需的通孔，提高了激光钻孔的效率。

另一方面，本实用新型应用于激光打标时，平凸棱锥透镜2对激光光束11有扩束发散的作用，将能量作用于圆环处，在打标时也直接将能量作用于边缘区域，相比较于没有经过平凸棱锥透镜2的激光光束，在相同的能量密度下，本实用新型能够在更宽的范围内移动而不影响其打标效率，能够起到扩宽线宽的效果，能量不会过于分散，通过环形激光光斑的平移即可达到线宽展宽的效果，不需要使用较小直径的实心激光光斑进行画圈或者螺旋形前进的方式来达到线宽展宽的效果，振镜就可以以一个高速状态进行工作，有效的提高打标效率，同时也保证了打标的质量要求。

在一些实施例中，还包括调节平台，所述平凸棱锥透镜2设置在所述调节平台上，所述调节平台能够沿着平行于激光发射器1产生的激光光束11的方向滑动，通过平凸棱锥透镜2位置的改变，能够改变经过平凸棱锥透镜2之后的锥形激光光束的终端直径大小，从而改变最终经过场镜4聚焦后的环形的激光光斑12的直径大小，使得本实用新型在应用于加工过程中时，能够根据实际需要进行调整环形的激光光斑12的直径大小，满足使用需求。

在一些实施例中，还包括扩束镜5，所述扩束镜5设置在所述激光发射器1与所述平凸棱锥透镜2之间，所述扩束镜5增大所述平凸棱锥透镜2的入射激光光束11的直径。通过更换不同的扩束镜5，使得所述平凸棱锥透镜2的入射激光光束11的直径不同，能够在不移动所述平凸棱锥透镜2的情况下调节经过场镜4聚焦后的环形的激光光斑12的直径大小。

在一些实施例中，如图6中所示的，沿着激光发射器1产生的激光光束11的光路方向，在所述平凸棱锥透镜2之前依次设置有第一准直镜7和鲍威尔棱镜6。现有的激光器发出的激光是一种高斯光束，因为激光谐振腔发出的基模辐射场的横截面的振幅分布遵守高斯函数。其光斑密度并不是均匀的，而是中间光强强，边缘光强弱的分布形式。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，它使激光光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。经过鲍威尔棱镜后的激光光束是一种能量密度均匀的扇形光，扇形的角度可控制在1度—90度不等，在鲍威尔棱镜之后加上第一准直镜可以把扇形光准直成平行光。通过在所述平凸棱锥透镜2之前加入第一准直镜7和鲍威尔棱镜6，能够将激光光束优化成为光密度均匀、直线性好的一条直线。消除了高斯光束中心热点和边缘能量非均匀分布的问题，使得经过平凸棱锥透镜和场镜的共同作用后被聚焦成的环形激光光斑12上的能量分布相对均匀。

在一些实施例中，如图6中所示的，沿着激光发射器1产生的激光光束11的光路方向，所述平凸棱锥透镜2之后设置有第二准直镜8，平凸棱锥透镜2的出射激光光束11经过第二准直镜8形成中空圆柱形的激光光束11，将发散的光束约束为平行光束，便于适应现有加工装置的光路系统并与之进行结合使用，降低现有加工装置的改造成本，提高其通用性。

进一步的，本实用新型中的平凸棱锥透镜可以采用UVFS等光学材料制成。所述平凸棱锥透镜2的顶角21角度范围为90°-179.98°。进一步的，在一些实施例中，可以包括有多个顶角角度不同的平凸棱锥透镜，多个平凸棱锥透镜能够在所述激光发射器与振镜之间替换，以此来改变环形的激光光斑12的直径大小。再进一步的，在所述激光加工装置中可以包括有转轮机构，所述多个平凸棱锥透镜分别设置在转轮机构的转轮上，所述转轮的轴向与激光管束平行，通过转轮转动替换所述激光发射器与振镜之间的平凸棱锥透镜。

在一些实施例中，所述激光加工装置还包括外壳，所述激光发射器1，平凸棱锥透镜2、振镜3和场镜4设置在所述外壳内，进行封装保护。

在一些实施例中，所述激光加工装置还包括控制组件，所述控制组件至少与所述振镜3电连接，用以控制振镜3规划激光光束11的偏转。所述控制组件可以包括工控机以及工控机内的控制软件等，提高控制精度，减少人工。还可以与其他与元件电连接，例如与激光发射器电连接，可以控制激光发射器开关、激光发射器输出功率变化、激光发射器频率调整等。

进一步的，在实际应用中，所述激光加工装置可以为激光打标机或激光钻孔机等激光加工设备。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括激光发射器，平凸棱锥透镜、振镜和场镜，所述激光发射器产生激光光束，沿着激光光束光路的前进方向，依次设置平凸棱锥透镜、振镜和场镜，经过依次设置的平凸棱锥透镜和振镜后，通过场镜聚焦产生环形激光光斑。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括调节平台，所述平凸棱锥透镜设置在所述调节平台上，所述调节平台能够沿着平行于激光发射器产生的激光光束的方向滑动。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括扩束镜，所述扩束镜设置在所述激光发射器与所述平凸棱锥透镜之间，所述扩束镜增大所述平凸棱锥透镜的入射激光光束的直径。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，沿着激光发射器产生的激光光束的光路方向，在所述平凸棱锥透镜之前依次设置有第一准直镜和鲍威尔棱镜。

5.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，沿着激光发射器产生的激光光束的光路方向，所述平凸棱锥透镜之后设置有第二准直镜，平凸棱锥透镜的出射激光光束经过第二准直镜形成中空圆柱形的激光光束。

6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述平凸棱锥透镜的材质为UVFS。

7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述平凸棱锥透镜的顶角角度范围为90°-179.98°。

8.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括外壳，所述激光发射器，平凸棱锥透镜、振镜和场镜设置在所述外壳内。

9.根据权利要求1-8任一所述的激光加工装置，其特征在于，还包括控制组件，所述控制组件至少与所述振镜电连接。

10.根据权利要求1-8任一所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置为激光打标机或激光钻孔机。