CN215316308U - 用于固定超快激光光纤的装置及机加工设备 - Google Patents

Abstract

一种用于固定超快激光光纤的装置，包括支撑架、第一固定件、第二固定件和第三固定件。支撑架包括架顶、架底和架体，架体位于架顶和架底之间。第一固定件设置于架顶，用于对从激光发生器引出的光纤初段进行固定。第二固定件设置于架顶，用于固定光纤中段。第三固定件设置于架体，用于固定光纤的末段，并引导光纤的末端朝向架底。第一固定件的上端低于第二固定件的上端，形成高度差，使得所述的光纤初段和所述的光纤中段被固定于不同的高度上。本实用新型提供的装置通过对激光器光源、光纤和激光头的充分固定显著减少激光光斑的漂移，避免机加工设备的振动对光源和光纤的影响，造成加工精度的下降。

Description

用于固定超快激光光纤的装置及机加工设备

技术领域

本实用新型涉及一种位置固定和防震动装置，尤其涉及一种固定激光光纤的装置，防止在利用超快激光实施机加工时，光纤因震动而断裂。

背景技术

激光器，特别是脉冲激光器被广泛应用于工业生产。其中，超快光纤激光器，即脉宽为皮秒或飞秒量级，至少以光纤为部分传输通路的一种激光器，其一般有激光发生器、光纤和激光头三部分组成。工业级的超快光纤激光器的光纤部分一般都很粗(直径10mm以上，一般为20mm)，其弯折半径较大(一般为R100mm以上)且其光纤长度均为2m，无法进行调整(即在超快光纤激光器中光纤部分除了用于传输激光，还用于滤除发散光，改变光纤长度将显著影响光束质量)，而一般脉冲激光器光纤的弯折半径为R50mm或更小，且其光纤长度范围通常为3-10米，光纤长度改变不影响激光光束的质量，即光束能量分布接近理想高斯分布的程度。

总的来说，脉冲光纤激光器可以较容易地集成于包括具有回转轴在内的多轴机床上，光纤很少限制激光头随着机械直线轴或回转轴运动而运动，激光头固定妥当的情况下，光源的振动、光纤的牵拉及弯折基本不影响光束质量和光斑位置，而将超快光纤激光器集成在具有转台或摆头的多轴机床上具有挑战性，即使激光头充分固定，其光源的微观振动、光纤的牵拉、弯折及光纤长度的改变都会影响光束质量和光斑位置。

因此，目前在机加工领域，为了将激光应用于多轴加工机床，通常搭载脉冲光纤激光器，但是激光脉宽无法达到皮秒量级，对材料的加工主要以热融为主，难以获得精细的加工切口。

另一种则是以飞行光路方式(而非光纤)传输激光的超快激光器，虽然能够获得皮秒量级激光，且无需使用光纤，即通过增设由许多透镜和反射镜等部件组成的光路系统，不再借助于光纤，而形成激光光速，制造难度高，成本大，且飞行光路难以批量化调试，使用中也容易发生光路污损。

因此，需要一种技术方案将脉宽为皮秒或飞秒量级的激光引入机加工中，同时，能够保持激光光束质量和光斑位置稳定。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种装置，以固定超快激光光纤，避免因机加工过程中发生的振动和牵拉，保持激光光速质量和光斑位置稳定。

本实用新型的另一个目的在于提供一种装置，以固定超快激光光纤，并在基本避免光纤扭转且尽量减少空间占用的前提下，使水平入射光纤的激光光束随着光纤换向而转换为朝下射向地面的激光光束。

本实用新型的另一个目的在于提供一种装置，以固定超快激光光纤，利于在机加工设备上使用，能够适应于机加工的生产环境，满足精密加工(如：切口加工)的需要。

通常理解的激光，系原子因受激而辐射的光，原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。激光的形态可分为连续激光和脉冲激光。依据激光的脉冲宽度特性分为热激光和冷激光。

激光发射器如：但不限于纳秒、飞秒或皮秒激光器，产生的激光如：红外、红外、蓝光、绿光、紫光或极紫光。

超快激光是指输出激光的脉冲宽度在1×10^-10秒～1×10^-12秒，即皮秒级别，或小于皮秒级别的脉冲激光。超快激光器涉及的核心部件包括振荡器、展宽器、放大器和压缩器等。

在机加工中，所称的工件通常是用于制造零件或部件的材料或半成品，是机械加工过程中的加工对象。即对工件实施机加工后，得到符合加工或设计要求的产品。

精密加工，指加工精度和表面质量达到极高程度的加工技术。比如：刀具加工中，尺寸、直线度、轮廓度、表面粗糙度、刃尖圆弧半径、加工精度均高于达到微米级。

轴类工件，即具有长度是直径至少3倍。

机加工设备(或机加工中心)，系具有多个运动轴的加工设备。即在右手直角坐标系中，沿直线方向移动的X、Y和Z轴，以及分别绕X、Y和Z轴的回转的A轴、B轴和C轴。

机加工设备，如：数控机床，通常加载了各项控制软件，以代码形式接收和发出各项指令对工件实施自动化加工。

超快激光器射出的激光先射入一段腔道，再自腔道射出后，再进入激光投射中继部件，激光投射中继部件改变激光的传播路径后再射出激光，最后由出光部件接收后射出，用于对工件实施加工。激光在腔道内传播，在腔道的出口端沿着直线传播，自出光部件射出的激光聚焦于该回转轴范围内，即以与回转轴为中心半径100mm的圆面内。

一种装置，用于固定长度为2m±0.2m的光纤，包括：

支撑架，其包括架顶、架底和架体，架体位于架顶和架底之间；

第一固定件，其设置于架顶，用于对从激光发生器引出的光纤初段进行固定；

第二固定件，其设置于架顶，用于固定光纤中段；

第三固定件，其设置于架体，用于固定光纤的末段，并引导光纤的末端朝向架底；

第一固定件的上端低于第二固定件的上端，形成高度差，使得光纤初段和光纤中段被固定于不同的高度上；

光纤初段和光纤中段均呈弯曲状。

光纤初段和光纤中段固定于第一固定件和第二固定件上，并呈连续弯曲状分布，自光纤初段至光纤中段的走向上，光纤段被不断抬高，形成仰角为10°～50°。

本实用新型的装置，其还包括若干固定夹，设置于第二固定件上利于光纤的固定，各个固定夹的最大间距为250mm，优先选择的间距为180mm。

本实用新型的装置，固定夹还设置于第一固定件上，利于光纤的固定。

本实用新型的装置，固定夹还设置于第三固定件上，利于光纤的固定。

光纤初段和光纤中段固定于第一固定件和第二固定件上，自光纤初段至光纤中段的走向上，固定夹将光纤段逐渐抬高，形成仰角为10°～50°。

第二固定件还包括：

第一支撑件，包括第一面，与光纤接触，仰角为10°～50°；

第二支撑件，包括第二面，与光纤接触，仰角为10°～50°；

第三支撑件，包括上端面，高于第二固定件的上端。

第一支撑件和第二支撑件呈掎角，间隙处可见第三支撑件。优先选择的，第一支撑件和第二支撑件呈镜像对称分布，间隙处可见第三支撑件。

优先选择的，第一仰角和第二仰角相等。

光纤初段的长度为，其中从激光发生器引出的一段光纤不设置固定夹，长度为200mm～300mm，如：200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm和300mm，该长度优先选择250mm。

一种本实用新型的装置，其还包括架座，支撑架安设于架座上，以降低机加工发生的振动，材质如：大理石。

另一种本实用新型的装置，其还包括减振件和架座，减振件为大理石，架座为钢结构，减振件设置于架座上，支撑架安设于减振件上，以进一步降低机加工发生的振动。

为了便于本装置在机加工设备上的应用，在装置上还设置滑台，滑台至少包括一件反射镜，通过电机驱动滑台沿着激光束方向上下移动，使得反射镜实现激光束在竖直方向不同高度上的反射而构成单轴激光装置。

本实用新型提供的装置，通过对激光器光源、光纤和激光头的充分固定显著减少激光光斑的漂移，避免机加工设备的振动对光源和光纤的影响，造成加工精度的下降。

本实用新型提供的装置，通过固定光纤激光器并整体集成于Z轴方向之上，可以方便地将超快光纤激光器集成于多轴激光加工机床上，实现和非光纤式超快激光器相同的加工精度，还能显著降低机床制造和维护成本。

附图说明

图1为本实用新型装置一实施例的示意图；

图2为图1所示本实用新型装置另一角度的局部示意图；

图3为俯视本实用新型装置另一实施例的局部示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本实用新型的技术方案。本实用新型实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

图1为本实用新型装置一实施例的示意图，图2为图1所示本实用新型装置另一角度的局部示意图。如图1和图2所示，本实用新型的装置包括支撑架400，以及设置于支撑架400上的第一固定件100、第二固定件200和第三固定件300。支撑架400包括架顶410、架底430和架体420，架体420位于架顶410和架底430之间。第一固定件100设置于架顶410上，第二固定件200设置于架顶410上，第三固定件300设置于架体420侧。在架顶410上还设置激光发生器500。

本实施例中，用于实施超快激光的光纤600长度为2m±0.2m，其从激光发生器500处引出的光纤初段610固定于第一固定件100上，呈弯曲状。光纤中段620被固定于第二固定件200上，同样呈弯曲状。第一固定件100的上端低于第二固定件200的上端，形成高度差，光纤初段和光纤中段固定于第一固定件和第二固定件上，使得光纤初段610和光纤中段被固定于不同的高度上，自光纤初段至光纤中段的走向上，光纤段被不断抬高，形成仰角为10°～50°，如：10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°和50°。第三固定件300设置于架体420，用于固定光纤600的末段630，并引导光纤600的末端朝向架底430。光纤末端与激光头700相连，将激光光速导入激光头700。

为了加强光纤600与第二固定件200的接触和固定，还在第二固定件200上设置若干固定夹800，各个固定夹800的最大间距为250mm，优先选择的间距为180mm。

本实施例中，还在第一固定件100和第三固定件200上设置固定夹800，从激光发生器500引出的一段光纤不设置固定夹固定，长度为200mm～300mm，如：200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm和300mm，该长度优先选择250mm。光纤初段610和光纤中段620固定于第一固定件100和第二固定件200上，自光纤初段610至光纤中段620的走向上，固定夹800将光纤段逐渐抬高，形成仰角为10°～50°，如：10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°和50°。

为了便于对光纤初段和光纤中段进行联系固定，增加固定件的操作便利性，并完成光纤600从激光发生器500引出后自然转向，避免光纤损坏，并最终使得光纤末端朝向架底430，第二固定件200包括第一支撑件210、第二支撑件220和第三支撑件230。第一支撑件210包括与光纤600接触的第一面211，第一仰角A为10°～50°，如：10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°和50°。第二支撑件220包括与光纤600接触的第二面221，第二仰角为10°～50°，如：10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°和50°。图3为俯视本实用新型装置另一实施例的局部示意图。如图3所示，第一支撑件210和第二支撑件220呈掎角，间隙处可见第三支撑件230。优先选择的，第一支撑件和第二支撑件呈镜像对称分布。第三支撑件230的上端面231高于第一固定件100的上端。光纤呈弯曲状，自光纤初段至光纤中段的走向上，光纤段被不断抬高

将本实施例的支撑架400设置于包括架座900上，架座900由大理石制成，以降低机加工发生的振动。或先将大理石制成减振件(未示出)，形状如：板状和柱状等，架座900则由钢结构制成，减振件设置于架座上，再将支撑架400安设于减振件上，以进一步降低机加工发生的振动。

在架座900上还设置滑台，滑台至少包括一件反射镜，通过电机驱动滑台沿着激光束方向上下移动，使得反射镜实现激光束在竖直方向不同高度上的反射而构成单轴激光装置。

根据GB/T 27662：2011/ISO 11670：2003标准对采用本实施例的方案固定的激光器和未固定激光器的激光光束位置和指向稳定性进行对比测试，光束位置测试结果如下表1和表2所示，光束指向稳定性测试结果如下表3和表4所示。可见经过对光纤的固定，激光光束的指向和位置稳定性都更高。

表1光束位置稳定性测试报告(光纤固定)

表2光束位置稳定性测试报告(光纤未固定)

表3光束指向稳定性测试报告(光纤固定)

表4光束指向稳定性测试报告(光纤未固定)

另，采用分辨率为0.05瓦的热敏功率仪器对以不同仰角(10°、25°和50°)固定的激光束进行功率测量以评估光纤传播效率，结果如下表5所示。经验证，采用仰角有助于降低功率，且仰角不宜过大，以减少光功率在传播中的耗散。

表5

Claims (18)

1.一种用于固定超快激光光纤的装置，其特征在于包括：

支撑架，其包括架顶、架底和架体，架体位于架顶和架底之间；

第一固定件，其设置于架顶，用于对从激光发生器引出的光纤初段进行固定；

第二固定件，其设置于架顶，用于固定光纤中段；

第三固定件，其设置于架体，用于固定光纤的末段，并引导光纤的末端朝向架底；

所述第一固定件的上端低于所述的第二固定件的上端，形成高度差，使得所述的光纤初段和所述的光纤中段被固定于不同的高度上；

所述的光纤的长度为2m±0.2m，光纤初段和光纤中段均呈弯曲状。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光纤初段和所述的光纤中段固定于所述的第一固定件和所述的第二固定件上，并呈连续弯曲状分布，自所述的光纤初段至所述的光纤中段的走向上，光纤段被不断抬高，形成仰角为10°～50°。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的仰角选自于10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°和50°。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括若干固定夹，各个所述固定夹的最大间距为250mm。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的固定夹设置于所述的第二固定件上利于光纤的固定。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的固定夹设置于所述的第一固定件上利于光纤的固定。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的固定夹设置于所述的第三固定件上利于光纤的固定。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括若干固定夹，将所述的光纤初段和所述的光纤中段固定于所述的第一固定件和所述的第二固定件上，自所述的光纤初段至所述的光纤中段的走向上，所述的固定夹将光纤段逐渐抬高，形成仰角为10°～50°。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括若干固定夹，设置于所述的第一固定件、所述的第二固定件和所述的第三固定件上，从激光发生器引出的一段光纤不设置固定夹，长度为200mm～300mm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第二固定件包括：

第一支撑件，包括第一面，与所述的光纤接触，第一仰角为10°～50°；

第二支撑件，包括第二面，与所述的光纤接触，第二仰角为10°～50°；

第三支撑件，包括上端面，高于所述第二固定件的上端。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的第一支撑件和所述的第二支撑件呈掎角，间隙处可见所述的第三支撑件。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的第一支撑件和所述的第二支撑件呈镜像对称分布，间隙处可见所述的第三支撑件。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的第一仰角选自于10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°或50°。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的第二仰角选自于10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°或50°。

15.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的第一仰角与所述的第二仰角相等。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括架座，支撑架安设于架座上，以降低机加工发生的振动。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括滑台，所述的滑台至少包括一件反射镜，通过电机驱动滑台沿着激光束方向上下移动，使得反射镜实现激光束在竖直方向不同高度上的反射而构成单轴激光装置。

18.一种机加工设备，其特征在于包括权利要求1所述的装置。

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