CN217618372U - 一种激光切割光路设备及激光切割头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光切割光路设备及激光切割头，该激光切割光路设备包括：激光束焦点位置测量装置以及本体；所述激光束焦点位置测量装置安装在所述本体内的激光束出光光路上，所述激光束焦点位置测量装置包括：半透半反镜和光束分析相机；半透半反镜为平面镜，且固定设置在所述本体的内壁，所述光束分析相机位于所述激光束的主光路的外侧，且所述半透半反镜的半反射面与光束分析相机的接收面相对设置；所述光束分析相机根据所述半透半反镜反射的反射光，确定所述激光束出射的焦点位置。该激光切割光路设备，能够测量激光束实际的焦点位置，并得出激光束实际的焦点位置与预设的焦点位置的差值，以便作出补偿。

Description

一种激光切割光路设备及激光切割头

技术领域

本实用新型涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光切割光路设备及激光切割头。

背景技术

激光切割机是将从激光器发射出的激光，经激光切割光路设备，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而达到切割的目的。

由于激光切割光路设备主要由多个光学镜片组成，光学镜片长时间工作时，光学镜片的温度会升高，从而发生温漂现象，即光学镜片的技术参数发生变化，使得激光束出射的焦点位置偏离预设焦点位置。而激光束出射的焦点位置偏离预设焦点位置，会导致激光切割机的切割质量变差。故传统的激光切割光路设备存在的缺陷有：无法在激光切割过程中实时测量激光束实际的焦点位置。

因此亟需提供一种能够在激光切割过程中测量激光束焦点位置的激光切割光路设备及激光切割头。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种激光切割光路设备及激光切割头，其解决了传统的激光切割光路设备无法测量激光束焦点位置的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

第一方面，本实用新型实施例提供一种激光切割光路设备，包括：激光束焦点位置测量装置以及本体；

所述激光束焦点位置测量装置安装在所述本体内的激光束出光光路上，所述激光束焦点位置测量装置包括：半透半反镜和光束分析相机；

半透半反镜为平面镜，固定设置在所述本体的内壁上，所述光束分析相机位于所述激光束的主光路的外侧，且所述半透半反镜的半反射面与光束分析相机的接收面相对设置；

所述光束分析相机根据所述半透半反镜反射的反射光，确定所述激光束出射的焦点位置。

可选地，所述半透半反镜与所述激光束的光轴夹角为25°-65°；

所述光束分析相机位置固定设置在所述本体的内壁上，其相机接收面与主光束经所述半透半反镜反射的反射光束的光束轴垂直，且所述光束分析相机位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

可选地，还包括激光束焦点位置调节装置；

沿着所述激光束的出光方向，所述激光束焦点位置调节装置位于所述激光束焦点位置测量装置的前方，且所述激光束焦点位置调节装置与所述半透半反镜同光轴。

可选地，所述激光束焦点位置调节装置包括：

移动机构以及沿着所述激光束出光方向依次设置的准直镜和聚焦镜；

所述移动机构安装在所述本体(17)的内部，所述移动机构的输出端与所述准直镜连接，所述准直镜在所述移动机构的驱动下沿着所述激光束的光轴前、后移动，接近或远离所述聚焦镜，用以调节所述激光束的焦点位置。

可选地，所述聚焦镜为非球面聚焦镜，所述非球面聚焦镜一面为凸的非球面，另一面为平面；

所述非球面聚焦镜凸的非球面的曲率半径为20-210mm。

可选地，还包括：非球面轴锥镜；

沿着所述激光束的出光方向，所述非球面轴锥镜位于所述聚焦镜的后方，且所述非球面轴锥镜与所述聚焦镜同光轴；

所述非球面轴锥镜一面为凸的非球面，另一面为平面。

可选地，所述非球面轴锥镜凸面的边缘两侧为轴锥面，中心为弧状非球面，所述轴锥面的锥角为0.05°-2.5°，所述中心弧状非球面的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的30％-70％，所述中心弧状非球面的曲率半径为40-210mm。

可选地，还包括：板材击透状态监测装置；

所述板材击透状态监测装置，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测所述板材的击透状态；

所述板材击透状态监测装置包括：第一反射镜和第一光传感器；

所述第一反射镜位于主光路的一侧，所述第一光传感器位于主光路的另一侧，所述第一反射镜与所述第一光传感器相对设置；

所述第一反射镜与所述激光束的光轴夹角25°-75°。

可选地，还包括：板材切割状态监测装置；

所述板材切割状态监测装置，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；

所述板材切割状态监测装置包括：第二反射镜和第二光传感器；

所述第二反射镜位于主光路的一侧，所述第二光传感器位于主光路的另一侧，所述第二反射镜与所述第二光传感器相对设置；

所述第二反射镜与所述激光束的光轴夹角25°-75°。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种激光切割头，包括上述的激光切割光路设备。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：本实用新型的激光切割光路设备，由于包括：激光束焦点位置测量装置以及本体；所述激光束焦点位置测量装置，设置在激光束的出光光路上，包括：半透半反镜和光束分析相机；设置在所述出光光路上的半透半反镜为平面镜，所述光束分析相机位于所述激光束的主光路的外侧，且所述半透半反镜的半反射面与光束分析相机的接收面相对设置；所述光束分析相机根据所述半透半反镜反射的反射光，确定所述激光束出射的焦点位置，与现有技术而比，能够测量激光束实际出射的焦点位置，并得出激光束实际的焦点位置与预设的焦点位置的差值，以便作出补偿，使激光束实际的焦点位置始终与预设的焦点位置重合，从而大幅提升激光束长时间切割的切割质量，确保厚板材的切割断面一致。

附图说明

图1为本实用新型的激光切割光路设备的实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型的激光切割光路设备的实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型的激光切割光路设备的实施例2的激光束传输过程示意图；

图4为图3中的非球面轴锥镜调节激光束模式的示意图；

图5为本实用新型的激光切割光路设备的实施例3的结构示意图；

图6为本实用新型的激光切割光路设备的实施例3的激光束传输过程示意图。

【附图标记说明】

1：半透半反镜；2：光束分析相机；3：第一准直镜；4：第二准直镜：5：非球面聚焦镜；6：非球面轴锥镜；7：第一反射镜；8：第二反射镜；9：第一光传感器；10：第二光传感器；11：出光点；12：板材平面；13：中心弧状非球面；14：两侧轴锥面；15：中心光束；16：侧方光束；17：本体。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。在本实施例中，沿光纤输出方向，靠近出光点11的为“前”，远离出光点11的为“后”。

实施例1：

参照图1，本实例提供一种激光切割光路设备，包括：激光束焦点位置测量装置以及本体17；本体17呈圆筒状，内部为激光束出光光路。激光束焦点位置测量装置安装在本体17内的激光束出光光路上，所述激光束焦点位置测量装置包括：半透半反镜1和光束分析相机2；半透半反镜1为平面镜，固定设置在所述本体17的内壁上。所述光束分析相机2位于所述激光束的主光路的外侧，且所述半透半反镜1的半反射面与光束分析相机2的接收面相对设置；所述光束分析相机2根据所述半透半反镜1反射的反射光，确定所述激光束出射的焦点位置。

此外，半透半反镜1与激光束的光轴夹角为25°-65°。光束分析相机2固定设置在本体17的内壁上，其相机接收面与主光束经半透半反镜1反射的反射光束的光束轴垂直，且光束分析相机2位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

本实施例的激光束焦点位置测量装置的工作原理如下：激光束经过半透半反镜1时，半透半反镜1将包含0.1％～0.2％能量的部分激光束反射并聚焦至光束分析相机2附近。另外，包含99.8％～99.9％能量的激光束经过半透半反镜1，并聚焦在板材平面12上，用于切割板材12。光束分析相机2检测反射光束，分析反射光束的焦点位置信息，并利用光的镜像对称性质，推算出激光束出射的实际焦点位置，再与激光束预设的焦点位置比对，得出焦点位置温漂数值。最后，激光切割光路设备可根据焦点位置温漂数值调整激光束出射的焦点位置，保证激光束实际焦点位置的准确性和稳定性，从而大幅提升激光长时间切割的质量。

本实用新型的激光切割光路设备，由于采取半透半反镜1和光束分析相机2，半透半反镜1将包含0.1％～0.2％能量的部分激光束反射并聚焦至光束分析相机2附近，光束分析相机2检测反射光束，分析反射光束的光束焦点位置信息，并利用光的镜像对称性质，推算出激光束出射的实际焦点位置，与现有技术相比，其能够测量激光束实际出射的焦点位置，并得出激光束实际的焦点位置与预设的焦点位置的差值，以便作出补偿，使激光束实际的焦点位置始终与预设的焦点位置重合，大幅提升激光束切割的质量。

实施例2：

参照图2和图3，本实例提供另一种激光切割光路设备，与实施例1不同的是，还包括：激光束焦点位置调节装置。激光束焦点位置调节装置，位于激光束的出光光路上，且沿着激光束的出光方向，激光束焦点位置调节装置位于激光束焦点位置测量装置的前方，激光束焦点位置调节装置与半透半反镜1同光轴。

具体地，激光束焦点位置调节装置包括：移动机构(图中未示出)以及沿激光束出光方向依次设置的准直镜、非球面聚焦镜5、非球面轴锥镜6。移动机构安装在本体17的内部，移动机构的输出端与准直镜连接，准直镜在所述移动机构的驱动下沿着所述激光束的光轴前、后移动，接近或远离非球面聚焦镜5，用以调整所述激光束的焦点位置。使用时，首先通过激光束焦点位置调节装置将激光束的焦点位置调整至预设位置；然后，激光束对板材进行切割，而在切割过程中，激光束焦点位置测量装置测量激光束实际的焦点位置；最后，当激光束实际的焦点位置偏离预设焦点位置时，激光束焦点位置调节装置再次将激光束的焦点位置调整至预设焦点位置，以保证激光束长时间切割的质量。

此外，由于传统的激光切割光路设备仅包括一个准直镜，准直镜的焦距固定不变，激光切割光路设备输出的激光束的焦点光斑大小和发散角受准直镜的焦距影响也无法改变。参见图2和图3，为了调节焦点光斑大小和激光出射发散角，本实施例的准直镜的数量为两个，包括第一准直镜3和第二准直镜4。移动机构的输出端分别与第一准直镜3、第二准直镜4连接，移动机构能够驱动第一准直镜3和/或第二准直镜4沿激光光束的光轴前、后移动，以获得与板材厚度匹配的光斑大小、激光束出射的发散角以及焦点位置。需要进一步说明的是，在使用过程中，先调整第一准直镜3与第二准直镜4之间的距离，以获得与板材厚度匹配的光斑大小和激光束出射的发散角；然后，保持第一准直镜3与第二准直镜4之间的距离不变，移动机构再驱动第一准直镜3与第二准直镜4沿着光轴同步移动，以调整激光束出射的焦点位置。

具体地，第一准直镜3的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面。第一非球面和第二非球面的曲率半径可以相同，也可以不同。此外，第一准直镜3的第一非球面或第二非球面，均可以朝向第二准直镜4设置。

第二准直镜4为非球面的凹凸型准直镜，第二准直镜4凸的非球面的曲率半径优选为25-200mm。第二准直镜4的布置方式为：所述第二准直镜4凹的非球面朝向所述第一准直镜3设置，第二准直镜4凸的非球面朝向非球面聚焦镜5设置。

非球面聚焦镜5一面为凸的非球面，另一面为平面，非球面聚焦镜5凸的非球面的曲率半径优选为20-210mm。其中，非球面聚焦镜5可以正、反放均可，即非球面聚焦镜5凸的非球面朝向第二准直镜4凸的非球面设置，或者非球面聚焦镜5的平面朝向第二准直镜4凸的非球面设置。需要说明的是，非球面聚焦镜5的位置固定，用于将准直光聚焦在切割焦点位置。

通过上述镜片的各种组合，本实施例的激光切割光路设备的变焦倍数为1.2-4倍，第一准直镜3和第二准直镜4的组合焦距为50-166mm。

参见图4，非球面轴锥镜6一面为凸的非球面，另一面为平面。非球面轴锥镜6的位置也固定，并且其凸面的边缘两侧为轴锥面14，中心为中心弧状非球面13，轴锥面14的锥角在0.05°-2.5°之间，中心弧状非球面13的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的30％-70％，中心弧状非球面13的曲率半径为40-210mm。非球面轴锥镜6将激光束由高斯分布转化为近似平顶光束分布。高斯分布又称正态分布，即激光束的每一个横截面为一个光斑，光斑的强度从中心向两侧减弱。近似平顶光束分布，即光斑中心的强度和两侧的强度一致，切割板材效果更好。

在本实施中，非球面轴锥镜6凸的非球面朝向非球面聚焦镜5。此外，非球面轴锥镜6平面也可以进向非球面聚焦镜5设置，即非球面轴锥镜6正、反放均可。

本实施例的非球面轴锥镜6的工作原理如下：非球面轴锥镜6之前的激光束为球面波，球面波即由点光源反射而出，向外扩展，沿半径传播时强度逐渐减弱。汇聚后的激光束经过非球面轴锥镜6后，被分为两部分，第一部分为经过中心弧状非球面13的中心光束15，中心光束15在非球面轴锥镜6的后方仍呈球面波聚焦后发散(球面波经过中心弧状非球面13后仍为球面波)，第二部分为经过两侧轴锥面14的侧方光束16，侧方光束16被轴锥面14转化为宽度固定的条状平面波直线传播。在中心光束15焦点后方，中心光束15与侧方光束16叠加，形成近似平顶光束分布，类似于平面波，即激光束中间和两侧的强度相同，其切割板材时切割质量更好。

实施例3：

参照图5和图6，本实施例提供另一种激光切割光路设备，在实施例1的基础上，该激光切割光路设备还包括：材击透状态监测装置。

该板材击透状态监测装置，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测板材的击透状态。

具体地，板材击透状态监测装置包括：第一反射镜7、第一光传感器9。第一反射镜7位于主光路的一侧，第一光传感器9位于主光路的另一侧，第一反射镜7与第一光传感器9相对设置；第一反射镜7，用于反射激光束击透板材过程中产生的第一波段光信号，并将第一波段光信号反射至所述第一光传感器9；第一光传感器9根据第一波段光信号与上一时间点的第一波段光信号的光强的比较，确定是否击穿。当板材被击透时，第一光传感器9接收的第一波段光信号的光强发生阶跃性下降，第一光传感器9捕捉到板材击透时间点，并控制激光切割光路设备在板材击透时间点后立即开始后续切割，从而降低击透板材过程中的冗余时间，提高板材的加工效率。

第一反射镜7位置固定，与光轴X的夹角优选为25°-75°。第一波段光信号波长为300～900nm。

本实施例的板材击透状态监测装置可以设置一组，也可沿对角线或沿周向设置多组。

进一步地，该激光切割光路设备还包括板材切割状态监测装置。该板材切割状态监测装置，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测板材的切割状态。

具体地，本实施例的板材切割状态监测装置包括：第二反射镜8和第二光传感器10。第二反射镜8，用于反射激光束切割板材过程中产生的第二波段光信号，并将第二波段光信号反射至第二光传感器10；第二光传感器10根据第二波段光信号与上一时间点的第二波段光信号的光强的比较，确定板材切割是否异常。

当板材切割异常时，第二光传感器10接收的第二波段光信号的光强发生阶跃性上升，第二光传感器10捕捉到切割异常发生的时间点，再根据切割异常发生的时间点得出激光切割板材异常的位置，并控制激光切割光路设备返回重新切割，从而降低切割产品不良率，实现节省原材料的同时提高板材的切割效率。

优选地，第二反射镜8位置固定，与光轴X夹角为25°-75°。第二波段光信号波长为400～600nm内。

本实施例的板材切割状态监测装置可以设置一组，也可沿对角线或沿周向设置多组。

本实施例还提供一种激光切割头，包括上述的激光切割光路设备以及数控装置，数控装置与分别与激光束焦点位置测量装置、激光束焦点位置调节装置、板材击透状态监测装置以及板材切割状态监测装置电连接，实现上述装置的自动化控制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种激光切割光路设备，其特征在于，包括：激光束焦点位置测量装置以及本体(17)；

所述激光束焦点位置测量装置安装在所述本体(17)内的激光束出光光路上，所述激光束焦点位置测量装置包括：半透半反镜(1)和光束分析相机(2)；

所述半透半反镜(1)为平面镜，固定设置在所述本体(17)内的激光束出光光路上，所述光束分析相机(2)位于所述激光束的主光路的外侧，且所述半透半反镜(1)的半反射面与光束分析相机(2)的接收面相对设置；

所述光束分析相机(2)根据所述半透半反镜(1)反射的反射光，确定所述激光束出射的焦点位置。

2.根据权利要求1所述的激光切割光路设备，其特征在于：所述半透半反镜(1)与所述激光束的光轴夹角为25°-65°；

所述光束分析相机(2)固定安装在所述本体(17)的内壁上，其相机接收面与主光束经所述半透半反镜(1)反射的反射光束的光束轴垂直，且所述光束分析相机(2)位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

3.根据权利要求1所述的激光切割光路设备，其特征在于：还包括激光束焦点位置调节装置；

沿着所述激光束的出光方向，所述激光束焦点位置调节装置位于所述激光束焦点位置测量装置的前方，且所述激光束焦点位置调节装置与所述半透半反镜(1)同光轴。

4.根据权利要求3所述的激光切割光路设备，其特征在于：所述激光束焦点位置调节装置包括：

移动机构以及沿着所述激光束出光方向依次设置的准直镜和聚焦镜；

所述移动机构安装在所述本体(17)的内部，所述移动机构的输出端与所述准直镜连接，所述准直镜在所述移动机构的驱动下沿着所述激光束的光轴前、后移动，接近或远离所述聚焦镜，用以调节所述激光束的焦点位置。

5.根据权利要求4所述的激光切割光路设备，其特征在于：所述聚焦镜为非球面聚焦镜(5)，所述非球面聚焦镜(5)一面为凸的非球面，另一面为平面；

所述非球面聚焦镜(5)凸的非球面的曲率半径为20-210mm。

6.根据权利要求4所述的激光切割光路设备，其特征在于：还包括：非球面轴锥镜(6)；

沿着所述激光束的出光方向，所述非球面轴锥镜(6)位于所述聚焦镜的后方，且所述非球面轴锥镜(6)与所述聚焦镜同光轴；

所述非球面轴锥镜(6)一面为凸的非球面，另一面为平面。

7.如权利要求6所述的激光切割光路设备，其特征在于：所述非球面轴锥镜(6)凸面的边缘两侧为轴锥面(14)，中心为弧状非球面(13)，所述轴锥面(14)的锥角为0.05°-2.5°，所述中心弧状非球面(13)的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的30％-70％，所述中心弧状非球面(13)的曲率半径为40-210mm。

8.如权利要求1所述的激光切割光路设备，其特征在于：还包括：板材击透状态监测装置；

所述板材击透状态监测装置，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测所述板材的击透状态；

所述板材击透状态监测装置包括：第一反射镜(7)和第一光传感器(9)；

所述第一反射镜(7)位于主光路的一侧，所述第一光传感器(9)位于主光路的另一侧，所述第一反射镜(7)与所述第一光传感器(9)相对设置；

所述第一反射镜(7)与所述激光束的光轴夹角25°-75°。

9.如权利要求1所述的激光切割光路设备，其特征在于：还包括：板材切割状态监测装置；

所述板材切割状态监测装置，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；

所述板材切割状态监测装置包括：第二反射镜(8)和第二光传感器(10)；

所述第二反射镜(8)位于主光路的一侧，所述第二光传感器(10)位于主光路的另一侧，所述第二反射镜(8)与所述第二光传感器(10)相对设置；

所述第二反射镜(8)与所述激光束的光轴夹角25°-75°。

10.一种激光切割头，其特征在于：所述激光切割头包括权利要求1-8任一项所述的激光切割光路设备。

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